垂直軸風力發(fā)電機大型化的可行性研究

目前國內外有許多廠商正在致力于大型垂直軸風力發(fā)電機的研發(fā)，但通過對一些現有大型化垂直軸風力發(fā)電機廠商的開發(fā)過程看，基本上都是用小型垂直軸風力發(fā)電機的設計思路，把小型垂直軸風力發(fā)電機通過一定比例放大后成為大型垂直軸風力發(fā)電機。筆者認為以這樣的方法開發(fā)大型垂直軸風力發(fā)電機，說明這些探索者還沒有真真理解垂直軸風力發(fā)電機的特性。
　　眾所周知垂直軸風力發(fā)電機具有低噪音、安全性、無需太高塔架的優(yōu)點，但多年來經過無數人的努力都沒有生產出可商業(yè)化應用的大型垂直軸風力發(fā)電機，究其原因主要是無法同時解決氣動效率、自啟動、超速控制、結構穩(wěn)定性、安全制動等一系列問題，而這些問題在水平軸風力發(fā)電機上都已經解決。而效率、超速控制、穩(wěn)定性、安全制動4 個方面的問題也是任何風力發(fā)電機需要解決的問題。本文將就這些問題展開討論，上海麟風是如何解決這些難題。
　　垂直軸風輪在轉動時，葉片在風輪不同位置扭矩大小、方向都不同，在有些位置扭矩大，在有些位置扭矩小，在有些位置扭矩為正，在有些位置扭矩為負。隨著風輪直徑的增大和轉速的下降，這些變化尤其明顯，而風輪最終的輸出功率是這些扭矩的合力矩，這樣垂直風輪的氣動效率較低。
　　按照達里厄上世紀30 年代所做實驗和結論，垂直風輪較為理想的尖速比為5 ～ 6，按此要求做出來的垂直風輪實度比很低，無法自啟動，且?guī)лd能力也很弱。
　　當垂直風輪做大以后還面臨垂直軸承擔的彎矩越來越大的問題，彎矩越大，對軸的強度要求就越高，不僅重量重了，成本也越高，越難以商業(yè)化。
　　當垂直風輪轉動時，風輪的主震頻率為轉速除以葉片數量，當作用于葉片上的風能不能被有效轉化成動能（轉速）后震動尤其明顯。
　　為了提高自啟動性能適當提高葉片寬度將取得明顯效果，合理的葉片寬度是風輪半徑的1/2 ～ 1/4 之間。
　　為了克服葉片角度固定的垂直風輪當葉片在風輪不同位置時扭矩方向相反、不能發(fā)揮最大扭矩的缺陷，使用“實時可變攻角”技術可克服這一缺陷。實時可變攻角技術就是當風輪在旋轉時，根據風向、葉片位置、風速等要素實時調節(jié)葉片角度，以達到改變扭矩方向并使葉片在不同位置都能獲得最大扭矩的作用，極大提高了垂直軸風輪的效率。在該系統中，葉片不是固定在懸臂支架上的，而是可以繞葉片回轉中心轉動的，當風輪轉動到不同位置時，系統可以自動調節(jié)葉片的“攻角”，使葉片在不同位置時的“攻角”，在圓周上任何一個位置時，始終能夠保持在所設定的優(yōu)化角度范圍內。通過風洞實驗，在一個1.36米直徑、1 米葉片長度的風輪，在2 米/ 秒風洞風速下測得的功率達到4 ～ 4.5瓦，即風能/ 機械能的轉換效率達到了（60 ～ 68）%， 超過了59.3% 的傳統理論極限值，這并非傳統理論的錯誤，而是傳統理論中風輪是在二維空間運動；而垂直風輪是在三維空間運動，二者條件不同。
　　當強臺風來臨時，可實時調節(jié)葉片角度，始終保持葉片處于順漿狀態(tài)，減小迎風面積，防止在強臺風時葉片斷裂、塔架倒塌等惡性事故的發(fā)生。

　　通常垂直風輪軸和發(fā)電機軸不是同軸結構，而是二者在現場組合而成，在現場組合的風輪軸和發(fā)電機軸往往是間隙配合，無論采用什么措施緊固，在長期運動過程中，二者都會產生相對運動從而加速垂直風輪的搖擺，引起垂直風輪的各種故障。有效的解決方案是發(fā)電機軸和風輪采用同軸結構。