垂直軸風力發電機的氣動特性研究

差的缺點，將阻力型的薩窩紐斯型風輪置于Φ 形直葉片中間，利用薩窩紐斯型風輪啟動力矩大的特點來彌補Φ 形直葉片啟動性能差的缺點。從氣動性能上分析，這種布局方式確實能極大地改善風力發電機的啟動性能，但是當風力發電機高速旋轉時，阻力型風輪會產生與旋轉方向相反的負力矩，減小整個風輪的力矩；同時，由于阻力型風輪的存在，會對其中的流場形成阻塞效應，極大地破壞整個Φ 形直葉片內部的流場，從而使得葉片產生的升力大大減小，降低風輪的效率。因此，這種布局方式除了能改善風力發電機的啟動性能外，反而會大大降低整個風輪的效率，是舍本逐末的方法。
　　H 形直葉片：這種葉片形式需要單獨地支持翼與旋轉主軸相連，如圖6 所示，相對于Φ 形直葉片來說結構要復雜，但是這種形式帶來的好處是顯而易見的：葉片主要承受正壓力，基本不受剪切力，受力狀況大大改善。同時，由于葉片不需要考慮彎曲，實度比可以做的比較大，安裝角度也很好控制，這樣啟動性能要比采用Φ 形直葉片的風力發電機好的多。采用H 形直葉片還有一個好處，那就是對于相同掃風面積來說，采用H形直葉片的風力發電機要比采用Φ 形直葉片的旋轉主軸短40% 以上，這樣能極大提高整個風輪的穩定性。
　　S 形直葉片：這種葉片形式是在H 形直葉片基礎上發展而來的，將H 形直葉片在葉片展長方向進行了彎曲。這樣能夠改善小實度比H 形直葉片的啟動性能。但是這種葉片形式會在葉片的展長方向形成徑向流動，從而造成壓力損失降低風力發電機效率，并且由于葉片呈S 形扭曲，對于葉片的制造，成本控制以及大型化都是非常不利的。
　　總之，僅僅從氣動性能考慮，H 形直葉片具有良好的啟動性能，S 形直葉片次之，Φ 形直葉片最差；H 形直葉片和Φ 形直葉片的效率較高，S 形直葉片的要稍微差一些。如果綜合結構，造價等多方面因素考慮，H 形直葉片和S 形直葉片將是未來垂直軸風力發電機葉片的發展方向。
　　5. 葉片個數
　　垂直軸風力發電機的葉片個數以2~6個為主，像Φ 形直葉片基本上為2 個或者3 個，H 形直葉片以3~6 個為主，S 形直葉片以3 個為主。葉片個數少，尖速比相對來說高，但是啟動力矩太小，存在很多“死點”，不符合現代風力發電機發展的要求；葉片個數太多，啟動力矩相應會增大，但是會降低整個風輪的效率，也是不合適的。從啟動性能和效率兩方面綜合考慮，對于直葉片來說，葉片個數應該在4~6 個之間比較合適；對于S形葉片來說，葉片個數應該在3~4 個比較合適。
　　6. 結論
　　本文從多方面對影響垂直軸風力發電機氣動性能的因素進行了討論。從討論結果來看，采用H 型直葉片，4~6 個葉片的升力型風輪，將具有良好的啟動性能和發電效率，是垂直軸風力發電機的主要發展方向。

參考文獻
　　[1] 熊禮儉. 風力發電新技術與發電工程設計、運行、維護及標準規范實用手冊. 中國科技文化出版社.
　　[2] 張國銘. 論兆瓦級垂直軸風力發電機的合理性. 風力發電，2001 年第４期.
　　[3] 張富昌. 幾種新式立軸風力機設計方案.新能源，1998 年第９期.
　　[4] 趙繼華. 旋流式立軸風力機運行原理及特性. 可再生能源，2002 年第４期.