小型达里厄垂直轴风力发电机技术发展中的一些伪科学问题

小型达里厄垂直轴风力发电机技术发展中的一些
伪科学问题
随着风力发电新能源技术的发展，达里厄型垂直轴风力发电机受到越来越多的研发关注。

在中国市场上出现了一些产品，这些产品大致分两类；第一类是升力阻力结合型风力机，常采用磁悬浮或无铁芯发电机来降低启动力矩；第二类是低尖速比高实度升力型风力发电机，其实度（叶片宽度总和与叶轮周长的比）大于0.2，峰值功率尖速比（叶片线速度与风速的比）小于1.5；
第一类风力机号称具有如下技术特点：
1. 发电效率高，功率系数（风力机风轮吸收的风功率经过发电机和变流设备转换后发送到电网或者电池的电功率与风力机风轮截面在来风垂直平面内投影内的风能动能功率之比）很高；
2. 机械摩擦阻力矩极低，由此启动风速低，可以有效利用低风段的风能，提高发电量；第二类风力机号称具有如下技术特点：
1. 发电效率高，功率系数很高；
2. 风轮启动力矩大，由此启动风速低，可以有效利用低风段的风能，提高发电量；
对第一类风力机作如下批判：
1. 采用升、阻结合的风力机，根据空气动力学原理和实验证明其效率很低，功率系数不会超过0.1，更不用说一些产品翼型不好。

特别是在售的产品，没有一家获得符合
iec61400-2功率特性检测方法的权威机构的检测报告；
2. 无铁芯发电机在理论上先天就具有效率低，成本高的特点。

应用于风力机的无铁芯发电机均采用盘式外永磁转子结构，引起线圈发热严重，高温下线圈绝缘材料寿命降低，磁钢用量远超过普通铁芯发电机；线圈制造性差，成本高。

一句话，无铁芯发电机的成本功率比远高于普通铁芯发电机；
3. 所谓利用低风段发电是个错误结论。

低风段一般指2-4米/秒风速段；在这个风速段，风力能量本来就已经极低，在使用风力机发电有经济效益的地方，年均风速至少要达到5米/秒以上。

在这样的风区，2-4米的风能占到年发电量一个很小的百分比。

再有，在2-4米/秒的时候，风力机的出力只有额定（11m/s）时出力5%以内，此时发电机、变流器等的效率比额定点的效率要低很多，导致在2-4米/秒能最后发到用户端的能量极少。

对第二类风力机作如下批判：
1. 采用高实度和尖速比低于1.5的风力机，根据空气动力学原理和实验证明其效率也很低，功率系数不会超过0.15。

特别是在售的产品，没有一家获得符合iec61400-2功率特性检测方法的权威机构的检测报告；
2. 启动风速的降低是以高实度为代价的，导致叶片数量增加或者叶片宽度和体积的增加，增加了风力机成本；另外低尖速比也导致了风力发电机转速较低，导致转矩较大，需要配置较大体积和重量的发电机，导致风力机进一步成本增加；目前在售的一些垂直轴产品，其每千瓦价格比水平轴要高出2倍以上，而且其额定功率和发电量还是虚假的。

3. 同样所谓利用低风段发电是个错误结论。

分析见第一类风力机批判的第三条。

4. 高实度风力发电机，由于气动峰值转矩较大，当风速大于运行最高风速后，所需要的制动转矩极大，需配备极强的机械刹车装置或者其他变攻角设备，增加了成本；而刹车后，如需继续抗击50年一遇极大风速，由于实度高，风轮受力较大，整个支撑结构（包含塔架）需要设计的更强以保证安全，同样增加了风力机的成本。

5. 高实度风力发电机，如果没有变攻角设备，在风速高于额定风速后，在该风速下整个转速-转矩曲线上的最小转矩高于发电机的最大转矩，风力机不能通过拉低转速而失速后降低转矩，整个风力机将不可控，会导致超速破坏。

从而不能有效利用额定风速到切除风速段之间的风能。

上述分析可以看到目前垂直轴风力发电机的产品，没有按照科学的方法去研究开发。

大部分开发者，缺乏基本的科学知识，对于涉及的空气动力学、电机、变流器、控制系统没有进行系统完整的科学认识，没有按照科学的方法进行实验和检测。

下面一些情况值得警惕：
有人声称发明了发电量超过输入风能的永动风力机；也有人在测试时，把风速仪安装在受风力机气流干扰的区域中或者安装在较低的位置，从而测出较高的功率系数。

实际上如果测量风速比实际风速低20%，那么其测得的功率系数比实际的要大1.25^3-1=95%；还有人在闭口试验段风洞中进行测试，以风力机测量时风力机前部或者后部一定位置的风速看作外界的风速。

实际上一般小型风洞闭口段的截面有限，试验后的风力机整机在风洞内
占到10%以上，由于风力机处的填塞效应，截面变小，从而导致闭口试验段前吹过风力机的风速要比风力机前后的风速要大，导致已风洞内风速标定的功率系数同样偏大很多。

15%的填塞，就会导致18%的风速增加，功率系数增加63%。

当前，需要做两件事：
1. 开发者需要通过科学的实验、产品的试验来证明垂直轴发电机的发电效率，而发电效率指标是功率曲线和年发电量，其他皆可归类于上述指标；
2. 开发者需按照科学的理论体系来建立垂直轴风力发电机技术的理论，避免神秘化和伪科学化。

飞羽
2014.4.12.于北京平谷
2014.4.13 第一次修改。