行業發展
垂直軸風力發電機的發展概況及趨勢
孫云峰１田德（通訊作者）１，２王海寬１張春友１時燕１亢燕茹１
１．內蒙古農業大學機電工程學院２．華北電力大學可再生能源學院
［摘要］概述了垂直軸風力發電機在國內外的發展狀況，介紹了阻力型和升力型垂直軸風力機的類型和特點，分析了垂直軸風力發電機相對于水平軸風力發電機的優點及其需要解決的問題，簡介了垂直軸風力發電機的應用，并展望了其發展趨勢。
［關鍵詞］垂直軸風力發電機風力機發展概況風力機類
人類利用風能已有數千年歷史，風力發電場的建設，始于１９世紀末的丹麥。風能的最早利用形式就是垂直軸風車，但是垂直軸風力發電機直到２０世紀２０年代才開始出現。由于人們普遍認為垂直軸風力發電機的風能利用率低于水平軸，因而導致垂直軸風力發電機長期得不到重視。隨著升力型風輪的發展，使得垂直軸風力發電機的風能利用率不再低于水平軸，并且與水平軸風力發電機相比，其具有維護方便，葉片設計制造簡單，造價低，不需對風裝置等優點。
１國內外垂直軸風力發電機的發展概況１．１國外垂直軸風力發電機的發展概況
２００２年歐洲風能協會（ＥＷＥＡ）與綠色和平組織（Ｇｒｅｅｎ－ｐｅａｃｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）發表了一份標題為＂風力１２（ＷｉｎｄＦｏｒｃｅ１２）＂的報告，勾畫了風電在２０２０年達到世界電量１２％的藍圖，到２０２０年，風電安裝總量將達到１２６萬ＭＷ，且年發電量將達到世界電能總需求量的１２％［１］。
根據ＧＷＥＣ公布的數據，２００７年全球新增風電裝機２００７萬ｋＷ，較上年增加３０％，全球風電市場的規模達到３６０億美元／年［２］。截止到２００７年底，全世界風力發電機的總裝機容量達到９４１１．２萬ｋＷ，裝機容量最多的前三個國家分別是德國、美國、西班牙，中國居世界第５位［３］。
近年來，垂直軸風力發電機的研究取得了極大的進展，很多形象各異的商用小型垂直軸風力機（ＶｅｒｔｉｃａｌＡｘｉｓＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓ，ＶＡＷＴ）已成功投入市場。國外大的公司有加拿大的ＣｌｅａｎｆｉｅｌｄＥｎｅｒｇｙ公司，主導產品是額定功率為３．５ｋＷ，升力型葉輪風力發電機，整套系統由玻璃鋼纖維和鋼材組成，約重１８１．４ｋｇ，葉輪高３ｍ，輪輻直徑２．５ｍ；美國Ｍａｇ－Ｗｉｎｇ公司，主導產品ＭＷ１１００的額定功率為５ｋＷ，額定風速１２．５ｍ／ｓ，發電量在平均風速５．８ｍ／ｓ的條件下為１１００ｋＷｈ／月，該機啟動風速低于２．３ｍ／ｓ，最高風速４５ｍ／ｓ（如圖１ａ所示）；美國ＰａｃＷｉｎｄ公司，整套系統的葉輪高１．２２ｍ，直徑０．７６ｍ，重２．７ｋｇ，葉輪轉速０￣１２００轉／ｍｉｎ，發電機高０．１５ｍ，
直徑０．４５ｍ，質量３．６ｋｇ，如圖１ｂ所示。
（ａ）（ｂ）
圖１（ａ）Ｍａｇ－Ｗｉｎｇ公司的風力機外形
（ｂ）ＰａｃＷｉｎｄ公司的ＶＡＷＴ外形１．２國內垂直軸風力發電機的發展概況
《中華人民共和國可再生能源法》已于２００６年１月１日起施行。專家認為，我國風電場將進入大規模發展時期［４］。據不完全統計，截至２００７
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年１２月末，國內風電機組新增裝機容量達到３４５萬ｋＷ，累計裝機容量達到６０５萬ｋＷ。與２００６年新增裝機容量１３３．７萬ｋＷ相比，２００７年當年的新增裝機的增長率達到２５８％［５］。
