行业发展
垂直轴风力发电机的发展概况及趋势
孙云峰１田德（通讯作者）１，２王海宽１张春友１时燕１亢燕茹１
１．内蒙古农业大学机电工程学院２．华北电力大学可再生能源学院
［摘要］概述了垂直轴风力发电机在国内外的发展状况，介绍了阻力型和升力型垂直轴风力机的类型和特点，分析了垂直轴风力发电机相对于水平轴风力发电机的优点及其需要解决的问题，简介了垂直轴风力发电机的应用，并展望了其发展趋势。
［关键词］垂直轴风力发电机风力机发展概况风力机类
人类利用风能已有数千年历史，风力发电场的建设，始于１９世纪末的丹麦。风能的最早利用形式就是垂直轴风车，但是垂直轴风力发电机直到２０世纪２０年代才开始出现。由于人们普遍认为垂直轴风力发电机的风能利用率低于水平轴，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。随着升力型风轮的发展，使得垂直轴风力发电机的风能利用率不再低于水平轴，并且与水平轴风力发电机相比，其具有维护方便，叶片设计制造简单，造价低，不需对风装置等优点。
１国内外垂直轴风力发电机的发展概况１．１国外垂直轴风力发电机的发展概况
２００２年欧洲风能协会（ＥＷＥＡ）与绿色和平组织（Ｇｒｅｅｎ－ｐｅａｃｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）发表了一份标题为＂风力１２（ＷｉｎｄＦｏｒｃｅ１２）＂的报告，勾画了风电在２０２０年达到世界电量１２％的蓝图，到２０２０年，风电安装总量将达到１２６万ＭＷ，且年发电量将达到世界电能总需求量的１２％［１］。
根据ＧＷＥＣ公布的数据，２００７年全球新增风电装机２００７万ｋＷ，较上年增加３０％，全球风电市场的规模达到３６０亿美元／年［２］。截止到２００７年底，全世界风力发电机的总装机容量达到９４１１．２万ｋＷ，装机容量最多的前三个国家分别是德国、美国、西班牙，中国居世界第５位［３］。
近年来，垂直轴风力发电机的研究取得了极大的进展，很多形象各异的商用小型垂直轴风力机（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｘｉｓＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ，ＶＡＷＴ）已成功投入市场。国外大的公司有加拿大的ＣｌｅａｎｆｉｅｌｄＥｎｅｒｇｙ公司，主导产品是额定功率为３．５ｋＷ，升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重１８１．４ｋｇ，叶轮高３ｍ，轮辐直径２．５ｍ；美国Ｍａｇ－Ｗｉｎｇ公司，主导产品ＭＷ１１００的额定功率为５ｋＷ，额定风速１２．５ｍ／ｓ，发电量在平均风速５．８ｍ／ｓ的条件下为１１００ｋＷｈ／月，该机启动风速低于２．３ｍ／ｓ，最高风速４５ｍ／ｓ（如图１ａ所示）；美国ＰａｃＷｉｎｄ公司，整套系统的叶轮高１．２２ｍ，直径０．７６ｍ，重２．７ｋｇ，叶轮转速０￣１２００转／ｍｉｎ，发电机高０．１５ｍ，
直径０．４５ｍ，质量３．６ｋｇ，如图１ｂ所示。
（ａ）（ｂ）
图１（ａ）Ｍａｇ－Ｗｉｎｇ公司的风力机外形
（ｂ）ＰａｃＷｉｎｄ公司的ＶＡＷＴ外形１．２国内垂直轴风力发电机的发展概况
《中华人民共和国可再生能源法》已于２００６年１月１日起施行。专家认为，我国风电场将进入大规模发展时期［４］。据不完全统计，截至２００７
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年１２月末，国内风电机组新增装机容量达到３４５万ｋＷ，累计装机容量达到６０５万ｋＷ。与２００６年新增装机容量１３３．７万ｋＷ相比，２００７年当年的新增装机的增长率达到２５８％［５］。
２００６年７月２２日，中国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙古化德县正式启动运行，由国务院三峡办牵头组织，哈尔滨工程大学，中国航天研究三院，哈尔滨电机集团公司，河南许继电器等单位参与研制开发的垂直轴风力发电机组是我国自主研发，拥有自主知识产权的新型风力发电机组。与常规的水平轴风力发电机组相比，单位千瓦能力投资可下降５０％左右，且具有地面维护，易检修，寿命长等特点。目前，５０ｋＷ小样机组已建成投入运行开始发电，如图２ａ所示。实用型１．５ＭＷ的大样机也于２００７年底在化德县试验基地投入运行，２００８年可正式定型生产，这将对我国风电发展起到重大的推动作用［６］。２００７年９月，由西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的１．５ＭＷ垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。该发电机使用变速恒频直联技术，改变了目前风机齿轮高速易损坏，难维护等缺点，单位造价可节省４０％。麟风风电设备公司主导产品为Ｈ型垂直轴风力发电机，如图２ｂ所示。该公司在大型垂直轴风机上采用了变“攻角”技术，该技术使垂直轴风力发电机的风轮在转动过程中，当叶片处于不同位置时根据风速，风向的变化情况，使叶片的“攻角”保持受控变化，使其始终处在最佳的“攻角”位置，从而达到最大的风能利用率。
（ａ）（ｂ）
图２（ａ）化德县５０ｋＷ垂直轴风力发电机
（ｂ）麟风Ｈ型垂直轴风力发电机
这项技术在世界上首次使大型升力型垂直轴风力发电机在风速为２ｍ／ｓ时就可以带负载自启动，同时在额定风速下获得比水平轴风力机更高的风能利用率。而且在高风速环境下运行噪声小，在风速超过额定风速后继续保持稳定的输出功率。这将使大型垂直轴风力发电机具有比大型水平轴风力发电机更高的商业开发价值［７］。
３垂直轴风力发电机的主要类型
