
3. 垂直軸風力發電機的分類
從氣動性能上劃分,垂直軸風力發電機類似于水平軸風力發電機,也可以分為阻力型和升力型這兩大類。任何物體在空氣中都會受到阻力和升力,如圖1 所示,與來流方向平行的力D 為阻力,與來流方向垂直的力L 為升力。當風輪旋轉主要靠葉片受到的阻力來驅動時,該風力機為阻力型;當風輪旋轉主要靠葉片受到的升力來驅動時,該風力機為升力型。需要注意的是,由于葉片是同時受升力和阻力作用的,特別是當葉片的安裝角在一定的臨界范圍時,阻力和升力基本上差不多,這個時候很難區分驅動風輪轉動的主要是靠升力還是阻力,因此其分類也很難確定。特別的,對于可變槳距的風力發電機來說,啟動時安裝角增大,這個時候可看作是阻力型,高速時安裝角變小,這個時候又可看作是升力型,圖2 和圖3 是典型的阻力型風力發電機和升力型風力發電機。
從流體力學方面分析,對于阻力型風電機組,其受到的阻力可以近似認為
,其中Cd 為阻力系數,S 為投影面積,v 為相對風速。圖4 為典型的阻力型風力機運動簡圖,結合公式和簡圖可以看出,當風力機靜止時,v 等于風速,由于S 比較大,所以阻力型風力發電機能夠獲得較大的啟動力矩。但是當風力發電機旋轉之后,相對風速v =vw -vr,隨著轉速的增高,相對風速減小,風力機受到的阻力急劇減小,例如當風力發電機線速度達到風速的一半時,即尖速比為0.5 時,風力發電機受到的阻力將減小為啟動時的四分之一,又由于風力發電機的功率= 力矩X 角速度,所以阻力型風力發電機的風能利用率很低。根據阻力型風力機啟動力矩大,風能利用率低的特點,該型風力發電機僅適用于低風速地區的提水灌溉等應用領域,不適合用來發電。
