水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較

東來種樹

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(shè)計方法、結(jié)構(gòu)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(jié)論。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機；垂直軸；水平軸；設(shè)計；

1 引 言

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)電機達到實用階段。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(jīng)費，動員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計算機、空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學和材料科學等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風力發(fā)電機組，開創(chuàng)了風能利用的新時代[1]。

垂直軸風車很早就被應用于人類的生活領(lǐng)域中，中國最早利用風能的形式就是垂直軸風車[1]。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)[2]（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[1][2]，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）的尖速比甚至可以達到6，并且其風能利用率也不低于水平軸[1][2]。近年來，越來越多的機構(gòu)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[2][3][4]。

本文從設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)，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(shè)計方法

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，主要的方法有Glauert法、Wilson法等[1][5][6]。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(shè)計葉片時都忽略了翼型的阻力，這種簡化處理不可避免的造成了結(jié)果的不準確性，文獻[1]指出，這種簡化對葉片外形設(shè)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辦法得出準確結(jié)果的。

垂直軸風力發(fā)電機的葉片設(shè)計以前也是按照水平軸的方法，依靠葉素理論來設(shè)計[1]。由于垂直軸風輪的流動比水平軸更加復雜，是典型的大分離非定常流動，不適合用葉素理論進行分析、設(shè)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。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）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[7]，目前的CFD技術(shù)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(jīng)可以用CFD方法來設(shè)計[8]，這無疑要比葉素理論精確的多。而水平軸葉片的設(shè)計還沒有辦法應用CFD方法來設(shè)計，這主要是由這兩種風輪結(jié)構(gòu)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(wǎng)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P4 3.0G的個人電腦上，計算時間大概需要7—10天，如果設(shè)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(shè)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(wǎng)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(shè)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(shè)計方計算所得，一般在40%以上。前面已經(jīng)提到了，由于設(shè)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懷疑。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（見圖1），要小于來流風速[9][10]，這樣測下來的風功率曲線偏高，必須進行修正。根據(jù)文獻[10]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(guān)的風洞實驗，實測的利用率在23%-29%左右[11]。



圖1 水平軸風力發(fā)電機示意圖

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(jié)論，但是通過筆者CFD模擬結(jié)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(gòu)經(jīng)過實驗表明垂直軸風輪的風能利用率在40%以上[2]。另外，在實際環(huán)境中風向是經(jīng)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[1]，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。

2.3 起動風速

水平軸風輪的起動性能好已經(jīng)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，最大的居然達到了5.9米/秒[11]，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(nèi)的共識[2]，特別是對于Darrieus式Ф型風輪（見圖2），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（見圖3）卻有相反的結(jié)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。



圖2 Darrieus式Ф型風輪                                                       圖3 Darrieus式H型風輪

2.4 結(jié)構(gòu)特點

水平軸風力發(fā)電機的葉片在旋轉(zhuǎn)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[1][12]。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(zhuǎn)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[1]。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。這些問題主要體現(xiàn)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(chǎn)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[13]。

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(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動噪音，完全達到了靜音的效果。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(shè)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(lǐng)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，葉片上不可避免的受到污染，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[9]，而垂直軸風輪因為轉(zhuǎn)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(jié) 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(shè)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

１. 熊禮儉. 風力發(fā)電新技術(shù)與發(fā)電工程設(shè)計、運行、維護及標準規(guī)范實用手冊. 中國科技文化出版社.

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３. 張富昌. 幾種新式立軸風力機設(shè)計方案. 新能源，1998年第９期.

４. 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.

５. 鄧興勇，陳云程. 風力發(fā)電機葉輪的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計法. 工程熱物理學報，1999年第１期.

６. 張維智，李軍. 風力機葉片優(yōu)化設(shè)計的探討. 風力發(fā)電，2003年第２期.

７. 桑為民. 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格多段翼型繞流Euler及N－S方程數(shù)值模擬. 西北工業(yè)大學碩士學位論文，1999.

８. Zhichao Jiang，Numerical Investigation on the Flow and Power Generation of Straight Darrieus Wind Turbine in Low Reynolds Number Turbulent Flow. Thesis submitted for the Degree of Engineering，Hiroshima University，Japan，2005.

９. 夏暉，王蒙. 影響風力發(fā)電機組功率曲線變化的主要因素. 新疆電力，2005年第3期.

10. 張秋生. 風力發(fā)電機組功率曲線考核初探. 風力發(fā)電，2004年第3期.

11. 張維智，李方洲. 小型水平軸風力發(fā)電機風洞實驗. 風力發(fā)電，2004年第1期.

12. 張壬龍. 對我國自行研制大型風力發(fā)電機組的一些看法. 水利電力施工機械，1995，第17卷第3期.

13. 楊光碧. 風力發(fā)電機的屠殺. 環(huán)境，2004年第12期.

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據(jù)說美國正在大力發(fā)展垂直軸呢

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