1.3 垂直軸風力機的發展

垂直軸風力機的應用可以追溯到幾千年前，人們利用垂直軸風力機進行提水，但直到20世紀20年代后才開始對利用垂直軸風力機進行發電的研究，隨著人們對垂直軸風力機性能的逐步認識和開發，垂直軸風力機有了更廣闊的應用空間。

如前所述，垂直軸風力機的旋轉軸垂直于地面或來流方向。所以，垂直軸風力機工作時不受流體方向改變的影響，無需設置偏航結構，且其齒輪箱和發電機安裝在地面，相對于安裝在離地面幾十米高的水平軸風力機來說，具有更好的結構穩定性和可維護性。但是，垂直軸式風輪在工作過程中，周圍擾動流體呈現強烈的周期性非穩態變化特征，具有葉片載荷變化劇烈，流動干擾復雜等問題。因此，垂直軸葉輪結構、氣動性能設計中諸多問題逐漸呈現，認識和解決這些問題對于提升現代垂直軸風力機風能利用率、延長其疲勞壽命、降低制造成本具有重要意義。

1.3.1 垂直軸風力機分類

垂直軸風力機主要分為兩種形式，即阻力型與升力型，后來結合兩者優點又研發了組合型風力機。

1.3.1.1 阻力型風力機

利用氣流對葉片前后表面的壓強差來驅動葉輪的風力機稱為阻力型風力機。

1.Blyth-Rotor型風力機

第一臺被用于發電的垂直軸風力機是由蘇格蘭工程師James Blyth于1887年發明的Blyth-Rotor型風力機，如圖1-8所示。該風力機利用純阻力型葉片驅動發電機轉子為蓄電池充電。雖然當時對居民照明而言該風力機顯得非常不經濟，但是在偏遠和人口稀少地區，沒有電力傳輸設備，該類型風力機卻發揮了很好的作用。

圖1-8 Blyth-Rotor型風力機

2.LaFond型風力機

受到離心式風扇和水利機械中的渦輪啟發，法國工程師 Montpeuier在1930年設計了LaFond型垂直軸風力機，如圖1-9所示，它包括外圍固定聚風板和內部多阻力型葉片轉子。這種風力機葉片凹面和凸面受到風力作用后，形成較大阻力差，驅動內部轉子快速旋轉，風由上風向吹至下風向時，對途經的下風向葉片產生額外驅動力矩，因此，這種風輪具有較大的啟動力矩，通常在2.5m/s的風速下就能正常啟動。

圖1-9 LaFond型風力機

3.Savonius型風力機

Savonius型風力機的概念是由芬蘭工程師S.J.Savonius于20世紀30年代提出，是一種阻力型垂直軸風力機，如圖1-10所示。Savonius型風力機將兩個半圓形葉片開口相對組成S形，并在旋轉中心處有一部分重疊區，即在兩葉片端部之間形成一定的間隙，該風力機具有結構簡單、成本低、可設計性強、轉動力矩高等優點，自誕生以來，大量工程師對其進行了風洞試驗研究并改進，使其最大風能利用系數達到了0.3。但與利用升力型的現代槳葉式水平軸風力機相比，其轉速和效率依舊偏低，基于這個原因，Savonius型風力機被用于較小功率需求并具有經濟性的場合，如抽水、驅動小型發電機、通風換氣以及在冬季攪拌水塘防止結冰、海流計等方面。

4.風杯式風力機

風杯式風輪由兩個或三個半球面圍繞轉軸對稱安裝，球面方向相反，它利用氣流在葉片前后形成的壓強差來推動葉輪工作，如圖1-11所示。當受到來自水平方向的風時，凹面承受的風阻力要比凸面承受的阻力大3～4倍，兩側的力矩差即為風力機輸出扭矩。為提升風能利用率，并且使風力機轉動平穩，風輪至少需安裝3個風杯。然而該類型風力機最大線速度接近風速，葉尖速比λ通常小于1，且葉片在逆風區時產生的反向力矩降低了轉動軸的總力矩，因此風能利用率較低。

