2.1　風力機的型式

風力機的種類和式樣雖然很多，但按風輪結構和其在氣流中的位置，大體可分為兩大類：

水平軸式風力機和垂直軸式風力機。

水平軸式風輪機有雙葉、三葉、多葉式，順風式和迎風式，擴散器式和集中器式（圖2-1～圖2-3）。垂直軸式風輪機有S形單葉片式、S形多葉片式、Darrieus透平、太陽能風力透平、偏導器式（圖2-4）。目前主要用水平軸式風輪機。

2.1.1　水平軸式風力發電裝置

水平軸式風力機的風輪圍繞一根水平軸旋轉，工作時，風輪的旋轉平面與風向垂直，如圖2-5所示。

風輪上的葉片是徑向安置的，垂直于旋轉軸，與風輪的旋轉平面成一角度ф（安裝角）。風輪葉片數目的多少視風力機的用途而定，用于風力發電的大型風力機葉片數一般取1～4片（大多為2片或3片），而用于風力提水的小型、微型風力機葉片數一般取12～24片。這是與風輪的高速特性數λ曲線有關。

葉片數多的風力機通常稱為低速風力機，它在低速運行時，有較高的風能利用系數和較大的轉矩。它的啟動力矩大，啟動風速低，因而適用于提水。

葉片數少的風力機通常稱為高速風力機，它在高速運行時有較高的風能利用系數，但啟動風速較高。由于其葉片數很少，在輸出同樣功率的條件下，比低速風輪要輕得多，因此適用于發電。

水平軸式風力機隨風輪與塔架相對位置的不同而有逆風向式與順風向式兩種。風輪在塔架的前面迎風旋轉，叫做逆風向風力機；風輪安裝在塔架的下風位置則稱為順風向風力機。逆風向風力機必須有某種調向裝置來保持風輪總是迎風向，而順風向風力機則能夠自動對準風向，不需要調向裝置。缺點是順風向風力機的部分空氣先通過塔架，后吹向風輪，塔架會干擾流向葉片的空氣流，造成塔影效應，使風力機性能降低。

水平軸式風力發電機的塔架主要分為管柱型和桁架型兩類。管柱型塔架可用木桿、大型鋼管和混凝土管柱。小型風力機塔架為了增加抗風壓彎矩的能力，可以用纜線來加強；中、大型風力機塔架為了運輸方便，可以將鋼管分成幾段。一般圓柱形塔架對風的阻力較小，特別是對于順風向風力機，產生紊流的影響要比桁架式塔架小。桁架式塔架常用于中、小型風力機上，其優點是造價不高，運輸也方便，但這種塔架會對順風向風力機的槳葉片產生很大的紊流，影響經濟性。

2.1.2　垂直軸式風力機

垂直軸式風力機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉，如圖2-6所示。其主要優點是可以接受來自任何方向的風，因而當風向改變時，無需對風。由于不需要調向裝置，它們的結構設計得以簡化。垂直軸式風力機的另一個突出優點是齒輪箱和發電機可以安裝在地面上，運行維修簡便。

垂直軸式風力機可有兩個主要類別，一類是利用空氣動力的阻力做功，典型的結構是S形風輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優點是啟動轉矩較大，缺點是由于圍繞著風輪產生不對稱氣流，從而對它產生側向推力。對于較大型的風力機，因為受偏轉與安全極限應力的限制，采用這種結構形式比較困難。S形風力機風能利用系數低于高速垂直軸式風力機或水平軸式風力機，在風輪尺寸、質量和成本一定的情況下，提供的功率較低，因而不宜用于發電。

另一類是利用翼形的升力做功，最典型的是達里厄（Darrieus）型風力機。它是法國人Darrieus 1925年發明的，1931年取得專利權。當時這種風力機并沒有受到注意，直到20世紀70年代石油危機后，才得到加拿大國家科學研究委員會和美國圣地亞國家實驗室的重視，進行了大量的研究。現在是水平軸式風力機的主要競爭者。達里厄風力機有多種形式，如圖2-7所示的H形、△形、菱形、Y形和Φ形等。基本上是直葉片和彎葉片兩種，以H形風輪和Φ形風輪為典型。葉片具翼形剖面，空氣繞葉片流動產生的合力形成轉矩。

H形風輪結構簡單，但這種結構造成的離心力使葉片在其連接點處產生嚴重的彎曲應力。另外，直葉片需要采用橫桿或拉索支撐，這些支撐將產生氣動阻力，降低效率。

Φ形風輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力載荷，從而使彎曲應力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應力要強，所以對于相同的總強度，Φ形葉片比較輕，運行速度比直葉片高。但Φ形葉片不便采用變槳距方法實現自啟動和控制轉速。另外，對于高度和直徑相同的風輪，Φ形轉子比H形轉子的掃掠面積要小一些。

目前，主要的兩種類型發電風力機中，水平軸式高速風力機占絕大多數，國外還提出了一些新概念型的風能轉換裝置，還在研究試驗階段。