垂直轴风力机发展现状

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摘要：风力发电机主要分水平轴风力机和垂直轴风力机，随着对风能利用率要求的提高，垂直轴风力机以其独特的优势逐渐成为风力机研究的重要方向。本文针对国内外风力发电技术的发展，主要概述了垂直轴风力发电机的特点及最新研究现状。

关键词：垂直轴风力机；风力发电；风能

中图分类号：TK89 文献标识码：A 引言

近一个世纪以来，全世界的人口增长了2倍，能源和自然资源的消费增长了10倍。据预测，人们对能源的需要在今后十年间将成倍增长，而全世界已经探明的能源储量只有90年的开采量，常规能源总有一天会枯竭，而且它的使用会排放CO 2，造成全球温室效应，影响生态和人类社会的生存环境。环境恶化、资源短缺已经在严重威胁着人类的生存和发展，而解决资源危机的主要途径是发展包括风能在内的可再生能源。风能是一种清洁的永续能源，与传统能源相比，风力发电不依赖外部能源，没有燃料价格风险，发电成本稳定，也没有碳排放等环境成本；此外，可利用的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势，风力发电逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分，风力发电技术的迅速发展和风电装机容量的高速增长就体现了众多国家重视风能开发这一共识。

1、世界及我国风力发电发展现状

在过去10年里，全球的风力发电产业正以惊人的超28%增长率速度增长，以欧美等发达国家为代表，全球风电呈现出了规模化发展态势。目前装机总量全球排名前十的国家依次是德国、美国、西班牙、印度、中国、丹麦、意大利、法国、英国和葡萄牙。2009年底，全球风力发电机装机总量达3.75万兆瓦。国际能源署（IEA）2008年颁布的《2050年能源技术情景》判断，2010—2050年，全球风电平均每年增加7000万千瓦，风电已成为一个庞大的新兴电力市场。

我国政府对风力发电给予了强有力的扶持。如设立了2020年风电装机容量达到3000万千瓦、2030年装机容量达到1亿千瓦的宏伟目标，同时制定了风电设备国产化相关政策，并辅以“风电特许权招标”等措施，推动技术创新、市场培育和产业化发展，这些积极措施推动我国风电装机连续4年翻番，风电装机容量世界排名已升至第三位。2009年底，全国共建设423个风电场，总容量达2268万千瓦，约占全国发电装机的2.6%，风电累计发电量约为516亿千瓦时。

2、垂直轴风力机研究现状

风力机可分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。相对于水平轴风力机而言，垂直轴风力机具有以下优点：起动风速低、风能利用率高；任何方向的风都可以发电，不择风向，不需对风，节省了对风选向装置，使结构设计简单化；塔架较矮，且发电机传动、减速制动等装置，都在机组下方，安装、维修方便；造价成本较低；强、大风时，减速、停机操作容易，效果较好；叶片形状可塑变化性强，可做成各种形状；其叶片主要是以简支梁或多跨连续梁的力学模型架设在风力机的转子上的，这不但有利于降低对于风力机材质的要求，事实上对于风力机的使用寿命大有帮助；面积能适当增大，以备作其他功能用。因此，垂直轴风力机成为风力机市场发展的一个主要方向。

目前垂直轴风力机可分为三个主要类型。一类是是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S型风轮，它由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是起动转矩较大，缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制,采用这种结构形式是比较困难的。另一类是利用翼型的升力做功,最典型的是达里厄(Darrieus)型风力机。达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的，在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出．达里厄风力机有多种形式，Φ型、H型、Y型和菱形。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H型、Φ型风轮为典型。H型风轮结构简单，但这种结构造成的离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力，另外，直叶片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低效率；Φ型风轮看起来像是个巨型打蛋器,所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力荷载，从而使弯曲应力减至最小。由于材料所承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，Φ型叶片比较轻，且比直叶片可以以更高的速度运行。再一类是马格努斯效应风轮，它由自旋的圆柱体组成，当它在气流中工作时，产生的移动力是由于马格努斯效应引起的，其大小与风速成正比。（见图1）

2001年我国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队牵头，MUCE为研发主体，西安军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了世界上首台MUCE新型垂直

轴风力发电机。世界上其他国家也都进行了新型垂直轴风力发电机的研制，日本在2002年初开始研究，2003年初产品投放市场，功率在0.5—30KW之间。美国、英国、德国、奥地利、韩国等国家也都相继生产出样机并投入规模化生产。2006年7月，上海模思电子设备有限公司公司在广东汕头安装的50KW垂直轴风力发电机组成功运行，标志着MUCE在研制中功率垂直轴风力发电机的道路上迈出了坚实的一步，同时也标志着我国在新型垂直轴风力发电机领域走在了世界的最前沿。2009年7月，世界首台兆瓦级半直驱风力发电机在深圳成功下线。这一大型垂直轴开关磁阻风力发电机的推出，不仅填补了世界在大型风力发电专用开关磁阻发电机领域的空白，在国际上也确立了我国垂直轴技术的领先地位，更为全球风力发电行业打开了“效益风电”之门，这也标志着垂直轴风力发电机正式进入兆瓦级行列。

3、结论

风力发电作为全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的方案，得到包括中国在内的很多国家的高度重视，而结构简单、成本低的垂直轴风力机必将成为国际风电技术的研究热点并得到更广泛的应用。

参考文献：

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垂直轴风力机发展现状

文◎ 李文升（廊坊师范学院 数信学院 河北廊坊）

图1 各种形式的垂直轴风力机