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垂直轴风力机技术讲座一垂直轴风力机及其发展概况


第 27 卷 第 1 期 2009 年 2 月

可再生能源
Renewable Energy Resources

Vol.27 No.1 Feb. 2009

垂直轴风力机技术讲座(一)

垂 直 轴 风 力 机 及 其 发 展 概 况
李 岩
150030 )

/>( 东北农业大学 工程学院 , 黑龙江 哈尔滨

中图分类号 : TK83

文献标志码 : B

文章编号 : 1671-5292 (2009 )01-0121-03

1

风力机及其分类 风力机是将风的动能转换为机械能 , 再把机械能转换

的 风 力 机 为 垂 直 轴 风 力 机 ,主 要 有 达 里 厄 型 、萨 渥 纽 斯 型 和涡轮型等 。 根据其叶片形状的不同 , 达里厄型风力机又 分为曲线翼型和直线翼型 2 种 。 通常所说的达里厄风力机 都是指具有曲线翼型叶片的 , 而直线翼型达里厄风力机通 常称为直线翼垂直轴风力机 。

为电能或热能等的能量转换装置。 经过多年的研究与发 展 , 出现了多种多样的风力机 。 风力机分类方法有多种 , 一般根据风力机的用途 、 容 量 、 叶片个数 、 叶片尖端速度与来流速度之比 、 风轮与塔架 的相对位置等对风力机进行分类 。 风力机的型式主要有 2 种 :按 照 风 力 机 风 轮 转 轴 与 风 向 的 位 置 ,分 为 水 平 轴 风 力 机 和 垂 直 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 。 图 1 给出了风力机的主要分 类及其代表机型 。

1.2 升力型风力机与阻力型风力机
作用在风力机叶片上的风力可分解成与风向垂直和 与 风 向 平 行 的 2 个 分 力 ,垂 直 分 力 称 为 升 力 ,平 行 分 力 称 为阻力 。 主要依靠升力来工作的风力机称为升力型风力机 , 水 平轴的螺旋桨型风力机 、 垂直轴的达里厄型和直线翼型风 力机都属于这种类型 。 由于升力的作用 , 风轮的圆周速度 可以达到风速的几倍乃至十几倍 。 升力型风力机多被用于 发电 。 主要依靠阻力来工作的风力机称为阻力型风力机 , 水 平轴的美式多翼型风力机 、 垂直轴的萨渥纽斯型和涡轮型 等风力机属于阻力型风力机 。 该类风力机转速不高 , 但输 出扭矩很大 , 所以常被用于提水 、 碾米和拉磨等动力 。

2

垂直轴风力机的特点 升力型的达里厄风力机和直线翼垂直轴风力机是垂

直轴风力机的代表 , 下面通过与水平轴螺旋桨式风力机进 行比较 , 来说明垂直轴风力机的主要特点 。

2.1 风能利用效率
从理论上讲 , 升力型垂直轴风力机与水平轴螺旋桨式 风力机具有大致相同的理想效率, 即贝茨极限效率 (0.593 )。 由于水平轴螺旋桨式风力机借助了航空动力技术 的科研成果 , 得到了快速的发展 , 技术趋于成熟 。 一般其风

1.1 水平轴风力机与垂直轴风力机
风力机风轮转轴与风向平行的风力机为水平轴风力 机 , 主要有螺旋桨型 、 美式多翼型 、 荷兰型和风帆翼型等 。 风力机风轮转轴与风向成直角 ( 大多数与地面垂直 )

能利用系数可达到 0.4~0.5 , 叶片尖速比可以达到 6~10 。 然 而 ,垂 直 轴 风 力 机 的 研 究 起 步 较 晚 ,研 究 理 论 和 设 计 方 法 还 处 于 发 展 阶 段 ,据 现 有 研 究 和 实 验 结 果 看 ,风 能 利 用 系 数在 0.4 左右 , 叶片尖速比可以达到 4 左右 。