２００６年７月２２日，中國垂直軸風力發電機試驗基地在內蒙古化德縣正式啟動運行，由國務院三峽辦牽頭組織，哈爾濱工程大學，中國航天研究三院，哈爾濱電機集團公司，河南許繼電器等單位參與研制開發的垂直軸風力發電機組是我國自主研發，擁有自主知識產權的新型風力發電機組。與常規的水平軸風力發電機組相比，單位千瓦能力投資可下降５０％左右，且具有地面維護，易檢修，壽命長等特點。目前，５０ｋＷ小樣機組已建成投入運行開始發電，如圖２ａ所示。實用型１．５ＭＷ的大樣機也于２００７年底在化德縣試驗基地投入運行，２００８年可正式定型生產，這將對我國風電發展起到重大的推動作用［６］。２００７年９月，由西峽瑞發水電設備公司和哈爾濱發電設備研究中心聯合開發設計的１．５ＭＷ垂直軸永磁風力發電機研制成功，并在張家口風電場安裝運行。該發電機使用變速恒頻直聯技術，改變了目前風機齒輪高速易損壞，難維護等缺點，單位造價可節省４０％。麟風風電設備公司主導產品為Ｈ型垂直軸風力發電機，如圖２ｂ所示。該公司在大型垂直軸風機上采用了變“攻角”技術，該技術使垂直軸風力發電機的風輪在轉動過程中，當葉片處于不同位置時根據風速，風向的變化情況，使葉片的“攻角”保持受控變化，使其始終處在最佳的“攻角”位置，從而達到最大的風能利用率。
（ａ）（ｂ）
圖２（ａ）化德縣５０ｋＷ垂直軸風力發電機
（ｂ）麟風Ｈ型垂直軸風力發電機
這項技術在世界上首次使大型升力型垂直軸風力發電機在風速為２ｍ／ｓ時就可以帶負載自啟動，同時在額定風速下獲得比水平軸風力機更高的風能利用率。而且在高風速環境下運行噪聲小，在風速超過額定風速后繼續保持穩定的輸出功率。這將使大型垂直軸風力發電機具有比大型水平軸風力發電機更高的商業開發價值［７］。
３垂直軸風力發電機的主要類型
垂直軸風力發電機的特征是旋轉軸與地面垂直，風輪的旋轉平面與風向平行。與水平軸風力發電機相比，發電機傳動機構和控制機構等裝置在地面或低空，便于維護，而且不需要迎風裝置，簡化了結構。垂直軸風機可分為兩個主要類別，一類稱為阻力型，另一類稱為升力型。３．１阻力型垂直軸風力機
杯式風速計是最簡單的阻力型垂直軸風機。Ｌａｆｏｎｄ風機是受到離心式風扇和水利機械中的渦輪啟發設計而成的一種阻力推進型的垂直軸風力機，它是由法國工程師Ｌａｆｏｎｄ發明的。典型的阻力型垂直軸風力發電機為Ｓ型風輪，它是芬蘭工程師薩窩紐斯（Ｓａｖｏｎｉｕｓ）在２０世紀２０年代發明的薩窩紐斯型（Ｓａｖｏｎｉｕｓｔｙｐｅ）風力發電機。它由兩個半圓筒形葉片組成，兩圓筒的軸線相互錯開一段距離。其優點是起動轉矩較大，啟動性能良好，但是它的轉速低，風力機風能利用系數低于水平軸風力機，并且在運行中圍繞著風輪會產生不對稱氣流，從而產生側向推力。特
別是對于較大型的風力機，因為受偏轉與安全極限應力的限制，采用這種結構形式是比較困難的。Ｓ型風力機風能利用系數低于水平軸風力機，由于阻力型葉輪的尖速比不可能大于１［８］，所以它的轉速低，風能利用系數也低于高速型的其他垂直軸風力機，因而作為發電機其缺乏競爭力。
３．２升力型垂直軸風力機
升力型垂直軸風力機利用翼型的升力做功，最典型的是由法國工程師戴瑞斯（Ｇ·Ｊ·Ｍ·Ｄａｒｒｉｅｕｓ）發明的戴瑞斯型（Ｄａｒｒｉｅｕｓｔｙｐｅ）風力機，他于１９３１年獲得專利，但一直未被重視。２０世
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紀后期，經加拿大國家空氣動力實驗室和美國Ｓａｎｄｉａ實驗室進行了大量的試驗研究，結果認為與所有垂直軸風力機相比，該機的風能利用系數最高。根據葉片的形狀，戴瑞斯型風力機可分為直葉
