垂直軸風力發電機技術綜述及研究進展

楊益飛 潘 偉 朱熀秋

江蘇大學，鎮江，212013

0 引言

風力發電機（以下簡稱“風力機”）根據旋轉軸的不同，可以分為水平軸風力機和垂直軸風力機。水平軸風力機技術成熟，其啟動力矩大，啟動風速低，能量轉換效率高，但其應用主要限于并網發電中。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機的主要優勢在于不需要偏航系統，設計得到顯著簡化，另外垂直軸風力機的葉片是以簡支梁或多跨連續梁的力學模型架設在風力機轉子上的，這和水平軸風力機用碳纖維增強樹脂在非常嚴格的條件下制造出來的葉片材料相比，材質上的要求和制造難度降低了，完全可以實現國產化。此外，垂直軸風力機的發電機和變速箱均安裝在地面，便于維護［1-2］。垂直軸風力機的這些優點恰好能彌補水平軸風力機的不足。近年來，對于垂直軸風力機的研究得到了國內外學者的廣泛關注，有不少新成果發表在國際會議和權威期刊上［3-8］。隨著垂直軸風力機項目落戶北京市，中國國能風力發電公司這一全球唯一掌握兆瓦級垂直軸風力機核心技術的設備制造企業已經開始批量生產垂直軸風力機。

本文首先在介紹垂直軸風力機的類型和特點的基礎上，對幾種典型的垂直軸風力機及其改進型風力機的結構、原理和性能方面作了比較分析；然后介紹了風能的相關理論，對垂直軸風力機啟動性能和風能利用率的研究現狀和存在的不足進行了分析，并將磁懸浮技術引入垂直軸風力機中，以此減小啟動轉矩，實現“輕風啟動，微風發電”；最后，通過垂直軸風力機的幾個關鍵組成部分的分析表明，垂直軸風力機可以利用自身的優勢，成為未來風力發電發展的方向。

1 垂直軸風力機結構

迄今為止，出現過許多種垂直軸類型的風力機，但由于時代的變遷，其中有不少被淘汰了。垂直軸風力機主要分為以下三種類型：薩布紐斯型風力機、達里厄型風力機和渦輪型風力機。其中，達里厄型風力機根據形狀的不同可以分為Φ型和H型；根據葉片形狀的不同可以分為直葉片型和彎葉片型。按風力機工作原理分，垂直軸風力機可以分為升力型風力機和阻力型風力機。升力型風力機是依靠升力來工作的風力機，達里厄型風力機屬于升力型風力機，升力型風力機風能利用率高，啟動轉矩小；阻力型風力機是依靠阻力來工作的風力機，薩布紐斯型風力機和渦輪型風力機屬于阻力型風力機，阻力型風力機風能利用率低，啟動轉矩大。本文主要介紹在垂直軸風力機中占據主導地位的薩布紐斯型風力機和達里厄型風力機及其改進型風力機的工作原理。

1.1 薩布紐斯型風力機

薩布紐斯型風力機是芬蘭工程師Savonius于1925年提出，并以其名字命名的阻力型垂直軸風力機［9］。薩布紐斯型風力機的基本結構是由2個半圓形葉片開口相對組成S形，并在旋轉中心處設有一部分重疊區，其結構原理見圖1。人類最早使用的風力機是阻力型垂直軸風力機，該類風力機轉速不高，但輸出扭矩很大，所以常被用于提水等，很少被用來進行風力發電［10］，但薩布紐斯型風力機具有啟動力矩大、葉片設計簡單、不受方向限制等優點。

圖1 傳統薩布紐斯型風力機結構原理圖

Twidwell等［11］和 Eldridge［12］證明了薩布紐斯型風力機的風能利用系數（CP≈0.15）低于水平軸風力機（CP≈0.45）和達里厄型風力機（CP≈0.45）的風能利用系數。Kirke［13］證明了薩布紐斯型風力機的風能利用系數最大為0.25。目前國內外學者對于薩布紐斯型風力機的研究多是從葉片個數、葉片重疊比以及偏心系數等方面來提高其風能利用系數，并在薩布紐斯型風力機的基礎上提出了改進的結構。

圖2是 Menet［14］設計的改進型薩布紐斯型風力機。他通過在傳統的薩布紐斯型風力機上增加一個類似于傳統薩布紐斯型風力機的結構來提高轉子總的剛度，從而達到提高風能利用系數的目的。另外，設計合理的葉片重疊比β可以改善動態力矩變化和靜態特性。

