垂直轴流体动能转换装置
[一种小型的垂直轴式风力机示意图]
（研究简介）
"垂直轴流体动能转换装置"是一种叶片和回转轴都垂直设置的流体动能转换装置。它可以是风力机，也可以是水轮机。它的特征是它能实现目前国内外所有同类装置中最高的转换效率。
风力机是一种将
风能转换成机械能的装置，
风能是一种可再生的最洁净（对环境最无影响）的可应用地域最为广泛的能源，因此，近年来世界各国对于
风能的开发利用都在积极投入力量，甚至像英国老牌的壳牌
石油公司也投资搞风力发电了，而壳牌
石油公司在能源界的名声可是非常显赫的，如此一个老谋深算的
石油巨头，忽然涉足风力发电，至少说明了二点，其一是矿物能源并非是取之不尽的，更何况矿物能源向大气层大量排放二氧化碳正受到国际舆论的强力批评，其二是在无污染可再生的能源中，目前最看好的还是
风能。事实上，太阳向宇宙空间发射的辐射功率为 kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的
太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为 kW。其中７０％是照射在海洋上，于是仅剩下约 千瓦-小时投射在人类居住的陆地上，这个数值约为美国１９７８年所消费能６０００倍。能量是不灭的，因此包括照射在海洋上的
太阳能制造了地球大气层内的水汽循环，也就是形成了风、雨、雪，我们已经知道风是风能，雨雪最后形成了水利资源，而人们仅仅只开发了地球上的一小部分
水能就足够人类的需要了，由此可见，只要人们再努力一把，更多地开发利用地球上的可再生流体动能，人们就完全可以摆脱对煤、石油、
天然气等矿物能源的依赖，完全用上洁净的可再生能源。
在风力机中，当前世界上最流行的是水平轴螺旋桨式风力机。人们如今对这种出自欧洲的最古老的风力机作了最先进的现代化武装，使得这种风力机的风能利用率越来越高，单机装机容量也越来越大。然而水平轴螺旋桨式风力机其实并不是一种最好的风力机，因为它有一些致命的缺陷是无法克服的，例如它只能一次截能（风只能通过风力机叶片的扫掠区一次），虽然也有前后各装一组叶片的设计，但由于距离太近，意义不大，因而得不到推广应用。而从理论上讲，风通过与风向垂直设置的水平轴螺旋桨式风力机叶片的扫掠区一次理论上最多只能截获所通过的全部风能59.3%，并且事实上因为包括下述的原因在内的各种原因，它的风能利用率会远低于这个数。1、运行中的叶片只能够利用流体动能中由升力作用而产生的机械能，而不能利用阻力产生的机械能。只此一点就可以知道水平轴螺旋桨式风力机做不到最大限度地截留风能。2、在风场中，在通常的地表状况下，在近地有限高度内风速梯度的曲线弯曲是比较大的，《风力发电》上的一篇文章指出，在水平轴螺旋桨式风力机一般的安装高度范围内，高度每下降5米，风速要降低大约7%，按此计算，对于直径有40米装机容量在500千瓦左右的风力机来说，在风机叶片顶端垂直最高点与垂直最低点，其风速可以相差50%以上，这意味着什么？这意味着在叶片的整个扫描区域中，只有很小一个的区域内的叶片是处在最佳的风能利用状况下，这对螺旋桨式风力机来说是致命的，因为这无法避免，同时这也决定了螺旋桨式风力机的风能利用系数不可能做得很高。3、现今的螺旋桨式风力机的尖速比（Top Speed Ratio）大约在4、5左右，这意味着风力机叶片尖端的线速度是风速的4、5倍，大型的螺旋桨式风力机的叶片回转直径有40米以上，而风能有利用价值的风速通常都在10米/秒以上，单张叶片重达数百公斤甚至一吨以上，物理直觉也能想象，叶片将会受到巨大的离心力的作用，更何况螺旋桨式风力机的叶片的受力模型是一种叫悬臂梁的结构，这是一种内力状况比较差的受力模型，因此对于叶片的材质有非常苛刻的要求。事实上一些先进国家进口的风力机叶片都是碳纤维增强树脂在非常严格的条件下制造出来的，自然价格就极昂贵了，非但如此，叶片还是一种易损品，这一切都要打到发出电的单价成本中去。这个特点一方面限制了螺旋桨式风力机的普及应用，另一方面也表明了再要扩大螺旋桨式风力机的单机装机容量是非常困难的。4、水平轴螺旋桨式风力机必须要有机头、塔架，在风机叶片扫描的区域中的机头、塔架不可避免地会影响风能的充分利用，事实上螺旋桨式风力机在中心附近的风能利用率本来就是较低的，这使得这种风力机本来就有限的截风面积带来了损失，而且这是无法避免的。
