風力機特性概述

李志

（西藏自然科學博物館，西藏 拉薩 850000）

化石能源的不斷損耗和其不可再生的特點已經對人類的未來可持續發展戰略產生了不可估量的影響。現在，很多發達國家和我國都對能源資源的利用實施有效的規劃，都在向可再生能源領域進軍。我國在2005 年頒布《中國可再生能源法》中明確規定了國內的可再生能源資源的重要戰略地位，為國內的可再生能源的發展提供有效并且具有強有力的法律保障。

在許多國家，由于風力資源十分豐富，所以得到了充分的發展研究和開發利用。對風能資源的利用主要表現在風力發電方面，到2008 年底的時候，全球的風電機組的總裝機容量早就超過了1×108kW。而在我國對風能的利用即風電機組總裝機容量只達到了1200 萬kW。在2009 年底時，全球的風力發電機裝機總量達到了3.75 萬兆瓦。全球風電平均每年都增加7×107kW，風電技術在電力市場中十分受歡迎［1］。風力發電事業在新能源和可再生能源在世界范圍內得到了密切的關注，同時，也得到了最快的發展。風能不像其他可再生能源一樣需要比較尖端的科研技術水平，風能其利用起來也比較方便簡單。我國的風能資源極其豐富，對風能的規模化發展必將成為我國不可缺少的一部分。

風力機，也就是風力發電機組，是一種能夠將風能有效的轉化成為電能的機電裝置。風電設備若要作為公共電網的電源進行使用，采用的是并網發電的工作方式，這是對風能規模化利用的一個例子。若是要在偏遠的局部地區，由于電網的范圍有限，通常采用的是可以獨立運行的小型的風力發電的供電系統，一般用10kW 以下的小型風電機。在德國，風電機所產生的電量達到發電總量的百分之三；在英國，海上風電發電量約占可再生能源發電量的百分之二十一，陸上風電提供了大約32%的可再生能源發電量，所有的風力發電占英國發電總量的7.9%；在丹麥，風力發電量占電力消費總量的39%，創歷史記錄。丹風電行業協會首席執行官Jan Hylleberg表示，數據讓人振奮，毫無疑問，丹麥大部分風電企業已走出經濟危機的陰霾，這是業界努力工作、積極參與全球風電市場的結果。過去4 年，丹麥的西門子風能和維斯塔斯不斷擴大了除中國外的全球風電市場，并網裝機容量占比由2011年的33.1%增長至2014年的37%，帶動了風電價值鏈上的各個行業。歐洲的風能協會（EWEA）與綠色和平組織（Green-peace International）在2002 年的時候共同發表一份“風力12”的報告，勾畫了風電事業在2020年達到世界電量百分之十二的藍圖［2］。

1 風力發電機的比較分析

風力機，也就是風力發電機組，是一種能夠將風能有效的轉化成為電能的機電裝置。決定風力機效率的關鍵因素是風力機的葉片設計和動力學的性能。研究風力發電機組的性能是目前提高風力機發電效率的有效方法。目前，風力機的種類十分多，風力機已經得到了很好的發展，根據風力發電機組的用途、容量、葉片個數和風輪與塔架的相對位置進行了分類。按照風力機風輪主軸的位置分為：垂直軸風力機和水平軸風力機。按照風力機葉片的工作原理分為：升力型風力機和阻力型風力機。

1.1 按照風輪主軸位置的不同分類

1.1.1 垂直軸風力機。垂直軸風力機是一種葉輪圍繞一個垂直軸進行旋轉的風力發電設備，葉輪能夠利用來自各個方向的風而轉動起來，通過風能轉化為機械能。變速箱及發電機放在靠近地面的地方。

垂直軸風力機可以根據通過風力機葉片的工作分類：

1.1.1.1 升力型風力機。升力型垂直軸風力機是利用風力發電機組的翼型的升力來做工，這里通過比較典型的Darrieus 型風力機（達里厄模型）來進行說明，Darrieus 型風力機的模型有許多類型，Darrieus 型風力機可以大致分為5種：Φ型；Y型；H型；菱形；三角形。

