垂直轴风力发电机的发展历史及现状

2014-04-21何志宁刘座铭张宗珍

机械工程师 2014年2期

何志宁，刘座铭，张宗珍

（大连市中冶北方工程技术有限公司，辽宁大连116600）

0 引言

按照风力机转轴相对位置关系的不同可把风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机，各大科研机构和高校院所对于水平轴风力机的研究起步较早，研究成果也较多，是目前商业化程度高和技术较成熟的一种风力机，占整个风力发电机市场的97%。由于人们起初对于垂直轴风力机的认识不足，认为垂直轴风力机的尖速比不可能大于1、风能利用率低等缺点，致使垂直轴风力机长期得不到发展。随着计算流体力学的发展，实践证明垂直轴升力型风轮的尖速比可以大于1。相关研究表明，达里厄H型（Darrieus）风力机的尖速比可以达到6或更高，空气动力性能十分优异，并且风能利用率和成本造价也具有一定的优势，近年来受到各国［1，3］研究人员的广泛关注。

1 垂直轴风力机长期得不到发展的原因

与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机组有着诸多的优越性。但由于垂直轴风力发电机的研究晚于水平轴风力发电机，在垂直轴风力机出现之后的很长一段时间内，由于人们对它的认识不足，未引起足够的关注。以前在空气动力学以及构造力学等方面的技术积累较少，大型垂直轴风力机的研究相对滞后。但是对于小型升力型垂直轴风力发电机组来说，经过了多年的技术积累，以及计算流体的快速发展，小型升力型垂直轴风力机的研究已经取得了一定的成就，并开始逐步的商业化。在上世纪80年代中期，Musgrove型垂直轴风力机曾在市场上对水平轴风力机造成了一定的冲击，英国政府和中央发电局也对这种机型给予了一定的政策支持，在当时英格兰和威尔士地区应用十分广泛。

人们对垂直轴风力机认识上的偏差，主要是源于垂直轴风力机理论研究上的落后，水平轴风力发电机的叶片设计目前普遍采用的是动量—叶素理论，而垂直轴风力发电机的叶片设计以前也是按照这一理论来设计。由于垂直轴风力机风轮内的空气流动比水平轴风力机更加复杂，属于严重分离的非定常流动，用叶素理论进行计算分析，会导致计算结果误差较大，计算结果不准确，正是由于无法准确预测垂直轴风力发电机的气动特性，使得在其出现的很长一段时间都没有得到应有的关注。

2 垂直轴风力机的分类

垂直轴风力发电机按照工作原理来分可分为阻力型和升力型。依靠空气阻力产生旋转力矩来工作的称为阻力型风力发电机。S型（萨渥纽斯型）和涡轮型是阻力型垂直轴风力机的典型代表；利用风推动叶片凸凹两侧时产生的压力不同而产生旋转力矩来工作的成为升力型风力发电机。它是利用空气流经叶片而产生的升力作为旋转力矩来工作的。其叶片主要采用飞机机翼翼型横截面的形状，这类风力机主要包括达里厄型和直线翼型。供动力而设计的。如图1所示，它由两个半圆形风杯交错组合而成的。当风流过风轮时，会在叶片的凹凸两面上的产生阻力差，压差产生的力矩会驱动风轮转动。萨沃尼斯型垂直轴风力机在低风速的启动性能十分优异，可以不借助其他辅助装置进行自启动，但气动性能却并不理想，研究人员进行了多次设计改进，该型风力机的尖速比始终都没有超过1。因此，目前关于这种垂直轴风力机研究处于停滞的状态。

图1 萨沃尼斯型风力机

1）萨沃尼斯型。1925年芬兰人Savonius发明了一种利用空气阻力来做功的风力机，后来人们把它命名为萨沃尼斯型垂直轴风力机，该风力机最初是为航海帆船提

2）达里厄型。1925年法国工程师George Jeans Mary Darrieus发明了一种新型的垂直轴风力机，并命名为达里厄型垂直轴风力机，并在1931年为其提出了专利申请。达里厄型垂直轴风力机风轮叶片的形状有弯曲叶片和直叶片两种，如图2、图3所示。

弯叶片的设计可使风轮在转动时叶片不会受到离心力载荷，而只承受张力载荷，但这种叶片制造工艺复杂，成本较高。达里厄型直叶片风力机在风轮转动时叶片则需要承受由离心力而引起的弯曲应力，但是由于其叶片为直线型，加工制造相对容易。达里厄型垂直轴风力机的工作原理是：当风流过风轮时由叶片产生的升力为风轮提供旋转动力。

图2 弯叶片垂直轴风力机

图3 直叶片垂直轴风力机

20世纪70年代能源危机开始显现出来以后，风机研究才得到了一些学者和科研机构的重视。美国圣地亚（Sandia）国家实验室主要研究达里厄弯叶片垂直轴风力机，而英国的科研机构则将研究重点放在了达里厄直叶片垂直轴风力机上。1975年圣地亚实验室制造了一个17 m高的该型风机，其工作时长超过了10 000 h，运行状态良好。1988年，圣地亚实验室的研究人员，又制造了一个34 m高的达里厄型垂直轴风力机，该机的设计容量为500 kW，结果表明，该机在较大工作范围内（25～40 r/min）都有良好的表现。从此，达里厄型垂直轴风力机开始步入市场化，并在加福利尼亚州建立了风力发电场，建设500多台该型风机进行商业开发。

3）阻力型风机与升力型风机的气动特点比较。由Betz理论可知，风功率的最大理想利用系数约为0.59，但风轮叶片如何有效地获取风功率则是要研究的重点。早期东方的阻力型风力机和后期西方的升力型风力机都为后来的理论研究和实际应用打下了坚实的基础。