水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較研究

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1、維普資訊http://www.cqvip.com2007年第2期上海電力水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較研究蔣超奇，嚴(yán)強(qiáng)(上海麟風(fēng)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有限公司，上海200063)摘要：隨著科技的發(fā)展，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已經(jīng)逐漸重新被人認(rèn)識與重視。文章對水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了比較，指出垂直軸風(fēng)力發(fā)gaCt具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動風(fēng)速低、基本不產(chǎn)生氣動噪聲等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；垂直軸；水平軸；設(shè)計(jì)中圖分類號：TK83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B準(zhǔn)確結(jié)果的。

2、1引言垂直軸風(fēng)車很早被應(yīng)用于人類的生活中，中國最早利用風(fēng)能的形式就是垂直軸風(fēng)車L1]。但是，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到2O世紀(jì)2O年代才開始出現(xiàn)L2(Savonius式風(fēng)輪，1924年；Darrieus式風(fēng)輪，1931年)。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比(葉尖處的線速度和風(fēng)速之比)不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)L1]，因而導(dǎo)圖1水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到重視。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(圖2，圖3)的葉片設(shè)計(jì)，隨著科技的發(fā)展和人類認(rèn)識水平的不斷提以前也是按照水平

3、軸的設(shè)計(jì)方法，依靠葉素理論高，人們逐漸認(rèn)識到垂直軸風(fēng)輪的尖速比不能大來設(shè)計(jì)L1]。由于垂直軸風(fēng)輪的流動比水平軸更加于1僅僅適用于阻力型風(fēng)輪(Savonius式風(fēng)輪)，復(fù)雜，是典型的大分離非定常流動，不適合用葉素而升力型風(fēng)輪(Darrieus式風(fēng)輪)的尖速比甚至可理論進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，這也是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長以達(dá)到6，并且其風(fēng)能利用率也不低于水平期得不到發(fā)展的一個(gè)重要原因。軸L1]。近年來，越來越多的機(jī)構(gòu)和個(gè)人開始研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并取得了長足的發(fā)展L2叫]。2水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較2．1設(shè)計(jì)方法水平

4、軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(圖1)的葉片設(shè)計(jì)，目前普遍采用的是動量一葉素理論，主要的方法有Glauert法、Wilson法等L】～。但是，由于葉素理論忽略了各葉素之間的流動干擾，同時(shí)在應(yīng)用葉素理論設(shè)計(jì)葉片時(shí)都忽略了翼型的阻力，這種圖2Darrieus式型風(fēng)輪簡化處理不可避免地造成了結(jié)果的不準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[1]指出，這種簡化對葉片外形設(shè)計(jì)的影響較隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)小，但對風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大。同時(shí)，風(fēng)輪(ComputationalFluidDynamics，以下簡稱CFD)各葉片之間的干擾也十分強(qiáng)烈，整

5、個(gè)流動非常復(fù)得到了長足的進(jìn)步，從最初的小擾動速勢方程到雜，如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有辦法得出歐拉方程，以及更加復(fù)雜的N—S方程[7]，目前一163維普資訊http://www.cqvip.com上海電力2007年第2期能利用率不比水平軸的低，國外也有機(jī)構(gòu)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率在4O以上[2]。另外，在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的，水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不可能始終對著風(fēng)，這就引起了“對風(fēng)損失”，而垂直軸風(fēng)輪則不存在這個(gè)問題[1]。因此，在考慮了對風(fēng)損失之后，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率完全有可能超過水平軸風(fēng)

6、輪。2．3起動風(fēng)速水平軸風(fēng)輪的起動性能好已經(jīng)是個(gè)共識，但是圖3Darrieus式H型風(fēng)輪根據(jù)中國空氣動力研究與發(fā)展中心對小型水平軸的CFD技術(shù)完全能模擬在復(fù)雜外形下的復(fù)雜流風(fēng)力發(fā)電機(jī)所做的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來看，起動風(fēng)速一般動。對于垂直軸風(fēng)輪的葉片，已經(jīng)可以用CFD方在4～5m／s之間，最大的居然達(dá)到5．9m／s_1，法來設(shè)計(jì)[s]。而水平軸葉片的設(shè)計(jì)還沒有辦法應(yīng)這樣的起動性能顯然是不能令人滿意的。用CFD方法來設(shè)計(jì)，這主要是由這兩種風(fēng)輪結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)輪的起動性能差也是目前業(yè)內(nèi)的共決定的。水平軸的葉片由于每個(gè)截面的扭角、

7、弦識]，特別是對于Darrieus式型風(fēng)輪，如圖2長以及尖速比都不同，如果要用CFD模擬的話，所示，完全沒有自啟動能力，這也是限制垂直軸風(fēng)就必須采用三維模型。力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)原因。但是，對于Darrieus直觀地說，模擬一個(gè)工況，在采用CPU為P4式H型風(fēng)輪，如圖3所示，卻有相反的結(jié)論。根3G的個(gè)人電腦上，計(jì)算時(shí)間大概需要7～10d，如據(jù)筆者的研究發(fā)現(xiàn)，只要翼型和安裝角選擇合適，果設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)輪，可能需要幾年到十幾年，這樣的完全能得到相當(dāng)不錯(cuò)的起動性能，通過對麟風(fēng)P一代價(jià)在工業(yè)設(shè)計(jì)中是很難接受的。而垂直軸就完

8、200垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來看，這種全不一樣(僅限于Darrieus式H型風(fēng)輪)，葉片的Darrieus式H型風(fēng)輪的起動風(fēng)速只需要2m／s，每個(gè)截面都一樣，這樣就能簡化成二維情況，網(wǎng)格優(yōu)于上述的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。數(shù)大大下降，計(jì)算量也隨之下降，一般模擬一個(gè)工2．4結(jié)構(gòu)特點(diǎn)況只需4h。從設(shè)計(jì)方法上講，垂直軸風(fēng)力發(fā)電水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在旋轉(zhuǎn)一周的過程機(jī)要遠(yuǎn)比水平軸先進(jìn)。中，受慣性力和重力的綜合作