楊益飛 潘 偉 朱熀秋

江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江，212013

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱“風(fēng)力機(jī)”）根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的不同，可以分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)技術(shù)成熟，其啟動(dòng)力矩大，啟動(dòng)風(fēng)速低，能量轉(zhuǎn)換效率高，但其應(yīng)用主要限于并網(wǎng)發(fā)電中。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于不需要偏航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)得到顯著簡(jiǎn)化，另外垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片是以簡(jiǎn)支梁或多跨連續(xù)梁的力學(xué)模型架設(shè)在風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子上的，這和水平軸風(fēng)力機(jī)用碳纖維增強(qiáng)樹脂在非常嚴(yán)格的條件下制造出來的葉片材料相比，材質(zhì)上的要求和制造難度降低了，完全可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。此外，垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電機(jī)和變速箱均安裝在地面，便于維護(hù)［1-2］。垂直軸風(fēng)力機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)恰好能彌補(bǔ)水平軸風(fēng)力機(jī)的不足。近年來，對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，有不少新成果發(fā)表在國際會(huì)議和權(quán)威期刊上［3-8］。隨著垂直軸風(fēng)力機(jī)項(xiàng)目落戶北京市，中國國能風(fēng)力發(fā)電公司這一全球唯一掌握兆瓦級(jí)垂直軸風(fēng)力機(jī)核心技術(shù)的設(shè)備制造企業(yè)已經(jīng)開始批量生產(chǎn)垂直軸風(fēng)力機(jī)。

本文首先在介紹垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)幾種典型的垂直軸風(fēng)力機(jī)及其改進(jìn)型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和性能方面作了比較分析；然后介紹了風(fēng)能的相關(guān)理論，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能和風(fēng)能利用率的研究現(xiàn)狀和存在的不足進(jìn)行了分析，并將磁懸浮技術(shù)引入垂直軸風(fēng)力機(jī)中，以此減小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)“輕風(fēng)啟動(dòng)，微風(fēng)發(fā)電”；最后，通過垂直軸風(fēng)力機(jī)的幾個(gè)關(guān)鍵組成部分的分析表明，垂直軸風(fēng)力機(jī)可以利用自身的優(yōu)勢(shì)，成為未來風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的方向。

1 垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)

迄今為止，出現(xiàn)過許多種垂直軸類型的風(fēng)力機(jī)，但由于時(shí)代的變遷，其中有不少被淘汰了。垂直軸風(fēng)力機(jī)主要分為以下三種類型：薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)、達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)和渦輪型風(fēng)力機(jī)。其中，達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)根據(jù)形狀的不同可以分為Φ型和H型；根據(jù)葉片形狀的不同可以分為直葉片型和彎葉片型。按風(fēng)力機(jī)工作原理分，垂直軸風(fēng)力機(jī)可以分為升力型風(fēng)力機(jī)和阻力型風(fēng)力機(jī)。升力型風(fēng)力機(jī)是依靠升力來工作的風(fēng)力機(jī)，達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)屬于升力型風(fēng)力機(jī)，升力型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩??；阻力型風(fēng)力機(jī)是依靠阻力來工作的風(fēng)力機(jī)，薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)和渦輪型風(fēng)力機(jī)屬于阻力型風(fēng)力機(jī)，阻力型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。本文主要介紹在垂直軸風(fēng)力機(jī)中占據(jù)主導(dǎo)地位的薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)和達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)及其改進(jìn)型風(fēng)力機(jī)的工作原理。

1.1 薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)

薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)是芬蘭工程師Savonius于1925年提出，并以其名字命名的阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)［9］。薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是由2個(gè)半圓形葉片開口相對(duì)組成S形，并在旋轉(zhuǎn)中心處設(shè)有一部分重疊區(qū)，其結(jié)構(gòu)原理見圖1。人類最早使用的風(fēng)力機(jī)是阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，該類風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不高，但輸出扭矩很大，所以常被用于提水等，很少被用來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電［10］，但薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)具有啟動(dòng)力矩大、葉片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、不受方向限制等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

