垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)及其發(fā)展前景

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)及其發(fā)展前景

Summary：相對(duì)于垂直軸風(fēng)電機(jī)組，垂直軸風(fēng)電機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)方法、安全性、環(huán)境保護(hù)等方面有較大的優(yōu)勢(shì)；發(fā)電效率，經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)構(gòu)；在維修等領(lǐng)域，它的優(yōu)勢(shì)很大，影響垂直軸風(fēng)電機(jī)組發(fā)展的主要原因有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，隨著我國風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展，我國風(fēng)電行業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇。Keys：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；優(yōu)點(diǎn)；影響因素；發(fā)展前景引言風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與地表或來向的風(fēng)車叫做垂直軸風(fēng)輪機(jī)。其特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與地表相垂直，且與風(fēng)方向相平行。我國風(fēng)電廠采用的大型風(fēng)電機(jī)組，主要是因?yàn)槭苣承┘夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的影響。在我國風(fēng)能發(fā)展的背景下，垂直軸型風(fēng)電場(chǎng)的研究與利用越來越受關(guān)注，已逐漸成為風(fēng)能設(shè)備生產(chǎn)與應(yīng)用的重要課題。一、與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有系列優(yōu)點(diǎn)（一）支撐葉片設(shè)計(jì)的方法相對(duì)科學(xué)當(dāng)前，支持垂直軸風(fēng)機(jī)的槳葉結(jié)構(gòu)的研究多采用了葉素動(dòng)力學(xué)模型，而Glauert法和Wilson法是其最常用的方法。但是，葉素原理忽視了各個(gè)葉素之間的相互影響，采用有關(guān)原理來進(jìn)行槳葉的設(shè)計(jì)時(shí)，忽視了對(duì)葉形的影響，從而使其不夠精確；盡管該方法不會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的外形進(jìn)行優(yōu)化，但其對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率有很大的影響。同時(shí)，由于各個(gè)葉片的相互干涉和整體的流動(dòng)比較錯(cuò)綜復(fù)雜，僅憑葉素分析法難以得到準(zhǔn)確的計(jì)算。由于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)有CFD技術(shù)已可以對(duì)具有較大形狀的復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，包括：葉片的沖擊和強(qiáng)度、氣流分離、表面壓力分布等；渦流的產(chǎn)生和傳播、力的大小和力的改變，都能用電腦進(jìn)行計(jì)算和圖像的呈現(xiàn)。采用CFD法對(duì)垂直軸風(fēng)電機(jī)組的葉片進(jìn)行了計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果與葉素原理相比具有很大的優(yōu)越性，從CFD工藝的實(shí)踐來看，采用Darrieus型H型風(fēng)車，其葉片各剖面均是一樣的；該方法可以將其簡(jiǎn)單地壓縮成一個(gè)平面的模型，從而大大減少了計(jì)算的網(wǎng)格量。（二）安全性較高①安全性。垂直軸風(fēng)力輪機(jī)按其氣動(dòng)特性和工作機(jī)理可劃分為兩種類型：阻抗式和提升式。阻力式是以氣流在槳葉上流動(dòng)時(shí)的阻力為推動(dòng)力，而在升力式中，通過氣流在槳葉上流動(dòng)時(shí)所形成的上升力來驅(qū)動(dòng)。垂直軸風(fēng)電機(jī)組的刀片有Φ型、H型、S型；與三葉式風(fēng)輪機(jī)相比，扁平擺轉(zhuǎn)式、風(fēng)杯式風(fēng)輪機(jī)具有優(yōu)良的氣動(dòng)外形，輕巧靈活，安全穩(wěn)定，其主要受力區(qū)在輪轂上，因而不容易脫落、斷裂和飛出。②抗風(fēng)能力。垂直軸風(fēng)機(jī)通過橫向轉(zhuǎn)動(dòng)、三角式雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)來降低風(fēng)壓，有些風(fēng)機(jī)能承受45米/秒以上的大風(fēng)。③制動(dòng)裝置。要抵抗強(qiáng)烈的風(fēng)暴，必須要有制動(dòng)器和制動(dòng)器的能力。