何志寧， 劉座銘， 張宗珍

（大連市中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116600）

0 引言

按照風力機轉(zhuǎn)軸相對位置關(guān)系的不同可把風力機分為水平軸風力機和垂直軸風力機，各大科研機構(gòu)和高校院所對于水平軸風力機的研究起步較早，研究成果也較多，是目前商業(yè)化程度高和技術(shù)較成熟的一種風力機，占整個風力發(fā)電機市場的97%。由于人們起初對于垂直軸風力機的認識不足，認為垂直軸風力機的尖速比不可能大于1、風能利用率低等缺點，致使垂直軸風力機長期得不到發(fā)展。隨著計算流體力學的發(fā)展，實踐證明垂直軸升力型風輪的尖速比可以大于1。相關(guān)研究表明，達里厄H型（Darrieus）風力機的尖速比可以達到6或更高，空氣動力性能十分優(yōu)異，并且風能利用率和成本造價也具有一定的優(yōu)勢，近年來受到各國［1，3］研究人員的廣泛關(guān)注。

1 垂直軸風力機長期得不到發(fā)展的原因

與水平軸風力發(fā)電機相比，垂直軸風力發(fā)電機組有著諸多的優(yōu)越性。但由于垂直軸風力發(fā)電機的研究晚于水平軸風力發(fā)電機，在垂直軸風力機出現(xiàn)之后的很長一段時間內(nèi)，由于人們對它的認識不足，未引起足夠的關(guān)注。以前在空氣動力學以及構(gòu)造力學等方面的技術(shù)積累較少，大型垂直軸風力機的研究相對滯后。但是對于小型升力型垂直軸風力發(fā)電機組來說，經(jīng)過了多年的技術(shù)積累，以及計算流體的快速發(fā)展，小型升力型垂直軸風力機的研究已經(jīng)取得了一定的成就，并開始逐步的商業(yè)化。在上世紀80年代中期，Musgrove型垂直軸風力機曾在市場上對水平軸風力機造成了一定的沖擊，英國政府和中央發(fā)電局也對這種機型給予了一定的政策支持，在當時英格蘭和威爾士地區(qū)應(yīng)用十分廣泛。

人們對垂直軸風力機認識上的偏差，主要是源于垂直軸風力機理論研究上的落后，水平軸風力發(fā)電機的葉片設(shè)計目前普遍采用的是動量—葉素理論，而垂直軸風力發(fā)電機的葉片設(shè)計以前也是按照這一理論來設(shè)計。由于垂直軸風力機風輪內(nèi)的空氣流動比水平軸風力機更加復雜，屬于嚴重分離的非定常流動，用葉素理論進行計算分析，會導致計算結(jié)果誤差較大，計算結(jié)果不準確，正是由于無法準確預(yù)測垂直軸風力發(fā)電機的氣動特性，使得在其出現(xiàn)的很長一段時間都沒有得到應(yīng)有的關(guān)注。

2 垂直軸風力機的分類

垂直軸風力發(fā)電機按照工作原理來分可分為阻力型和升力型。依靠空氣阻力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩來工作的稱為阻力型風力發(fā)電機。S型（薩渥紐斯型）和渦輪型是阻力型垂直軸風力機的典型代表；利用風推動葉片凸凹兩側(cè)時產(chǎn)生的壓力不同而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩來工作的成為升力型風力發(fā)電機。它是利用空氣流經(jīng)葉片而產(chǎn)生的升力作為旋轉(zhuǎn)力矩來工作的。其葉片主要采用飛機機翼翼型橫截面的形狀，這類風力機主要包括達里厄型和直線翼型。供動力而設(shè)計的。如圖1所示，它由兩個半圓形風杯交錯組合而成的。當風流過風輪時，會在葉片的凹凸兩面上的產(chǎn)生阻力差，壓差產(chǎn)生的力矩會驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動。薩沃尼斯型垂直軸風力機在低風速的啟動性能十分優(yōu)異，可以不借助其他輔助裝置進行自啟動，但氣動性能卻并不理想，研究人員進行了多次設(shè)計改進，該型風力機的尖速比始終都沒有超過1。因此，目前關(guān)于這種垂直軸風力機研究處于停滯的狀態(tài)。

圖1 薩沃尼斯型風力機

1）薩沃尼斯型。1925年芬蘭人Savonius發(fā)明了一種利用空氣阻力來做功的風力機，后來人們把它命名為薩沃尼斯型垂直軸風力機，該風力機最初是為航海帆船提

2）達里厄型。1925年法國工程師George Jeans Mary Darrieus發(fā)明了一種新型的垂直軸風力機，并命名為達里厄型垂直軸風力機，并在1931年為其提出了專利申請。達里厄型垂直軸風力機風輪葉片的形狀有彎曲葉片和直葉片兩種，如圖2、圖3所示。

彎葉片的設(shè)計可使風輪在轉(zhuǎn)動時葉片不會受到離心力載荷，而只承受張力載荷，但這種葉片制造工藝復雜，成本較高。達里厄型直葉片風力機在風輪轉(zhuǎn)動時葉片則需要承受由離心力而引起的彎曲應(yīng)力，但是由于其葉片為直線型，加工制造相對容易。達里厄型垂直軸風力機的工作原理是：當風流過風輪時由葉片產(chǎn)生的升力為風輪提供旋轉(zhuǎn)動力。

圖2 彎葉片垂直軸風力機

圖3 直葉片垂直軸風力機

20世紀70年代能源危機開始顯現(xiàn)出來以后，風機研究才得到了一些學者和科研機構(gòu)的重視。美國圣地亞（Sandia）國家實驗室主要研究達里厄彎葉片垂直軸風力機，而英國的科研機構(gòu)則將研究重點放在了達里厄直葉片垂直軸風力機上。1975年圣地亞實驗室制造了一個17 m高的該型風機，其工作時長超過了10 000 h，運行狀態(tài)良好。1988年，圣地亞實驗室的研究人員，又制造了一個34 m高的達里厄型垂直軸風力機，該機的設(shè)計容量為500 kW，結(jié)果表明，該機在較大工作范圍內(nèi)（25～40 r/min）都有良好的表現(xiàn)。從此，達里厄型垂直軸風力機開始步入市場化，并在加福利尼亞州建立了風力發(fā)電場，建設(shè)500多臺該型風機進行商業(yè)開發(fā)。

3）阻力型風機與升力型風機的氣動特點比較。由Betz理論可知，風功率的最大理想利用系數(shù)約為0.59，但風輪葉片如何有效地獲取風功率則是要研究的重點。早期東方的阻力型風力機和后期西方的升力型風力機都為后來的理論研究和實際應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

近期的研究熱點主要集中在小型垂直軸風力機實用性研究上。國內(nèi)關(guān)于垂直軸風力機的大部分研究集中在空氣動力學特性方面，主要包括對垂直軸風力機葉片適用翼型的氣動特性分析和整體風輪的氣動特性研究，雖然取得了一定的進展，但總體上仍未形成規(guī)律性的認識。

［參考文獻］

［1］TEMPLIN R J.Aerodynamic Performance Theory for the NRC Vertieal-Axis Wind Turbine［R］//N.A.E.Report LTRLA-160，1974：1-13.

［2］MULLER G，JENTSCH M F，STODDART E.Vertical axis resistance type wind turbines for use in buildings［J］.Renewable Energy，2009，34：1407-1412.

［3］吳運東.我國風能資源量的商榷［J］.太陽能，2005（6）：51-52.