风力机特性概述

李志

（西藏自然科学博物馆，西藏 拉萨 850000）

化石能源的不断损耗和其不可再生的特点已经对人类的未来可持续发展战略产生了不可估量的影响。现在，很多发达国家和我国都对能源资源的利用实施有效的规划，都在向可再生能源领域进军。我国在2005 年颁布《中国可再生能源法》中明确规定了国内的可再生能源资源的重要战略地位，为国内的可再生能源的发展提供有效并且具有强有力的法律保障。

在许多国家，由于风力资源十分丰富，所以得到了充分的发展研究和开发利用。对风能资源的利用主要表现在风力发电方面，到2008 年底的时候，全球的风电机组的总装机容量早就超过了1×108kW。而在我国对风能的利用即风电机组总装机容量只达到了1200 万kW。在2009 年底时，全球的风力发电机装机总量达到了3.75 万兆瓦。全球风电平均每年都增加7×107kW，风电技术在电力市场中十分受欢迎［1］。风力发电事业在新能源和可再生能源在世界范围内得到了密切的关注，同时，也得到了最快的发展。风能不像其他可再生能源一样需要比较尖端的科研技术水平，风能其利用起来也比较方便简单。我国的风能资源极其丰富，对风能的规模化发展必将成为我国不可缺少的一部分。

风力机，也就是风力发电机组，是一种能够将风能有效的转化成为电能的机电装置。风电设备若要作为公共电网的电源进行使用，采用的是并网发电的工作方式，这是对风能规模化利用的一个例子。若是要在偏远的局部地区，由于电网的范围有限，通常采用的是可以独立运行的小型的风力发电的供电系统，一般用10kW 以下的小型风电机。在德国，风电机所产生的电量达到发电总量的百分之三；在英国，海上风电发电量约占可再生能源发电量的百分之二十一，陆上风电提供了大约32%的可再生能源发电量，所有的风力发电占英国发电总量的7.9%；在丹麦，风力发电量占电力消费总量的39%，创历史记录。丹风电行业协会首席执行官Jan Hylleberg表示，数据让人振奋，毫无疑问，丹麦大部分风电企业已走出经济危机的阴霾，这是业界努力工作、积极参与全球风电市场的结果。过去4 年，丹麦的西门子风能和维斯塔斯不断扩大了除中国外的全球风电市场，并网装机容量占比由2011年的33.1%增长至2014年的37%，带动了风电价值链上的各个行业。欧洲的风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Green-peace International）在2002 年的时候共同发表一份“风力12”的报告，勾画了风电事业在2020年达到世界电量百分之十二的蓝图［2］。

1 风力发电机的比较分析

风力机，也就是风力发电机组，是一种能够将风能有效的转化成为电能的机电装置。决定风力机效率的关键因素是风力机的叶片设计和动力学的性能。研究风力发电机组的性能是目前提高风力机发电效率的有效方法。目前，风力机的种类十分多，风力机已经得到了很好的发展，根据风力发电机组的用途、容量、叶片个数和风轮与塔架的相对位置进行了分类。按照风力机风轮主轴的位置分为：垂直轴风力机和水平轴风力机。按照风力机叶片的工作原理分为：升力型风力机和阻力型风力机。

1.1 按照风轮主轴位置的不同分类

1.1.1 垂直轴风力机。垂直轴风力机是一种叶轮围绕一个垂直轴进行旋转的风力发电设备，叶轮能够利用来自各个方向的风而转动起来，通过风能转化为机械能。变速箱及发电机放在靠近地面的地方。

垂直轴风力机可以根据通过风力机叶片的工作分类：

1.1.1.1 升力型风力机。升力型垂直轴风力机是利用风力发电机组的翼型的升力来做工，这里通过比较典型的Darrieus 型风力机（达里厄模型）来进行说明，Darrieus 型风力机的模型有许多类型，Darrieus 型风力机可以大致分为5种：Φ型；Y型；H型；菱形；三角形。

