林毅贞 伍玩秋 潘新宇

【摘  要】与水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组在叶片设计方法、安全性、环境保护、发电效率、经济效益、结构、维护等方面具有系列优点。技术因素和经济因素是制约垂直轴风力发电机组发展的两大因素。基于广阔的市场空间和已经取得的技术进步，在政策引导和经济杠杆的积极推动下，垂直轴风力发电机组将呈现广阔的发展前景。

【Abstract】Compared with horizontal-axis wind turbines， vertical-axis wind turbines have a series of advantages in blade design method， safety， environmental protection， power generation efficiency， economic benefit， structure， maintenance and other aspects. Technical factors and economic factors are the two major factors restricting the development of vertical-axis wind turbines. Based on the broad market space and the technological progress that has been made， under the positive promotion of policy guidance and economic leverage， the vertical-axis wind turbines will present a broad development prospect.

【关键词】垂直轴风力发电机组;优点;影响因素;发展前景

【Keywords】vertical-axis wind turbines; advantages; influencing factors; development prospect

【中图分类号】TM315                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）08-0169-03

1 引言

风轮的旋转轴垂直于地面或者来流方向的风力发电机组称为垂直轴风力发电机组。其主要的特征是旋转轴垂直于地面，风轮旋转平面与风向平行。由于一定的经济与技术原因，目前国内风电场所使用的大型风力发电机组中，绝大部分是水平轴风力发电机组。随着风能开发力度的不断加大，垂直轴风力发电机组相关技术研发及其应用正日益受到重视，成为风电装备制造领域和风电开发应用的重点课题。

2 与水平轴风力发电机组相比，垂直轴风力发电机组具有系列优点

2.1 支撑叶片设计的方法相对科学

目前，支撑水平轴风力发电机组叶片设计的主要是动量-叶素理论，Glauert法和Wilson法是其常用的方法。但由于叶素理论忽略了各叶素间的流动干扰，在应用相关理论设计叶片时，忽略了翼型的阻力，导致计算结果不准确，虽然这种简化对于叶片外形设计影响较小，但对风轮风能利用率的影响却比较大。同时，由于风轮各叶片之间的干扰非常强烈，整个气流较复杂，如果只依靠叶素理论，很难获得精确的結果。

随着计算流体动力学（CFD）的技术快速发展，目前的CFD技术完全能够在计算机上模拟复杂外形下的复杂流动，如叶片的激波运动和强度、流动的分离、表面压力分布、涡的生成与传播、受力大小以及力的变化等，都可以通过计算机运算并形象地在屏幕上显示出来。运用CFD方法设计垂直轴风力发电机组的叶片，其精度远比叶素理论高得多;同时，在CFD技术的实际应用方面，对Darrieus式H风轮，叶片的每个截面都相同，这样就可以简化为二维模型，使计算网格数大大下降。

2.2 安全性较高

①安全性。根据空气动力学及工作原理，垂直轴风力发电机组可分为阻力型和升力型两类。阻力型主要是利用空气流过叶片时所产生的阻力作为驱动力，而升力型则是利用空气流过叶片时所产生的升力作为驱动力。垂直轴风力发电机组的叶片有Φ式、H式、S式、平板摆转式、风杯式等，相比于水平轴风力发电机组的三叶片，垂直轴风力发电机组的叶片有良好的气动外形，轻便灵活、安全稳定，主要受力点集中于轮毂，因此，叶片不容易脱落、断裂和飞出。②抗风能力。垂直轴风力发电机组采用了水平旋转和三角形双支点设计原理，使其减小受风的压力，有的可以抵抗45m/s的强台风。③制动装置。为了抵御强台风，风力发电机需要具备制动刹车功能。垂直轴风力发电机组配置机械手动及电子自动制动两种制动装置，能有效地降低风机在强风速时的振动，提高安全性和可靠性。

2.3 更环保

随着越来越多的大型风电场的建立，一些由风力发电机组引发的环保问题也逐渐凸显出来，包括噪声和对当地生态环境的负面影响，但垂直轴风力发电机组在这方面表现相对较佳。

①噪声。垂直轴风力发动机组的叶片应用CFD技术设计以及采用了水平面旋转的方法，能使噪声降低到在自然环境下监测不到的程度。②对当地生态环境影响。水平轴风轮的叶尖速比一般为5～7，在这样的高速下，叶片切割气流将会产生很大的气动噪声，这将导致很多鸟类难以生存，民居、城市公共设施等成为风电布局的禁区。而垂直轴风轮的叶尖速比则比水平轴的小得多，一般是在1.5～2，基本上不产生气动噪声，达到了静音的效果，完全可以避免上述问题的出现。