圖1-10 Savonius型風力機

圖1-11 風杯式風力機

1.3.1.2 升力型風力機

升力型風力機，引入升力型翼型作為葉片截面，在高速旋轉時可保證在順風區內氣流也吹向翼型前緣，風速作用在升力型風力機葉片上的氣動力可分解為與入流風速平行和垂直的兩個分力，其中與入流風速垂直的分力稱為升力，與入流風速平行的分力稱為阻力，升力在葉片轉動方向的投影大于阻力在轉動反方向的投影，風輪由升力驅動。

1.Giromill型風力機

Giromill型風力機為垂直軸直葉片升力型風力機，如圖1-12所示，其葉片截面一般采用常用的航空翼型，如NACA和SAND系列。該類型風力機最早由法國工程師Geor-ges Darrieus于1927年申請并獲得專利。它通常由2～4根直翼型葉片，在風力作用下產生升力來驅動裝置旋轉發電。

Giromill型風力機風能利用系數可達到0.3以上。其結構型式和材料能夠適應風輪在運轉過程中產生的較大應力變化。在風力和慣性力作用下，該風力機可維持較為穩定的轉速，并在湍流風況中運行良好。因此在許多特殊環境地區可替代水平軸風力機進行風力發電。

Giromill型風力機外形盡管簡單，但是流經其旋轉域的氣流流場非常復雜，對其近場動態尾流研究一直是該類型風力機優化設計的熱點。

圖1-12 Giromill型垂直軸風力機

圖1-13 Gorlov型螺旋葉片垂直軸風力機

2.Gorlov型風力機

Gorlov型風力機由Giromill型直葉片風力機演變而來，其最大的特點是將直葉片沿旋轉圓域外圍盤繞，沿其軸向看，葉片的投影長度等于旋轉域的周長，如圖1-13所示。該類型風力機由美國西北大學Gorlov教授于1995年申請專利。

Gorlov型風力機公開的風洞試驗數據顯示，其風能利用率分布在24.4%～39%之間，最佳葉尖速比為2～2.5。由于Gorlov型風力機葉片在旋轉域圓周處呈螺旋形分布，旋轉過程中，在各個葉片之間的每支葉片的某一截面都處于最佳迎風攻角，使得風輪的啟動力矩達到最大值。相對于Giromill型風力機存在啟動力矩差且需要采用額外電能帶動風輪旋轉的缺點，Gorlov型風力機具有極佳的啟動性能。Gorlov型風力機另一明顯的優勢是轉矩輸出平穩，因此相對于直葉片Giromill型風力機，具有扭曲外形的Gorlov型風力機可保持更長的使用壽命。

3.Darrieus型風力機

Darrieus型系列風力機中最適合于風場發電的機型為Φ型風力機，該類型風力機具有 “攪蛋器”外形，通常具有2～3根葉片，Darrieus型垂直軸風力機如圖1-14所示。

圖1-14 Darrieus型垂直軸風力機

1931年，Darrieus型風力機由法國航空工程師G.J.M.Darrieus在美國申請并獲得專利。在專利申請書中，該風力機外形被形容為 “有一個如同跳繩形狀的流線型曲線輪廓”。Darrieus型風力機葉輪形狀采用Troposkien曲線、拋物線、懸鏈曲線和Sandia型曲線。Darrieus型風力機最初并沒有受到重視，直到20世紀60年代，才得到加拿大國家科學委員會和美國圣地亞國家實驗室的重視，進行了大量的實驗研究，Darrieus型風力機才具有了實用價值。在所有垂直軸風力發電機中，Darrieus型風力機風能利用系數最高。目前，所有的升力型垂直軸風力發電機都可以歸為Darrieus型風力機。

圖1-15 組合型垂直軸風力機

1.3.1.3 組合型風力機

升力型和阻力型風力機各有其優缺點，將兩者相結合，取長補短，人們設計了組合型風力機。圖1-15所示是一種典型的組合型垂直軸風力機，上部使用升力直線翼型，下部為阻力S型，通過氣動力的互補，克服了升力型與阻力型的缺點，整體設計帶來了較大的升力系數和較大的阻力扭矩，提高了風能利用率和啟動性能。但組合型風力機結構、制造工藝以及安裝等較為復雜。

