水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較

東來(lái)種樹(shù)

摘要：本文主要對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行了比較，最終得出垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)大有可為的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；垂直軸；水平軸；設(shè)計(jì)；

1 引 言

人類(lèi)利用風(fēng)能已有數(shù)千年歷史，在蒸汽機(jī)發(fā)明以前風(fēng)能曾作為重要的動(dòng)力，應(yīng)用于人類(lèi)生活的眾多方面。風(fēng)力發(fā)電的探索，則起源于19世紀(jì)末的丹麥，但是直到20世紀(jì)70年代以前，還只有小型充電用風(fēng)力發(fā)電機(jī)達(dá)到實(shí)用階段。1973年爆發(fā)石油危機(jī)以后，美國(guó)、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家為尋求替代石油燃料的能源，投入了大量經(jīng)費(fèi)，動(dòng)員高科技產(chǎn)業(yè)，利用計(jì)算機(jī)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的新技術(shù)研制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，開(kāi)創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時(shí)代[1]。

垂直軸風(fēng)車(chē)很早就被應(yīng)用于人類(lèi)的生活領(lǐng)域中，中國(guó)最早利用風(fēng)能的形式就是垂直軸風(fēng)車(chē)[1]。但是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20世紀(jì)20年代才開(kāi)始出現(xiàn)[2]（Savonius式風(fēng)輪——1924年，Darrieus式風(fēng)輪——1931年）。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1][2]，因而導(dǎo)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期得不到重視。

隨著科技的發(fā)展和人類(lèi)認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，人們逐漸認(rèn)識(shí)到垂直軸風(fēng)輪的尖速比不能大于1僅僅適用于阻力型風(fēng)輪（Savonius式風(fēng)輪），而升力型風(fēng)輪（Darrieus式風(fēng)輪）的尖速比甚至可以達(dá)到6，并且其風(fēng)能利用率也不低于水平軸[1][2]。近年來(lái)，越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和個(gè)人開(kāi)始研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[2][3][4]。

本文從設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)，環(huán)保等多個(gè)方面對(duì)水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較，探討了在諸多方面垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)于水平軸的優(yōu)點(diǎn)，最終得出了作為一種具有眾多優(yōu)點(diǎn)的風(fēng)輪形式，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為。

2 水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較

2.1 設(shè)計(jì)方法

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)目前普遍采用的是動(dòng)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(dòng)干擾，同時(shí)在應(yīng)用葉素理論設(shè)計(jì)葉片時(shí)都忽略了翼型的阻力，這種簡(jiǎn)化處理不可避免的造成了結(jié)果的不準(zhǔn)確性，文獻(xiàn)[1]指出，這種簡(jiǎn)化對(duì)葉片外形設(shè)計(jì)的影響較小，但是對(duì)風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大。同時(shí)，風(fēng)輪各葉片之間的干擾也十分強(qiáng)烈，整個(gè)流動(dòng)非常復(fù)雜，如果僅僅依靠葉素理論是完全沒(méi)有辦法得出準(zhǔn)確結(jié)果的。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)以前也是按照水平軸的方法，依靠葉素理論來(lái)設(shè)計(jì)[1]。由于垂直軸風(fēng)輪的流動(dòng)比水平軸更加復(fù)雜，是典型的大分離非定常流動(dòng)，不適合用葉素理論進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，這也是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期得不到發(fā)展的一個(gè)重要原因。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，從最初的小擾動(dòng)速勢(shì)方程，到歐拉方程，以及更加復(fù)雜的N-S方程[7]，目前的CFD技術(shù)完全能模擬在復(fù)雜外形下的復(fù)雜流動(dòng)。對(duì)于垂直軸風(fēng)輪的葉片，已經(jīng)可以用CFD方法來(lái)設(shè)計(jì)[8]，這無(wú)疑要比葉素理論精確的多。而水平軸葉片的設(shè)計(jì)還沒(méi)有辦法應(yīng)用CFD方法來(lái)設(shè)計(jì)，這主要是由這兩種風(fēng)輪結(jié)構(gòu)決定的。水平軸的葉片由于每個(gè)截面的扭角，弦長(zhǎng)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(jì)算網(wǎng)格至少要100萬(wàn)個(gè)，整個(gè)計(jì)算量就會(huì)大大增加。直觀的說(shuō)，模擬一個(gè)工況，在采用CPU為P4 3.0G的個(gè)人電腦上，計(jì)算時(shí)間大概需要7—10天，如果設(shè)計(jì)一個(gè)風(fēng)輪可能需要幾年到十幾年時(shí)間，這樣的代價(jià)在工業(yè)設(shè)計(jì)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(fēng)輪），葉片的每個(gè)截面都一樣，這樣就能簡(jiǎn)化成二維情況，網(wǎng)格數(shù)大大下降，計(jì)算量也隨之下降，一般模擬一個(gè)工況只需要4個(gè)小時(shí)。從設(shè)計(jì)方法上講，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)要比水平軸的先進(jìn)的多。