收稿日期 : 2008-12-08 。 作者简介 : 李 岩 (1972- ), 博士 , 副教授 , 国家自然科学基金项目主持人 , 主要从事风能研究和各种可再生能源的综合利用与开发 。

E-mail :ly_neau@yahoo.com.cn

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可再生能源
2.2 风向影响与启动性
垂直轴风力机可以接受任何方向的来风 , 不需要水平 轴风力机所必须具备的迎风转向 ( 偏航 ) 机构 。 因此 , 垂直 轴风力机的结构比水平轴风力机简单 , 成本较低 。 阻力型垂直轴风力机中 , 萨渥纽斯型风力机的自启动 性能最好 ; 达里厄风力机的启动需要启动电机来带动 , 或 者 与 萨 渥 纽 斯 风 力 机 组 合 使 用 ,来 解 决 启 动 问 题 ,这 也 是 达里厄风力机最大的弱点 。 通过合理选择叶片翼型和安装 角 , 直线翼垂直轴风力机可以获得较好的自启动性 。 水平 轴螺旋桨式风力机只有在风轮正对来风的情况下可以自 启动 , 侧风时则需要偏航调整后才能启动 。

2009 ,27 (1 )

1929 年 , 芬兰工程师 S.J.Savonius 发明了 后 来 以 其 名
字命名的萨渥纽斯型风力机 ( 如图 1 中所示 )。 它具有结构 简 单 ,成 本 低 ,回 转 力 矩 大 ,启 动 性 能 好 等 优 点 ,但 转 数 和 效率较低 。 尽管如此 , 许多学者对这种风力机的研究却没 有间断过 。 马达拉斯型风力机是美国的 Julius D. Madaras 提出的 一种垂直轴风力发电装置 , 其原理如图 2 所示 。 在气流中 旋转的圆柱可以使该物体周围的压力发生变化而产生升 力 , 这种现象被称为马格纳斯效应 。 借助该效应产生的升 力可以带动小车沿轨道运动, 从而利用车轮的旋转来驱 动发电机发电 。 然而 , 由于轨道两端需要有改变圆柱旋转 方向的机构而使机构过于复杂、 旋转圆柱的过低圆周速 度使其空气动力特性十分微弱、 大轨道负荷产生较大的 摩 擦 损 失 、地 表 风 速 低 和 发 电 损 失 大 等 原 因 ,马 达 拉 斯 的 大规模发电构想最终未能成功。 这种风力发电装置至今 已无人问津 。

2.3 风力机结构
由于沿着叶片翼展各处的圆周速度和相对于风速的 迎角不同 , 水平轴螺旋桨式风力机的叶片需要进行扭转和 变 截 面 ,因 此 ,水 平 轴 风 力 机 的 叶 片 比 垂 直 轴 风 力 机 的 叶 片相对复杂 , 加工成本相对较高 。 达里厄风力机的叶片虽 然是弯曲的 , 但叶片表面对翼弦是对称的 , 加工相对容易 。 直线翼垂直轴风力机的叶片是直线型的 , 没有扭曲也没有 变 截 面 ,形 状 简 单 ,加 工 容 易 ,成 本 低 ,但 其 不 足 之 处 是 直 线叶片旋转时会承受由向心加速度产生的较大的弯矩 , 因 此对叶片材料要求高 。 水平轴风力机的发电机与变速制动装置等需要安置 在几十米高的塔架上 , 而达里厄风力机的发电机则可以安 装 在 地 面 上 ,这 样 可 以 降 低 对 设 备 的 安 装 尺 寸 、重 量 和 运 行条件等要求 , 日常维护和修理也非常简便 。