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)配備了機(jī)械式手剎和電動(dòng)式制動(dòng)器，能夠在大風(fēng)速下有效地減少風(fēng)扇的震動(dòng)，從而增加了安全與可靠度。（三）更環(huán)保隨著風(fēng)電廠建設(shè)的不斷增多，風(fēng)電機(jī)組所帶來的環(huán)境問題日益突出，其中既有噪音，又有對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成不利的影響。①噪音。通過對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行CFD技術(shù)的設(shè)計(jì)，并在水平方向上進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，從而將噪音降至在自然條件下無法檢測(cè)到的范圍。②影響區(qū)域的生態(tài)。水平軸的葉尖速比通常在5-7之間，在這種速度下，葉片的切割會(huì)引起大量的空氣動(dòng)力噪音，從而使許多鳥類的生存變得困難，住宅小區(qū)、城市公共設(shè)施等已成為風(fēng)電場(chǎng)布局的禁忌。而垂直軸風(fēng)輪的葉尖速比明顯小于橫軸，通常為1.5~2，基本不會(huì)有空氣擾動(dòng)，起到了消聲的作用，可以徹底解決以上問題。（四）發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益更高①具有更短的旋轉(zhuǎn)直徑和更好的動(dòng)力性能。由于垂直軸風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和工作原則，使其轉(zhuǎn)動(dòng)半徑在同樣的功率下減小，節(jié)省了場(chǎng)地，并能有效地改善工作環(huán)境。通過對(duì)DarrieusH型風(fēng)輪的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其啟動(dòng)速度僅為2米/秒，大大降低了垂直軸流風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)速度。此外，垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率分布也比較平穩(wěn)，在5~8米/秒的速度區(qū)間，它的發(fā)電量要高于其他其他類型的風(fēng)機(jī)10%~30%。②充分利用了廣泛的利用風(fēng)能，提高了風(fēng)力的利用率。通過運(yùn)用獨(dú)特的風(fēng)能技術(shù)，可以將最大功率的風(fēng)機(jī)功率提升至2.5~25米/秒，從而達(dá)到最大功率輸出，增加風(fēng)機(jī)的綜合效益。中國氣動(dòng)研發(fā)中心曾經(jīng)進(jìn)行了一次風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，垂直軸式風(fēng)輪機(jī)的使用率在23%~29%之間。CFD計(jì)算的計(jì)算結(jié)果顯示，垂直軸向風(fēng)能的利用效率高于橫向軸線，而國外一些研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)也顯示，垂直軸風(fēng)力渦輪的風(fēng)能利用率超過40%。（五）結(jié)構(gòu)更合理，維護(hù)更方便①延長(zhǎng)了工作時(shí)間。水平軸型風(fēng)輪機(jī)的葉片展向長(zhǎng)，弦向短，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到氣動(dòng)力、慣性力、彈性力和自重等因素的影響，屬交流負(fù)載；同時(shí)，強(qiáng)烈的震動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致葉片的疲勞加快，從而縮短其工作年限。而垂直軸向的葉型就不一樣了，其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的作用力遠(yuǎn)大于橫向軸線，其受的慣量力和自重是不變的，它的疲勞壽命大于垂直軸。②它的構(gòu)造比較簡(jiǎn)潔，能在各種方向上進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)調(diào)節(jié)。垂直軸式風(fēng)輪機(jī)能夠接收任何風(fēng)向，并能充分發(fā)揮風(fēng)能的適應(yīng)性，無須設(shè)置專門用于風(fēng)場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)設(shè)備；該方法能有效地減小風(fēng)力對(duì)風(fēng)時(shí)產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力，從而增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。③對(duì)變形有很好的抵抗作用。垂直軸風(fēng)力輪機(jī)的葉片是一種具有伸展性的懸臂結(jié)構(gòu)，其發(fā)展向性很大，因此，在一定的條件下，葉片很易產(chǎn)生彎矩和扭力，從而導(dǎo)致其氣動(dòng)特性的變化；在空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)的交互作用下，會(huì)產(chǎn)生葉輪的抖動(dòng)，而在這種情況下，葉片的抖動(dòng)會(huì)直接造成葉片的損壞。