片和彎葉片兩種，葉片的翼形剖面多為對稱翼形。彎葉片（Φ型）主要是使葉片只承受張力，不承受離心力，但其幾何形狀固定不變，不便采用變槳距方法控制轉速，且彎葉片制造成本比直葉片高。直葉片一般都采用輪轂臂和拉索支撐，以防止離心力引起過大的彎曲應力，但這些支撐會產生氣動阻力，降低效率。如圖３所示，戴瑞斯型風力機有多種形式，Ｈ型，Δ型，◇形，Ｙ型和Φ型等，其中以Ｈ型風輪和Φ型風機最為典型。
圖３戴瑞斯型風力機的類型
戴瑞斯型風力機的轉速高，旋轉慣性大，結構相對簡單，成本較低，適合大型風力機。但戴瑞斯型風力機一般都啟動轉矩小，啟動性能差，必須靠其他動力啟動，達到要求的轉速才能正常運行，并且風能利用率低。這種風力機大都需要具有啟動機構和離合器等，這樣就增加了系統的復雜性，提高了成本。
隨著垂直軸風力發電機技術的發展，現在已有在風速為２ｍ／ｓ時就可以帶負載自啟動的Ｈ型垂直軸風力發電機，并且風能利用率比水平軸風力發電機更高，這將使大型垂直軸風力發電機比大型水平軸風力發電機更具有競爭力。
４垂直軸風力發電機的發展趨勢
相對于水平軸風力發電機，垂直軸風力發電機有其自身的優點。水平軸風力機機倉放置在高高的塔頂，安裝維護不便，而且風力機重心高，易翻倒。垂直軸風力發電機組的發電機，齒輪箱在底部，重心低，穩定，維護方便，并且降低了成本。垂直軸風機不需要迎風調節系統，可以接受３６０度方位中任何方向來風，主軸永遠向設計方向轉動。垂直軸風力發電機葉片的尖速比要比水平軸的小，氣動噪聲小，噪音低帶來的好處是顯而易見的，在城市公共設施，路燈，民宅等噪音不可過高的地方，都可以應用垂直軸風力發電機。綜上所述，垂直軸風力發電機有更廣闊的應用領域和發展前景。
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參考文獻：
［１］ＥｕｒｏｐｅａｎＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ＼Ｇｒｅｅｎｐｅａｃｅ．ＷＩＮＤＦＯＲＣＥ１２，Ａｂｌｕｅｐｒｉｎｔｔｏａｃｈｉｅｖｅ１２％ｏｆｔｈｅｗｏｒｌｄ＇ｓｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｆｒｏｍｗｉｎｄｐｏｗｅｒｂｙ２０２０［Ｒ］．ＣｏｒｉｎＭｉｌｌａｉｓ，２００２．［２］世界風能協會．２００７年全球風能統計［Ｊ］．中國風能，２００７（１）：１７－２０
［３］ＷｏｒｌｄＷｉｎｄＥｎｅｒｇｙＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＮｅｗＷｏｒｌｄＲｅｃｏｒｄｉｎＷｉｎｄＰｏｗｅｒＣａｐａｃｉｔｙ：１４．９ＧＷａｄｄｅｄｉｎ２００６－ＷｏｒｌｄｗｉｄｅＣａｐａｃｉｔｙａｔ７３．９ＧＷ．
［４］施鵬飛．我國風電場將進入大規模發展時期．２１世紀太陽能新技術（２００３年中國太陽能學會學術年會論文集）［Ｃ］．上海：上海交通大學出版社，２００３，８３４－８３９．
［５］中國風能協會．２００７年中國風電場裝機容量統計［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｗｅａ．ｏｒｇ．ｃｎ．［６］中國垂直軸風力發電機試驗基地在內蒙化德縣落成啟用［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ２００６－７－３１
［７］嚴強，蔣超奇．垂直軸風力發電機的發展趨勢和應用．上海電力，２００７．２：１６６～１６７
［８］陳云程，陳孝耀，朱茂名．風力機設計與應用．上海：上海科學技術出版社，１９９０．５：２４６～２５６
Ｈ型Δ型◇形Ｙ型Φ型
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