立轴式风机的发展现状 0508.doc

立轴式风机的发展现状简秀梅1，俞红鹰2（1. 华南农业大学，广州 510640；2. 广州红鹰能源科技有限公司，广州 510640）摘 要：传统的风车是采用水平轴式的，近代一些国家研制出了成本低，结构简单的立轴式风车.。本文概述了立轴式风机的发展过程和类型，比较了立轴式风机和水平轴风机的优缺点，分析了立轴式风机的经济和社会效益，并介绍了在商业上成功运作了立轴式风机的Flowind 公司。关键词：立轴式风机；EHD技术；Flowind公司；发展中图分类号：按中国图书分类法标注 文献标识码：A50 引 言风力发电是目前全世界发展较快而且较有前途的电力, 各国政府都非常重视对风力发电技术的开发和研究。风力发电的原理比较简单，是利用风轮带动发电机来发电的。现代风力机从基本结构上分为两类, 即水平轴风机(Horizontal Axis Wind Turbine，缩写为HAW T) 和立轴风机(Vertical Axis Wind Turbine，缩写为VAW T ) , 如图1 所示。这两类风机都是利用空气动力升力原理来获取风能的。目前水平轴风机较多采用。水平轴风机轮毂上有三个或两个风翼, 也称叶片。叶片用强化聚酯玻璃纤维、胶合板、铝或钢制造1。水平轴风力机的旋转轴与迎面的风流平行。立轴式（垂直轴）风力机的旋转轴垂直于地面，它不需要像水平轴风力机那样随风向改变转子的方向，设计、制造、安装、运行都比水平风力机简单和方便，很有发展前途。* 收稿日期：图1 水平轴风机Fig.1 Horizontal axis wind Turbine图2 立轴式风机 Fig.2 Vertical axis wind turbine1 建设立轴式风机的意义1.1立轴式风机的发展过程我国是世界上最早利用风能的国家之一。公元前数世纪我国人民就利用风力提水。灌溉、磨面、舂米，用风帆推动船舶前进。宋代更是我国应用风车的全盛时代2。当时流行的立轴式风车一直沿用至今。最早的立轴式风轮（也称垂直式）是在我国出现，它是将8个帆各编在一个直立的杆上，各帆的正中上端则各由一绳系之。当地称此为“走马灯”式风车。我国沿海产盐地区用这种风车提海水的很多，如大沽和塘沽一带在建国初期仍可看到。图 3 复原的立轴式大风车模型照片Fig.3 The Recovered Photo of Vertical Axis Wind Turbine Model31925年法国人达里厄（G.J.M.Darrieus）发明了现代的立轴式风电机。它的结构是由24片跳绳曲线型的叶片组成，呈对称翼型剖面，只承受纯张力，不承受离心力载荷。叶片的型式仍是升力型，气动性能好，只是由于叶片呈弧状，上下两端受风情况不佳，所以低风速起动困难，有时要加设起动装置。60年代晚期加拿大National Research Council (NRC) 中心两位研究学者复制了达里厄风机，但是叶片形状采用了Troposkein shape4。70年代中期立轴式风机得到美国宇航局(NASA)重视,并在其圣迪亚哥实验中心研究。国际上研究型风力发电机的较多，但投入生产并应用的只有美国。80年代到90年代期间，FloWind公司在商业上成功地运作立轴式风机，曾在加州拥有882台风机，其中有512台款式为早期设计的达里厄式立轴式风机，是在80年代制造的。我国除自行研制了几台45千瓦的型机外，80年代初曾与德国合作试制过20千瓦的型风力发电机组，后因运行情况不佳而停止5。现在把这种风机成为“达里厄”式风机或型风机。1.2立轴式风机的种类立轴式风力发电机 凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风力发电机就叫立轴式风力发电机。虽然这类风力发电机尚未大量生产，但试制品种繁多，如型、型、S型、H型等。立轴式风机分为两种基本类型：阻力型（S型）和升力型（型）。1.2.1 S轮型风力发电机S轮型风力发电机是1924年芬兰人萨沃纽斯（Savonius）发明的，它是一种阻力型风轮，尽管气动性能不如型风力发电机，但制造容易，起动快，低速风也能运行。最简单的是利用旧汽油桶对剖，安装在一根垂直轴上，外形呈S状，发电机装在垂直轴的底部，甚至可以在同一轴上叠层安装几个S轮，以提高效率。尽管结构非常简单，但长期以来没有得到推广，关键是风能利用效率问题，且一般只适用于小型发电，我国曾试制过几台此种风力发电机用于航标灯电源，后来也被太阳电池电源所取代。