Twidwell等［11］和 Eldridge［12］證明了薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)（CP≈0.15）低于水平軸風(fēng)力機(jī)（CP≈0.45）和達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)（CP≈0.45）的風(fēng)能利用系數(shù)。Kirke［13］證明了薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)最大為0.25。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的研究多是從葉片個(gè)數(shù)、葉片重疊比以及偏心系數(shù)等方面來提高其風(fēng)能利用系數(shù)，并在薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。

圖2是 Menet［14］設(shè)計(jì)的改進(jìn)型薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)。他通過在傳統(tǒng)的薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)上增加一個(gè)類似于傳統(tǒng)薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)來提高轉(zhuǎn)子總的剛度，從而達(dá)到提高風(fēng)能利用系數(shù)的目的。另外，設(shè)計(jì)合理的葉片重疊比β可以改善動(dòng)態(tài)力矩變化和靜態(tài)特性。

圖2 改進(jìn)型薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)原理圖

葉片重疊比公式為

式中，a為轉(zhuǎn)軸直徑；ra為重疊部分長(zhǎng)度；di為葉片直徑。

Menet同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了低速風(fēng)洞試驗(yàn)以驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)性能。這種改進(jìn)結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)繼承了傳統(tǒng)薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但是具有更高的效率，更適合于在居民住宅區(qū)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，其缺點(diǎn)是增加了系統(tǒng)制作的復(fù)雜性。Menet在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)樣機(jī)的機(jī)電系統(tǒng)、材料的選擇、發(fā)動(dòng)機(jī)、軸承和轉(zhuǎn)軸的選取都有著嚴(yán)格的要求。

Kamoji等［15］和 Saha等［16］在 Menet設(shè)計(jì)的改進(jìn)型薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出單級(jí)布置、兩級(jí)布置和三級(jí)布置結(jié)構(gòu)形式的薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)，試驗(yàn)證明這樣可以提高傳統(tǒng)薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以在低風(fēng)速下自行啟動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的雷諾數(shù)下，通過對(duì)風(fēng)力機(jī)高度與直徑之比以及疊加級(jí)數(shù)個(gè)數(shù)效果的比較，圖3所示三種不同結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)的尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而增大，但是所有結(jié)構(gòu)形式風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)與雷諾數(shù)是沒有關(guān)系的。圖3中，H為每節(jié)風(fēng)葉高度之和。

圖3 新型薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)原理圖

雷諾數(shù)表達(dá)式為

式中，U為來流速率；ρ為空氣密度；D為轉(zhuǎn)子直徑；μ為空氣絕對(duì)黏度。

阻力型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率低的原因主要是當(dāng)來流沖擊風(fēng)輪時(shí)，在其迎風(fēng)一側(cè)受到的是有效的推力，而另一側(cè)受到的是阻力，它們的合力才是推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做功的有效力。顯然，迎風(fēng)面另一側(cè)阻力的存在，減小了兩者的合力。根據(jù)這一原因，Sivasegaram等［17］提出了由靜止的導(dǎo)葉和旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉所組成的導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)的雛形，如圖4所示。導(dǎo)葉可以使來流完全導(dǎo)向受到壓力的面，達(dá)到提高風(fēng)能利用率的目的。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這種風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)阻力型相比，其風(fēng)能利用率有大幅提高［18-19］。

由于薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和功率都較低，與水平軸風(fēng)力機(jī)相比不適合用來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，但是對(duì)于小規(guī)模的電能需求，薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)還是大有用途的，所以有必要對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 導(dǎo)流型垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)

達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)由法國工程師達(dá)里厄發(fā)明，并于1931年在美國提出了包括直葉片結(jié)構(gòu)和彎葉片結(jié)構(gòu)的達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)專利［20］，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)分為固定漿距型風(fēng)力機(jī)和可變漿距型風(fēng)力機(jī)。固定漿距型風(fēng)力機(jī)存在啟動(dòng)性能較差的問題，可變漿距型風(fēng)力機(jī)可以解決達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小的問題，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

圖5 達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)

