垂直轴风力机的应用与发展趋势

垂直轴风力机,风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。与水平轴风力机相比,垂直抽风力机的优点是,可以利用来自各个方向的风,而不需要随着风向的变化而改变风轮的方向。由于结构的对称性,这类风力机一般不需要对风装置,而且传动系统可以更接近地面,因而结构简单,便于维护,同时也减少了风轮对风时的陀螺力。

1.萨布纽斯式风力机(S式风力机)

这种风力机由芬兰工程师萨布纽斯(Savonius)在1924年发明,在我国常简称为S式。这种风力机通常由两枚半圆筒形的叶片所构成,也有用3～4枚的。其基本结构如图2.10所示,主要靠两侧叶片的阻力差驱动,具有较大的启动力矩,能产生很大的扭矩。但是在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下,S式风力机能够提供的功率输出较低,效率最大不超过10%。为提高功率,这种风力机往往上下重叠多层,如图2.11所示。在发展中国家有人用它来提水、发电等。

图2.10　S式风力机基本结构示意图

图2.11　多层S式风力机

2.达里厄式风力机(D式风力机)

这是法国工程师达里厄(G.Darrieus)在1925年发明的一种垂直轴型风力机。常见的为Φ型结构,如图2.12(a)所示,看起来像一个巨大的打蛋机,2～3枚叶片弯曲成弓形,两端分别与垂直轴的顶部和底部相连。现在也有H形结构等其他样式的D式风力机,如图2.12(b)所示。

图2.12　达里厄式风力机(D式风力机)

达里厄式风力机是现代垂直轴型风力机中最先进的,对于给定的风轮重量和成本,有较高的功率输出,不过它的启动性能差。日前D式风力机是水平轴风力机的主要竞争者。

3.S式和D式组合式

达里厄式风力机装置简单,成本也比较低,但启动性能差,因此有人把输出性能好的D式风力机和启动性能好的S式风力机组合在一起使用,如图2.13所示。

4.Gorlov垂直轴风力机(www.xing528.com)

Gorlov垂直轴风力机的结构和原理功D式风力机类似,不过它采用扭曲式设计,如图2.14所示。

图2.13　D式和S式组合式风力机

图2.14　Gorlov垂直轴风力机

5.旋转涡轮式风力机

该式风力机由法国人Lafond提出,是一种靠压差推动的横流式风力机。其原理受通风机的启发演变而得。结构复杂,价格也较高,有些能改变桨距,启动性能好,能保持一定的转速,效率极高。多叶型旋转涡轮式风力机如图2.15所示。

6.美格劳斯效应风力机

在气流中回转的圆筒或球,可以使该物体周围的压力发生变化而产生升力,这就是美格劳斯效应。

美格劳斯效应风力机由自旋的圆柱体组成,在气流中工作时,产生的移动力正是由美格劳斯效应引起的,其大小与风速成正比。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒,由风力驱动小车,用装在小车轴上的发电机发电。如图2.16所示这种装置,是1931年由美国的J.马达拉斯发明的,并实际制造了重15t、高27m的巨大模型进行了试验。现在这种风力机装置又受到重视,美国的笛顿大学在重新进行开发和试验。

图2.15　多叶型旋转涡轮式风力机

图2.16　美格劳斯效应风力机