2.4 发电效率和经济效益更高

①回转半径更小，发电特性较佳。得益于垂直轴风力发电机组的设计结构和运转原理，在保持相同功率的情况下，其回转半径可以做到更小，既节省空间，又提高了效率。相关的风洞实验表明，Darrieus式H型风轮机的起动风速只需2m/s即可，远低于水平轴风力发电机组的起动风速。另外，垂直轴风力机发电功率曲线上升幅度较平缓，在5～8m/s风速范围内，其发电量比其他类型的风力发电机组高10%～30%。

②利用风速范围较宽，风能利用率较高。垂直轴风力发电机组采用了特殊的控制原理，把适合运行的风速范围扩大到2.5～25m/s，使它在最大限度利用风力资源的同时，获得更大的发电总量，提高了风电设备的经济效益。中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验，实测小型水平轴风力发电机组利用率为23%～29%。而通过CFD模拟的结果来看，垂直轴风轮的风能利用率比水平轴的高，国外有机构通过实验也表明，垂直轴风轮机的风能利用率在40%以上。

2.5 结构更合理，维护更方便

①疲劳寿命长。水平轴风力发电机组的叶片具有展向长、弦向短的特点，在旋转过程中，受到气动力、惯性力、弹性力和重力等的综合作用，属于交变载荷;同时，剧烈的振动也会加速叶片材料的疲劳，减小其使用寿命。垂直轴风轮的叶片则不同，在旋转过程中的受力情况比水平轴好得多，所受到的惯性力与重力相对恒定，因此，其疲劳寿命要比水平轴的长。②结构相对简单，可以适应不同方向的来风。垂直轴风力发电机组可以接受任意方向的来风，具有利用风能的自适应性，因此，它不需要安装对风专用的偏航装置，既降低了机组成本，又可以减少风轮对风时的陀螺力，提高了系统的安全可靠性。③抗形变能力较强。水平轴风力发电机叶片呈悬臂梁形状，展向较长，叶片容易发生弯曲和扭转变形，这些变形会使气动力发生改变，当气动力与机械振动相互作用时，会引起叶片颤动，当叶片的颤动十分强烈时，会直接导致叶片破坏。而垂直轴风力发电机组的叶片形状相当部分是片状结构，空气动力性能优越，轻便灵活，转速也比较低，叶片不容易发生弯曲及扭转变形，因此，使用寿命更长。④安装维护方便。水平轴的发电机放置于几十米，甚至上百米的高空，对发电机的安装维护检修都极不方便，而垂直轴的发电机、传动机构及控制机构等布置在风轮的下部或地面上，利于安装维护，方便检修。

3 制约垂直轴风力发电机组发展的主要因素

3.1 技术因素

影响垂直轴风力发电机组发展的技术因素主要有：

①垂直轴风轮中的空气流动相对复杂。垂直轴风轮中的空气流动属于典型的严重分离非定常流动，比水平轴风轮中的空气流动复杂得多，不再适合用叶素理论来进行分析和设计，而目前主要依赖CFD技术来设计。目前，CFD技术可以比较精准地模拟分析复杂外形下的气体流动情况，但仍待进一步完善和发展。这在一定程度上阻滞了垂直轴风力发电机组的研发和应用步伐。②一些技术难点亟须突破。首先，叶片翼型须根据空气动力学原理进行设计，当它与叶片安装攻角、风轮适度等机械因素维持特定的匹配的组合时，风机效率才高;偏离越多，则风机效率衰减就越明显。其次，即使风轮机械因素处于最佳组合状态，风力发电机也不一定能获得最佳的发电效率，而只有发电机的功率扭矩曲线和风轮的最佳功率扭矩曲线相同时，才能获得最佳的发电效率。最后，风轮可以在任意转速下旋转，要达到最佳功率的输出效果，还必须控制转速，使其工作在最佳的功率输出状态。因此，要使垂直轴风力发电机组获得最佳的效率并非易事，需解决的关键技术较多。例如，垂直轴风力发电机组的攻角控制就比较麻烦：由于其攻角在风轮旋转时不断变化，即使风速不变，只要叶片相对于圆周的位置不同，攻角也就不相同，因此，叶片控转机构需要有很高的灵活性和可靠性，而目前用于控制的數学模型还不成熟，尚无真正的应用案例。