圖1 Darrieus風力機的分類

D 式風力機基本上使用直葉片和彎葉片兩種。現在的達里厄風力機多采用直形風葉，也有人稱之為H 型風力機。H 型風力機的葉片數一般為2 至6 個。對于Φ 型風力機而言，其采用的彎葉片不承受離心力的負載，只要承受張力，因此能夠使彎曲應力減到最小，而有更好的發電效率。Φ 型風力機葉片和H 型葉片比較，要承受相同的強度的風力，因為Φ 型葉片承受的張力比彎曲應力強，所以會更加輕便。但是Φ 型風力機也有缺陷，它的自啟動性能比較差。H 型風力機其結構簡單，但是需要利用橫桿或者是拉索來克服高速運轉時產生的離心力對葉片的負擔，這就明顯的降低了發電的效率。

圖2 H型垂直軸風力發電機

達里厄風力機的優點有：達里厄風力機的葉片通過兩端或中部固定在轉軸上，更好地加大機械強度，可做得很輕巧；達里厄風力機不存在頭重腳輕的狀況，對塔架要求較低，適合用拉索固定，安裝容易，檢修也方便。但是達里厄風力機也存在不少的缺點：對風速的變化與負荷變化有著非常苛刻的要求；要保持平穩高效的運行十分困難；還不能夠自動起動等。

1.1.1.2 阻力型風力機。阻力型垂直風力機是利用空氣動力的阻力進行做工的設備。阻力型風力機還可以分為薩渥紐斯型、渦輪型、平板型、風杯型、馬達拉斯型等。比較典型的薩渥紐斯（Savonius）型。Savonius阻力型垂直軸風力機如圖3所示。

圖3 Savonius阻力型垂直軸風力機

以下對薩渥紐斯型風力機進行簡單的介紹：如圖3 所示，薩渥紐斯型阻力型垂直風力機由兩個對半圓柱組成，半圓柱的軸線是平行的，其有利有弊。有利的方面是這種風力發電機組的起動轉矩比較大，弊端是由于葉輪周圍產生不對稱的氣流，從而會產生一種側向的推力。在理想的狀態下，垂直軸二葉輪的S 型風力機的風能利用率可以達到百分之十五［3］。若是大型的風力機，受到了偏轉力和極限應力的影響，很難利用薩渥紐斯型風力機。

隨著近年來對垂直軸風力發電機組的不斷深入研究，垂直軸風力機已經得到了很大的進展。垂直軸風力機的優秀的方面也漸漸被關注起來，垂直軸風力機的葉片在風力的驅動下旋轉時所受的慣性力和重力的方向是恒定不變的，所以垂直軸風力機的使用壽命會比較長。垂直軸風力機雖然在我國還處在起步的階段，但是我國也正在努力追趕著爭取能夠達到世界的領先水平，為了能夠盡可能的提高風能資源的利用轉化效率，我國在垂直軸風力機的啟動和調控方面做了很好的研究。垂直軸風力機的機械結構十分緊湊，活動部件少，其可靠性比水平軸風力機更好。垂直軸風力機的發電機無需水平軸風力機的偏航系統，其啟動風速十分小，產生的噪聲也小，其發電機和變速箱可以直接放在葉輪下或者是地面上，有利于工作人員對垂直軸風力機的日常維護［4］。垂直軸風力機的成本大大降低，風能利用率較高和綠色低噪聲環保，垂直軸風力機具有比較大的發展空間。

1.2 水平軸風力發電機

水平軸風力機的風輪是圍繞水平的軸線進行旋轉的，葉輪旋轉平面大致上與風的入流方向保持著垂直，大型的水平軸風輪的葉片數一般上是3 片或者是2片，風輪的葉片要與旋轉的平面形成一定的角度，葉輪、變速箱和發電機都裝置在塔架的頂端。通過葉片數的多少來分為高速風力機（葉片數少）和低速風力機（葉片數多）。水平軸風力機如圖4所示。

圖4 水平軸風力機

雖然垂直軸風力機的應用要比水平軸風力機要早，早在中國利用風力發電采用的是阻力型垂直軸風車。但是，水平軸風力機的發展卻要比垂直軸風力機成熟很多。水平軸風力機在國內外研究比垂直軸風力機要多得多，目前世界上各國應用比較廣泛的風力機是水平軸風力機。之前，人們普遍認為水平軸風力機的風能利用率要比垂直軸風力機高，也由于垂直軸風力機自身在較低的風速下是很難進行自啟動的。所以，對水平軸風力機的認識要比垂直軸風力機的認識要深入很多。