笔者曾对一种垂直轴式风力机进行了多年的研究（外形请见文末附图），这项研究最早开始于1984年，当时的设计还很简单，直至1995年才基本上形成了今天的构思。我的设计曾请教过国内多位风电事业的权威，有中国空气动力研究中心中国风力发电协会理事长贺德馨先生，清华大学电机系教授中国风力发电协会付理事长王承熙先生以及多位大学博士生导师，至今未见指出本设计存在致命缺陷的意见过。本人也曾因这项设计两次参加了中国风力发电协会召集的全国性会议，一次是在1984年的酒泉，另一次是在2001年的青岛，在青岛会议上本人还公示了介绍这一设计的幻灯片。研究结果表明，垂直轴式的风力机在许多地方要比水平轴式的螺旋桨式风力机更有优越性，以下就几个方面来加以说明。
1、垂直轴式的风力机比水平轴式的螺旋桨式风力机有高得多的风能利用系数。从物理直觉中我们也可以来说明这一点：垂直轴式风力机，顾名思义，它的叶片是垂直设置的，这些叶片环绕着一根同样垂直的轴回转，因此，径向穿过风力机转子的风有两次与叶片交会的机会，这就意味着垂直轴式风力机有两次截取风能的机会，仅这一点就表明垂直轴式风力机有可能更充分地截留风能。
2、本人研究的这一种风力机的叶片具有一种无论叶片在什么相位上它都能具有在这个位置上最大限度地截留风能的能力，这里所说的“最大限度地截留风能的能力”指的是运行中的这种垂直轴式风力机上的叶片，流体动力（升力与阻力的矢量和）在叶片运动方向上的投影有更大的分量，事实上在某些相位上，这流体动力的作用方向甚至是和叶片的运动方向一致的，而这种现象对水平轴螺旋桨式风力机来说是不可能做到的。计算机模拟运行证明，它的风能利用率在理论上可以达到80%以上，实际运行可以预期达到或超过60%，也就是说可以比水平轴螺旋桨式风力机的风能利用率高出50%。因此它的推广应用完全有可能成为人们在利用可再生流体动能的最终解决方案，完全有可能取代当前风靡全世界水平轴螺旋桨式风力机。
3、如前文讲到的风速梯度的问题，这对于垂直轴式风力机则是很容易解决，因为我们只须将垂直的叶片扭转一个角度，就可以做到叶片从上到下都将处在最利于风能的截留，这意味着同样大小的截风面积，垂直轴式风力机可以获得比水平轴螺旋桨式风力机有更大的面积是处于最佳的风能利用状况下，这更进一步地造成了垂直轴式风力机有更高的风能利用系数。
4、垂直轴式风力机可以做成低转速多叶片构造的，这将大大地降低了风力机对于叶片材质的要求。不单如此，垂直轴式风力机的叶片是以简支梁或多跨连续梁的力学模型架设在风力机的转子上的，这不但有利于降低对于风力机材质的要求，而且对于风力机的使用寿命大有帮助。事实上垂直轴式风力机并不要求特殊的材料来制造，完全适于中国民族工业的现实水平。
5、风在通过垂直轴式风力机的转子过程中，除叶片之外，几乎没有任何阻挡物存在，气流非常畅通地通过风力机的转子，这本身就暗示着这风力机的性能良好。
6、本人设计的这一种垂直轴式风力机是一种能够自动适应连续不断地变化的风向风速，甚至风能利用率控制上都能很容易进行实施，大家知道这些对于利用风能来说是很重要的。
7、垂直轴式风力机的叶片（长轴方向）与回转轴都是垂直设置的，这意味着转子在将风能转变成机械能以后，在将机械能转变为电能的过程可以在地面上进行，这就为使将动能转变为电能的过程中间插入一个软调节环节创造可能，所谓的“软调节环节”这里是指缓冲、储能、转变能量形式的操作。由于“软调节环节”的存在，我们就不必再顾忌因为电力的工频输出而努力使风力机的转子保持恒转速的运行了，也就是说我们可以力图使转子保持恒尖速比运行，恒尖速比运行与恒转速运行是不可同日而语的。人们搞风力发电为的就是最大限度地变风能为电能，如果 我们能够做到最大限度地变风能为电能，有什么理由不去做呢？近年推出的“兆瓦级双馈异步风力发电机”从根本上解决了恒尖速比风力发电的关键技术，可以不用或者用“软调节环节”作为补充，从而根本上解决了最大限度地利用风能的技术关键。