1.2.2 型风力机型风力机是最具代表性的立轴式风力发电机，也称达里厄风力机，它是1925年法国人达里厄（G.J.M.Darrieus）发明的。它的结构是由24片跳绳曲线型的叶片组成，呈对称翼型剖面，只承受纯张力，不承受离心力载荷。叶片的型式仍是升力型，气动性能好，只是由于叶片呈弧状，上下两端受风情况不佳，所以低风速起动困难，有时要加设起动装置。国际上研究型风力发电机的较多，但投入生产并应用的只有美国。我国除自行研制了几台45千瓦的型机外，80年代初曾与德国合作试制过20千瓦的型风力发电机组，后因运行情况不佳而停止。1.2.3 H型风力发电机H型风力发电机，也叫直叶片风力机，它也是型风力机的一种，只是将两端线速度很低，产生升力不大的部分去掉，因而改为直形叶片，这样叶片的制作更为容易，并可多层安装，还可加装能调节角度的副叶片，使起动性能和刹车效果得到改善。目前这种风力机在日本有应用，我国也试制过23千瓦的样机，还在内蒙古制成风力提水机5。图4 S轮型风力发电机Fig.4 A Savonius rotor is a drag type VAWT6图5 型风力机Fig.5 A Darrieus machine is a lift type VAWT图6 H型风机Fig.6 A H Type wind turbine1.3立轴式风机（VAWTs）与水平轴风机（HAWTs）的比较背景：从1890年丹麦制造出第一台风力发电站到现在有一百多年历史。风力发电的发展几起几落,其中心问题:经济上是否有竞争力.胜者生存。国际上一些科学工作者对水平轴螺旋桨式风力发电站的技术性与经济性早就提出质疑与挑战.法国人达里厄Darrieus提出一种橄榄形立轴式风机(风力透平)样机，70年代中期得到美国宇航局(NASA)重视并在其圣迪亚哥实验中心研究7。图7 水平轴风机与立轴式风机的主要零件8Fig.7 Wind Turbine Designs1.3.1立轴式风机的优势立轴式风机的劣势 叶片受力分析水平轴式风机桨叶（如图8）上受到正面风载荷力,离心力,叶片结构相似悬臂梁.叶片根部受到很大弯矩产生的应力.大量事故都是叶片根部折断。立轴式风机如（如图8），叶片两头与轴固定,尤如一张弓，它的形状不是由叶片的刚度来保证的.叶片是柔性的。转轴旋转后自然形成一条“无弯矩应力曲线”。叶片只受拉应力.用料少，寿命长，不易折断。图8 水平轴风机（左） 立轴式风机（右）Fig.8 HAWTs（left）VAWTs(right)叶片受力分析系统稳定性分析水平轴风机机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构。自身重达十几吨至几十吨；叶片上随机风载荷达几十吨.重心高，不稳定，易翻倒。高位放置，安装，维护不便。立轴式风力发电机组，发电机，齿轮箱在底部，重心低，稳定。维护方便。由于不需要塔架，降低了成本。迎风调节系统水平轴机组机仓需360度旋转，达到迎风目的.这个调节系统包含有风向检测；角位移发送；角位移跟踪闭环电力拖动系统。立轴式风机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。迎风调节系统桨矩调节系统水平轴风机当风速变化时，为了调节转速,风机要具备桨矩调节系统。即在风载荷下转动桨叶一个角度.此扭矩非常大，只有用液压系统才行.这个闭环调节系统精度高，液压系统液体在冬季要有防冻措施，以防失灵。该系统价格贵，维护难。立轴式风机不要此系统.固定叶片。总结上述：立轴式风力发电系统(Darrieus)力学性能好，结构简单，成本低，具有竞争优势。1.3.2立轴式风机的劣势接近地面的风速较低；需要启动装置；不方便在密集的农场建立拉索；更换轴承时需要拆卸整套设备9。1.4立轴式风机的经济效益和社会效益1.4.1降低发电成本开发立轴式风力发电机可以从降低风力发电设备的投资和提高能量利用率两个方面降低发电成本，提高风电的市场竞争力，还可以培育我国的风电设备制造业。1.4.2环保效益我国北方地区频频发生扬沙和沙尘暴天气，若在这些地区修建大型风力发电场，风的能量被风力发电机吸收转化，既可发电，又可防风护草。尤其在沙漠地区，植树很困难，而修建风力发电场比较容易，见效也快，这将使荒芜人烟的荒漠变成绿色能源基地。1.4.3海上风力资源海上风能资源丰富，是目前各国重点开发的区域。在海上修建风力发电机有一定困难，投资也大。但立轴式风力发电机重心低，可以安装在浮动的平台上，施工容易，投资也省。