垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)及其發(fā)展前景

林毅貞 伍玩秋 潘新宇

【摘? 要】與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)方法、安全性、環(huán)境保護(hù)、發(fā)電效率、經(jīng)濟(jì)效益、結(jié)構(gòu)、維護(hù)等方面具有系列優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素是制約垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的兩大因素?；趶V闊的市場空間和已經(jīng)取得的技術(shù)進(jìn)步，在政策引導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)杠桿的積極推動(dòng)下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將呈現(xiàn)廣闊的發(fā)展前景。

【Abstract】Compared with horizontal-axis wind turbines， vertical-axis wind turbines have a series of advantages in blade design method， safety， environmental protection， power generation efficiency， economic benefit， structure， maintenance and other aspects. Technical factors and economic factors are the two major factors restricting the development of vertical-axis wind turbines. Based on the broad market space and the technological progress that has been made， under the positive promotion of policy guidance and economic leverage， the vertical-axis wind turbines will present a broad development prospect.

【關(guān)鍵詞】垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;優(yōu)點(diǎn);影響因素;發(fā)展前景

【Keywords】vertical-axis wind turbines; advantages; influencing factors; development prospect

【中圖分類號】TM315? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）08-0169-03

1 引言

風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者來流方向的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組稱為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其主要的特征是旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行。由于一定的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)原因，目前國內(nèi)風(fēng)電場所使用的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，絕大部分是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。隨著風(fēng)能開發(fā)力度的不斷加大，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)技術(shù)研發(fā)及其應(yīng)用正日益受到重視，成為風(fēng)電裝備制造領(lǐng)域和風(fēng)電開發(fā)應(yīng)用的重點(diǎn)課題。

2 與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有系列優(yōu)點(diǎn)

2.1 支撐葉片設(shè)計(jì)的方法相對科學(xué)

目前，支撐水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)的主要是動(dòng)量-葉素理論，Glauert法和Wilson法是其常用的方法。但由于葉素理論忽略了各葉素間的流動(dòng)干擾，在應(yīng)用相關(guān)理論設(shè)計(jì)葉片時(shí)，忽略了翼型的阻力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，雖然這種簡化對于葉片外形設(shè)計(jì)影響較小，但對風(fēng)輪風(fēng)能利用率的影響卻比較大。同時(shí)，由于風(fēng)輪各葉片之間的干擾非常強(qiáng)烈，整個(gè)氣流較復(fù)雜，如果只依靠葉素理論，很難獲得精確的結(jié)果。

隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的技術(shù)快速發(fā)展，目前的CFD技術(shù)完全能夠在計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜外形下的復(fù)雜流動(dòng)，如葉片的激波運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)度、流動(dòng)的分離、表面壓力分布、渦的生成與傳播、受力大小以及力的變化等，都可以通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算并形象地在屏幕上顯示出來。運(yùn)用CFD方法設(shè)計(jì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片，其精度遠(yuǎn)比葉素理論高得多;同時(shí)，在CFD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面，對Darrieus式H風(fēng)輪，葉片的每個(gè)截面都相同，這樣就可以簡化為二維模型，使計(jì)算網(wǎng)格數(shù)大大下降。

2.2 安全性較高

①安全性。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)及工作原理，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可分為阻力型和升力型兩類。阻力型主要是利用空氣流過葉片時(shí)所產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動(dòng)力，而升力型則是利用空氣流過葉片時(shí)所產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片有Φ式、H式、S式、平板擺轉(zhuǎn)式、風(fēng)杯式等，相比于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三葉片，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片有良好的氣動(dòng)外形，輕便靈活、安全穩(wěn)定，主要受力點(diǎn)集中于輪轂，因此，葉片不容易脫落、斷裂和飛出。②抗風(fēng)能力。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使其減小受風(fēng)的壓力，有的可以抵抗45m/s的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。③制動(dòng)裝置。為了抵御強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要具備制動(dòng)剎車功能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置機(jī)械手動(dòng)及電子自動(dòng)制動(dòng)兩種制動(dòng)裝置，能有效地降低風(fēng)機(jī)在強(qiáng)風(fēng)速時(shí)的振動(dòng)，提高安全性和可靠性。

2.3 更環(huán)保

隨著越來越多的大型風(fēng)電場的建立，一些由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引發(fā)的環(huán)保問題也逐漸凸顯出來，包括噪聲和對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在這方面表現(xiàn)相對較佳。

①噪聲。垂直軸風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組的葉片應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)以及采用了水平面旋轉(zhuǎn)的方法，能使噪聲降低到在自然環(huán)境下監(jiān)測不到的程度。②對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境影響。水平軸風(fēng)輪的葉尖速比一般為5～7，在這樣的高速下，葉片切割氣流將會(huì)產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪聲，這將導(dǎo)致很多鳥類難以生存，民居、城市公共設(shè)施等成為風(fēng)電布局的禁區(qū)。而垂直軸風(fēng)輪的葉尖速比則比水平軸的小得多，一般是在1.5～2，基本上不產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲，達(dá)到了靜音的效果，完全可以避免上述問題的出現(xiàn)。