而垂直軸風(fēng)輪風(fēng)機(jī)的葉片有很大一部分為薄板狀，具有良好的氣動(dòng)特性、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)速度相對(duì)較慢；由于其不易產(chǎn)生彎折和扭曲，因而其使用壽命也較高。④易于安裝和維修。垂直軸發(fā)電機(jī)位于數(shù)十米的高度，對(duì)發(fā)電機(jī)的安裝和維修非常不便，而發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)則設(shè)置在風(fēng)機(jī)的底部或者地板上，便于維修。二、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展前景（一）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)與其市場(chǎng)需求終將融合與垂直軸風(fēng)能相比，豎向風(fēng)向無需風(fēng)向、無噪聲、安全可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，尤其適用于內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電；而在更廣闊的內(nèi)地，尤其是在城鎮(zhèn)和農(nóng)村，公路兩旁，建筑物的屋頂上，都是安裝垂直軸風(fēng)電的最好地方。但是，當(dāng)前對(duì)應(yīng)的行業(yè)卻是一片空白，這里面當(dāng)然蘊(yùn)含著極大的商業(yè)機(jī)會(huì)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，垂直軸風(fēng)電設(shè)備的優(yōu)勢(shì)最終會(huì)和其自身的市場(chǎng)需要結(jié)合起來，從而開創(chuàng)出一片巨大的發(fā)展空間，成為今后風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。（二）政策引導(dǎo)和資金扶助成為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的助推劑垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在西歐部分國家得到了廣泛的應(yīng)用，而大中型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)也在山區(qū)和沿海地區(qū)得到了推廣。我國擁有豐富的風(fēng)能資源和相對(duì)密集的人口，因此，在廣大的城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)推廣使用垂直軸風(fēng)電機(jī)組是非常有實(shí)際意義的。可以預(yù)計(jì)，在政府大力支持和推廣垂直軸風(fēng)電機(jī)組的同時(shí)，在政策導(dǎo)向和經(jīng)濟(jì)杠桿的推動(dòng)下，垂直軸風(fēng)電機(jī)組將會(huì)有蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。（三）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的相關(guān)理論及技術(shù)成果喜人在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展下，計(jì)算液體動(dòng)力的發(fā)展迅速，從一開始的微擾速度方程，到后來的歐拉方程，以及更為精密的N-S方程，特別是在21世紀(jì)，CFD技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行精確的計(jì)算和圖形化；為開展垂直軸風(fēng)電機(jī)組研制工作奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉在不同部位的擺動(dòng)角度的控制，并可依據(jù)所需的風(fēng)力來調(diào)整槳葉的角度，使得槳葉在任何部位均能獲得最大扭矩。垂直軸電機(jī)組的使用，其效率與垂直軸風(fēng)電機(jī)組相當(dāng)。在有關(guān)的理論和技術(shù)開發(fā)方面，也有了可喜的結(jié)果。結(jié)語在政府的一系列政策和財(cái)政支持下，以及各公司的科技責(zé)任感不斷增強(qiáng)，與有關(guān)的研究氣氛會(huì)越來越濃、越來越積極，其技術(shù)的潛力也會(huì)被充分發(fā)揮，應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)逐步擴(kuò)大，一批可喜的結(jié)果將會(huì)相繼出現(xiàn)并得到廣泛的應(yīng)用，垂直軸風(fēng)電設(shè)備開發(fā)與使用，必然會(huì)有一個(gè)春天。Reference[1]侯雪.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2018.[2]馮放,李巖,趙守陽,等.具有升阻復(fù)合啟動(dòng)結(jié)構(gòu)垂直軸風(fēng)