2 FloWind公司的立轴式风机的发展2.1 FloWind 公司的科研、商业成果2.1.1 HAWTs与“平方立方规律”关系FloWind通过对不同外形的风机尺寸和能源成本关系进行了研究，并得出HAWTs 的“平方立方规律”。这些关于HAWT的尺寸关系的内部研究得到了Robert Lynette and Associates（RLA）、Kenetech Windpower 和Wind Power月刊题为“Jumbos and the Square Cube Law”等刊物的出版，因而其理论得到进一步的权威确认。这些研究展示了HAWTs在250500kW范围内的最低能源成本。“平方立方规律”（the square-cube law）为：在500kW以下，HAWTs的掠风面积和能源俘获量随着直径的平方而变化，而负载和零部件的成本随着直径的立方而变化。任何大型HAWTs的能源成本的降低都是归于技术的创新，如果能把此理论应用在300kW的风机上，能源成本可进一步降低。兆瓦级的HAWT其逆风双叶片直径达到50m60m，并配备了相应的集线器和偏航活动驱动器。在300kW的风机上应用EHD技术，能使风机顺风且不需配备偏航活动驱动器，因而产生了型号为AWT26、世界上能源成本最低的HAWT。AWT风机是FloWind公司的专利产品并有着畅销的市场，因而能源成本分析的研究不仅仅停留在学术上的分析。2.1.2 VAWTs与“平方立方规律”关系Darrieus VAWTs的大部分零部件不能应用“平方立方规律”。Darreeus VAWTs设计的最大优点是叶片的负载本质上是张力，而HAWT上悬挂的螺旋推进器式叶片的负载是高压缩力。一般认为，张力结构的成本与尺寸成线性关系，而压力结构与尺寸成指数关系。由于Darrieus VAWT的叶片本身是张力结构，它的叶片成本与尺寸的关系仅略大于线性关系（指数为1.5左右）；Darrieus VAWT的桅杆是压力结构，因而桅杆的成本大约以2.5次方的指数关系增长。这些理论已经由FloWind、Sandia、Adecon和Lavalin共同开展的第一代VAWT发展项目成果及FloWind 的EHD发展项目成果得到验证。在这些项目里，VAWTs的面积增加一倍，从240m2到540m2，但所有设计好的VAWT具有相同的重量/掠风面积（W/SA）：30kg/m2到35kg/m2。2.1.3 FloWind公司的商业成就FloWind 公司制造的第一代立轴式风机是工业应用上最为可靠的风机之一。FloWind 公司拥有和运行了512台型号为F-17和F-19立轴式风机，总装机容量为91MW，座落于加州最好的风农场。这些机器都运行了10年以上，累计运行时间30,00040,000小时。实际上，以上所有的风机或仍在运行，或等待维修再进行运作。超过80的器材是用原有的叶片、发电机、齿轮箱和轴承。这些优良的记录在工业上是史无前例的。FloWind公司是VAWTs的最成功运营商。在80年代，Flowind公司对直径分别为17m和19m的VAWT进行了研究和成功的商业运作，这在当时是世界上新能源技术产业化和商业运作化最为成功的例子之一。2.2 FloWind 公司的商业计划2.2.1升级已有的风农场FloWind 公司拥有和运行了512台型号为F-17和F-19立轴式风机，总装机容量为91MW，座落于加州最好的风农场。为了避免和主要能源价格费用的冲突，从经济角度来看，在已有的风农场应用新的EHD 转子。FloWind公司计划在95年末之前，更换50台F-19s，在96年末，风农场必须进行全部升级。2.2.2新型风机的销售FloWind公司正为F-17 EHD品牌的VET在中国的推广而开展行动。作为面积仅占螺旋桨涡轮机的2540、对鸟类没有伤害、世界上目前最为安静的风机之一，F-17EHD品牌的VET具有巨大的市场吸引力。这些风机被公认为成本和耐用性都是最优化的。新有的EHD的适时销售是建立在F-19的长期出色运作。因而选择在1996年中期作为发布时间是适宜的。中国的合作伙伴购买了FloWind的技术，包括AWT26和EHD，通常选择EHD运行在恶劣的天气环境和高风速地区，选择AWT-26运行在轻风的沿海地区。FloWind公司能确保F-17EHD品牌的VET在加拿大的离岸价为600$/kW（发动机容量）；在中国，安装成本少于825$/kW(注：AWT-26的最低销售价格为加州离岸价630$/kW，860$/kW（安装容量）)。用同样的技术，FloWind公司是成本最低的商家。