垂直轴风力发电机组的优点及其发展前景

垂直轴风力发电机组的优点及其发展前景

Summary：相对于垂直轴风电机组，垂直轴风电机组在叶片设计方法、安全性、环境保护等方面有较大的优势；发电效率，经济效益，结构；在维修等领域，它的优势很大，影响垂直轴风电机组发展的主要原因有技术和经济两个方面，随着我国风电行业的不断发展，我国风电行业面临着巨大的发展机遇。Keys：垂直轴风力发电机组；优点；影响因素；发展前景引言风车的转动轴线与地表或来向的风车叫做垂直轴风轮机。其特点是：转动轴线与地表相垂直，且与风方向相平行。我国风电厂采用的大型风电机组，主要是因为受某些技术和经济因素的影响。在我国风能发展的背景下，垂直轴型风电场的研究与利用越来越受关注，已逐渐成为风能设备生产与应用的重要课题。一、与水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组具有系列优点（一）支撑叶片设计的方法相对科学当前，支持垂直轴风机的桨叶结构的研究多采用了叶素动力学模型，而Glauert法和Wilson法是其最常用的方法。但是，叶素原理忽视了各个叶素之间的相互影响，采用有关原理来进行桨叶的设计时，忽视了对叶形的影响，从而使其不够精确；尽管该方法不会对风机的外形进行优化，但其对风机的风能利用率有很大的影响。同时，由于各个叶片的相互干涉和整体的流动比较错综复杂，仅凭叶素分析法难以得到准确的计算。由于计算流体力学（CFD）技术的迅速发展，现有CFD技术已可以对具有较大形状的复杂流动进行数值仿真，包括：叶片的冲击和强度、气流分离、表面压力分布等；涡流的产生和传播、力的大小和力的改变，都能用电脑进行计算和图像的呈现。采用CFD法对垂直轴风电机组的叶片进行了计算，其计算结果与叶素原理相比具有很大的优越性，从CFD工艺的实践来看，采用Darrieus型H型风车，其叶片各剖面均是一样的；该方法可以将其简单地压缩成一个平面的模型，从而大大减少了计算的网格量。（二）安全性较高①安全性。垂直轴风力轮机按其气动特性和工作机理可划分为两种类型：阻抗式和提升式。阻力式是以气流在桨叶上流动时的阻力为推动力，而在升力式中，通过气流在桨叶上流动时所形成的上升力来驱动。垂直轴风电机组的刀片有Φ型、H型、S型；与三叶式风轮机相比，扁平摆转式、风杯式风轮机具有优良的气动外形，轻巧灵活，安全稳定，其主要受力区在轮毂上，因而不容易脱落、断裂和飞出。②抗风能力。垂直轴风机通过横向转动、三角式双支点结构来降低风压，有些风机能承受45米/秒以上的大风。③制动装置。要抵抗强烈的风暴，必须要有制动器和制动器的能力。垂直轴风力发电机配备了机械式手刹和电动式制动器，能够在大风速下有效地减少风扇的震动，从而增加了安全与可靠度。（三）更环保随着风电厂建设的不断增多，风电机组所带来的环境问题日益突出，其中既有噪音，又有对当地的生态环境造成不利的影响。①噪音。通过对垂直轴风机叶片进行CFD技术的设计，并在水平方向上进行了旋转，从而将噪音降至在自然条件下无法检测到的范围。②影响区域的生态。水平轴的叶尖速比通常在5-7之间，在这种速度下，叶片的切割会引起大量的空气动力噪音，从而使许多鸟类的生存变得困难，住宅小区、城市公共设施等已成为风电场布局的禁忌。而垂直轴风轮的叶尖速比明显小于横轴，通常为1.5~2，基本不会有空气扰动，起到了消声的作用，可以彻底解决以上问题。（四）发电效率和经济效益更高①具有更短的旋转直径和更好的动力性能。由于垂直轴风电机组的结构和工作原则，使其转动半径在同样的功率下减小，节省了场地，并能有效地改善工作环境。通过对DarrieusH型风轮的试验研究，发现其启动速度仅为2米/秒，大大降低了垂直轴流风机的启动速度。此外，垂直轴风机的发电功率分布也比较平稳，在5~8米/秒的速度区间，它的发电量要高于其他其他类型的风机10%~30%。