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1、2007年第2期上海电力新型风力发电装置水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究蒋超奇,严强(上海麟风风力发电设备有限公司,上海200063)摘要:随着科技的发展,垂直轴风力发电机组已经逐渐重新被人认识与重视。文章对水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机在设计方法、结构等方面进行了比较,指出垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、基本不产生气动噪声等优点,具有广泛的市场应用前景。关键词:风力发电机;垂直轴;水平轴;设计中图分类号:TK83文献标识码:B准确结果的。1引言垂直轴风车很早被应用于人类的生活中,中[1]国最早利用风能的形式就是垂
2、直轴风车。但是,垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚[2]一些,直到20世纪20年代才开始出现(Savonius式风轮,1924年;Darrieus式风轮,1931年)。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比(叶尖处的线速度和风速之比)不可能大于1,[1,2]风能利用率低于水平轴风力发电机,因而导图1水平轴风力发电机致垂直轴风力发电机长期得不到重视。垂直轴风力发电机(图2,图3)的叶片设计,随着科技的发展和人类认识水平的不断提以前也是按照水平轴的设计方法,依靠叶素理论高,人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大[1]来设计。由于垂直轴风轮的流动比水平轴
3、更加于1仅仅适用于阻力型风轮(Savonius式风轮),复杂,是典型的大分离非定常流动,不适合用叶素而升力型风轮(Darrieus式风轮)的尖速比甚至可理论进行分析、设计,这也是垂直轴风力发电机长以达到6,并且其风能利用率也不低于水平[1,2]期得不到发展的一个重要原因。轴。近年来,越来越多的机构和个人开始研[2～4]究垂直轴风力发电机,并取得了长足的发展。2水平轴与垂直轴风力发电机的比较2.1设计方法水平轴风力发电机(图1)的叶片设计,目前普遍采用的是动量—叶素理论,主要的方法有[1,5～6]Glauert法、Wilson法等。但是,由于叶素理论
4、忽略了各叶素之间的流动干扰,同时在应用叶素理论设计叶片时都忽略了翼型的阻力,这种简化处理不可避免地造成了结果的不准确性,文图2Darrieus式Ф型风轮献[1]指出,这种简化对叶片外形设计的影响较随着计算机技术的不断发展,计算流体力学小,但对风轮的风能利用率影响较大。同时,风轮(ComputationalFluidDynamics,以下简称CFD)各叶片之间的干扰也十分强烈,整个流动非常复得到了长足的进步,从最初的小扰动速势方程到杂,如果仅仅依靠叶素理论是完全没有办法得出欧拉方程,以及更加复杂的N-S方程[7],目前—163—©1994-2007C
5、hinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net新型风力发电装置上海电力2007年第2期能利用率不比水平轴的低,国外也有机构经过实[2]验表明垂直轴风轮的风能利用率在40%以上。另外,在实际环境中风向是经常变化的,水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风,这就引起了“对风[1]损失”,而垂直轴风轮则不存在这个问题。因此,在考虑了对风损失之后,垂直轴风轮的风能利用率完全有可能超过水平轴风轮。2.3起动风速水平轴风轮的起动性能好已经是个共识,但
6、是图3Darrieus式H型风轮根据中国空气动力研究与发展中心对小型水平轴的CFD技术完全能模拟在复杂外形下的复杂流风力发电机所做的风洞实验来看,起动风速一般动。对于垂直轴风轮的叶片,已经可以用CFD方在4～5m/s之间,最大的居然达到5.9m/s[11],[8]法来设计。而水平轴叶片的设计还没有办法应这样的起动性能显然是不能令人满意的。用CFD方法来设计,这主要是由这两种风轮结构垂直轴风轮的起动性能差也是目前业内的共决定的。水平轴的叶片由于每个截面的扭角、弦识[2],特别是对于Darrieus式Ф型风轮,如图2长以及尖速比都不同,如果要用CFD模
7、拟的话,所示,完全没有自启动能力,这也是限制垂直轴风就必须采用三维模型。力发电机应用的一个原因。但是,对于Darrieus直观地说,模拟一个工况,在采用CPU为P4式H型风轮,如图3所示,却有相反的结论。根3G的个人电脑上,计算时间大概需要7～10d,如据笔者的研究发现,只要翼型和安装角选择合适,果设计一个风轮,可能需要几年到十几年,这样的完全能得到相当不错的起动性能,通过对麟风P2代价在工业设计中是很难接受的。而垂直轴就完200垂直轴风力发电机的风洞实验来看,这种全不一样(仅限于Darrieus式H型风轮),叶片的Darrieus式H型风轮的起动
8、风速只需要2m/s,每个截面都一样,这样就能简化成二维情况,网格优于上述的水平轴风力发电机。数大大下降,计算量也随之下降,