2.4 發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益更高

①回轉(zhuǎn)半徑更小，發(fā)電特性較佳。得益于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)原理，在保持相同功率的情況下，其回轉(zhuǎn)半徑可以做到更小，既節(jié)省空間，又提高了效率。相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，Darrieus式H型風(fēng)輪機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速只需2m/s即可，遠(yuǎn)低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)風(fēng)速。另外，垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率曲線上升幅度較平緩，在5～8m/s風(fēng)速范圍內(nèi)，其發(fā)電量比其他類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高10%～30%。

②利用風(fēng)速范圍較寬，風(fēng)能利用率較高。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了特殊的控制原理，把適合運(yùn)行的風(fēng)速范圍擴(kuò)大到2.5～25m/s，使它在最大限度利用風(fēng)力資源的同時(shí)，獲得更大的發(fā)電總量，提高了風(fēng)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾做過相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)測小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用率為23%～29%。而通過CFD模擬的結(jié)果來看，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率比水平軸的高，國外有機(jī)構(gòu)通過實(shí)驗(yàn)也表明，垂直軸風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)能利用率在40%以上。

2.5 結(jié)構(gòu)更合理，維護(hù)更方便

①疲勞壽命長。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片具有展向長、弦向短的特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，受到氣動(dòng)力、慣性力、彈性力和重力等的綜合作用，屬于交變載荷;同時(shí)，劇烈的振動(dòng)也會(huì)加速葉片材料的疲勞，減小其使用壽命。垂直軸風(fēng)輪的葉片則不同，在旋轉(zhuǎn)過程中的受力情況比水平軸好得多，所受到的慣性力與重力相對恒定，因此，其疲勞壽命要比水平軸的長。②結(jié)構(gòu)相對簡單，可以適應(yīng)不同方向的來風(fēng)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以接受任意方向的來風(fēng)，具有利用風(fēng)能的自適應(yīng)性，因此，它不需要安裝對風(fēng)專用的偏航裝置，既降低了機(jī)組成本，又可以減少風(fēng)輪對風(fēng)時(shí)的陀螺力，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。③抗形變能力較強(qiáng)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片呈懸臂梁形狀，展向較長，葉片容易發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，這些變形會(huì)使氣動(dòng)力發(fā)生改變，當(dāng)氣動(dòng)力與機(jī)械振動(dòng)相互作用時(shí)，會(huì)引起葉片顫動(dòng)，當(dāng)葉片的顫動(dòng)十分強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致葉片破壞。而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片形狀相當(dāng)部分是片狀結(jié)構(gòu)，空氣動(dòng)力性能優(yōu)越，輕便靈活，轉(zhuǎn)速也比較低，葉片不容易發(fā)生彎曲及扭轉(zhuǎn)變形，因此，使用壽命更長。④安裝維護(hù)方便。水平軸的發(fā)電機(jī)放置于幾十米，甚至上百米的高空，對發(fā)電機(jī)的安裝維護(hù)檢修都極不方便，而垂直軸的發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)等布置在風(fēng)輪的下部或地面上，利于安裝維護(hù)，方便檢修。

3 制約垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的主要因素

3.1 技術(shù)因素

影響垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展的技術(shù)因素主要有：

①垂直軸風(fēng)輪中的空氣流動(dòng)相對復(fù)雜。垂直軸風(fēng)輪中的空氣流動(dòng)屬于典型的嚴(yán)重分離非定常流動(dòng)，比水平軸風(fēng)輪中的空氣流動(dòng)復(fù)雜得多，不再適合用葉素理論來進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，而目前主要依賴CFD技術(shù)來設(shè)計(jì)。目前，CFD技術(shù)可以比較精準(zhǔn)地模擬分析復(fù)雜外形下的氣體流動(dòng)情況，但仍待進(jìn)一步完善和發(fā)展。這在一定程度上阻滯了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)和應(yīng)用步伐。②一些技術(shù)難點(diǎn)亟須突破。首先，葉片翼型須根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)它與葉片安裝攻角、風(fēng)輪適度等機(jī)械因素維持特定的匹配的組合時(shí)，風(fēng)機(jī)效率才高;偏離越多，則風(fēng)機(jī)效率衰減就越明顯。其次，即使風(fēng)輪機(jī)械因素處于最佳組合狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)也不一定能獲得最佳的發(fā)電效率，而只有發(fā)電機(jī)的功率扭矩曲線和風(fēng)輪的最佳功率扭矩曲線相同時(shí)，才能獲得最佳的發(fā)電效率。最后，風(fēng)輪可以在任意轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，要達(dá)到最佳功率的輸出效果，還必須控制轉(zhuǎn)速，使其工作在最佳的功率輸出狀態(tài)。因此，要使垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得最佳的效率并非易事，需解決的關(guān)鍵技術(shù)較多。例如，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的攻角控制就比較麻煩：由于其攻角在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷變化，即使風(fēng)速不變，只要葉片相對于圓周的位置不同，攻角也就不相同，因此，葉片控轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要有很高的靈活性和可靠性，而目前用于控制的數(shù)學(xué)模型還不成熟，尚無真正的應(yīng)用案例。