1.3.2 垂直軸風力機商用成熟機型

與水平軸風力機相比，垂直軸風力機更適用于離網發電，并且在城市風能開發中發揮優勢。風能專家預測，同為10MW的水平軸和垂直軸風力發電機組，后者單位電能成本遠低于前者，并且能維持更長的使用壽命。

在大量垂直軸風力機試驗樣機研究基礎上，如英國 Vertical-Axis Wind Turbines Limited研發的Giromill型 Musgrove風力機、Heidelberg Motor Company生產的 HM-Rotor300、美國Sandia國家實驗室開發的34m旋轉直徑的Darrieus風力機、加拿大Quebec City CapChat建成的Lavalin Eole（64m）研究型風力機，一系列商用垂直軸風力機及風場建立并投入使用。

1.3.2.1 Mariah Energy System系列

MariahEnergy風能利用公司成立之前，其設計師大部分供職于美國農業部門、能源部門以及其他私人新能源企業，該公司一直致力于制造較高風能利用率、運輸成本低、運行維護成本低的垂直軸風力發電機。

該公司將突破性概念貫穿于垂直軸風力機設計之中，在市場上推廣了一批15～16kW的小機型，并在2012年開發了新一代2.5MW商用機型，如圖1-16所示。

如圖1-16 （b）所示2.5MW商用機型造型簡單、成本低廉并且風能利用高效，相對于同級別水平軸風力機具有以下優勢：

（1）碩大的直葉片與水平軸風力機葉片比較，在輸出較高電能的同時，極大地降低了制造成本，其單位輸出功率成本僅為水平軸風力機的1/3～1/2。

（2）風力機轉子無需偏航裝置，能夠吸收各個方向的氣流，并且能夠適應風速的快速變化。

圖1-16 Mariah Energy公司開發的風力機

（3）該風力機采用智能電網管理技術，可自動調整葉片的旋轉半徑控制葉片載荷，提升葉片的氣動力力矩并降低葉片在高風速下的轉矩，起到剎車作用。

（4）葉片氣動外形采用自動調節技術，可提升風輪在不同風速下的功率輸出，降低阻抗和順風推力，進而提高風能利用率。

（5）風力機裝置安裝簡便，無需重型起重機，節約大部分運輸、吊裝和維護成本，Mariah Energy2.5MW機型安裝過程如圖1-17所示。

圖1-17 Mariah Energy2.5MW機型安裝過程

圖1-18 氫氣制造、存儲裝置

（6）該風力發電系統配備高效的氫氣制造、存儲設備，如圖1-18所示。當電力輸出過剩時，多余電量可用于氫氣制備。電力需求旺盛時，存儲氫氣高效燃燒用于額外電力生成。整個系統對生態環境無任何污染。

1.3.2.2 Flowind系列

在垂直軸風力機發展史上，最成功的風力機運營商是起始于20世紀80年代的Flowind公司。該公司主打機型是雙葉片的Darrieus_Φ型垂直軸風力機。在Flowind公司鼎盛時期，曾一度在美國加利福尼亞州風場安裝了500臺風力機，并向2萬戶家庭供電。在1987年，Flowind公司的風電場平均輸出功率達到1000MW。迄今為止，沒有另外任何一家垂直軸風力機公司達到這一水平。在當時，所有風力機在陽光下旋轉發電，成為極為壯觀的風景，Flowind公司垂直軸風力機風場如圖1-19所示。

圖1-19 Flowind公司垂直軸風力機風場

由于擴張太快，該風力機制造缺陷隨著時間推移逐漸顯現出來，彎曲的鋁合金葉片與轉軸連接處開始疲勞斷裂，以至于這一現象快速地在整個風電場擴展。到20世紀90年代，Flowind公司風場生產點電力只有1987年時的1/10。而到2004年，Flowind公司風場的所有風機基本被清除，或當廢品被變賣。當Flowind公司最后一臺風力機被清理時，根據統計，其所有風力機在使用壽命內平均電能輸出達到10億kW·h。

