垂直轴风力发电机的气动特性研究

　　3. 垂直轴风力发电机的分类
　　从气动性能上划分，垂直轴风力发电机类似于水平轴风力发电机，也可以分为阻力型和升力型这两大类。任何物体在空气中都会受到阻力和升力，如图1 所示，与来流方向平行的力D 为阻力，与来流方向垂直的力L 为升力。当风轮旋转主要靠叶片受到的阻力来驱动时，该风力机为阻力型；当风轮旋转主要靠叶片受到的升力来驱动时，该风力机为升力型。需要注意的是，由于叶片是同时受升力和阻力作用的，特别是当叶片的安装角在一定的临界范围时，阻力和升力基本上差不多，这个时候很难区分驱动风轮转动的主要是靠升力还是阻力，因此其分类也很难确定。特别的，对于可变桨距的风力发电机来说，启动时安装角增大，这个时候可看作是阻力型，高速时安装角变小，这个时候又可看作是升力型，图2 和图3 是典型的阻力型风力发电机和升力型风力发电机。
　　从流体力学方面分析，对于阻力型风电机组，其受到的阻力可以近似认为 ，其中Cd 为阻力系数，S 为投影面积，v 为相对风速。图4 为典型的阻力型风力机运动简图，结合公式和简图可以看出，当风力机静止时，v 等于风速，由于S 比较大，所以阻力型风力发电机能够获得较大的启动力矩。但是当风力发电机旋转之后，相对风速v =vw -vr，随着转速的增高，相对风速减小，风力机受到的阻力急剧减小，例如当风力发电机线速度达到风速的一半时，即尖速比为0.5 时，风力发电机受到的阻力将减小为启动时的四分之一，又由于风力发电机的功率= 力矩X 角速度，所以阻力型风力发电机的风能利用率很低。根据阻力型风力机启动力矩大，风能利用率低的特点，该型风力发电机仅适用于低风速地区的提水灌溉等应用领域，不适合用来发电。