3.2 經(jīng)濟(jì)因素

當(dāng)前，我國的大型風(fēng)電場主要分布在平坦的內(nèi)陸地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)以及東南沿海，這些地區(qū)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大都采用兆瓦級的大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。一是由于大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)研發(fā)積淀深厚，具有較為豐富的應(yīng)用管理經(jīng)驗(yàn);而大中型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開發(fā)應(yīng)用史較短，布局較少，僅布局于貴州等少數(shù)內(nèi)陸地區(qū)。二是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)有技術(shù)條件下，具有較佳的性價(jià)比，基于企業(yè)利益的最大化和急功近利的心理，相當(dāng)部分的風(fēng)電開發(fā)企業(yè)和風(fēng)電裝備制造企業(yè)會(huì)選擇水平軸大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研發(fā)和投資方向;大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則由于其專項(xiàng)制造加工較復(fù)雜、控制系統(tǒng)可靠性要求較嚴(yán)苛、研發(fā)成本較高等原因而受到了抑制。

4 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展前景

4.1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)與其市場需求終將融合

相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有無須對風(fēng)向、無噪聲、安全可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)電資源的開發(fā);而廣大的內(nèi)陸地區(qū)，特別是城市和鄉(xiāng)村的道路兩旁邊、建筑物樓（房）頂?shù)榷际遣季种行⌒痛怪陛S風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的理想場所。但目前相應(yīng)的市場幾乎是空白的，這其中自然蘊(yùn)藏著巨大商機(jī)。伴隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與成熟，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)與其市場需求終將融合，開啟垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用的廣闊前景，成為未來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)的一個(gè)重要方向。

4.2 政策引導(dǎo)和資金扶助成為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的助推劑

在西歐的一些國家，小微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村屋頂，一些大中型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也開始應(yīng)用于山地和近海地區(qū)。我國的風(fēng)能資源豐富，人口相對稠密，在廣大城鄉(xiāng)居民聚集區(qū)域，推廣應(yīng)用中小微型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有積極的現(xiàn)實(shí)意義?？梢灶A(yù)見，隨著國家對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)和應(yīng)用推廣的扶持力度加大，在政策引導(dǎo)和經(jīng)濟(jì)杠桿的作用下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必將呈現(xiàn)出生機(jī)勃勃的發(fā)展勢頭。

4.3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)理論及技術(shù)成果喜人

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)也得到了飛速的發(fā)展，從最初的小擾動(dòng)速勢方程，再到歐拉方程及更加復(fù)雜的N-S方程，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，CFD已經(jīng)可以通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對流體流動(dòng)系統(tǒng)作出準(zhǔn)確的分析，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究提供了有力的技術(shù)支持。目前，可以采用微處理器控制葉片不同位置的擺角，根據(jù)功率要求和風(fēng)向與風(fēng)速來調(diào)節(jié)葉片的擺角，使葉片在各個(gè)位置都能產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。采用這種技術(shù)的達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其效率完全可以達(dá)到水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的水平。

目前，相關(guān)理論研究和技術(shù)研發(fā)也取得一些喜人的成果。例如，陳興華等以垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立了垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)主軸結(jié)構(gòu)跌落仿真模型，為磁懸浮支承結(jié)構(gòu)的保護(hù)裝置的改進(jìn)與優(yōu)化提供了理論參考依據(jù)。朱煌秋等結(jié)合磁通切換電機(jī)單位體積內(nèi)氣隙磁密大的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)三極混合磁軸承作為支承結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)。理論與試驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了低風(fēng)速啟動(dòng)，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。吳文凱等提出一種基于磁懸浮技術(shù)的小型垂直軸微風(fēng)發(fā)電單元的設(shè)計(jì)方案。相關(guān)裝置采用了主動(dòng)磁懸浮支承技術(shù)，有效降低了機(jī)械摩擦，進(jìn)而降低了發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速。基于目前的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)翼板只是做簡單的循環(huán)周期轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)翼板與豎直軸方向的夾角是固定不變的，因此，其受風(fēng)區(qū)域和有效面積受到了很大限制，王錦亞等提出了一種可將風(fēng)翼板的迎風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域進(jìn)行周期性變換的新型可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，達(dá)到了提高風(fēng)能利用效率的目的。山東中泰新能源集團(tuán)有限公司成功研發(fā)出50～100MW特大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電裝置，是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研發(fā)領(lǐng)域中令人鼓舞的一個(gè)嘗試。

5 結(jié)語

隨著國家系列政策和資金扶持力度的加大和企業(yè)科研責(zé)任意識的提高，與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)的研發(fā)氛圍將愈發(fā)濃厚和活躍，其優(yōu)勢和潛能將得以釋放，其潛在的市場將得到規(guī)模化的開發(fā)，系列喜人成果將陸續(xù)涌現(xiàn)并得以推廣應(yīng)用。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展和應(yīng)用必將迎來春天。

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