在風(fēng)速比較大的地區(qū)，為了不損壞葉片，垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)通常是不能正常發(fā)電的，于是產(chǎn)生了風(fēng)能的浪費(fèi)。為了解決風(fēng)速限制的技術(shù)問題，充分利用超大風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能，Ponta等［21］在傳統(tǒng)的達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了變結(jié)構(gòu)橢圓軌道垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖6所示。傳統(tǒng)達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)的葉片是圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)的，而變結(jié)構(gòu)橢圓軌道垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片是安裝在小車型的軌道上來回滑動(dòng)的，電能通過電動(dòng)機(jī)車的橢圓形輸電軌道得到。文獻(xiàn)［22-25］分別對(duì)這種類型的風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)、支撐系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究。

圖6 變結(jié)構(gòu)橢圓軌道垂直軸風(fēng)力機(jī)

2 風(fēng)能利用率改進(jìn)

2.1 風(fēng)能理論

風(fēng)能轉(zhuǎn)化率是反映風(fēng)輪性能的重要參數(shù)之一，代表風(fēng)輪捕捉風(fēng)能的性能。

尖速比是表示風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)快慢的參數(shù)，其計(jì)算公式為

式中，u為葉尖線圓周速度；v為空氣風(fēng)速。

葉片相對(duì)速率為

式中，θ為方位角。

轉(zhuǎn)矩系數(shù)為

式中，ct為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；c1為升力系數(shù)；cd為阻力系數(shù)；α為迎角。

迎角（攻角）為

式中，γ為槳距角。

風(fēng)能轉(zhuǎn)化率為

式中，ρ為空氣密度；c為弦長(zhǎng)；r為風(fēng)機(jī)半徑；n為葉片數(shù)。

2.2 性能優(yōu)化

文獻(xiàn)［6］分別從葉片數(shù)、扭角（90°，180°，270°，360°）、偏心系數(shù)、風(fēng)輪高度和旋轉(zhuǎn)直徑比例等方面對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［7］采用k-ε數(shù)學(xué)模型，根據(jù)偏心系數(shù)、封蓋直徑、內(nèi)隔板數(shù)、螺距4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)180°的兩葉片螺旋型S形風(fēng)輪進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)確定了以上關(guān)鍵參數(shù)的具體數(shù)值，通過仿真模擬證明了參數(shù)值的可信性。文獻(xiàn)［8］對(duì)三種典型的葉片重疊比（OL＝0，0.2，0.5）的薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證性的風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了其對(duì)風(fēng)力機(jī)性能的影響，進(jìn)一步將葉片重疊比限定在0.15～0.30之間，并對(duì)葉片重疊比以及轉(zhuǎn)軸軸徑對(duì)風(fēng)力機(jī)的靜動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)分析得出了葉片重疊比為0.175時(shí)，風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能最佳，圖7所示為位于日本鳥取大學(xué)的風(fēng)洞試驗(yàn)裝置。文獻(xiàn)［26］在此基礎(chǔ)上又對(duì)直葉片型垂直軸風(fēng)力機(jī)不同方位角的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和不同尖速比的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)改善了直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能。

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置

文獻(xiàn)［27-29］分別從結(jié)構(gòu)上對(duì)薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)和達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行組合，通過兩種類型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，減小了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，提高了風(fēng)能利用率。Wakui等［27］設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)：將薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)內(nèi)置于達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)中以及將達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)內(nèi)置于薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)中，如圖8所示。通過這兩種組合風(fēng)力機(jī)的對(duì)比，證明了將薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)內(nèi)置于達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)中這一組合設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，風(fēng)能利用率也得到顯著的提高。Alam等［29］提出了將達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)安裝在薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)之上，對(duì)樣機(jī)的分析表明了這種結(jié)構(gòu)相對(duì)于各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)有著更好的自啟動(dòng)性能，如圖9所示。