圖2 改進型薩布紐斯型風力機原理圖

葉片重疊比公式為

式中，a為轉軸直徑；ra為重疊部分長度；di為葉片直徑。

Menet同時對設計的樣機進行了低速風洞試驗以驗證風力機性能。這種改進結構的風力機繼承了傳統薩布紐斯型風力機的優點，但是具有更高的效率，更適合于在居民住宅區進行風力發電，其缺點是增加了系統制作的復雜性。Menet在設計過程中，對樣機的機電系統、材料的選擇、發動機、軸承和轉軸的選取都有著嚴格的要求。

Kamoji等［15］和 Saha等［16］在 Menet設計的改進型薩布紐斯型風力機的基礎上，設計出單級布置、兩級布置和三級布置結構形式的薩布紐斯型風力機，試驗證明這樣可以提高傳統薩布紐斯型風力機的啟動轉矩，可以在低風速下自行啟動。試驗結果表明，在不同的雷諾數下，通過對風力機高度與直徑之比以及疊加級數個數效果的比較，圖3所示三種不同結構風力機的尖速比和風能利用系數隨著雷諾數的增大而增大，但是所有結構形式風力機的靜態轉矩系數與雷諾數是沒有關系的。圖3中，H為每節風葉高度之和。

圖3 新型薩布紐斯型風力機原理圖

雷諾數表達式為

式中，U為來流速率；ρ為空氣密度；D為轉子直徑；μ為空氣絕對黏度。

阻力型風力機風能利用率低的原因主要是當來流沖擊風輪時，在其迎風一側受到的是有效的推力，而另一側受到的是阻力，它們的合力才是推動風輪旋轉做功的有效力。顯然，迎風面另一側阻力的存在，減小了兩者的合力。根據這一原因，Sivasegaram等［17］提出了由靜止的導葉和旋轉的動葉所組成的導流型垂直軸風力機的雛形，如圖4所示。導葉可以使來流完全導向受到壓力的面，達到提高風能利用率的目的。國內外學者對這種風力機的氣動性能進行了研究，結果表明，與傳統阻力型相比，其風能利用率有大幅提高［18-19］。

由于薩布紐斯型風力機轉速和功率都較低，與水平軸風力機相比不適合用來進行風力發電，但是對于小規模的電能需求，薩布紐斯型風力機還是大有用途的，所以有必要對其性能進行改進。

圖4 導流型垂直軸風力機結構示意圖

1.2 達里厄型風力機

達里厄型風力機由法國工程師達里厄發明，并于1931年在美國提出了包括直葉片結構和彎葉片結構的達里厄型風力機專利［20］，其結構如圖5所示。達里厄型風力機分為固定漿距型風力機和可變漿距型風力機。固定漿距型風力機存在啟動性能較差的問題，可變漿距型風力機可以解決達里厄型風力機啟動轉矩過小的問題，但其結構相對復雜。

圖5 達里厄型垂直軸風力機

在風速比較大的地區，為了不損壞葉片，垂直軸風力機和水平軸風力機通常是不能正常發電的，于是產生了風能的浪費。為了解決風速限制的技術問題，充分利用超大風電場的風能，Ponta等［21］在傳統的達里厄型風力機的基礎上設計了變結構橢圓軌道垂直軸風力機，如圖6所示。傳統達里厄型風力機的葉片是圍繞中心軸旋轉的，而變結構橢圓軌道垂直軸風力機的葉片是安裝在小車型的軌道上來回滑動的，電能通過電動機車的橢圓形輸電軌道得到。文獻［22-25］分別對這種類型的風力機的空氣動力學、支撐系統和整體結構特性進行了研究。

