水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較

水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較班級：學號：：摘要：本文主要對水平軸風力發(fā)電機與垂直軸風力發(fā)電機在設計方法、結構等多方面進行了比較，最終得出垂直軸風力發(fā)電機大有可為的結論。關鍵詞：風力發(fā)電機；垂直軸；水平軸；設計；1引言風能是一種取之不盡,無任何污染的可再生能源。地球上的風能資源極其豐富，據(jù)專家估計，僅1%的地面風力就能滿足全世界對能源的需求。人類利用風能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機發(fā)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(fā)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(fā)電機到達實用階段。1973年爆發(fā)石油危機以后，美國、西歐等發(fā)達國家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經費，發(fā)動高科技產業(yè)，利用電腦、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(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時代。由于風力發(fā)電技術的不斷發(fā)展，風力發(fā)電越來越受到世界各國的重視。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。但是垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20世紀20年代才開始出現(xiàn)〔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(fā)電機，因而導致垂直軸風力發(fā)電機長期得不到重視。隨著科技的發(fā)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〕的尖速比甚至可以到達6，并且其風能利用率也不低于水平軸。近年來，越來越多的機構和個人開始研究垂直軸風力發(fā)電機，并取得了長足的發(fā)展。本文從設計方法，結構，環(huán)保等多個方面對水平軸和垂直軸風力發(fā)電機進行了比較，探討了在諸多方面垂直軸風力發(fā)電機相對于水平軸的優(yōu)點，最終得出了作為一種具有眾多優(yōu)點的風輪形式，垂直軸風力發(fā)電機將大有作為。2水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較2.1設計方法水平軸風力發(fā)電機的葉片設計目前普遍采用的是動量—葉素理論，主要的方法有Glauert法、Wilson法等。但是由于葉素理論忽略了各葉素之間的流動干擾,同時在應用葉素理論設計葉片時都忽略了翼型的阻力，這種簡化處理不可防止的造成了結果的不準確性,文獻指出,這種簡化對葉片外形設計的影響較小,但是對風輪的風能利用率影響較大。同時,風輪各葉片之間的干擾也十分強烈,整個流動非常復雜,如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有方法得出準確結果的。垂直軸風力發(fā)電機的葉片設計以前也是按照水平軸的方法,依靠葉素理論來設計。由于垂直軸風輪的流動比水平軸更加復雜,是典型的大別離非定常流動,不適合用葉素理論進行分析、設計,這也是垂直軸風力發(fā)電機長期得不到發(fā)展的一個重要原因。隨著電腦技術的不斷發(fā)展，計算流體力學〔ComputationalFluidDynamics〕得到了長足的進步，從最初的小擾動速勢方程，到歐拉方程，以及更加復雜的N-S方程，目前的CFD技術完全能模擬在復雜外形下的復雜流動。對于垂直軸風輪的葉片，已經可以用CFD方法來設計，這無疑要比葉素理論精確的多。而水平軸葉片的設計還沒有方法應用CFD方法來設計，這主要是由這兩種風輪結構決定的。水平軸的葉片由于每個截面的扭角，弦長以及尖速比都不同，如果要用CFD模擬的話，就必須采用三維模型，這樣計算網格至少要100萬個,整個計算量就會大大增加。直觀的說，模擬一個工況，在采用CPU為的個人電腦上，計算時間大概需要7—10天，如果設計一個風輪可能需要幾年到十幾年時間，這樣的代價在工業(yè)設計中是很難接受的。而垂直軸就完全不一樣〔僅限于Darrieus式H型風輪〕，葉片的每個截面都一樣，這樣就能簡化成二維情況，網格數(shù)大大下降，計算量也隨之下降，一般模擬一個工況只需要4個小時。從設計方法上講，垂直軸風力發(fā)電機要比水平軸的先進的多。2.2風能利用率目前，大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設計方計算所得，一般在40%以上。