垂直轴式风力机可以做成小型、中型和大型，单机装机容量可以从数十千瓦到十多兆瓦甚至更大，应用的地域可以从守防海防的孤独的小海岛到广袤的大沙漠大草原。更加上能够高效率地利用风能，垂直轴式风力机高效率的特征不仅使风能的利用更为现实，而且完全有可能取代矿物能源而成为一种符全当前
环保理念的绿色能源获取装置。
垂直轴式风力机的设计原理除了能用于风能利用外，由于全部理论分析和计算中没有必要也没有计入空气与另一种流体形态“水”的本质性差异，即空气的可压缩性，再加上水与空气的密度相差814倍这一特点，这种垂直轴式风力机的工作原理也就完全可以应用于水力发电，从而成为一种超低水头（只需流速可以不要落差）的水轮机，例如将一台垂直轴风力机放到江河中去，如果这台风力机在风速为16米/秒的发电功率是500千瓦，那么同样是这样大的发电功率要求的水流速度是1.713米/秒就够了，这意味着这种垂直轴水轮机可以利用江河这样的地面泾流直接发电，这对利用水力发电是非常重要的。直接利用江河水的流速进行高效率的发电，意味着不用建造大坝水库，这不但保护了生态环境，也防止了人为的水患事件发生。据报道我国每年有70座水库发生不同程度的水患事件。怒江水利资源（流速达到6至7米/秒）的开发就是因为
环保问题而至今难以定论，如果能够用这样的水轮机来开发，争论就可以达成共识。这种水轮机对于利用潮汐或洋流发电非常有利，而且对于当今高坝蓄能式水力发电，由于截断原始河道而造成已经被破坏的天然生物洄游也能获得一种非常理想的补救，因为这种超低水头的水轮机可以从水库引水发电并构成一条真正意义上的鱼道，这主要是因为这种垂直轴式超低水头的水轮机的转速很低，以至于它不会对洄游中的生物（鱼）造成伤害，而且引水发电的发电效率甚至不低于高坝发电的效率，因而对于蓄积的
水能丝毫没有浪费。中国浙江钱塘江中有一种鲥鱼，味道十分鲜美，肉质十分细嫩，其价值远不是其它鱼种所能比较的，但近数十年来产量大减，虽然人工繁殖了，总不能与天然的相媲美。这种在内地繁殖而生长在海洋中的鱼就是因为新安江水电站的建造而苟延残生的，这种现象在美国也同样存在。如果垂直轴式流体动能转换装置引申开发出来的这种超低水头的水轮机的研制能取得成功经验，这对这些需要靠洄游来繁衍后代的珍稀鱼种实在是一个福音。
垂直轴式风力机还能够象螺旋桨式风力机一样可以用于做成一种垂直轴推进器，并且它的高效率在这方面一样可以获得应用，因为流体动能转换装置既然能够把流体动能转换成机械能，自然也就一定能够把机械能转换成流体动能。这样的垂直轴推进器因为效率高因而相同尺寸推进器的推力更大，因为转速低因此将是低
噪声的，此外它还有一个螺旋桨式推进器没有的优点，这就是它能够做到使船作零转弯半径掉头转弯，这些特点显然对国防海军很有利。
当前，媒体传达的信息表明，在风力机研究领域，世界各国都在致力于垂直轴式风力机的研究，因为这中间有着潜在着不能估量的前景。我国的科技界已经以自己的努力证明了，外国能够做到的，我们中国也能够做到；外国不能够做到的，我们中国也能够做到。这样的观点在我国的风电事业也许也能够实现。我认为，我国的风电事业永远跟在国外的水平轴螺旋桨式风力机研究的后边跑是不会有太大的出息的，我国应当尽早地进入垂直轴式风力机研究这个领域。将来的事实也许会证明，在这个领域，谁先涉足谁就有可能先得益，遗憾的是，虽然我国党中央和政府一直在提倡创新，但事实上却缺少一个创新发明的保障体系，制定的许多法律也缺乏可操作性，而象我研究的这个课题又如此之大，就好象灯下黑一样越是重大重要却偏偏得不到支持，这实在是令人感到无奈。我希望我国能有人支持我的这项研究，让我国在风电事业领先于世界在垂直轴式风力机研究方面进入实质性的研发。
杭州 中缮（E-Mail: chenzh@mail.hz.zj.cn）
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风能 风能发电 风能与动力工程
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