圖8 達(dá)里厄型和薩布紐斯型風(fēng)力機(jī)混合組合類型

圖9 薩布紐斯型和直葉片型達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的混合類型

3 垂直軸風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

人們以前對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的共識(shí)是風(fēng)能利用率低和風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能差。垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)不夠大時(shí)無法帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，其原因是高速旋轉(zhuǎn)之下產(chǎn)生了機(jī)械摩擦和振動(dòng)，同時(shí)也產(chǎn)生了噪聲。運(yùn)用磁懸浮軸承代替垂直軸風(fēng)力機(jī)的機(jī)械軸承，可以使得主軸和軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)減少物理上的接觸，以此減小機(jī)械摩擦，提高風(fēng)能利用率和啟動(dòng)性能。

垂直軸磁懸浮風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速低（2.5～25 m／s）、摩擦損耗小、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率高，具有巨大的應(yīng)用潛力［30］。將磁軸承運(yùn)用到風(fēng)力機(jī)中，既改善了風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)性能，還大大提高了其風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微噪聲，真正實(shí)現(xiàn)微風(fēng)狀態(tài)發(fā)電。

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

電力系統(tǒng)的并聯(lián)技術(shù)決定了風(fēng)力發(fā)電的演變過程：感應(yīng)發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式發(fā)電機(jī)。為了提高發(fā)電效率、減小體積，小型垂直軸風(fēng)力機(jī)多使用直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)。直驅(qū)發(fā)電機(jī)的低速特性需要很大的轉(zhuǎn)矩，要求電機(jī)有較多的極數(shù)和較大的直徑，使得電機(jī)內(nèi)部有很多空間不能充分利用。這就是直驅(qū)發(fā)電機(jī)通常比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)重、經(jīng)濟(jì)性差的原因。軸向磁場(chǎng)永磁同步風(fēng)力機(jī)可以改進(jìn)這些不足之處，Kamper［31］對(duì)軸向永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能等進(jìn)行了深入研究。該類型電機(jī)具有效率高、體積小、重量輕、節(jié)能效果明顯、故障率低、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于偏遠(yuǎn)無電但風(fēng)能資源豐富的地區(qū)［32］。另外，采用定子斜槽、轉(zhuǎn)子斜極和定子分?jǐn)?shù)槽等方法的永磁同步發(fā)電機(jī)均可減小起動(dòng)阻力矩，從而有效地提高風(fēng)能利用率［33］。文獻(xiàn)［34］對(duì)垂直軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模，運(yùn)用MATLAB／Simulink建立了包括風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型和發(fā)電機(jī)模型在內(nèi)的系統(tǒng)仿真模型，并且對(duì)有功功率、無功功率瞬時(shí)控制策略進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該模型的合理性及其控制策略的正確性和可行性。

3.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)

（1）機(jī)械軸承。這類軸承目前在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但也帶來了摩擦嚴(yán)重的問題，特別是對(duì)于啟動(dòng)性能不佳的垂直軸風(fēng)力機(jī)而言尤為嚴(yán)重。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用的關(guān)鍵配套軸承包括偏航系統(tǒng)軸承、變槳系統(tǒng)軸承、主軸軸承、其他系統(tǒng)軸承（發(fā)電機(jī)軸承和齒輪軸承）［35］。

（2）電磁軸承。電磁軸承可以分為主動(dòng)磁軸承、被動(dòng)磁軸承（永磁軸承）、混合磁軸承。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和美國能源部在2007年開始啟動(dòng)小型風(fēng)力機(jī)研究項(xiàng)目，并將電磁軸承運(yùn)用到垂直軸風(fēng)力機(jī)中［36］。美國環(huán)球風(fēng)能科技有限公司設(shè)計(jì)出磁懸浮原理的垂直軸風(fēng)力機(jī)，并實(shí)行了商業(yè)化。廖界儒等［37］將被動(dòng)磁軸承應(yīng)用在永磁同步發(fā)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)發(fā)電，減小了摩擦噪聲，延長(zhǎng)了元件使用壽命。Liu等［38］使用被動(dòng)磁軸承，可以任意調(diào)節(jié)葉片漿距以得到最大的迎風(fēng)角，從而改善了風(fēng)力機(jī)的自啟動(dòng)能力，并且在山東大學(xué)風(fēng)能試驗(yàn)基地對(duì)樣機(jī)做了長(zhǎng)期的試驗(yàn)，結(jié)果證明了使用永磁軸承的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)良好，獲得了市場(chǎng)的認(rèn)可。文獻(xiàn)［39］和文獻(xiàn)［40］分別使用MATLAB仿真軟件建立了軸向磁軸承模型和混合磁軸承模型，并使用有限元軟件對(duì)軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行徑向優(yōu)化，使得其控制效果實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定懸浮，可滿足小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)要求。

