目前国内外有许多厂商正在致力于大型垂直轴风力发电机的研发,但通过对一些现有大型化垂直轴风力发电机厂商的开发过程看,基本上都是用小型垂直轴风力发电机的设计思路,把小型垂直轴风力发电机通过一定比例放大后成为大型垂直轴风力发电机。笔者认为以这样的方法开发大型垂直轴风力发电机,说明这些探索者还没有真真理解垂直轴风力发电机的特性。
众所周知垂直轴风力发电机具有低噪音、安全性、无需太高塔架的优点,但多年来经过无数人的努力都没有生产出可商业化应用的大型垂直轴风力发电机,究其原因主要是无法同时解决气动效率、自启动、超速控制、结构稳定性、安全制动等一系列问题,而这些问题在水平轴风力发电机上都已经解决。而效率、超速控制、稳定性、安全制动4 个方面的问题也是任何风力发电机需要解决的问题。本文将就这些问题展开讨论,上海麟风是如何解决这些难题。
垂直轴风轮在转动时,叶片在风轮不同位置扭矩大小、方向都不同,在有些位置扭矩大,在有些位置扭矩小,在有些位置扭矩为正,在有些位置扭矩为负。随着风轮直径的增大和转速的下降,这些变化尤其明显,而风轮最终的输出功率是这些扭矩的合力矩,这样垂直风轮的气动效率较低。
按照达里厄上世纪30 年代所做实验和结论,垂直风轮较为理想的尖速比为5 ~ 6,按此要求做出来的垂直风轮实度比很低,无法自启动,且带载能力也很弱。
当垂直风轮做大以后还面临垂直轴承担的弯矩越来越大的问题,弯矩越大,对轴的强度要求就越高,不仅重量重了,成本也越高,越难以商业化。
当垂直风轮转动时,风轮的主震频率为转速除以叶片数量,当作用于叶片上的风能不能被有效转化成动能(转速)后震动尤其明显。
为了提高自启动性能适当提高叶片宽度将取得明显效果,合理的叶片宽度是风轮半径的1/2 ~ 1/4 之间。
为了克服叶片角度固定的垂直风轮当叶片在风轮不同位置时扭矩方向相反、不能发挥最大扭矩的缺陷,使用“实时可变攻角”技术可克服这一缺陷。实时可变攻角技术就是当风轮在旋转时,根据风向、叶片位置、风速等要素实时调节叶片角度,以达到改变扭矩方向并使叶片在不同位置都能获得最大扭矩的作用,极大提高了垂直轴风轮的效率。在该系统中,叶片不是固定在悬臂支架上的,而是可以绕叶片回转中心转动的,当风轮转动到不同位置时,系统可以自动调节叶片的“攻角”,使叶片在不同位置时的“攻角”,在圆周上任何一个位置时,始终能够保持在所设定的优化角度范围内。通过风洞实验,在一个1.36米直径、1 米叶片长度的风轮,在2 米/ 秒风洞风速下测得的功率达到4 ~ 4.5瓦,即风能/ 机械能的转换效率达到了(60 ~ 68)%, 超过了59.3% 的传统理论极限值,这并非传统理论的错误,而是传统理论中风轮是在二维空间运动;而垂直风轮是在三维空间运动,二者条件不同。
当强台风来临时,可实时调节叶片角度,始终保持叶片处于顺浆状态,减小迎风面积,防止在强台风时叶片断裂、塔架倒塌等恶性事故的发生。
通常垂直风轮轴和发电机轴不是同轴结构,而是二者在现场组合而成,在现场组合的风轮轴和发电机轴往往是间隙配合,无论采用什么措施紧固,在长期运动过程中,二者都会产生相对运动从而加速垂直风轮的摇摆,引起垂直风轮的各种故障。有效的解决方案是发电机轴和风轮采用同轴结构。