2.1.3推广下一代风机项目EHD技术在得到DOE赞助的High Energy Rotor Test and Evaluation 项目里，FloWind完善了VAWT 的 “延长高径比” 技术，即EHD （Extended Height-to-Diameter）技术。这个EHD技术具体表现在三个专有的技术创新，这些创新将出现在下一代VAWT的设计中：、延长VAWT的高径比（EHD）达到资源利用最大化；、用挤压（Pultruded）技术制作的叶片减少成本，同时提高品质和抗高速循环的疲劳特性。、三个叶片的VAWT可以减少桅杆和驱动装置的载重，因而减少风机制作成本。在80年代中期，Sandia 国家实验中心制备了直径为34m的VAWT的实验平台。这个实验基地的实用性对项目的发展是很有价值的。加拿大的EOLE VAWT有超过18,000小时的运行记录，这是所有大型风机测试项目里最为成功的案例之一。除了这个风机，Sandia 国家实验中心的直径为34-m的VAWT作为世界上第一台可自动抛锚的VAWT是很成功的。而大型HAWTs的高速轮转的重力载荷和风向周期性反转的存在导致了大型HAWTs项目的失败。与大型HAWTs相比（如MOD项目），大型VAWTs的测试项目是非常理想的， Flowind已从Sandia和EOLE获得大型立轴式风机的丰富成功经验，但Sandia和EOLE两种风机都没有成功地进行商业运作。由于Sandia和EOLE使用铝钢叶片作为刚性转子，随同大型的完全压缩中央桅杆（large fully compressive central mast）一起，两种风机建造时就非常巨大，这两种机器的重量/掠风面积（W/SA）都达到75kg/m2。FloWind公司把挤压（pultruded）成型的轻质叶片应用到提议的三叶片式的大型风机抗张结构，成功地把Liberty 的Mass/SA降到3540kg/m2，同时提高了抗疲劳特性和元件寿命。Flowind公司对于下一代风机项目的概念是非常清晰的。就是把最近的创新应用到Flowind当前的由pultruded技术成形的三叶片式的EHD技术。Flowind第一代VAWTs的异常可靠性为下一代风机能满足未来市场的需求提供了很高的竞争性和可靠性。Flowind有工业上最好的科研团队和雄厚的经济实力，并配置了相应的制造工厂、设备和发展工艺，这些基础为新项目的开展起到推进作用。2.3 FloWind 公司的技术路线2.3.1计划1). 利用已有的的设计技术和建模方法来改良具有经济效益的风机的具体结构和机械设计。这个包括工序、规格、制作及加工装配图纸的改良和新旧零配件的翻新。2). 开发含制造工艺的叶片一片化（连续桥跨结构）技术。2.3.2目标1). 用以VAWT系统为模型的有限元分析数据优化项目的设计；2). 成功设计出几何形状和相应的硬件来适应在静态和动态频率环境下的系统；3). 利用连续加工挤压成型法（pultrusion process for continuous manufacturing）设计出复合的叶片，并使用已有的风机和电气设施结构系统对其进行分析。注：FloWind公司的前总裁Lee Richartz 在2005年成立了GWI公司，并把FloWind公司的EHD技术注入到GWI公司。Lee Richartz准备在中国投资建立大型立轴式风机发电场，并把EHD风机技术引进中国。参 考 文 献1 潘文霞，陈允平，沈祖诒. 风力发电机的发展现状J. 中小型电机，2001, 28 (4)：38412 聂晶，阮强. 风能及其利用 风力发电机J. 农村牧区机械化，2005，（1）：25263 陆敬严. 古代的立轴式大风车J.寻根:39414 Vertical Axis Wind Technology “VAWT” A Proven Wind Technology . /mkby/vawt-history.pdf5 现代风能利用技术/Resource/GZ/GZWL/WLBL/SCZY/WL100049ZW_0027.htm6 Brief History ./default.htm?page=27 垂直轴达里厄风力发电装置与水平轴螺旋浆风力发电装置比较./manager/info/uploadImages/20041111546950819.doc8 G.THOMAS BELLARMINE and JOE URQUHART. 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