升力型垂直軸風力發電機

概述

目前大中型風電主要採用水平軸風力機，屬升力型風力機，具有轉速高、風的利用率較高的優點，其葉尖速比通常在4以上，轉速高，最大功率係數可達50%。垂直軸風力機也有升力型風力機，法國航空工程師達里厄（Darrieus）在1931年發明了升力型垂直軸風力機，後人習慣把升力型垂直軸風力機統稱為達里厄風力機（D式風力機），下面介紹這種風力機的原理與結構。 右圖為H型垂直軸風力發電機，屬於升力型垂直軸風力發電機的一種。

升力型垂直軸風力發電機原理

在下面圖中列舉了從0度到315度八個位置的葉片，風從左邊進入，淺藍色的矢量v是風速、綠色的矢量u是葉片圓周運動的線速度反向（即無風時葉片感受到的氣流速度）、藍色的矢量w是葉片感受到的合成氣流速度（即相對風速）、紫色的矢量L是葉片受到的升力。
我們分析一下葉片在這八個角度的受力情況，在90度與270度的位置，相對風速不產生升力，在其它六個位置上葉片受到的升力均能在運動方向產生轉矩力，這也是達里厄風力機能在風力下鏇轉的道理。
實際上情況要複雜得多，前面分析圖是理想狀態，是在理想的葉尖速比與沒有葉片的阻力時的狀態。葉片推動風輪鏇轉的轉矩力是升力與阻力的合成力在葉片前進方向的分力。我們取315度時的情況分析一下有阻力的情況，圖中黑色的矢量D為葉片受到的阻力，棕色的矢量F是升力L與阻力D的合成力，該力在葉片前進方向的分力M才是實際的轉矩力，顯然此時的轉矩力明顯小於理想狀況。
而且在180度與270度附近的角度內，升力與阻力的合成力產生的是反向轉矩力。

達里厄風力機只有在葉片在360度與180度附近才有較大的輸出力。即便是這樣，還只能運行在葉尖速比為3.5以上的情況，可通過下圖來說明，

圖中左側圖葉片受到相對風速W的作用產生升力L與阻力D，相對風速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度，相對風速W由風速V與葉片運動速度u合成，此時的葉片運動的速度約風速的4倍，即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F，該力對風輪的力矩力為M，是推動風輪鏇轉的力。在葉尖速比為4時，葉片運行在向風側或背風側均能產生推動風輪鏇轉的力矩，僅在兩側（90度與180度）附近升力很小，會有不大的負向力矩。
圖中右側圖風速增加了一倍，葉片運動的速度未變，葉尖速比約為2，葉片的攻角α約為27度，此時葉片工作在失速狀態，葉片產生的升力L明顯下降，阻力D卻大大上升，相對風輪產生的力矩力M為負向，是阻止風輪鏇轉的，而且此時葉片運行在大多數位置均產生負向力矩。對於大多數普通翼型當葉尖速比小於3.5時葉片基本上不產生推動風輪鏇轉的力。
達里厄風力機在低風速下運轉困難，要在較高的風力下，風輪轉速達到葉尖速比為3.5以上才可能正常運

轉，在尖速比為4-6可獲較高的功率輸出。為減小阻力增加升力，對風力機的葉片截面形狀（翼型）選擇與外表光潔度要求比較高。既然達里厄風力機在葉尖速比為3.5以下時不能依靠升力運轉，能否依靠阻力運行呢？由於各翼片是均勻固定在風輪的圓周上，各翼片受風產生的阻力力矩不大而且各翼片合成的總力矩很小，即使某角度可產生一定的力矩但在另一角度可能產生反向力矩，所以達里厄風力機不能單靠風力自起動，必須依靠外力起動使葉尖速比達到3.5以上時才能依靠升力運轉。典型的達里厄風力機翼片不是直的，而是彎成弧形，兩翼片合成一個φ形。下圖即是一台達里厄風力機模型。
現在的達里厄風力機多採用直形風葉，也有人稱之為H型風力機。H型風力機的葉片數一般為2至6個

達里厄風力機的葉片通過兩端或中部固定在轉軸上，有利於加大機械強度，可做得很輕巧；達里厄風力機不存在頭重腳輕的狀況，對塔架要求較低，適合用拉索固定，安裝容易，檢修也方便，這些都是它的優點。對於達里厄風力機不能自起動的問題，一般方法是在起動時採用發電機作電動機帶動風力機鏇轉，使葉尖速比達到3.5以上。由於對風速變化與負荷變化要求都較苛刻，難以平穩高效運行，加上不能自起動等缺點，達里厄風力機的發展較慢，直至近些年經過技術上的改進，開始有較大發展。
要對風輪氣動性能進行分析，必須了解風輪處的流場，才能進而分析產生的氣動力、轉矩和功率。為此一定要建立升力型風輪的氣動模型。
1.漩渦理論
漩渦理論是上世紀七十年代末，八十年代初發展起來的。和水平軸風輪一樣，先建立升力型垂直軸風輪的尾渦系統，然後用比奧-薩法定理計算尾渦系統產生的誘導速度。將誘導速度疊加到來流風速上，便建立了風輪附近各處的速度流場。
假設一個具有細長升力葉片的垂直軸風輪，其葉片並不繞軸做圓形路線運動，而是被約束著沿一個正方形路線以恆定的速度運動，葉片相對於路線攻角為0，當一個葉片在背風側向向前運動時，根據凱爾文定理，為保持環量守恆，它要脫出一個啟動渦和一對尾渦。當葉片運動到前部時，假設升力為0，而脫出附著渦。繼續到迎風側部，情況相似。
當尖速比和葉片數目增加時，尾渦的流向渦量分量消失，形成環狀渦系。
當葉片繞著一固定轉軸鏇轉時，其攻角連續變化，即繞葉片的環量不發生變化，所以渦量要連續倒脫落至風輪的尾流當中。