垂直軸風(fēng)力發(fā)電機大型化的可行性研究

目前國內(nèi)外有許多廠商正在致力于大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研發(fā)，但通過對一些現(xiàn)有大型化垂直軸風(fēng)力發(fā)電機廠商的開發(fā)過程看，基本上都是用小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計思路，把小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機通過一定比例放大后成為大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。筆者認為以這樣的方法開發(fā)大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，說明這些探索者還沒有真真理解垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的特性。
　　眾所周知垂直軸風(fēng)力發(fā)電機具有低噪音、安全性、無需太高塔架的優(yōu)點，但多年來經(jīng)過無數(shù)人的努力都沒有生產(chǎn)出可商業(yè)化應(yīng)用的大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，究其原因主要是無法同時解決氣動效率、自啟動、超速控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全制動等一系列問題，而這些問題在水平軸風(fēng)力發(fā)電機上都已經(jīng)解決。而效率、超速控制、穩(wěn)定性、安全制動4 個方面的問題也是任何風(fēng)力發(fā)電機需要解決的問題。本文將就這些問題展開討論，上海麟風(fēng)是如何解決這些難題。
　　垂直軸風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動時，葉片在風(fēng)輪不同位置扭矩大小、方向都不同，在有些位置扭矩大，在有些位置扭矩小，在有些位置扭矩為正，在有些位置扭矩為負。隨著風(fēng)輪直徑的增大和轉(zhuǎn)速的下降，這些變化尤其明顯，而風(fēng)輪最終的輸出功率是這些扭矩的合力矩，這樣垂直風(fēng)輪的氣動效率較低。
　　按照達里厄上世紀30 年代所做實驗和結(jié)論，垂直風(fēng)輪較為理想的尖速比為5 ～ 6，按此要求做出來的垂直風(fēng)輪實度比很低，無法自啟動，且?guī)лd能力也很弱。
　　當(dāng)垂直風(fēng)輪做大以后還面臨垂直軸承擔(dān)的彎矩越來越大的問題，彎矩越大，對軸的強度要求就越高，不僅重量重了，成本也越高，越難以商業(yè)化。
　　當(dāng)垂直風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時，風(fēng)輪的主震頻率為轉(zhuǎn)速除以葉片數(shù)量，當(dāng)作用于葉片上的風(fēng)能不能被有效轉(zhuǎn)化成動能（轉(zhuǎn)速）后震動尤其明顯。
　　為了提高自啟動性能適當(dāng)提高葉片寬度將取得明顯效果，合理的葉片寬度是風(fēng)輪半徑的1/2 ～ 1/4 之間。
　　為了克服葉片角度固定的垂直風(fēng)輪當(dāng)葉片在風(fēng)輪不同位置時扭矩方向相反、不能發(fā)揮最大扭矩的缺陷，使用“實時可變攻角”技術(shù)可克服這一缺陷。實時可變攻角技術(shù)就是當(dāng)風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)風(fēng)向、葉片位置、風(fēng)速等要素實時調(diào)節(jié)葉片角度，以達到改變扭矩方向并使葉片在不同位置都能獲得最大扭矩的作用，極大提高了垂直軸風(fēng)輪的效率。在該系統(tǒng)中，葉片不是固定在懸臂支架上的，而是可以繞葉片回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的，當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動到不同位置時，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)葉片的“攻角”，使葉片在不同位置時的“攻角”，在圓周上任何一個位置時，始終能夠保持在所設(shè)定的優(yōu)化角度范圍內(nèi)。通過風(fēng)洞實驗，在一個1.36米直徑、1 米葉片長度的風(fēng)輪，在2 米/ 秒風(fēng)洞風(fēng)速下測得的功率達到4 ～ 4.5瓦，即風(fēng)能/ 機械能的轉(zhuǎn)換效率達到了（60 ～ 68）%， 超過了59.3% 的傳統(tǒng)理論極限值，這并非傳統(tǒng)理論的錯誤，而是傳統(tǒng)理論中風(fēng)輪是在二維空間運動；而垂直風(fēng)輪是在三維空間運動，二者條件不同。
　　當(dāng)強臺風(fēng)來臨時，可實時調(diào)節(jié)葉片角度，始終保持葉片處于順漿狀態(tài)，減小迎風(fēng)面積，防止在強臺風(fēng)時葉片斷裂、塔架倒塌等惡性事故的發(fā)生。

　　通常垂直風(fēng)輪軸和發(fā)電機軸不是同軸結(jié)構(gòu)，而是二者在現(xiàn)場組合而成，在現(xiàn)場組合的風(fēng)輪軸和發(fā)電機軸往往是間隙配合，無論采用什么措施緊固，在長期運動過程中，二者都會產(chǎn)生相對運動從而加速垂直風(fēng)輪的搖擺，引起垂直風(fēng)輪的各種故障。有效的解決方案是發(fā)電機軸和風(fēng)輪采用同軸結(jié)構(gòu)。