图1 Darrieus风力机的分类

D 式风力机基本上使用直叶片和弯叶片两种。现在的达里厄风力机多采用直形风叶，也有人称之为H 型风力机。H 型风力机的叶片数一般为2 至6 个。对于Φ 型风力机而言，其采用的弯叶片不承受离心力的负载，只要承受张力，因此能够使弯曲应力减到最小，而有更好的发电效率。Φ 型风力机叶片和H 型叶片比较，要承受相同的强度的风力，因为Φ 型叶片承受的张力比弯曲应力强，所以会更加轻便。但是Φ 型风力机也有缺陷，它的自启动性能比较差。H 型风力机其结构简单，但是需要利用横杆或者是拉索来克服高速运转时产生的离心力对叶片的负担，这就明显的降低了发电的效率。

图2 H型垂直轴风力发电机

达里厄风力机的优点有：达里厄风力机的叶片通过两端或中部固定在转轴上，更好地加大机械强度，可做得很轻巧；达里厄风力机不存在头重脚轻的状况，对塔架要求较低，适合用拉索固定，安装容易，检修也方便。但是达里厄风力机也存在不少的缺点：对风速的变化与负荷变化有着非常苛刻的要求；要保持平稳高效的运行十分困难；还不能够自动起动等。

1.1.1.2 阻力型风力机。阻力型垂直风力机是利用空气动力的阻力进行做工的设备。阻力型风力机还可以分为萨渥纽斯型、涡轮型、平板型、风杯型、马达拉斯型等。比较典型的萨渥纽斯（Savonius）型。Savonius阻力型垂直轴风力机如图3所示。

图3 Savonius阻力型垂直轴风力机

以下对萨渥纽斯型风力机进行简单的介绍：如图3 所示，萨渥纽斯型阻力型垂直风力机由两个对半圆柱组成，半圆柱的轴线是平行的，其有利有弊。有利的方面是这种风力发电机组的起动转矩比较大，弊端是由于叶轮周围产生不对称的气流，从而会产生一种侧向的推力。在理想的状态下，垂直轴二叶轮的S 型风力机的风能利用率可以达到百分之十五［3］。若是大型的风力机，受到了偏转力和极限应力的影响，很难利用萨渥纽斯型风力机。

随着近年来对垂直轴风力发电机组的不断深入研究，垂直轴风力机已经得到了很大的进展。垂直轴风力机的优秀的方面也渐渐被关注起来，垂直轴风力机的叶片在风力的驱动下旋转时所受的惯性力和重力的方向是恒定不变的，所以垂直轴风力机的使用寿命会比较长。垂直轴风力机虽然在我国还处在起步的阶段，但是我国也正在努力追赶着争取能够达到世界的领先水平，为了能够尽可能的提高风能资源的利用转化效率，我国在垂直轴风力机的启动和调控方面做了很好的研究。垂直轴风力机的机械结构十分紧凑，活动部件少，其可靠性比水平轴风力机更好。垂直轴风力机的发电机无需水平轴风力机的偏航系统，其启动风速十分小，产生的噪声也小，其发电机和变速箱可以直接放在叶轮下或者是地面上，有利于工作人员对垂直轴风力机的日常维护［4］。垂直轴风力机的成本大大降低，风能利用率较高和绿色低噪声环保，垂直轴风力机具有比较大的发展空间。

1.2 水平轴风力发电机

水平轴风力机的风轮是围绕水平的轴线进行旋转的，叶轮旋转平面大致上与风的入流方向保持着垂直，大型的水平轴风轮的叶片数一般上是3 片或者是2片，风轮的叶片要与旋转的平面形成一定的角度，叶轮、变速箱和发电机都装置在塔架的顶端。通过叶片数的多少来分为高速风力机（叶片数少）和低速风力机（叶片数多）。水平轴风力机如图4所示。

图4 水平轴风力机

虽然垂直轴风力机的应用要比水平轴风力机要早，早在中国利用风力发电采用的是阻力型垂直轴风车。但是，水平轴风力机的发展却要比垂直轴风力机成熟很多。水平轴风力机在国内外研究比垂直轴风力机要多得多，目前世界上各国应用比较广泛的风力机是水平轴风力机。之前，人们普遍认为水平轴风力机的风能利用率要比垂直轴风力机高，也由于垂直轴风力机自身在较低的风速下是很难进行自启动的。所以，对水平轴风力机的认识要比垂直轴风力机的认识要深入很多。

