垂直軸風力發電機的氣動特性研究

　　摘　要：本文主要對垂直軸風力發電機的氣動特性進行了研究，從分類、整體結構、葉片個數等多方面考察了不同氣動布局對垂直軸風力發電機性能的影響，為垂直軸風力發電機的氣動布局設計提供了依據。
　　關鍵詞：風力發電機　垂直軸　設計　氣動特性　啟動力矩

　　1. 引言
　　人類利用風能已有數千年歷史，在蒸汽機發明以前風能曾作為重要的動力，應用于人類生活的眾多方面。風力發電的探索，則起源于19 世紀末的丹麥，但是直到20 世紀70 年代以前，還只有小型充電用風力發電機達到實用階段。1973 年爆發石油危機以后，美國、西歐等發達國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經費，動員高科技產業，利用計算機、空氣動力學、結構力學和材料科學等領域的新技術研制風力發電機組，開創了風能利用的新時代[1]。
　　垂直軸風車很早就被應用于人類的生活領域中，中國最早利用風能的形式就是垂直軸風車[1]。但是垂直軸風力發電機的發明則要比水平軸的晚一些，直到20 世紀20 年代才開始出現[2]（Savonius式風輪——1924 年，Darrieus 式風輪——1931 年）。由于人們普遍認為垂直軸風輪的尖速比不可能大于1，風能利用率低于水平軸風力發電機[1][2]，因而導致垂直軸風力發電機長期得不到重視。
　　隨著科技的發展和人類認識水平的不斷提高，人們逐漸認識到垂直軸風輪的尖速比不能大于1僅僅適用于阻力型風輪（Savonius 式風輪），而升力型風輪（Darrieus 式風輪）的尖速比甚至可以達到5，并且其風能利用率也不低于水平軸[1][2]。近年來，越來越多的機構和個人開始研究垂直軸風力發電機，并取得了長足的發展[2][3][4]。
　　風力發電機，顧名思義是將風能轉換為機械能，再轉化為電能的裝置，風力發電機的氣動性能直接決定了風力發電機將風能轉化為點電能的效率，因此，風力發電機的氣動外形是整個風力發電機設計的基礎和重點。本文從垂直軸風力發電機的分類、氣動性能參數，葉片形式等多方面探討了不同參數對風力發電機氣動性能的影響，為垂直軸風力發電機的氣動外形設計提供了基本依據。
　　2. 氣動性能考量參數
　　對于風力發電機來說，衡量其氣動性能優劣最重要的兩個參數就是啟動力矩和風能利用率。啟動力矩是指風輪在一定風速下開始轉動時產生的力矩。對于垂直軸風力發電機來說，由于單個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速有關，還與葉片的位置（即方位角）有關。風能利用率是風能轉化為機械能的比值，其理論極限值為59.3%。啟動力矩衡量風力發電機的啟動性能，風能利用率衡量了風力發電機的發電效率，但這二者往往又是矛盾的，要得到大的啟動力矩，風能利用率就要降低；要得到高的風能利用率，則啟動力矩就會降低。因此，風力發電機的氣動設計必須考慮影響二者的因素，在啟動力矩和風能利用率找到一個最佳平衡點，使得風力發電機在低風速下既有良好的啟動性能，在高風速下又能得到高的風能利用率。下文將從風力發電機的分類、翼型、葉片布局等多方面來討論其對啟動力矩和風能利用率的影響。