垂直軸風力發(fā)電機的氣動特性研究

　　摘　要：本文主要對垂直軸風力發(fā)電機的氣動特性進行了研究，從分類、整體結構、葉片個數等多方面考察了不同氣動布局對垂直軸風力發(fā)電機性能的影響，為垂直軸風力發(fā)電機的氣動布局設計提供了依據。
　　關鍵詞：風力發(fā)電機　垂直軸　設計　氣動特性　啟動力矩

　　1. 引言
　　人類利用風能已有數千年歷史，在蒸汽機發(fā)明以前風能曾作為重要的動力，應用于人類生活的眾多方面。風力發(fā)電的探索，則起源于19 世紀末的丹麥，但是直到20 世紀70 年代以前，還只有小型充電用風力發(fā)電機達到實用階段。1973 年爆發(fā)石油危機以后，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經費，動員高科技產業(yè)，利用計算機、空氣動力學、結構力學和材料科學等領域的新技術研制風力發(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時代[1]。
　　垂直軸風車很早就被應用于人類的生活領域中，中國最早利用風能的形式就是垂直軸風車[1]。但是垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20 世紀20 年代才開始出現[2]（Savonius式風輪——1924 年，Darrieus 式風輪——1931 年）。由于人們普遍認為垂直軸風輪的尖速比不可能大于1，風能利用率低于水平軸風力發(fā)電機[1][2]，因而導致垂直軸風力發(fā)電機長期得不到重視。
　　隨著科技的發(fā)展和人類認識水平的不斷提高，人們逐漸認識到垂直軸風輪的尖速比不能大于1僅僅適用于阻力型風輪（Savonius 式風輪），而升力型風輪（Darrieus 式風輪）的尖速比甚至可以達到5，并且其風能利用率也不低于水平軸[1][2]。近年來，越來越多的機構和個人開始研究垂直軸風力發(fā)電機，并取得了長足的發(fā)展[2][3][4]。
　　風力發(fā)電機，顧名思義是將風能轉換為機械能，再轉化為電能的裝置，風力發(fā)電機的氣動性能直接決定了風力發(fā)電機將風能轉化為點電能的效率，因此，風力發(fā)電機的氣動外形是整個風力發(fā)電機設計的基礎和重點。本文從垂直軸風力發(fā)電機的分類、氣動性能參數，葉片形式等多方面探討了不同參數對風力發(fā)電機氣動性能的影響，為垂直軸風力發(fā)電機的氣動外形設計提供了基本依據。
　　2. 氣動性能考量參數
　　對于風力發(fā)電機來說，衡量其氣動性能優(yōu)劣最重要的兩個參數就是啟動力矩和風能利用率。啟動力矩是指風輪在一定風速下開始轉動時產生的力矩。對于垂直軸風力發(fā)電機來說，由于單個葉片在不同的位置與來流的夾角是不同的，因此其啟動力矩的大小不僅與風速有關，還與葉片的位置（即方位角）有關。風能利用率是風能轉化為機械能的比值，其理論極限值為59.3%。啟動力矩衡量風力發(fā)電機的啟動性能，風能利用率衡量了風力發(fā)電機的發(fā)電效率，但這二者往往又是矛盾的，要得到大的啟動力矩，風能利用率就要降低；要得到高的風能利用率，則啟動力矩就會降低。因此，風力發(fā)電機的氣動設計必須考慮影響二者的因素，在啟動力矩和風能利用率找到一個最佳平衡點，使得風力發(fā)電機在低風速下既有良好的啟動性能，在高風速下又能得到高的風能利用率。下文將從風力發(fā)電機的分類、翼型、葉片布局等多方面來討論其對啟動力矩和風能利用率的影響。