3.2 经济因素

当前，我国的大型风电场主要分布在平坦的内陆地区，如新疆、内蒙古等地区以及东南沿海，这些地区的大型风力发电机组大都采用兆瓦级的大型水平轴风力发电机组。一是由于大型水平轴风力发电机组的技术研发积淀深厚，具有较为丰富的应用管理经验;而大中型垂直轴风力发电机组开发应用史较短，布局较少，仅布局于贵州等少数内陆地区。二是水平轴风力发电机组在现有技术条件下，具有较佳的性价比，基于企业利益的最大化和急功近利的心理，相当部分的风电开发企业和风电装备制造企业会选择水平轴大型风力发电机组作为研发和投资方向;大型垂直轴风力发电机组则由于其专项制造加工较复杂、控制系统可靠性要求较严苛、研发成本较高等原因而受到了抑制。

4 垂直轴风力发电机组的发展前景

4.1 垂直轴风力发电机组的优点与其市场需求终将融合

相对于水平轴风力发电机组，垂直轴风力发电机组具有无须对风向、无噪声、安全可靠性高、结构简单、维护方便等优点，特别适合应用于内陆地区风电资源的开发;而广大的内陆地区，特别是城市和乡村的道路两旁边、建筑物楼（房）顶等都是布局中小型垂直轴风力发电机组的理想场所。但目前相应的市场几乎是空白的，这其中自然蕴藏着巨大商机。伴随相关技术的进步与成熟，垂直轴风力发电机组的优点与其市场需求终将融合，开启垂直轴风力发电机组应用的广阔前景，成为未来风力发电机组研发的一个重要方向。

4.2 政策引导和资金扶助成为垂直轴风力发电机组技术研发应用的助推剂

在西欧的一些国家，小微型垂直轴风力发电机组已经广泛应用于乡村屋顶，一些大中型的垂直轴风力发电机组也开始应用于山地和近海地区。我国的风能资源丰富，人口相对稠密，在广大城乡居民聚集区域，推广应用中小微型垂直轴风力发电机组具有积极的现实意义。可以预见，随着国家对垂直轴风力发电机组研发和应用推广的扶持力度加大，在政策引导和经济杠杆的作用下，垂直轴风力发电机组必将呈现出生机勃勃的发展势头。

4.3 垂直轴风力发电机组的相关理论及技术成果喜人

随着计算机技术的快速发展，计算流体动力学也得到了飞速的发展，从最初的小扰动速势方程，再到欧拉方程及更加复杂的N-S方程，尤其是进入21世纪以后，CFD已经可以通过计算机的数值计算和图像显示，对流体流动系统作出准确的分析，为垂直轴风力发电机组的研究提供了有力的技术支持。目前，可以采用微处理器控制叶片不同位置的摆角，根据功率要求和风向与风速来调节叶片的摆角，使叶片在各个位置都能产生最大的转矩。采用这种技术的达里厄风力发电机组，其效率完全可以达到水平轴风力发电机组的水平。

目前，相关理论研究和技术研发也取得一些喜人的成果。例如，陈兴华等以垂直轴磁悬浮风力机的支撑结构为研究对象，运用动力学仿真软件，建立了垂直轴磁悬浮风力机主轴结构跌落仿真模型，为磁悬浮支承结构的保护装置的改进与优化提供了理论参考依据。朱煌秋等结合磁通切换电机单位体积内气隙磁密大的优点，设计了一个三极混合磁轴承作为支承结构的发电机。理论与试验结果表明，该发电机实现了低风速启动，提高了风能转换效率。吴文凯等提出一种基于磁悬浮技术的小型垂直轴微风发电单元的设计方案。相关装置采用了主动磁悬浮支承技术，有效降低了机械摩擦，进而降低了发电机的启动风速。基于目前的垂直轴风力发电机的风翼板只是做简单的循环周期转动，风翼板与竖直轴方向的夹角是固定不变的，因此，其受风区域和有效面积受到了很大限制，王锦亚等提出了一种可将风翼板的迎风区域和背风区域进行周期性变换的新型可变翼风力发电机，达到了提高风能利用效率的目的。山东中泰新能源集团有限公司成功研发出50～100MW特大型垂直轴风力发电装置，是垂直轴风力发电机组研发领域中令人鼓舞的一个尝试。

5 結语

随着国家系列政策和资金扶持力度的加大和企业科研责任意识的提高，与垂直轴风力发电机组相关的研发氛围将愈发浓厚和活跃，其优势和潜能将得以释放，其潜在的市场将得到规模化的开发，系列喜人成果将陆续涌现并得以推广应用。垂直轴风力发电机组的发展和应用必将迎来春天。

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