垂直轴风力机技术讲座一垂直轴风力机及其发展概况

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1、第27卷第1期可再生能源Vol.27No.12009年2月RenewableEnergyResourcesFeb.2009垂直轴风力机技术讲座（一）垂直轴风力机及其发展概况李岩（东北农业大学工程学院，黑龙江哈尔滨150030）中图分类号：TK83文献标志码：B文章编号：1671-5292（2009）01-0121-031风力机及其分类的风力机为垂直轴风力机，主要有达里厄型、萨渥纽斯型风力机是将风的动能转换为机械能，再把机械能转换和涡轮型等。根据其叶片形状的不同，达里厄型风力机又为电能或热能等的能量转换装置。

2、经过多年的研究与发分为曲线翼型和直线翼型2种。通常所说的达里厄风力机展，出现了多种多样的风力机。都是指具有曲线翼型叶片的，而直线翼型达里厄风力机通风力机分类方法有多种，一般根据风力机的用途、容常称为直线翼垂直轴风力机。量、叶片个数、叶片尖端速度与来流速度之比、风轮与塔架1.2升力型风力机与阻力型风力机的相对位置等对风力机进行分类。风力机的型式主要有2作用在风力机叶片上的风力可分解成与风向垂直和种：按照风力机风轮转轴与风向的位置，分为水平轴风力与风向平行的2个分力，垂直分力称为升力，平行分力称机和垂直轴风力机

3、；按照风力机叶片的工作原理，分为升为阻力。力型风力机和阻力型风力机。图1给出了风力机的主要分主要依靠升力来工作的风力机称为升力型风力机，水类及其代表机型。平轴的螺旋桨型风力机、垂直轴的达里厄型和直线翼型风力机都属于这种类型。由于升力的作用，风轮的圆周速度可以达到风速的几倍乃至十几倍。升力型风力机多被用于发电。主要依靠阻力来工作的风力机称为阻力型风力机，水平轴的美式多翼型风力机、垂直轴的萨渥纽斯型和涡轮型等风力机属于阻力型风力机。该类风力机转速不高，但输出扭矩很大，所以常被用于提水、碾米和拉磨等动力。2垂直轴

4、风力机的特点升力型的达里厄风力机和直线翼垂直轴风力机是垂直轴风力机的代表，下面通过与水平轴螺旋桨式风力机进行比较，来说明垂直轴风力机的主要特点。2.1风能利用效率从理论上讲，升力型垂直轴风力机与水平轴螺旋桨式风力机具有大致相同的理想效率，即贝茨极限效率（0.593）。由于水平轴螺旋桨式风力机借助了航空动力技术的科研成果，得到了快速的发展，技术趋于成熟。一般其风1.1水平轴风力机与垂直轴风力机能利用系数可达到0.4～0.5，叶片尖速比可以达到6～10。然风力机风轮转轴与风向平行的风力机为水平轴风力而，垂直轴风

5、力机的研究起步较晚，研究理论和设计方法机，主要有螺旋桨型、美式多翼型、荷兰型和风帆翼型等。还处于发展阶段，据现有研究和实验结果看，风能利用系风力机风轮转轴与风向成直角（大多数与地面垂直）数在0.4左右，叶片尖速比可以达到4左右。收稿日期：2008-12-08。作者简介：李岩（1972-），博士，副教授，国家自然科学基金项目主持人，主要从事风能研究和各种可再生能源的综合利用与开发。E-mail：ly_neau@yahoo.com.cn·121·可再生能源2009，27（1）2.2风向影响与启动性1929年，芬

6、兰工程师S.J.Savonius发明了后来以其名垂直轴风力机可以接受任何方向的来风，不需要水平字命名的萨渥纽斯型风力机（如图1中所示）。它具有结构轴风力机所必须具备的迎风转向（偏航）机构。因此，垂直简单，成本低，回转力矩大，启动性能好等优点，但转数和轴风力机的结构比水平轴风力机简单，成本较低。效率较低。尽管如此，许多学者对这种风力机的研究却没阻力型垂直轴风力机中，萨渥纽斯型风力机的自启动有间断过。性能最好；达里厄风力机的启动需要启动电机来带动，或马达拉斯型风力机是美国的JuliusD.Madaras提出的者

7、与萨渥纽斯风力机组合使用，来解决启动问题，这也是一种垂直轴风力发电装置，其原理如图2所示。在气流中达里厄风力机最大的弱点。通过合理选择叶片翼型和安装旋转的圆柱可以使该物体周围的压力发生变化而产生升角，直线翼垂直轴风力机可以获得较好的自启动性。水平力，这种现象被称为马格纳斯效应。借助该效应产生的升轴螺旋桨式风力机只有在风轮正对来风的情况下可以自力可以带动小车沿轨道运动，从而利用车轮的旋转来驱启动，侧风时则需要偏航调整后才能启动。动发电机发电。然而，由于轨道两端需要有改变圆柱旋转2.3风力机结构方向的机构而使机

8、构过于复杂、旋转圆柱的过低圆周速由于沿着叶片翼展各处的圆周速度和相对于风速的度使其空气动力特性十分微弱、大轨道负荷产生较大的迎角不同，水平轴螺旋桨式风力机的叶片需要进行扭转和摩擦损失、地表风速低和发电损失大等原因，马达拉斯的变截面，因此，水平轴风力机的叶片比垂直轴风力机的叶大规模发电构想最终未能成功。这种风力发电装置至今片相对复杂，加工成本相对较高。达里厄风力机的叶片虽已无人问津。然是弯曲的，但叶片表面对翼弦是对