0 引言

随着社会工业化的快速发展，化石能源的储藏量在日益枯竭，人们在使用化石能源过程中所排放的温室气体更是会加剧全球生态系统的恶化，因此开发利用清洁能源，实现社会的可持续发展成为当务之急[1]。在清洁能源中，开发较为成熟的是风能发电和太阳能发电技术[2]，这两项技术也被广泛应用于海上交通工具[3]，例如在船舶上通过安装这两类发电装置[4]，将太阳能和风能作为辅助能源，能在一定程度上减少船舶的污染排放量，改善海洋环境[5]。同时海上具有风力稳定、阳光充足等自然优势，非常适合风光互补型发电装置在该领域的推广与应用[6]。

风光互补发电系统中重要的能量来源之一便是风力发电机所产生的电能，目前用于风力发电的风力机以结构区分可分为两种：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。蒋超奇等人[7]对两种风力机的设计方法、起动风速等方面进行比较，并指出垂直轴风力机市场应用前景较好。屠璐琼等人[8]通过计算风机的受力情况选择出适合远洋渔船使用的大功率风机类型。近几年人们对两种风力机都进行了大量的研究，但对二者进行系统比较的研究较少，主要原因在于二者所采用的设计方法不同，且结构相差较大，很难相提并论。因此，本文通过参考市场现行的风机种类，选用发电功率以及风机尺寸较为接近的水平轴和垂直轴风力发电机，使用流体分析软件研究这两类风力机的使用性能，为中小型船舶风力发电的风机设备选型提供参考。

1 风光互补发电系统

1.1 系统工作流程

风能发电受到风力影响较大，稳定性较低；而太阳能发电则受天气影响较大，连续性差，因此，将两者混合发电的形式更适合应用在船舶上，实用性更强[9,10]。天气晴朗无风时，适合太阳能发电；天气阴暗有风时，适合风能发电；两种能源都充足时，适合联合发电保证能源的持续供应，并使用蓄电池储存电能，为系统的稳定运行提供条件。

船舶风光互补发电系统工作流程如图1所示，由风力发电机和光伏电池阵列组成各自的发电系统，发出的电流通过风光互补发电系统控制器为蓄电池充电，蓄电池可以直接为直流负载供电，也可以将直流电逆变为交流电供给交流负载使用。

图1 船舶风光互补发电系统流程图Fig.1 Flow chart of marine wind-solar hybrid power generation system

1.2 垂直轴以及水平轴风力机特点

目前，水平轴风力机发展时间久，技术成熟，仍然是风力发电中的主流机型，但近些年垂直轴风力机也逐渐受到人们的广泛关注[11,12]。调查得到水平轴风力机（HAWT）和垂直轴风力机（VAWT）的性能并做对比，如表1所示。

表1 水平轴风力机和垂直轴风力机的性能比较Tab.1 Performance comparison of horizontal axis wind turbine and vertical axis wind turbine性能风能利用率起动风速偏航系统结构风向约束离地高度噪声安装维护成本水平轴风力发电机好高有复垂直轴风力发电机升力型好杂有高大高低无简单无低小低

从表1中可以发现，两种风力机各有优劣，如何选用适合各海域风况的风机，则需对二者进行系统的研究。

2 有限元建模

为减小因结构差异所造成的偏差，在主体尺寸的选择上需保证水平轴和垂直轴风力机较为接近，水平轴与垂直轴风力机风轮直径分别设置为：D1=1 200 mm、D2=1 000 mm，其中垂直轴叶片轴向长度为800 mm。在叶片的选择上面，两类风机均采用NACA4412这类较为常见的不对称翼型，垂直轴风力机的最大弦长与水平轴风力机的最大弦长相同，均为147 mm。水平轴最大弦长位置在D1/16处，安装角度为19.96°，垂直轴风力机的叶片攻角设为8°。针对风力机的尖速比，本文参考方玉财等人[13]对3叶片水平轴风力机的研究，根据最大输出功率附近的尖速范围是4.5～5.5，选定水平轴风力机的尖速比为5，而垂直轴风力机尖速比的选择则是参考孙晓晶等人[14]对垂直轴风力机风能利用率的研究，得到较高风能利用率的尖速的范围是2～2.5，因此选定垂直轴风力机的尖速比为2.2，以此保证两类风机性能研究的可比性。

根据上述数据，采用Profili软件生成所需翼型，并使用Solidworks三维建模进行模型的绘制，如图2所示，分别为水平轴风力机与垂直轴风力机的三维模型，图中透明区域是用于有限元分析所使用的旋转区域。其中水平轴风力机采用的是3叶片结构，垂直轴风力机采用的是5叶片结构。

图2 竖直轴（左）和水平轴（右）风力机模型Fig.2 Vertical axis（left）and horizontal axis（right）wind turbine models