1.2.1 水平轴风力机的发展现状。水平轴风力机由于其技术特点尤其突出，风能的利用率高、机械结构紧凑等，是世界大型发电机的主要采取的技术，水平轴风力机已经占世界风电设备市场的百分之九十五。在对风力机的理论技术方面，水平轴风力机已经相当完善，技术水平也相对来说比较高。在大型的风电设备中，水平轴风力机是相当可观的，其可以利用的风能资源更加广泛，功率的输出也更稳当。

1.2.2 水平轴风力机的分类。水平轴风力机由于风轮与塔架的相对位置关系和风轮与风向的关系可以分为两类：上风向风力机和下风向风力机。风轮安装在塔架的上风位置（风首先通过风轮再穿过塔架）即风力发电机的风轮是面对风的方向，风轮在塔架“前面”，叫做上风型风力发电机。风轮安装在塔架的下风位置(风首先通过塔架再穿过风轮)即风力发电机的转子与风向相反，风力发电机的风轮再塔架“后面”则称为下风型风力发电机。通常情况下，风向风力机为了保证风轮能够迎风，需要采用相应的对风装置，但是下风向风力机比较不同，下风向风力机可以自己自动对风，很好的把风力机的结构进行了简化。可是下风向风力机并不是能够全部进行利用，吹向风力机的一小部分气流会绕过塔架而到达风轮，这样就增加了气流的不均匀性，这就是“塔影效应”，使得塔影效应明显，由于塔影效应，叶片等零部件的使用寿命和风力机的正常运行的安全性存在着较大的影响。由于下风向风力机存在“塔影效应”这种弊端，现在大型的风力机都是采用上风向的设计方式，减少了塔影效应。

上风向风力发电机必须有某种调向装置来保持风轮迎风，下风型风力发电机则能够自动对准风向，从而免除了调向装置。但对于下风型风力发电机，由于一部分空气通过塔架后再吹向风轮，塔架干扰了流经叶片的气流，形成所谓塔影效应，使风力发电机性能有所降低。上风型风力发电机在偏航系统(机构)失效时可能会转化为下风型风力发电机组。上风向风力机的优点是在风吹来的时候不会受到风机其他零部件的影响，风能的利用效率更加高。下风向风力机虽然会受到塔影效应的影响，对机组会有不利的影响，但是，目前有的小型风力机采用的是下风向风力机，因为下风向风力机可以自动进行偏航调整对风，大大降低了成本，而且，塔影效应对小风机的影响是不大的。

1.2.3 水平轴风力机的发展前景。

1.2.3.1 风力机的容量会增加。风力机的利用效率和单机容量正在随着科研的进步而逐渐提高。在1980年开始的时候，风力机的一般容量在30kW,风轮的叶轮的半径在7.5m。如今，最大的风力机的单机容量已经可以到达了6MW，风轮的半径已经超过了60m。在这短短的20年之间，风力机已经得到了十分快速的发展，风力机技术的成熟让大型风力机可以更加高效地利用风能资源。

1.2.3.2 定桨距和变桨距功率调节方式。（1）定桨距风力发电。定桨距是指当风速有变化的时候，桨距角是固定不变的。定桨距变速模式多采用在小型的风力发电机组，其桨叶是固定在转轴上的，风小转速低、风大转速高，当风速高的时候可以通过失速来遏制转速的快速升高来保护发电机组，也可以是定桨变速加上失速模式，这种模式在中型的风力机中也有应用。（2）变桨距调节型风力发电。变桨距是指可以通过叶片来控制桨距角的大小。近些年来，变桨距调节方式在大型的风力机设计中被广泛应用，其优点是载荷控制平稳、效率高和安全系数较高等特点。

1.2.3.3 风力发电不再限制在陆地。陆地上的风力发电受到土地限制、噪声污染、电网规模化等影响，风电机在陆地上的发展已经有很大的限制条件了，不能够很好地开发利用风能资源。为了解决这个问题，陆上风力发电已经逐渐向海上发展。海上的风能资源极其丰富，而且分布范围十分的广泛，是风力机应用的绝佳场所。在今后的风电技术发展进程中，海上风电事业的发展将是世界各国关注的方向。海上的风速要比陆地上的风速高很多，而且由于风湍流强度比较小，减少了风力机部件的负荷程度，能够很好的延长其使用寿命。欧盟的许多国家已经对海上的风能资源进行了比较规模的开发利用了。海上风能的开发技术虽然相对于陆地上风能资源的开发而言，其技术条件还不够成熟，但是，海上风能资源的开发却是具有巨大的现实意义和社会效益的。