1.2.1 水平軸風力機的發展現狀。水平軸風力機由于其技術特點尤其突出，風能的利用率高、機械結構緊湊等，是世界大型發電機的主要采取的技術，水平軸風力機已經占世界風電設備市場的百分之九十五。在對風力機的理論技術方面，水平軸風力機已經相當完善，技術水平也相對來說比較高。在大型的風電設備中，水平軸風力機是相當可觀的，其可以利用的風能資源更加廣泛，功率的輸出也更穩當。

1.2.2 水平軸風力機的分類。水平軸風力機由于風輪與塔架的相對位置關系和風輪與風向的關系可以分為兩類：上風向風力機和下風向風力機。風輪安裝在塔架的上風位置（風首先通過風輪再穿過塔架）即風力發電機的風輪是面對風的方向，風輪在塔架“前面”，叫做上風型風力發電機。風輪安裝在塔架的下風位置(風首先通過塔架再穿過風輪)即風力發電機的轉子與風向相反，風力發電機的風輪再塔架“后面”則稱為下風型風力發電機。通常情況下，風向風力機為了保證風輪能夠迎風，需要采用相應的對風裝置，但是下風向風力機比較不同，下風向風力機可以自己自動對風，很好的把風力機的結構進行了簡化。可是下風向風力機并不是能夠全部進行利用，吹向風力機的一小部分氣流會繞過塔架而到達風輪，這樣就增加了氣流的不均勻性，這就是“塔影效應”，使得塔影效應明顯，由于塔影效應，葉片等零部件的使用壽命和風力機的正常運行的安全性存在著較大的影響。由于下風向風力機存在“塔影效應”這種弊端，現在大型的風力機都是采用上風向的設計方式，減少了塔影效應。

上風向風力發電機必須有某種調向裝置來保持風輪迎風，下風型風力發電機則能夠自動對準風向，從而免除了調向裝置。但對于下風型風力發電機，由于一部分空氣通過塔架后再吹向風輪，塔架干擾了流經葉片的氣流，形成所謂塔影效應，使風力發電機性能有所降低。上風型風力發電機在偏航系統(機構)失效時可能會轉化為下風型風力發電機組。上風向風力機的優點是在風吹來的時候不會受到風機其他零部件的影響，風能的利用效率更加高。下風向風力機雖然會受到塔影效應的影響，對機組會有不利的影響，但是，目前有的小型風力機采用的是下風向風力機，因為下風向風力機可以自動進行偏航調整對風，大大降低了成本，而且，塔影效應對小風機的影響是不大的。

1.2.3 水平軸風力機的發展前景。

1.2.3.1 風力機的容量會增加。風力機的利用效率和單機容量正在隨著科研的進步而逐漸提高。在1980年開始的時候，風力機的一般容量在30kW,風輪的葉輪的半徑在7.5m。如今，最大的風力機的單機容量已經可以到達了6MW，風輪的半徑已經超過了60m。在這短短的20年之間，風力機已經得到了十分快速的發展，風力機技術的成熟讓大型風力機可以更加高效地利用風能資源。

1.2.3.2 定槳距和變槳距功率調節方式。（1）定槳距風力發電。定槳距是指當風速有變化的時候，槳距角是固定不變的。定槳距變速模式多采用在小型的風力發電機組，其槳葉是固定在轉軸上的，風小轉速低、風大轉速高，當風速高的時候可以通過失速來遏制轉速的快速升高來保護發電機組，也可以是定槳變速加上失速模式，這種模式在中型的風力機中也有應用。（2）變槳距調節型風力發電。變槳距是指可以通過葉片來控制槳距角的大小。近些年來，變槳距調節方式在大型的風力機設計中被廣泛應用，其優點是載荷控制平穩、效率高和安全系數較高等特點。

1.2.3.3 風力發電不再限制在陸地。陸地上的風力發電受到土地限制、噪聲污染、電網規模化等影響，風電機在陸地上的發展已經有很大的限制條件了，不能夠很好地開發利用風能資源。為了解決這個問題，陸上風力發電已經逐漸向海上發展。海上的風能資源極其豐富，而且分布范圍十分的廣泛，是風力機應用的絕佳場所。在今后的風電技術發展進程中，海上風電事業的發展將是世界各國關注的方向。海上的風速要比陸地上的風速高很多，而且由于風湍流強度比較小，減少了風力機部件的負荷程度，能夠很好的延長其使用壽命。歐盟的許多國家已經對海上的風能資源進行了比較規模的開發利用了。海上風能的開發技術雖然相對于陸地上風能資源的開發而言，其技術條件還不夠成熟，但是，海上風能資源的開發卻是具有巨大的現實意義和社會效益的。

