高效率但难以自启动的达里厄风车实验纪录 – 垂直轴风车(2)

Archer 垂直轴风车 0 Comment

根据文献纪载，达里厄（Darrieus）垂直轴风车的特徵是具有高效率但是难以自行启动。笔者初接触时，感到不能理解，既然效率高表示具有扭力，为何不能启动呢？后来才明白它的效率必须在较高的转速才会發挥出来（类似汽车的高速档），至于转速要多高呢？通常要比风速快 2～6 倍。这又更令我困惑，因为风车是靠风力推动的，为什麽能够转得比风速还快呢？看来必须做个实验，眼见为凭才行…

本文章提供 简体版 & English Version available，相关影片如下：

由影片中可以看到，的确 达里厄（Darrieus）风车是难以自行启动的，即使给它一点初速，刚开始的加速度也很慢，表示低速时的扭力很小，很像开车用四档在起步的感觉。随着速度升高，加速度也愈来愈快，最终到达的极速为 110 rpm，换算起来的叶片的线速度已经是风速的 3.3 倍了，的确比风快很多呀！(当时风速为 1.8 m/sec，风车半径为 0.52 m )

叶尖速比 (Tip Speed Ratio 简称 TSR) – 风车性能的重要参数 ：

叶尖速比(Tip Speed Ratio 简称 TSR) 表示叶片线速度与风速的比值，公式如下：

叶尖速比 \lambda =\frac{V_{line}}{ V_\infty}=\frac{2\pi \times V_{rpm} \cdot R}{60\cdot V_\infty}

其中：

V_{line} ：叶片线速度(m/sec)

V_\infty ：风速(m/sec)

V_{rpm} ：风车转速(revolutions per minute)

R ：叶片旋转半径(m)

本实验数据带入得：

叶尖速比 \lambda =\frac{2\pi \times 110 (rpm) \cdot 0.52}{60\cdot 1.8} =3.33

叶尖速比(TSR) 是影响风车性能很重要的一个参数。达里厄风车属于升力型垂直轴风车，当运转时，叶片攻角[註 1] 会一直变化，TSR太低会造成攻角变化的范围太大而造成失速，当 TSR 在 3～6 倍时，叶片攻角位于适合的范围，叶片性能得以發挥，升力远大于阻力，因此可得高效率，而阻力型风车的 TSR 则无法超过 1，因而效率较低。

当本实验的风车具有速度后，将其速度(rpm)与时间(sec)纪录下来，经由曲线拟合(curve fitting)，得到下图1 中的速度曲线，并将其微分以得到加速度ACC 曲线，一併绘于图 1 中，加速度亦可视为风车产生的扭力(Torque)。 

Darrieus Turbine speed v.s. ACC curve
图 1：本实验之达里厄 Darrieus 风车 速度 与 加速度(扭力) 曲线

再将图1 中 风车速度(rpm)转换为 叶尖速比 TSR，并与对应的 加速度 ACC 绘出如图2，可以得知风车于本实验的扭力最大值出现在 叶尖速比 TSR为2.5附近。

Darrieus Turbine Torque v.s. TSR curve
图 2：本实验之达里厄 Darrieus 风车 加速度(扭力) v.s. TSR 曲线

参考：风能与风车，各种风车效率的比较，风车原理与分类，风车的效率计算。

[註 1] 攻角(Angle of Attack) 为叶片弦线与相对风速的夹角，对升力叶片的性能有决定性的影响，攻角必须在一定的范围(例如 +/- 10 度)内，才能维持良好的升阻比，攻角太大会导致升力丧失，称为失速 。

 

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