2.2 風(fēng)能利用率

目前，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方計(jì)算所得，一般在40%以上。前面已經(jīng)提到了，由于設(shè)計(jì)方法本身的缺陷，這樣計(jì)算所得的風(fēng)能利用率的準(zhǔn)確性很值得懷疑。當(dāng)然，風(fēng)電廠的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都會(huì)根據(jù)測(cè)得的風(fēng)速和輸出功率繪制風(fēng)功率曲線，但是此時(shí)的風(fēng)速是風(fēng)輪后部測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速（見(jiàn)圖1），要小于來(lái)流風(fēng)速[9][10]，這樣測(cè)下來(lái)的風(fēng)功率曲線偏高，必須進(jìn)行修正。根據(jù)文獻(xiàn)[10]的修正方法修正后，水平軸的風(fēng)能利用率要降低30%-50%左右。對(duì)于小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心曾作過(guò)相關(guān)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的利用率在23%-29%左右[11]。



圖1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖

由于以前一直用葉素理論計(jì)算垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率，得出了利用率不如水平軸的結(jié)論，但是通過(guò)筆者CFD模擬結(jié)果來(lái)看，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率不比水平軸的低，國(guó)外也有機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率在40%以上[2]。另外，在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的，水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不可能始終對(duì)著風(fēng)，這就引起了“對(duì)風(fēng)損失”，而垂直軸風(fēng)輪則不存在這個(gè)問(wèn)題[1]，因此在考慮了對(duì)風(fēng)損失之后，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率完全有可能超過(guò)水平軸風(fēng)輪。

2.3 起動(dòng)風(fēng)速

水平軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能好已經(jīng)是個(gè)共識(shí)，但是根據(jù)中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心對(duì)小型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所做的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)看，起動(dòng)風(fēng)速一般在4~5米/秒之間，最大的居然達(dá)到了5.9米/秒[11]，這樣的起動(dòng)性能顯然是不能令人滿(mǎn)意的。

垂直軸風(fēng)輪的起動(dòng)性能差也是目前業(yè)內(nèi)的共識(shí)[2]，特別是對(duì)于Darrieus式Ф型風(fēng)輪（見(jiàn)圖2），完全沒(méi)有自起動(dòng)能力，這也是限制垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)原因。但是，對(duì)于Darrieus式H型風(fēng)輪（見(jiàn)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(dāng)不錯(cuò)的起動(dòng)性能，通過(guò)對(duì)麟風(fēng)P-200垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)看，這種Darrieus式H型風(fēng)輪的起動(dòng)風(fēng)速只需要2米/秒，這無(wú)疑要比上述的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)好的多。



圖2 Darrieus式Ф型風(fēng)輪                                                       圖3 Darrieus式H型風(fēng)輪

2.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，受慣性力和重力的綜合作用，慣性力的方向是隨時(shí)變化的，而重力的方向始終不變，這樣葉片所受的就是一個(gè)交變載荷，這對(duì)于葉片的疲勞強(qiáng)度是非常不利的[1][12]。另外，水平軸的發(fā)電機(jī)都置于幾十米的高空，這給發(fā)電機(jī)的安裝和維護(hù)檢修帶來(lái)了很多的不便。

垂直軸風(fēng)輪的葉片在旋轉(zhuǎn)的過(guò)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(zhǎng)[1]。同時(shí)，垂直軸的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪的下部或是地面，便于安裝維護(hù)。

2.5 環(huán)保問(wèn)題

雖然風(fēng)力發(fā)電也號(hào)稱(chēng)是清潔能源，能起到很好的環(huán)保作用，但是隨著越來(lái)越多大型風(fēng)電場(chǎng)的建立，一些由風(fēng)力發(fā)電機(jī)引發(fā)的環(huán)保問(wèn)題也凸顯出來(lái)。這些問(wèn)題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是噪音問(wèn)題，二是對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。

水平軸風(fēng)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(dòng)噪音，同時(shí)，很多鳥(niǎo)類(lèi)在這樣的高速葉片下也很難幸免[13]。

垂直軸風(fēng)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(dòng)噪音，完全達(dá)到了靜音的效果。無(wú)噪音帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的，以前因?yàn)樵胍魡?wèn)題不能應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的場(chǎng)合（如城市公共設(shè)施、民宅等），現(xiàn)在可以應(yīng)用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)解決，因此，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比水平軸有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

低尖速比帶來(lái)的好處不僅僅是環(huán)保上面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于風(fēng)機(jī)的整體性能也是非常有利的。從空氣動(dòng)力學(xué)上分析，物體速度越快，外形對(duì)流場(chǎng)的影響越大。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在戶(hù)外運(yùn)行時(shí)，葉片上不可避免的受到污染，這種污染實(shí)際上是改變了葉片的外形。對(duì)于水平軸風(fēng)輪來(lái)講，即使這種外形變化很微小，也很大的降低了風(fēng)輪的風(fēng)能利用率[9]，而垂直軸風(fēng)輪因?yàn)檗D(zhuǎn)速低，所以對(duì)外形的改變沒(méi)那么敏感，這種葉片的污染基本上對(duì)風(fēng)輪的氣動(dòng)性能沒(méi)有影響。

3 結(jié) 論

本文從多方面對(duì)水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較，從比較中可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、風(fēng)能利用率高、起動(dòng)風(fēng)速低、無(wú)噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有更加廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，相信在不久的將來(lái)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)將大有作為。

參 考 文 獻(xiàn)

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據(jù)說(shuō)美國(guó)正在大力發(fā)展垂直軸呢

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