垂直轴风力发电机风叶截面|[技术] 垂直轴风力发电机的发展趋势及应用

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1.简介

说到风力发电机，人们往往会想到三叶式荷兰风车，通常称为水平轴风力发电机，也是目前占据主流市场最成熟的技术。

水平轴风机技术主要包括风力机（叶片）技术、发电机及输电技术、并网技术三部分。后两项技术已经成熟。除设计外，计算值必须根据经验进行修正。我国直到 80 年代后期才进入风力涡轮机行业。技术的发展跟不上世界主流技术的发展。目前，我们仍依赖于风机（叶片）设计技术的引进、吸收和消化。

我国水平轴风力发电机的技术发展路线基本沿用了国外的技术路线，国外风电设备供应商已在中国乃至世界申请了风力发电机及其零部件的研发专利。 . 我国一旦进行研发、量产和销售，就会涉及到知识产权问题，对未来风电设备行业的发展有潜在的不利影响。

风电行业是一个高度集中的行业。风电市场前8强企业占据全球96%以上的市场份额。它们是丹麦的维斯塔斯、德国的 Repower 和 Enercon、美国的 GE、西班牙的 Gamesa、印度的 suzlon 公司等。 到 2006 年底，中国已经进入或正在进入大型风机市场，超过20家厂商，其中金风科技占国内市场26%的份额（国外厂商占70%的市场份额），其余企业占市场剩余4%的份额。

从企业数量对比来看，中国企业的数量是全球风机制造商数量的两倍多垂直轴风力发电机风叶截面，但都缺乏主流风机机型的核心技术——风轮（叶片设计）技术。从风电行业现状来看，这些企业大多在进行低水平重复建设。

2.立轴风机技术发展趋势

发电机的功率是扭矩和速度的乘积。由于水平轴风机的结构因素，水平轴风机的风能利用率不会太高。

除了水平轴风扇外，还有转轴垂直于地面的风扇，简称垂直轴风扇。立轴风机的应用可以追溯到几千年前，当时人们用立轴风机提水。然而，利用纵轴发电的研究直到1920年代以后才开始。由于研究工具和方法落后，导致立轴风机的风能利用率不如水平轴风机，但制造工艺和成本低于水平轴风机. 综上所述。

随着计算机技术的飞速发展，计算流体动力学（CFD）发展迅速，从最初的小扰动速度方程发展到欧拉方程和更复杂的NS方程，尤其是进入21世纪以后，已经可以模拟动态条件下复杂形状的气流，为垂直轴风机的研究提供了基础。传统的水平轴风力涡轮机叶片受到其叶片特殊的非均匀截面结构的限制。目前还不能用CFD方法进行设计和计算二手吊车，只能靠很多经验来设计。

对于H形垂直轴风力机叶片，由于截面结构不变，已经可以用CFD方法设计，计算精度高于叶元理论方法。因此，世界上研究垂直轴风力发电机的机构越来越多。

图1 H型垂直轴风轮

现有如图1所示的中小型H型立轴风机，不仅在系统效率方面达到了中小型水平轴风机的水平，而且解决了高风速下低风速启动和自动限速的问题。风速。中小型立轴风机首次具有商业应用价值。同时，由于H型风

该机无噪音的特点比中小型水平轴风机的应用范围更广吊车，为中小型垂直轴风机的大规模商业化发展奠定了基础。

临风风电设备有限公司在大型垂直轴风力发电机上采用的可变“攻角”技术有电动和机械两种方式。该技术使垂直轴风力发电机的风轮在叶片处于不同位置时旋转。根据风速和风向的变化，使叶片的“攻角”保持受控变化，使其始终处于最佳“攻角”位置，从而实现风能的最大利用速度。

该技术在全球率先实现了大升力垂直轴风力发电机在风速为2m/s时带载自动启动，同时可以获得比卧式风力发电机更高的风能利用率。轴风力发电机在额定风速下。环境中无噪音，风速超过额定风速后仍能保持稳定的输出功率，这将使大型垂直轴风力发电机比大型水平轴风力发电机具有更高的商业开发价值。

由于H型立轴风机高效、无噪音的特点，无论是风电场应用还是中小型独立用户，未来H型立轴风机必将得到广泛应用。

3.垂直轴H型风机的应用

由于H型垂直轴风力发电机的特点，风力发电机的应用方式和应用领域发生了变化。水平轴风机用于风电场或偏远地区，解决因噪音和风向问题而无法通电的问题。这些应用远离城市中心，但H型风机将拓展新的应用领域。例如，除了风电场应用外，还可以充分利用大型建筑的集风功能和大型建筑顶层的空间和高度，建设风电建筑和零能耗建筑。在这方面垂直轴风力发电机风叶截面，上海具有独特的H型垂直轴风力发电机技术优势，应该具备走在前列的条件和能力。其次，

图2 高速公路旁立轴风力发电机组

此外，有风资源条件的企事业单位也可大量应用H型立式风机，如海水淡化装置、油田抽油机、海上海上钻井平台等，如图3所示。

图3应用于海上钻井平台旁的垂直轴风力发电机组

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