垂直轴风力发电机的气动特性研究

　　摘　要：本文主要对垂直轴风力发电机的气动特性进行了研究，从分类、整体结构、叶片个数等多方面考察了不同气动布局对垂直轴风力发电机性能的影响，为垂直轴风力发电机的气动布局设计提供了依据。
　　关键词：风力发电机　垂直轴　设计　气动特性　启动力矩

　　1. 引言
　　人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾作为重要的动力，应用于人类生活的众多方面。风力发电的探索，则起源于19 世纪末的丹麦，但是直到20 世纪70 年代以前，还只有小型充电用风力发电机达到实用阶段。1973 年爆发石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代石油燃料的能源，投入了大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制风力发电机组，开创了风能利用的新时代[1]。
　　垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中，中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车[1]。但是垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚一些，直到20 世纪20 年代才开始出现[2]（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不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机[1][2]，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。
　　随着科技的发展和人类认识水平的不断提高，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大于1仅仅适用于阻力型风轮（Savonius 式风轮），而升力型风轮（Darrieus 式风轮）的尖速比甚至可以达到5，并且其风能利用率也不低于水平轴[1][2]。近年来，越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展[2][3][4]。
　　风力发电机，顾名思义是将风能转换为机械能，再转化为电能的装置，风力发电机的气动性能直接决定了风力发电机将风能转化为点电能的效率，因此，风力发电机的气动外形是整个风力发电机设计的基础和重点。本文从垂直轴风力发电机的分类、气动性能参数，叶片形式等多方面探讨了不同参数对风力发电机气动性能的影响，为垂直轴风力发电机的气动外形设计提供了基本依据。
　　2. 气动性能考量参数
　　对于风力发电机来说，衡量其气动性能优劣最重要的两个参数就是启动力矩和风能利用率。启动力矩是指风轮在一定风速下开始转动时产生的力矩。对于垂直轴风力发电机来说，由于单个叶片在不同的位置与来流的夹角是不同的，因此其启动力矩的大小不仅与风速有关，还与叶片的位置（即方位角）有关。风能利用率是风能转化为机械能的比值，其理论极限值为59.3%。启动力矩衡量风力发电机的启动性能，风能利用率衡量了风力发电机的发电效率，但这二者往往又是矛盾的，要得到大的启动力矩，风能利用率就要降低；要得到高的风能利用率，则启动力矩就会降低。因此，风力发电机的气动设计必须考虑影响二者的因素，在启动力矩和风能利用率找到一个最佳平衡点，使得风力发电机在低风速下既有良好的启动性能，在高风速下又能得到高的风能利用率。下文将从风力发电机的分类、翼型、叶片布局等多方面来讨论其对启动力矩和风能利用率的影响。