圖6 變結構橢圓軌道垂直軸風力機

2 風能利用率改進

2.1 風能理論

風能轉化率是反映風輪性能的重要參數之一，代表風輪捕捉風能的性能。

尖速比是表示風輪旋轉快慢的參數，其計算公式為

式中，u為葉尖線圓周速度；v為空氣風速。

葉片相對速率為

式中，θ為方位角。

轉矩系數為

式中，ct為轉矩系數；c1為升力系數；cd為阻力系數；α為迎角。

迎角（攻角）為

式中，γ為槳距角。

風能轉化率為

式中，ρ為空氣密度；c為弦長；r為風機半徑；n為葉片數。

2.2 性能優化

文獻［6］分別從葉片數、扭角（90°，180°，270°，360°）、偏心系數、風輪高度和旋轉直徑比例等方面對風力機的性能進行了研究。文獻［7］采用k-ε數學模型，根據偏心系數、封蓋直徑、內隔板數、螺距4個關鍵參數，對180°的兩葉片螺旋型S形風輪進行了優化設計，通過試驗確定了以上關鍵參數的具體數值，通過仿真模擬證明了參數值的可信性。文獻［8］對三種典型的葉片重疊比（OL＝0，0.2，0.5）的薩布紐斯型風力機進行了驗證性的風洞試驗，分析了其對風力機性能的影響，進一步將葉片重疊比限定在0.15～0.30之間，并對葉片重疊比以及轉軸軸徑對風力機的靜動態特性的影響進行了研究，通過試驗分析得出了葉片重疊比為0.175時，風力機的空氣動力學性能最佳，圖7所示為位于日本鳥取大學的風洞試驗裝置。文獻［26］在此基礎上又對直葉片型垂直軸風力機不同方位角的靜態轉矩系數和不同尖速比的動態轉矩系數進行了仿真，結果表明，薩布紐斯型風力機改善了直葉片垂直軸風力機的啟動性能。

圖7 風洞試驗裝置

文獻［27-29］分別從結構上對薩布紐斯型風力機和達里厄型風力機進行組合，通過兩種類型風力機的優勢互補，減小了啟動轉矩，提高了風能利用率。Wakui等［27］設計了兩種結構：將薩布紐斯型風力機內置于達里厄型風力機中以及將達里厄型風力機內置于薩布紐斯型風力機中，如圖8所示。通過這兩種組合風力機的對比，證明了將薩布紐斯型風力機內置于達里厄型風力機中這一組合設計更為簡單，風能利用率也得到顯著的提高。Alam等［29］提出了將達里厄型風力機安裝在薩布紐斯型風力機之上，對樣機的分析表明了這種結構相對于各自獨立的結構有著更好的自啟動性能，如圖9所示。

圖8 達里厄型和薩布紐斯型風力機混合組合類型

圖9 薩布紐斯型和直葉片型達里厄風力機的混合類型

3 垂直軸風力機關鍵技術分析

人們以前對垂直軸風力機的共識是風能利用率低和風力機啟動性能差。垂直軸風力機在風不夠大時無法帶動發動機旋轉，其原因是高速旋轉之下產生了機械摩擦和振動，同時也產生了噪聲。運用磁懸浮軸承代替垂直軸風力機的機械軸承，可以使得主軸和軸承轉動時減少物理上的接觸，以此減小機械摩擦，提高風能利用率和啟動性能。

垂直軸磁懸浮風力機啟動風速低（2.5～25 m／s）、摩擦損耗小、風能轉換效率高，具有巨大的應用潛力［30］。將磁軸承運用到風力機中，既改善了風力機的啟動性能，還大大提高了其風能轉化效率，同時實現了微噪聲，真正實現微風狀態發電。

3.1 風力發電機

電力系統的并聯技術決定了風力發電的演變過程：感應發電機、勵磁式同步發電機、直驅式發電機。為了提高發電效率、減小體積，小型垂直軸風力機多使用直驅式永磁發電機。直驅發電機的低速特性需要很大的轉矩，要求電機有較多的極數和較大的直徑，使得電機內部有很多空間不能充分利用。這就是直驅發電機通常比傳統發電機重、經濟性差的原因。軸向磁場永磁同步風力機可以改進這些不足之處，Kamper［31］對軸向永磁同步發電機的結構、性能等進行了深入研究。該類型電機具有效率高、體積小、重量輕、節能效果明顯、故障率低、振動小、噪聲低等優點，非常適用于偏遠無電但風能資源豐富的地區［32］。另外，采用定子斜槽、轉子斜極和定子分數槽等方法的永磁同步發電機均可減小起動阻力矩，從而有效地提高風能利用率［33］。文獻［34］對垂直軸永磁同步風力發電系統建模，運用MATLAB／Simulink建立了包括風力機模型、傳動系統模型和發電機模型在內的系統仿真模型，并且對有功功率、無功功率瞬時控制策略進行仿真，仿真結果驗證了該模型的合理性及其控制策略的正確性和可行性。