3.3 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（WECS）

近年來，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)逐漸得到各國學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的重視［3-5］。風(fēng)電場(chǎng)安裝的兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)已占大多數(shù)，風(fēng)力機(jī)的電能輸出波動(dòng)直接導(dǎo)致電網(wǎng)頻率變化，電網(wǎng)頻率的變化又會(huì)影響電能質(zhì)量。因此，解決風(fēng)力發(fā)電的輸出波動(dòng)變化有利于風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。Takahashi等［3］對(duì)風(fēng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并提出將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用飛輪儲(chǔ)能存儲(chǔ)電量，改善了電能質(zhì)量，并采用計(jì)算機(jī)仿真軟件PSCAD／EMTDC將該方法和傳統(tǒng)輸出濾波控制進(jìn)行比較分析，證明了該方法對(duì)于孤立的小型電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性具有明顯的效果，使得頻率偏差可以控制在理想的范圍內(nèi)。NanChyuan等［41］將主動(dòng)磁軸承運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電中，提高了能量轉(zhuǎn)換的效率，并在設(shè)計(jì)的樣機(jī)中對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

4 需要研究的技術(shù)問題

以下是垂直軸風(fēng)力機(jī)需要解決的技術(shù)問題，對(duì)于具體類型的各種垂直軸風(fēng)力機(jī)在設(shè)計(jì)上還會(huì)出現(xiàn)許多的問題。

（1）風(fēng)電機(jī)組的使用壽命較短。從技術(shù)商業(yè)化程度來看，難以保證風(fēng)電機(jī)組使用壽命達(dá)到20年，因而所有部件的可靠性都需要進(jìn)行深入的研究。這可以通過對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、選用更好的材料和先進(jìn)的控制裝置等措施來實(shí)現(xiàn)。

（2）解決恒尖速比這一性能指標(biāo)是最大限度地利用風(fēng)能技術(shù)的關(guān)鍵所在，不用“軟調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)”而達(dá)到提高風(fēng)能利用率是需要深入研究的問題。

（3）低速比是垂直軸風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)，低轉(zhuǎn)速大功率輸出的問題對(duì)于垂直軸風(fēng)力機(jī)或水平軸風(fēng)力機(jī)都是一個(gè)難題。由于水平軸風(fēng)力機(jī)研究相對(duì)成熟，處理的效果要比垂直軸風(fēng)力機(jī)好一些，因此，垂直軸風(fēng)力機(jī)的低轉(zhuǎn)速大功率輸出的問題是需要深入研究的關(guān)鍵問題。

（4）目前垂直軸風(fēng)力機(jī)大多屬于離網(wǎng)型，如果能開發(fā)出性能成熟可靠的并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)力機(jī)，將會(huì)改變風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)的現(xiàn)狀。

（5）由于風(fēng)速隨機(jī)性變化，產(chǎn)生風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)，加大了電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，故設(shè)計(jì)出可以將用電低谷的多余電量?jī)?chǔ)存在高峰時(shí)期使用的儲(chǔ)能系統(tǒng)，是必須解決的問題。

5 結(jié)語

本文對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的類型、原理、結(jié)構(gòu)、風(fēng)能利用率等方面進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，剖析了垂直軸風(fēng)力機(jī)存在的若干問題和發(fā)展趨勢(shì)，提出了需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，可以為從事相關(guān)研究的學(xué)者提供借鑒?？偟膩碚f，國外對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和實(shí)用已經(jīng)達(dá)到了一定的階段，但國內(nèi)的研究水平基本處于起始階段，還沒有大規(guī)模應(yīng)用垂直軸風(fēng)力機(jī)來建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。隨著對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)研究的進(jìn)一步深入，它的綜合性能也必將不斷得到提高，所以，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)展開研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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