1.3 漂浮式风电机组

漂浮式风电机组是一种新概念风力发电机。这种新型的风力发电机将几乎可以在任何地方工作。“漂浮式风力发电机”将充满氦气，升到距离地面300m 的空中捕捉强风，带动附在水平轴两端的发电机发电。“漂浮式风力发电机”停留在空中的动力由氦气装置提供，并且转子在风中旋转也可以提供一部分动力。发电机产生的电将通过连接在发电机上的电缆输送到地面。“漂浮式风力发电机”最初的市场目标为偏远的社区，据称，使用这种风机产生的电，电价较便宜。

2 风轮叶片

风轮的叶片是风力机的核心，风轮的转换效率与叶片翼型有着直接的关系，气流流过叶片时候产生的升力转换为所需的电能。过去风轮叶片的多是采用航空翼型［6］。现代风电技术的研究已经得到了相当大的发展，许多的国外机构已经为风电机开发出品种繁多的翼型。比较广泛得到应用的是NACA 翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型。

NACA 翼型是风轮叶片采用较多的翼型，这种翼型是由国家航空咨询委员会（NACA）提出的，得到了较好的应用。NACA翼型系列是由其厚度和中弧线叠加而形成的，其翼型的系列十分丰富［7］。

SERI 翼型针对不同叶片长度提供了三组翼型，SERI 翼型的优点是具有较高的升阻比和升力系数，而且在失速的时候对翼型表面的粗糙程度的要求比较低。

NREL 翼型主要用于大中型的叶片，NREL 翼型通过美国的国家可再生能源实验室（NREL）研制出来，因此成为NREL 翼型，其包括薄翼型族和厚翼型族。

FFA-W 翼型则是由瑞典航空研究所研制而成的，其包含了3 个翼型的系列，FFA-W1/FFA-W2/FFA-W3.这种翼型在失速的情况下具有良好的气动性能，具有较高的最大升力系数和升阻比。

李岩和田川公太郎［8］等制作了一台具有3 枚NACA0018 翼型叶片的直线翼垂直轴风力机模型，主要为了研究直线翼垂直轴风力机自起动性能与风力机叶片迎风角度的关系，采用了烟线法对风力机的静态流场进行可视化的实验进行研究，这提供了一种全新的实验方法，目的是探索垂直轴风力机的空气动力学特性。

3 总结

随着科研技术的不断进步，垂直轴风力机也得到了十分快速的发展，虽然垂直轴风力机的起步比较晚，但是取得的成就是有目共睹的。为了更好的研究风能，科研人员及相关工作人员有待进一步开发和利用风能的特性。

对于目前能源紧缺和环境保护的意识逐渐增强，风能资源已经成为了世界共同关注的资源，由于风能资源是可再生能源和低污染的特性，风电事业正在以前所未有的速度进行发展，风力机的市场需求也正在增加，其价值意义是不可估量的。风电设备制造行业对于市场面临的需求，不但需要有高水平的科研技术作为基础，还需要有创新的能力，如何在旧有的风力机技术上进行提升，改进风力机的对风能的利用效率，和如何高效得把风力资源转化为电能，这都需要科研人员的艰辛努力，和不懈奋斗。

垂直轴风力机将是以后市场的主要研究方向，而目前垂直轴风力机却在风电市场中所占比重比较小，原因是：（1）人们对水平轴风力机的认知要比垂直轴风力机要深，普遍认为水平轴风力机的风能利用率要比垂直轴风力机高。（2）垂直轴风力机在低风速下是很难自启动的，翼型设计和构造设计等很多的方面都相当的不成熟。但是垂直轴风力机却相对比水平轴风力机要好很多。水平轴风力机的叶片受力情况相当复杂，而且需要偏航系统来完成对风，维护等后续工程也很难。而垂直轴风力机不但寿命比水平轴风力机长，而且垂直轴风力机结构上紧凑可靠，发电机和变速箱等在叶轮下或地面十分便于维护。解决垂直轴风力机技术上的问题将成为国内外风电研究的方向。风力机的发展对现在的社会，和环境等方面将具有十分重要的社会效益和现实意义。