垂直轴风力发电机的特征是旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行。与水平轴风力发电机相比，发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护，而且不需要迎风装置，简化了结构。垂直轴风机可分为两个主要类别，一类称为阻力型，另一类称为升力型。３．１阻力型垂直轴风力机
杯式风速计是最简单的阻力型垂直轴风机。Ｌａｆｏｎｄ风机是受到离心式风扇和水利机械中的涡轮启发设计而成的一种阻力推进型的垂直轴风力机，它是由法国工程师Ｌａｆｏｎｄ发明的。典型的阻力型垂直轴风力发电机为Ｓ型风轮，它是芬兰工程师萨窝纽斯（Ｓａｖｏｎｉｕｓ）在２０世纪２０年代发明的萨窝纽斯型（Ｓａｖｏｎｉｕｓｔｙｐｅ）风力发电机。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相互错开一段距离。其优点是起动转矩较大，启动性能良好，但是它的转速低，风力机风能利用系数低于水平轴风力机，并且在运行中围绕着风轮会产生不对称气流，从而产生侧向推力。特
别是对于较大型的风力机，因为受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。Ｓ型风力机风能利用系数低于水平轴风力机，由于阻力型叶轮的尖速比不可能大于１［８］，所以它的转速低，风能利用系数也低于高速型的其他垂直轴风力机，因而作为发电机其缺乏竞争力。
３．２升力型垂直轴风力机
升力型垂直轴风力机利用翼型的升力做功，最典型的是由法国工程师戴瑞斯（Ｇ·Ｊ·Ｍ·Ｄａｒｒｉｅｕｓ）发明的戴瑞斯型（Ｄａｒｒｉｅｕｓｔｙｐｅ）风力机，他于１９３１年获得专利，但一直未被重视。２０世
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纪后期，经加拿大国家空气动力实验室和美国Ｓａｎｄｉａ实验室进行了大量的试验研究，结果认为与所有垂直轴风力机相比，该机的风能利用系数最高。根据叶片的形状，戴瑞斯型风力机可分为直叶
片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形。弯叶片（Φ型）主要是使叶片只承受张力，不承受离心力，但其几何形状固定不变，不便采用变桨距方法控制转速，且弯叶片制造成本比直叶片高。直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑，以防止离心力引起过大的弯曲应力，但这些支撑会产生气动阻力，降低效率。如图３所示，戴瑞斯型风力机有多种形式，Ｈ型，Δ型，◇形，Ｙ型和Φ型等，其中以Ｈ型风轮和Φ型风机最为典型。
图３戴瑞斯型风力机的类型
戴瑞斯型风力机的转速高，旋转惯性大，结构相对简单，成本较低，适合大型风力机。但戴瑞斯型风力机一般都启动转矩小，启动性能差，必须靠其他动力启动，达到要求的转速才能正常运行，并且风能利用率低。这种风力机大都需要具有启动机构和离合器等，这样就增加了系统的复杂性，提高了成本。
随着垂直轴风力发电机技术的发展，现在已有在风速为２ｍ／ｓ时就可以带负载自启动的Ｈ型垂直轴风力发电机，并且风能利用率比水平轴风力发电机更高，这将使大型垂直轴风力发电机比大型水平轴风力发电机更具有竞争力。
４垂直轴风力发电机的发展趋势
相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机有其自身的优点。水平轴风力机机仓放置在高高的塔顶，安装维护不便，而且风力机重心高，易翻倒。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。垂直轴风机不需要迎风调节系统，可以接受３６０度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。垂直轴风力发电机叶片的尖速比要比水平轴的小，气动噪声小，噪音低带来的好处是显而易见的，在城市公共设施，路灯，民宅等噪音不可过高的地方，都可以应用垂直轴风力发电机。综上所述，垂直轴风力发电机有更广阔的应用领域和发展前景。
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参考文献：
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［３］ＷｏｒｌｄＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＮｅｗＷｏｒｌｄＲｅｃｏｒｄｉｎＷｉｎｄＰｏｗｅｒＣａｐａｃｉｔｙ：１４．９ＧＷａｄｄｅｄｉｎ２００６－ＷｏｒｌｄｗｉｄｅＣａｐａｃｉｔｙａｔ７３．９ＧＷ．
［４］施鹏飞．我国风电场将进入大规模发展时期．２１世纪太阳能新技术（２００３年中国太阳能学会学术年会论文集）［Ｃ］．上海：上海交通大学出版社，２００３，８３４－８３９．
［５］中国风能协会．２００７年中国风电场装机容量统计［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｗｅａ．ｏｒｇ．ｃｎ．［６］中国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙化德县落成启用［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ２００６－７－３１
［７］严强，蒋超奇．垂直轴风力发电机的发展趋势和应用．上海电力，２００７．２：１６６～１６７
［８］陈云程，陈孝耀，朱茂名．风力机设计与应用．上海：上海科学技术出版社，１９９０．５：２４６～２５６
Ｈ型Δ型◇形Ｙ型Φ型
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