小型垂直轴风力发电系统设计方案.pdf

适用经济型小型垂直轴风力发电系统的设计

1．小型垂直轴风力发电系统的分类

(1)桨叶式风力机

桨叶式风力机是一种阻力型风力机，因它的叶片形状而得名。这种风力

机的关键集中在如何减少逆风方向叶片的阻力，对此有许多设计方案。使用遮风

板的，也有改变迎风角的，不过桨叶式风力机的效率很低，除了在日本局部地区

曾经使用过外，实际上几乎没有制造和使用的实例。一般来说，这种风力机归类

为垂直轴型，但是也有把它设计成水平轴的。

(2)萨布纽斯式风力机

萨布纽斯式风力机是20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯的

名字命名(我国有时称它为S型风力机)。这种风力机通常由两枚半圆筒形的叶片

所构成，也有用三一四枚的。这种风力机往往上下重叠多层。效率最大不超过

10％，能产生很大的扭矩。在发展中国家有人用它来提水、发电等。

(3)达里厄型风力机

达里厄风力机是一种新开发的垂直轴式风力机，以法国发明者达里厄的名字

命名，下图为普通的Φ形达里厄风力机和特殊的Δ形达里厄风力机。其叶片多为

2—3枚。该风力机回转时与风向无关，是升力型的。它装置简单，成本也比较

便宜，但起动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一

起使用。

(4)旋转涡轮式风力机

垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力杉L垂直安装3—4枚对称翼形

的叶片。它有使叶片自动保持最佳攻角的机构。因此结构复杂价格也较高，但它

能改变桨距、起动性能好、能保持一定的转速，效率极高。这种风机也有把同样

的叶片固定安装的形式。

(5)弗来纳式风力机

在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体的周围的压力发生变化而产生升

力。这种现象叫马格努斯效应，利用这个效应的发电装置叫弗来纳式风力发电装

置。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在

小车轴上的发电机发电。这种装置，是1931年由美国的J·马达拉斯发明的，

并实际制造了重15吨、高27米的巨大模型进行了实验。这个实验的详细情况不

清，但时间很短便中止了。现在弗来纳式风力机装置又受到重视，美国的笛顿大

学在重新进行开发和试验。

(6)费特·肖奈达式风力机

这种风力机是由德国费特公司的工程师肖奈达发明的，费特·肖奈达螺旋桨

垂直地安装在船底下部作为船的推进器。推进器圆周的叶片，在刁；同的位置上

能够改变方向，因随着叶片的角度和回转速度不同，其升力的大小和方向也不同，

所以可以不用舵。把这种费特，肖奈达叶片上下相对可制成风力机(如下图)，其

工作原理和旋转涡轮式风力机相类似。

其中比较受关注的是达里厄风力发电装置。我们选取开发的小型风力发电系统就

是以达里厄风力发电系统为蓝本开发。

2．垂直轴风力发电系统的优越性

现在，在全世界风力发电机组运行总数中，水平轴螺旋桨式风力发电机组占

90%以上，在世界上约有100多家公司从事批量生产这种类型风力发电机组。垂

直轴式风力发电机组开发不力的原因是由多种因素造成的:发明垂直轴式风力发

电机组比水平轴螺旋桨式风力发电机组较晚;以前曾错误地认为垂直轴风力发电

机组的工作机构(叶片)最大线速度对风速之比不可能大于1，而对水平轴螺旋桨

式风力发电机组来说，这种比值可达到5:1以上。

进人60-70年代间，首先是加拿大、然后是美国、英国的风电专家们经过实

验指出，上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄转子是不适用的.就达里厄

转子而论.工作机构线速度对风速之比可达到5:1以上，且风能利用系数不比水

平轴螺旋桨式风力发电机组低.

此后，垂直轴式风力发电机组得到了大力开发，它的单机容量逐渐在增大.

当今，所有发达国家，如加拿大、美国和荷兰在实践中使用了达里厄转子的垂直

轴风力发电机组，且认为装有曲线型叶片的传统方案是比较可取的;而英国和罗

马尼亚采用与转轴平行的等厚叶片作为主要方案。下面从几方面对垂直轴式和水

平轴螺旋桨式风力发电机组作一些对比评估，且以传统的螺旋桨式和具有等厚叶

片达里厄型风力发电饥组为例进行说明。

2风力发电机组的效率与风向的关系

水平螺旋桨式风力发电机组的最大效率只又在保证具有良好风速的条件下

才能得到实现.水平螺旋桨式风力发电机组上设有风轮定向系统将使风力机组本

身复杂化并降低它的可靠性，根据此类型的国外风力发电装置的运行经验数据，

定向系统的故障率占总量的13%.此外，在风向改变时由于定向机构作用滞后，

风轮的有效定向实际上是不可能的，对于具有直径30-40mm