1931 年 , 法 国 工 程 师 达 里 厄 (George Jeans Mary Darrieus ) 从美国专利局获得后来以其 名 字 命 名 的 达 里 厄 风 力
机的专利 。 当时达里厄风力机的叶片包括了曲线翼型和直 线翼型 2 种形式 。 我们通常所提到的达里厄风力机主要是 指具有曲线翼型叶 片 的 风 力 机 ( 图 1 )。 如 前 所 述 , 直 线 翼 型达里厄风力机简称直线翼垂直风力机 ( 图 3 )。

2.4 环保问题
风力机运行对环境产生的影响主要是产生噪音 、 伤及 鸟类和有碍景观三大问题 。 水平轴螺旋桨式风力机的叶尖 在 扫 过 气 流 时 产 生 很 大 的 噪 音 ;同 时 ,叶 片 的 高 速 旋 转 也 有可能伤到来不及躲避的鸟类 。 相比之下 , 垂直轴风力机 的 尖 速 比 较 低 ,使 其 产 生 的 噪 音 很 小 ,对 鸟 类 也 几 乎 没 有 影响 。 达里厄风力机优美的曲线型叶片以及直线翼垂直轴 风 力 机 简 洁 的 造 型 ,可 以 为 景 观 增 加 变 化 的 元 素 ,获 得 更 好的视觉效果 。

3

垂直轴风力机的发展 人 类 利 用 风 能 的 历 史 可 以 追 溯 到 公 元 前 。 公 元 1219

年 , 我国就有了关于垂直轴风力机的文献记载 。 公元 1300 年 , 波斯也记载了具有多枚翼板的垂直轴风力机 。 这些垂 直 轴 风 力 机 都 是 阻 力 型 风 机 ,多 数 被 用 来 提 水 ,碾 米 或 助 航等 。 19 世纪末 , 丹麦 首 先 开 始 研 究 利 用 风 力 发 电 , 从 此 世界各国开始研发各种用于发电的风力机 。 与水平轴风力机相比, 垂直轴风力机的研究相对滞 后 。 20 世纪 20~30 年 代 是 垂 直 轴 风 力 机 研 究 的 第 一 个 高 峰期 。 这期间出现了多种类型的垂直轴风力机 , 主要有萨 渥 纽 斯 型 (Savonius rotor )、 马 达 拉 斯 型 (Madaras rotor ) 和 达里厄型 (Darrieus VAWT ) 等 。 根据直线翼垂直轴风力机的形状结构特点 , 有人将其 称之为 H 型风力机 , 在我国 也 多 采 用 这 种 叫 法 。 在 国 际 上 ,H 型 垂 直 轴 风 力 机 一 般 是 指 英 国 在 20 世 纪 70 ~80 年 代 研 究 开 发 的 具 有 2 枚 直 线 翼 叶 片 的 垂 直 轴 风 力 机 (图

3-b) 。 但由于 H 型 垂 直 轴 风 力 机 与 直 线 翼 垂 直 风 力 机 十
分类似 , 有时将它们统称为 H 型风力机 。 英国的 VAWT 公司曾经生产过一系列不同容量的 H 型垂直轴风力机 。 下面着重介绍一下曲线翼型达里厄风力机的发展 。

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垂直轴风力机及其发展概况

达里厄风力机叶片形状可形容为由一根柔软的绳子 按一定角速度绕两端的固定点垂直旋转时所形成的曲线 , 这个形状可以保证叶片在离心力的作用下内弯曲应力最 小 。 当时 , 因为各国都将研究精力集中在水平轴螺旋桨式 风力机上 , 所以达里厄风力机的出现并未引起风能界很大 的重视 。 紧接着 , 第二次世界大战的爆发使全世界风能技 术的发展都处于停滞 。 战后至 20 世纪 60 年代 , 廉价石油 的大量使用又使包括风能在内的所有可再生能源都没有 受到重视 。

