[科普中国]-升力型垂直轴风力发电机

大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点，其叶尖速比通常在4以上，转速高，最大功率系数可达50%。垂直轴风力机也有升力型风力机，法国航空工程师达里厄（Darrieus）在1931年发明了升力型垂直轴风力机，后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机（D式风力机）。

电机原理在下面图中列举了从0度到315度八个位置的叶片，风从左边进入，浅蓝色的矢量v是风速、绿色的矢量u是叶片圆周运动的线速度反向（即无风时叶片感受到的气流速度）、蓝色的矢量w是叶片感受到的合成气流速度（即相对风速）、紫色的矢量L是叶片受到的升力。

叶片在这八个角度的受力情况，在90度与270度的位置，相对风速不产生升力，在其它六个位置上叶片受到的升力均能在运动方向产生转矩力，这也是达里厄风力机能在风力下旋转的道理。

实际上情况要复杂得多，前面分析图是理想状态，是在理想的叶尖速比与没有叶片的阻力时的状态。叶片推动风轮旋转的转矩力是升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力。我们取315度时的情况分析一下有阻力的情况，图中黑色的矢量D为叶片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L与阻力D的合成力，该力在叶片前进方向的分力M才是实际的转矩力，显然此时的转矩力明显小于理想状况。

而且在180度与270度附近的角度内，升力与阻力的合成力产生的是反向转矩力。达里厄风力机只有在叶片在360度与180度附近才有较大的输出力。即便是这样，还只能运行在叶尖速比为3.5以上的情况，可通过下图来说明：

图中左侧图叶片受到相对风速W的作用产生升力L与阻力D，相对风速W与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α约为14度，相对风速W由风速V与叶片运动速度u合成，此时的叶片运动的速度约风速的4倍，即叶尖速比为4。升力L与阻力D的合力为F，该力对风轮的力矩力为M，是推动风轮旋转的力。在叶尖速比为4时，叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩，仅在两侧（90度与180度）附近升力很小，会有不大的负向力矩。

图中右侧图风速增加了一倍，叶片运动的速度未变，叶尖速比约为2，叶片的攻角α约为27度，此时叶片工作在失速状态，叶片产生的升力L明显下降，阻力D却大大上升，相对风轮产生的力矩力M为负向，是阻止风轮旋转的，而且此时叶片运行在大多数位置均产生负向力矩。对于大多数普通翼型当叶尖速比小于3.5时叶片基本上不产生推动风轮旋转的力。

达里厄风力机在低风速下运转困难，要在较高的风力下，风轮转速达到叶尖速比为3.5以上才可能正常运转，在尖速比为4-6可获较高的功率输出。为减小阻力增加升力，对风力机的叶片截面形状（翼型）选择与外表光洁度要求比较高。既然达里厄风力机在叶尖速比为3.5以下时不能依靠升力运转，能否依靠阻力运行呢？由于各翼片是均匀固定在风轮的圆周上，各翼片受风产生的阻力力矩不大而且各翼片合成的总力矩很小，即使某角度可产生一定的力矩但在另一角度可能产生反向力矩，所以达里厄风力机不能单靠风力自起动，必须依靠外力起动使叶尖速比达到3.5以上时才能依靠升力运转。典型的达里厄风力机翼片不是直的，而是弯成弧形，两翼片合成一个φ形。

达里厄风力机多采用直形风叶，也有人称之为H型风力机。H型风力机的叶片数一般为2至6个达里厄风力机的叶片通过两端或中部固定在转轴上，有利于加大机械强度，可做得很轻巧；达里厄风力机不存在头重脚轻的状况，对塔架要求较低，适合用拉索固定，安装容易，检修也方便，这些都是它的优点。对于达里厄风力机不能自起动的问题，一般方法是在起动时采用发电机作电动机带动风力机旋转，使叶尖速比达到3.5以上。由于对风速变化与负荷变化要求都较苛刻，难以平稳高效运行，加上不能自起动等缺点，达里厄风力机的发展较慢，直至近些年经过技术上的改进，开始有较大发展。

要对风轮气动性能进行分析，必须了解风轮处的流场，才能进而分析产生的气动力、转矩和功率。为此一定要建立升力型风轮的气动模型1。

漩涡理论漩涡理论是上世纪七十年代末，八十年代初发展起来的。和水平轴风轮一样，先建立升力型垂直轴风轮的尾涡系统，然后用比奥-萨法定理计算尾涡系统产生的诱导速度。将诱导速度叠加到来流风速上，便建立了风轮附近各处的速度流场。

假设一个具有细长升力叶片的垂直轴风轮，其叶片并不绕轴做圆形路线运动，而是被约束着沿一个正方形路线以恒定的速度运动，叶片相对于路线攻角为0，当一个叶片在背风侧向向前运动时，根据凯尔文定理，为保持环量守恒，它要脱出一个启动涡和一对尾涡。当叶片运动到前部时，假设升力为0，而脱出附着涡。继续到迎风侧部，情况相似。

当尖速比和叶片数目增加时，尾涡的流向涡量分量消失，形成环状涡系。

当叶片绕着一固定转轴旋转时，其攻角连续变化，即绕叶片的环量不发生变化，所以涡量要连续倒脱落至风轮的尾流当中2。

特点垂直轴风力发电机的叶轮转轴与地面垂直，故称为垂直轴风力发电机。是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

应用范围普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学