②充分利用了广泛的利用风能，提高了风力的利用率。通过运用独特的风能技术，可以将最大功率的风机功率提升至2.5~25米/秒，从而达到最大功率输出，增加风机的综合效益。中国气动研发中心曾经进行了一次风洞试验，试验结果表明，垂直轴式风轮机的使用率在23%~29%之间。CFD计算的计算结果显示，垂直轴向风能的利用效率高于横向轴线，而国外一些研究机构的试验也显示，垂直轴风力涡轮的风能利用率超过40%。（五）结构更合理，维护更方便①延长了工作时间。水平轴型风轮机的叶片展向长，弦向短，在转动时受到气动力、惯性力、弹性力和自重等因素的影响，属交流负载；同时，强烈的震动也会导致叶片的疲劳加快，从而缩短其工作年限。而垂直轴向的叶型就不一样了，其转动时的作用力远大于横向轴线，其受的惯量力和自重是不变的，它的疲劳寿命大于垂直轴。②它的构造比较简洁，能在各种方向上进行风场调节。垂直轴式风轮机能够接收任何风向，并能充分发挥风能的适应性，无须设置专门用于风场的偏转设备；该方法能有效地减小风力对风时产生的回转力，从而增加了系统的安全性和可靠性。③对变形有很好的抵抗作用。垂直轴风力轮机的叶片是一种具有伸展性的悬臂结构，其发展向性很大，因此，在一定的条件下，叶片很易产生弯矩和扭力，从而导致其气动特性的变化；在空气动力学和机械振动的交互作用下，会产生叶轮的抖动，而在这种情况下，叶片的抖动会直接造成叶片的损坏。而垂直轴风轮风机的叶片有很大一部分为薄板状，具有良好的气动特性、重量轻、转动速度相对较慢；由于其不易产生弯折和扭曲，因而其使用寿命也较高。④易于安装和维修。垂直轴发电机位于数十米的高度，对发电机的安装和维修非常不便，而发电机、传动机构和控制机构则设置在风机的底部或者地板上，便于维修。二、垂直轴风力发电机组的发展前景（一）垂直轴风力发电机组的优点与其市场需求终将融合与垂直轴风能相比，竖向风向无需风向、无噪声、安全可靠，结构简单，维护方便，尤其适用于内陆地区的风力发电；而在更广阔的内地，尤其是在城镇和农村，公路两旁，建筑物的屋顶上，都是安装垂直轴风电的最好地方。但是，当前对应的行业却是一片空白，这里面当然蕴含着极大的商业机会。随着技术的不断发展和完善，垂直轴风电设备的优势最终会和其自身的市场需要结合起来，从而开创出一片巨大的发展空间，成为今后风电行业发展的一个重点领域。（二）政策引导和资金扶助成为垂直轴风力发电机组技术研发应用的助推剂垂直轴风力发电机在西欧部分国家得到了广泛的应用，而大中型的垂直轴风力发电机也在山区和沿海地区得到了推广。我国拥有丰富的风能资源和相对密集的人口，因此，在广大的城镇和农村地区推广使用垂直轴风电机组是非常有实际意义的。可以预计，在政府大力支持和推广垂直轴风电机组的同时，在政策导向和经济杠杆的推动下，垂直轴风电机组将会有蓬勃发展的趋势。（三）垂直轴风力发电机组的相关理论及技术成果喜人在现代计算机技术的迅速发展下，计算液体动力的发展迅速，从一开始的微扰速度方程，到后来的欧拉方程，以及更为精密的N-S方程，特别是在21世纪，CFD技术可以实现对流场进行精确的计算和图形化；为开展垂直轴风电机组研制工作奠定了坚实的技术基础。当前，利用单片机来实现对桨叶在不同部位的摆动角度的控制，并可依据所需的风力来调整桨叶的角度，使得桨叶在任何部位均能获得最大扭矩。垂直轴电机组的使用，其效率与垂直轴风电机组相当。在有关的理论和技术开发方面，也有了可喜的结果。结语在政府的一系列政策和财政支持下，以及各公司的科技责任感不断增强，与有关的研究气氛会越来越浓、越来越积极，其技术的潜力也会被充分发挥，应用领域也会逐步扩大，一批可喜的结果将会相继出现并得到广泛的应用，垂直轴风电设备开发与使用，必然会有一个春天。Reference[1]侯雪.风力发电技术[M].北京:机械工业出版社,2018.[2]冯放,李岩,赵守阳,等.具有升阻复合启动结构垂直轴风