北 克 省 东 部 的 马 格 达 伦 岛 建 成 , 其 平 均 功 率 为 100 kW , 然 而 ,由 于 没 有 制 动 装 置 和 不 具 备 自 启 动 性 等 问 题 ,使 该 机 受 到 了 损 坏 ,1978 年 , 用 另 一 台 与 其 类 似 的 样 机 取 代 了它。 正是这台样机的运转数据为加拿大提供了大型达 里厄风力机现场实验的第一手资料。 在运转中观测该机 在 转 速 29.4 r/min 的 动 态 失 速 现 象 , 并 记 录 了 失 速 情 况 下 的 风 力 机 空 气 动 力 特 性 变 化 情 况 。 这 些 数 据 为 Indal

Technologies 公 司 后 来 生 产 的 Indal 6400-500 kW 风 力 机
的设计提供了重要参考, 将以前未曾考虑过的动态失速 效应对风力机气动性能的影响问题, 充实到风力机设计 理论中。

1973 年 爆 发 的 世 界 石 油 危 机 给 风 能 发 展 提 供 了 机
遇 。 以 此 为 契 机 ,垂 直 轴 风 力 机 ,尤 其 是 达 里 厄 风 力 机 在

20 世纪 70~80 年 代 迎 来 了 第 二 次 发 展 高 峰 , 这 一 时 期 的
研究主要集中在北美 。 加拿大 国 立 研 究 委 员 会 (NRC ) 和 美 国 圣 地 亚 国 立 实 验 室 (SNL ) 对 其 进 行 了 大 量 的 理 论 和 实验研究 。 同时 , 美国 、 加拿大的一批风力机制造公司经过 不 断 地 研 发 攻 关 ,使 达 里 厄 风 力 机 的 研 究 逐 渐 深 入 ,并 且 形 成 了 商 品 化 。 1972 年 , 加 拿 大 NRC 的 R.S.Rangi 和 P.

1986 年 , 加 拿 大 的 Lavalin 公 司 开 始 生 产 Eole 系 列 达
里厄风力机 。 Eole-64 风力机直径 64 m , 是目前最大的 达 里厄风力机 , 安装在魁北克的 Cap-Chat 。 该风力机具有 2 枚采用 NACA0018 翼型的叶片 , 额定转数固定为 10 r/min 和 11.35 r/min , 在 风 速 17 m/s 时 , 其 最 大 输 出 功 率 可 达

3.6 MW, 超过此风速时 , 叶片的速度会降低 , 从而使功 率 输
出保持一定 。 除 了 上 述 介 绍 的 美 国 和 加 拿 大 之 外 , 英 国 (VAWT 型 )、 法 国 (CENG D 型 )、 荷 兰 (Pionier I 型 和 Cantilever 型 )、 罗 马 尼 亚 (TEV 100 型 ) 和 瑞 士 (Alpha Real 型 ) 等 国 家都研制过达里厄风力机 。

South 对达里厄风力机进行了最初的风洞实验 , 对影响达
里厄风力机性能的叶片个数、 风轮实度等参数进行了测 试 。 1974 年 , 美国的 SNL 设计制作了 1 台直径 5 m 的研究 用 达 里 厄 风 力 机 ,1977 年 又 制 作 了 1 台 直 径 17 m 的 60

kW 样机 。 1980 年 , 美国的美铝公司 (Alcoa ) 生产了 4 台直
径 17 m , 功率 100 kW 的风力机 , 其中 2 台并网发电 , 其中

20 世 纪 90 年 代 , 随 着 水 平 轴 螺 旋 桨 式 风 力 机 成 为 大
型商业风力发电场的主流机型, 以达里厄风力机为代表 的 大 型 垂 直 轴 风 力 机 逐 渐 淡 出 了 人 们 的 视 野 。 然 而 ,在 中 小 型 风 力 机 市 场 上 ,垂 直 轴 风 力 机 还 占 有 很 大 的 市 场 ,尤 其 是 2000 年 以 来 , 直 线 翼 垂 直 轴 风 力 机 和 H 型 风 力 机 的研究和应用受到了北美、 欧洲和日本等国家和地区的 关注, 许多形状各异的商用中小型垂直轴风力机被成功 投 入 市 场 。 比 如 , 美 国 的 Mag-Wind 公 司 和 加 拿 大 的

