垂直轴风车(1)-基本原理与分类:升力型/阻力型

由于环保的需求与对抗全球暖化,發展再生能源已刻不容缓,其中除太阳能外,以风能最受瞩目。而人类为了利用风能而發明了风车(Wind Turbine),距今已有好几个世纪之久。 风车可以将风能转变为风车旋转的机械能,其主轴产生的扭力可以用来驱动负载,例如發电机或抽水帮浦,以作为發电或灌溉之用。风车根据旋转轴的方向,可以分为水平轴与垂直轴二种:

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水平轴风车-Horizontal Axis Wind Turbine (简称HAWT):

此类风车的旋转轴 平行于地面,外部结构包含塔架,机舱,轮毂,叶片,是最常见的风车形式,水平轴风车的效率很高,可达 0.45 左右,目前风力發电即是以三叶片的水平轴风车为主流。

Horizontal Axis Wind Turbine image

垂直轴风车-Vertical Axis Wind Turbine (简称VAWT):

顾名思义,此类风车的旋转轴垂直于地面,也垂直于风的流向,因为大部份的风是沿着地面吹的。由于垂直轴风车不需要 对风(又称偏航/Yaw)装置,来自四面八方的风都可以推动风车旋转,是其一大特色。垂直轴风车根据运作的原理,可以分为 阻力型,以及 升力型

阻力型风车以萨窝纽风车为代表,是由芬兰工程师 萨窝纽(Savonius)于 1922 年發明,其构造为两个半圆筒,分别朝轴心外偏移,由于一面是凸面(阻力小),一面是凹面(阻力大),两侧因风的阻力不同而造成旋转,这种风车容易启动但效率低(根据文献效率约 0.18 左右),因为阻力叶片的转速慢,通常无法超越风速。阻力型风车虽然效率低,但低速扭力大,常用于抽水或作为启动升力型垂直轴风车之用。

图1:萨窝纽(Savonius)阻力型风车

升力型垂直轴风车以 达里厄(Darrieus)风车为代表,是由法国工程师 达里厄(Darrieus)于1926年發明,是以若干个截面形似机翼外形的升力叶片产生的升力,来驱动风车旋转。常见的 达里厄 风车具有弯曲的叶片,可将叶片所受的离心力转变成拉伸力,由于造形类似打蛋器也被称为打蛋型风车。而直线型叶片的 Darrieus 风车也被称为 H 型转子风车。

图2:达里厄(Darrieus)- 打蛋型转子风车
图3:达里厄(Darrieus)H 型转子/直线翼风车

达里厄风车运转时,叶片的速度可以高于风速好几倍,因此效率高(可达 0.4左右),但是不容易自行启动,原因是静止或低速时叶片的攻角无法维持在适当的范围,难以产生足够的升力,因此常见把升力叶片搭配阻力叶片 以提升启动性,这就是为何常见的达里厄风车,会设计成如图2的原因。

虽然通常垂直轴风车效率较水平轴为低,但理论上其实差不多,且垂直轴风车可以接受任何方向的风,因此不需要对风机构,且發电机可以安装在主轴下方,重心较低 也使得结构简单,更具备在不稳定的气流中也能运作的特点,因此适合安装在地形複杂的环境,例如山区,城市中的高楼…等,因此垂直轴风车虽然尚未有大规模成功的商业运转,但仍具有發展的潜力。


 


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