前面已經提到了，由于設計方法本身的缺陷，這樣計算所得的風能利用率的準確性很值得疑心。當然，風電廠的風力發(fā)電機都會根據(jù)測得的風速和輸出功率繪制風功率曲線，但是此時的風速是風輪后部測風儀測得的風速，要小于來流風速，這樣測下來的風功率曲線偏高，必須進行修正。根據(jù)文獻的修正方法修正后，水平軸的風能利用率要降低30%-50%左右。對于小型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率，中國空氣動力研究與發(fā)展中心曾作過相關的風洞實驗，實測的利用率在23%-29%左右。由于以前一直用葉素理論計算垂直軸風輪的風能利用率，得出了利用率不如水平軸的結論，但是通過筆者CFD模擬結果來看，垂直軸風輪的風能利用率不比水平軸的低，國外也有機構經過實驗說明垂直軸風輪的風能利用率在40%以上。另外，在實際環(huán)境中風向是經常變化的，水平軸風輪的迎風面不可能始終對著風，這就引起了“對風損失”，而垂直軸風輪則不存在這個問題，因此在考慮了對風損失之后，垂直軸風輪的風能利用率完全有可能超過水平軸風輪。起動風速水平軸風輪的起動性能好已經是個共識，但是根據(jù)中國空氣動力研究與發(fā)展中心對小型水平軸風力發(fā)電機所做的風洞實驗來看，起動風速一般在4~5米/秒之間，最大的居然到達了米/秒，這樣的起動性能顯然是不能令人滿意的。垂直軸風輪的起動性能差也是目前業(yè)內的共識，特別是對于Darrieus式①型風輪，完全沒有自起動能力，這也是限制垂直軸風力發(fā)電機應用的一個原因。但是，對于Darrieus式H型風輪卻有相反的結論，根據(jù)筆者的研究發(fā)現(xiàn)，只要翼型和安裝角選擇合適，完全能得到相當不錯的起動性能，通過對麟風P-200垂直軸風力發(fā)電機的風洞實驗來看，這種Darrieus式H型風輪的起動風速只需要2米/秒，這無疑要比上述的水平軸風力發(fā)電機好的多。結構特點水平軸風力發(fā)電機的葉片在旋轉一周的過程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時變化的，而重力的方向始終不變，這樣葉片所受的就是一個交變載荷，這對于葉片的疲勞強度是非常不利的。另外，水平軸的發(fā)電機都置于幾十米的高空，這給發(fā)電機的安裝和維護檢修帶來了很多的不便。垂直軸風輪的葉片在旋轉的過程中的受力情況要比水平軸的好的多，由于慣性力與重力的方向始終不變，所受的是一恒定載荷，因此疲勞壽命要比水平軸的長。同時，垂直軸的發(fā)電機可以放在風輪的下部或是地面，便于安裝維護。2.5環(huán)保問題雖然風力發(fā)電也號稱是清潔能源，能起到很好的環(huán)保作用，但是隨著越來越多大型風電場的建立，一些由風力發(fā)電機引發(fā)的環(huán)保問題也凸顯出來。這些問題主要表達在兩個方面：一是噪音問題，二是對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。水平軸風輪的尖速比一般在5~7左右，在這樣的高速下葉片切割氣流將產生很大的氣動噪音，同時，很多鳥類在這樣的高速葉片下也很難幸免。垂直軸風輪的尖速比則要比水平軸的小的多，一般在1.5~2之間，這樣的低轉速基本上不產生氣動噪音，完全到達了靜音的效果。無噪音帶來的好處是顯而易見的，以前因為噪音問題不能應用風力發(fā)電機的場合〔如城市公共設施、民宅等〕，現(xiàn)在可以應用垂直軸風力發(fā)電機來解決，因此，垂直軸風力發(fā)電機比水平軸有更廣闊的應用領域。低尖速比帶來的好處不僅僅是環(huán)保上面的優(yōu)勢，對于風機的整體性能也是非常有利的。從空氣動力學上分析，物體速度越快，外形對流場的影響越大。當風力發(fā)電機在戶外運行時，葉片上不可防止的受到污染，這種污染實際上是改變了葉片的外形。對于水平軸風輪來講，即使這種外形變化很微小，也很大的降低了風輪的風能利用率，而垂直軸風輪因為轉速低，所以對外形的改變沒那么敏感，這種葉片的污染基本上對風輪的氣動性能沒有影響。3結論本文從多方面對水平軸和垂直軸風力發(fā)電機進行了比較，從比較中可以看出，相對于傳統(tǒng)的水平軸風力發(fā)電機，垂直軸風力發(fā)電機具有設計方法先進、風能利用率高、起動風速低、無噪音等眾多優(yōu)點，具有更加廣闊的市場應用前景，相信在不久的將來，垂直軸風力發(fā)電機將大有作為。參考文獻熊禮儉.風力發(fā)電新技術與發(fā)電工程設計、運行、維護及標準標準實用手冊.中國科技文化出版社.張國銘.論兆瓦級垂直軸風力發(fā)電機的合理性.風力發(fā)電，2001年第4期.張富昌.幾種新式立軸風力機設計方案.新能源，1998年第9期.趙繼華.旋流式立軸風力機運行原理及特性.可再生能源，2002年第4期.鄧興勇，陳云程.風力發(fā)電機葉輪的數(shù)值優(yōu)化設計法.工程熱物理學報，1999年第1期.張維智，李軍.風力機