1 台风力机成功地完成了 10 000 h 的运行记录 , 并经受住
了 53 m/s 强风的考验 。

1981~1986 年 , 美国福禄风力公司和美国 SNL 合作 ,
共同开发达里厄风力机 。 1984 年 , 福禄风力公司研制了 2 台 具 有 2 枚 NACA0015 翼 型 叶 片 的 FloWind 19 m 风 力 机 , 风速 20 m/s 时 , 转速 52.8 r/min , 功率达到 250 kW 。 为 此福禄风力公司与圣地亚国立实验室共同获得了 1984 年 度美国能源部全国能源创新最高奖 。 之后 , 福禄公司在美 国加州的 Altamont Pass 和 Tehachapi Mountain 建立了 2 座 风电场, 安装了上百台达里厄风力机, 装机总容量达到

Cleanfield Energy 公 司 推 出 了 可 安 装 于 屋 顶 的 垂 直 轴 风
力 系 统 ; 法 国 的 Gual industrie 公 司 , 芬 兰 的 Windside 公 司 和 意 大 利 的 Ropatec AG 等 公 司 推 出 了 改 良 后 的 阻 力 型 垂 直 轴 风 力 机 , 尤 其 是 芬 兰 Windside 公 司 的 WS 系 列 风 力 机 可 以 在 极 端 恶 劣 的 气 候 环 境 中 工 作 。 在 日 本 ,东 海 大 学 的 関 和 市 教 授 从 1976 年 就 开 始 从 事 直 线 翼 垂 直 轴 风 力 机 的 研 究 , 开 发 了 TWT 系 列 风 力 机 叶 片 专 用 翼 型 , 在日本各地安装了多台样机进行现场实验, 并且在日本 大 力 推 广 这 种 风 力 机 。 可 以 说 ,目 前 垂 直 轴 风 力 机 的 第 三 次发展契机正在出现。 与国外相比 , 我国对垂直轴风力机的研究比较少 , 虽 然 在 20 世 纪 80 年 代 一 些 学 者 和 研 究 机 构 曾 经 对 达 里 厄 风力机进行过研究 , 但并未受到广泛的重视 。 近年来 , 随着 国际风能界对垂直轴风力机的日益关注 , 又有一些学者和 企业开始进行垂直轴风力机的研发工作 , 我国垂直轴风力 机的发展正面临着前所未有的机遇 。 ( 连载待续 )

170 MW , 是世界上最大的达里厄风力机群之一 。 1987 年 , 在美国能源部 (DOE ) 的资助下 ,SNL 成功 地
研制了一台商业和研究两用的大型达里厄风力机, 直径

34 m , 输出功率为 625 kW 。 风力机的叶片采用变截面设
计 , 即 叶 片 中 部 采 用 了 SNL 开 发 的 VAWT 用

SAND0018/50 翼 型 , 根 部 采 用 NACA0021 翼 型 。 该 达 里
厄风力机既可以用于平时发电, 也可以用于新型叶片翼 型 、风 力 机 性 能 测 试 等 实 验 研 究 之 用 ,是 一 台 非 常 著 名 的 达里厄风力机 。 通过美国圣地亚国立实验室和一批风电公 司 的 达 里 厄 风 力 机 现 场 的 实 验 ,获 得 了 大 量 的 、可 信 度 高 的 实 验 数 据 ,这 些 数 据 被 用 来 与 理 论 分 析 相 对 比 ,为 达 里 厄风力机的深入研究发挥了重要的作用 。

1977 年 5 月 , 加 拿 大 第 一 台 大 型 达 里 厄 风 力 机 在 魁

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