1.3 漂浮式風電機組

漂浮式風電機組是一種新概念風力發電機。這種新型的風力發電機將幾乎可以在任何地方工作。“漂浮式風力發電機”將充滿氦氣，升到距離地面300m 的空中捕捉強風，帶動附在水平軸兩端的發電機發電。“漂浮式風力發電機”停留在空中的動力由氦氣裝置提供，并且轉子在風中旋轉也可以提供一部分動力。發電機產生的電將通過連接在發電機上的電纜輸送到地面。“漂浮式風力發電機”最初的市場目標為偏遠的社區，據稱，使用這種風機產生的電，電價較便宜。

2 風輪葉片

風輪的葉片是風力機的核心，風輪的轉換效率與葉片翼型有著直接的關系，氣流流過葉片時候產生的升力轉換為所需的電能。過去風輪葉片的多是采用航空翼型［6］。現代風電技術的研究已經得到了相當大的發展，許多的國外機構已經為風電機開發出品種繁多的翼型。比較廣泛得到應用的是NACA 翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型。

NACA 翼型是風輪葉片采用較多的翼型，這種翼型是由國家航空咨詢委員會（NACA）提出的，得到了較好的應用。NACA翼型系列是由其厚度和中弧線疊加而形成的，其翼型的系列十分豐富［7］。

SERI 翼型針對不同葉片長度提供了三組翼型，SERI 翼型的優點是具有較高的升阻比和升力系數，而且在失速的時候對翼型表面的粗糙程度的要求比較低。

NREL 翼型主要用于大中型的葉片，NREL 翼型通過美國的國家可再生能源實驗室（NREL）研制出來，因此成為NREL 翼型，其包括薄翼型族和厚翼型族。

FFA-W 翼型則是由瑞典航空研究所研制而成的，其包含了3 個翼型的系列，FFA-W1/FFA-W2/FFA-W3.這種翼型在失速的情況下具有良好的氣動性能，具有較高的最大升力系數和升阻比。

李巖和田川公太郎［8］等制作了一臺具有3 枚NACA0018 翼型葉片的直線翼垂直軸風力機模型，主要為了研究直線翼垂直軸風力機自起動性能與風力機葉片迎風角度的關系，采用了煙線法對風力機的靜態流場進行可視化的實驗進行研究，這提供了一種全新的實驗方法，目的是探索垂直軸風力機的空氣動力學特性。

3 總結

隨著科研技術的不斷進步，垂直軸風力機也得到了十分快速的發展，雖然垂直軸風力機的起步比較晚，但是取得的成就是有目共睹的。為了更好的研究風能，科研人員及相關工作人員有待進一步開發和利用風能的特性。

對于目前能源緊缺和環境保護的意識逐漸增強，風能資源已經成為了世界共同關注的資源，由于風能資源是可再生能源和低污染的特性，風電事業正在以前所未有的速度進行發展，風力機的市場需求也正在增加，其價值意義是不可估量的。風電設備制造行業對于市場面臨的需求，不但需要有高水平的科研技術作為基礎，還需要有創新的能力，如何在舊有的風力機技術上進行提升，改進風力機的對風能的利用效率，和如何高效得把風力資源轉化為電能，這都需要科研人員的艱辛努力，和不懈奮斗。

垂直軸風力機將是以后市場的主要研究方向，而目前垂直軸風力機卻在風電市場中所占比重比較小，原因是：（1）人們對水平軸風力機的認知要比垂直軸風力機要深，普遍認為水平軸風力機的風能利用率要比垂直軸風力機高。（2）垂直軸風力機在低風速下是很難自啟動的，翼型設計和構造設計等很多的方面都相當的不成熟。但是垂直軸風力機卻相對比水平軸風力機要好很多。水平軸風力機的葉片受力情況相當復雜，而且需要偏航系統來完成對風，維護等后續工程也很難。而垂直軸風力機不但壽命比水平軸風力機長，而且垂直軸風力機結構上緊湊可靠，發電機和變速箱等在葉輪下或地面十分便于維護。解決垂直軸風力機技術上的問題將成為國內外風電研究的方向。風力機的發展對現在的社會，和環境等方面將具有十分重要的社會效益和現實意義。