垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動特性研究

　　摘　要：本文主要對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動特性進(jìn)行了研究，從分類、整體結(jié)構(gòu)、葉片個(gè)數(shù)等多方面考察了不同氣動布局對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的影響，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動布局設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)　垂直軸　設(shè)計(jì)　氣動特性　啟動力矩

　　1. 引言
　　人類利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動力，應(yīng)用于人類生活的眾多方面。風(fēng)力發(fā)電的探索，則起源于19 世紀(jì)末的丹麥，但是直到20 世紀(jì)70 年代以前，還只有小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。1973 年爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國、西歐等發(fā)達(dá)國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)，動員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)代[1]。
　　垂直軸風(fēng)車很早就被應(yīng)用于人類的生活領(lǐng)域中，中國最早利用風(fēng)能的形式就是垂直軸風(fēng)車[1]。但是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20 世紀(jì)20 年代才開始出現(xiàn)[2]（Savonius式風(fēng)輪——1924 年，Darrieus 式風(fēng)輪——1931 年）。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1][2]，因而導(dǎo)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到重視。
　　隨著科技的發(fā)展和人類認(rèn)識水平的不斷提高，人們逐漸認(rèn)識到垂直軸風(fēng)輪的尖速比不能大于1僅僅適用于阻力型風(fēng)輪（Savonius 式風(fēng)輪），而升力型風(fēng)輪（Darrieus 式風(fēng)輪）的尖速比甚至可以達(dá)到5，并且其風(fēng)能利用率也不低于水平軸[1][2]。近年來，越來越多的機(jī)構(gòu)和個(gè)人開始研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并取得了長足的發(fā)展[2][3][4]。
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)，顧名思義是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)化為電能的裝置，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動性能直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為點(diǎn)電能的效率，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動外形是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。本文從垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類、氣動性能參數(shù)，葉片形式等多方面探討了不同參數(shù)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動性能的影響，為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動外形設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。
　　2. 氣動性能考量參數(shù)
　　對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，衡量其氣動性能優(yōu)劣最重要的兩個(gè)參數(shù)就是啟動力矩和風(fēng)能利用率。啟動力矩是指風(fēng)輪在一定風(fēng)速下開始轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的力矩。對于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，由于單個(gè)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(fēng)速有關(guān)，還與葉片的位置（即方位角）有關(guān)。風(fēng)能利用率是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的比值，其理論極限值為59.3%。啟動力矩衡量風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動性能，風(fēng)能利用率衡量了風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)能利用率就要降低；要得到高的風(fēng)能利用率，則啟動力矩就會降低。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動設(shè)計(jì)必須考慮影響二者的因素，在啟動力矩和風(fēng)能利用率找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速下既有良好的啟動性能，在高風(fēng)速下又能得到高的風(fēng)能利用率。下文將從風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類、翼型、葉片布局等多方面來討論其對啟動力矩和風(fēng)能利用率的影響。