3.2 垂直軸風力機轉子支撐系統

（1）機械軸承。這類軸承目前在風力發電機中占據主導地位，但也帶來了摩擦嚴重的問題，特別是對于啟動性能不佳的垂直軸風力機而言尤為嚴重。風力發電機組使用的關鍵配套軸承包括偏航系統軸承、變槳系統軸承、主軸軸承、其他系統軸承（發電機軸承和齒輪軸承）［35］。

（2）電磁軸承。電磁軸承可以分為主動磁軸承、被動磁軸承（永磁軸承）、混合磁軸承。美國國家可再生能源實驗室（NREL）和美國能源部在2007年開始啟動小型風力機研究項目，并將電磁軸承運用到垂直軸風力機中［36］。美國環球風能科技有限公司設計出磁懸浮原理的垂直軸風力機，并實行了商業化。廖界儒等［37］將被動磁軸承應用在永磁同步發電機上實現發電，減小了摩擦噪聲，延長了元件使用壽命。Liu等［38］使用被動磁軸承，可以任意調節葉片漿距以得到最大的迎風角，從而改善了風力機的自啟動能力，并且在山東大學風能試驗基地對樣機做了長期的試驗，結果證明了使用永磁軸承的風力機運行狀態良好，獲得了市場的認可。文獻［39］和文獻［40］分別使用MATLAB仿真軟件建立了軸向磁軸承模型和混合磁軸承模型，并使用有限元軟件對軸向磁軸承的結構參數進行徑向優化，使得其控制效果實現了穩定懸浮，可滿足小型垂直軸風力機的啟動要求。

3.3 風能轉換系統（WECS）

近年來，風能轉換系統逐漸得到各國學者和研究機構的重視［3-5］。風電場安裝的兆瓦級風力機已占大多數，風力機的電能輸出波動直接導致電網頻率變化，電網頻率的變化又會影響電能質量。因此，解決風力發電的輸出波動變化有利于風電場的穩定運行。Takahashi等［3］對風能轉換技術進行了深入的研究，并提出將飛輪儲能系統應用于風能轉換技術，利用飛輪儲能存儲電量，改善了電能質量，并采用計算機仿真軟件PSCAD／EMTDC將該方法和傳統輸出濾波控制進行比較分析，證明了該方法對于孤立的小型電網頻率穩定性具有明顯的效果，使得頻率偏差可以控制在理想的范圍內。NanChyuan等［41］將主動磁軸承運用到風力發電中，提高了能量轉換的效率，并在設計的樣機中對仿真結果進行了驗證。

4 需要研究的技術問題

以下是垂直軸風力機需要解決的技術問題，對于具體類型的各種垂直軸風力機在設計上還會出現許多的問題。

（1）風電機組的使用壽命較短。從技術商業化程度來看，難以保證風電機組使用壽命達到20年，因而所有部件的可靠性都需要進行深入的研究。這可以通過對風力機系統的優化設計、選用更好的材料和先進的控制裝置等措施來實現。

（2）解決恒尖速比這一性能指標是最大限度地利用風能技術的關鍵所在，不用“軟調節環節”而達到提高風能利用率是需要深入研究的問題。

（3）低速比是垂直軸風力機的特點，低轉速大功率輸出的問題對于垂直軸風力機或水平軸風力機都是一個難題。由于水平軸風力機研究相對成熟，處理的效果要比垂直軸風力機好一些，因此，垂直軸風力機的低轉速大功率輸出的問題是需要深入研究的關鍵問題。

（4）目前垂直軸風力機大多屬于離網型，如果能開發出性能成熟可靠的并網型垂直軸風力機，將會改變風力機市場的現狀。

（5）由于風速隨機性變化，產生風電功率的隨機波動，加大了電網負荷調節負擔，故設計出可以將用電低谷的多余電量儲存在高峰時期使用的儲能系統，是必須解決的問題。

5 結語

本文對垂直軸風力機的類型、原理、結構、風能利用率等方面進行了詳細的綜述，剖析了垂直軸風力機存在的若干問題和發展趨勢，提出了需要進一步解決的關鍵技術問題，可以為從事相關研究的學者提供借鑒。總的來說，國外對垂直軸風力發電機的研究和實用已經達到了一定的階段，但國內的研究水平基本處于起始階段，還沒有大規模應用垂直軸風力機來建設風電場。隨著對垂直軸風力機研究的進一步深入，它的綜合性能也必將不斷得到提高，所以，對垂直軸風力機展開研究，具有重要的理論意義和工程應用價值。

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