雖然Flowind公司退出了歷史舞臺，但它使得垂直軸風力機整整輝煌了10年，其業績和市場占有率深深地影響了隨后垂直軸風力機的發展。

在Flowind公司運營期間，主要有兩款機型被投入使用，即Flowind17和 Flow-ind19。兩款風力機的基本技術參數見表1-1。

由表1-1可知，Flowind17垂直軸風力機旋轉面積為260m²，相當于18m旋轉直徑的水平軸風力機，而Flowind19等價于21m旋轉直徑的水平軸風力機。在當時，雖屬于大型風力機，但與現代風力機相比，相去甚遠。

1.3.2.3 UGE系列

UGE風能公司全稱為Urban Green Energy，城市綠色能源。作為全球領先的微型能源開發公司，UGE致力于為客戶提供高質量、高效率和更優美的垂直軸風力發電機以及混合能源路燈，UGE系列風力機應用如圖1-20所示。

圖1-20 UGE系列風力機應用

UGE攜手優秀的合作團隊，為全球分類能源開發提供解決方案。公司總部在美國紐約，在我國北京和英國倫敦設立了分公司，并在全球約有150個經銷商。整個公司有101171.41m²開發制造場地，并有3251.61m² 的工廠車間，有望成為全球最大的小型風力機制造商。

從成立伊始，UGE公司致力于小型垂直軸風力發電機的設計、研發和制造。其主打機型為螺旋形葉片的Gorlov型風力機。在充分利用磁懸浮技術在風電領域取得重大突破的基礎上，UGE公司成功研發了磁懸浮系列的垂直軸風力機，并且其葉片啟動力矩小、噪聲小，在各種風況下，風能輸出穩定，并且是首家獲得風力發電機風能輸出、安全和降噪資質證書的制造商。公司歷經5年的發展，產品已經成熟，并構成一條完整的產品線，垂直軸風力機機型包括10kW 的 UGE9M、4kW 的 UGE VA、1kW 的eddyGT、600W的eddy和200W的Hoyi。其中，UGE 9M是UGE開發的世界上最大的旋翼型垂直軸風力機，如圖1-21所示。其高度約為9.6m，風輪直徑為6m，葉片采用高強度復合材料，使用雙軸承設計，大大降低了疲勞損耗。額定功率為10kW，噪聲輸出最高僅為38dB。

圖1-21 UGE9M垂直軸風力機

UGE公司參與我國國家 “863”計劃項目，為未來建立無人值守科考站和移動式科考艙。經過多輪調試和優選，公司研發了Hoyi后羿垂直軸風力發電機，并成功地為我國首臺風力驅動機器人 “極地漫游者”提供能源，極地漫游者機器人如圖1-22所示。

圖1-22 極地漫游者機器人

Hoyi后羿風力機具有占用空間小、噪聲低、對風向無轉向機構而且發電效率高等特點，為機器人長航程的漫游行走提供了有力保障。數據顯示，在該風力發電機組的推動下，“極地漫游者”可以搭載近50kg重的儀器，在風速8～15m/s的時候通過風光電驅動不間斷行走，甚至越過近半米高的障礙物，在冰蓋復雜地形下進行多傳感器融合的自主導航控制，并在衛星網絡通訊下可實現國內直接遙控。

1.3.2.4 WS系列

歷史悠久的芬蘭 Windside公司開發了一種外形獨特的阻力型垂直軸風力發電系統，提供給廣大野外工作者，在最惡劣的環境下隨時隨地為電池充電。該公司的 WS系列風力機是基于航天工程原理的垂直渦輪，渦輪轉子由兩個螺旋葉片驅動，Windside公司開發的 WS系列風力機如圖1-23所示。

圖1-23 Windside公司開發的 WS系列風力機

該發電系統經過了風洞試驗，并且在芬蘭南部氣象條件變化劇烈的海洋環境中進行了測試，取得了良好的工作效果。WS系列風力機突出的特點是其在風速很低的情況下就可以給電池充電，且風輪面積越大啟動風速越低，可在風速低于1m/s的狀況下工作。在芬蘭海島地區進行的真實環境測試中，WS風力發電機組的年發電量比在同一地區傳統水平軸風力機的發電量高出50%，有著極強的復雜風況適應能力。WS系列風力機曾創下了在風速高達60m/s的狀況下也能繼續發電的世界紀錄。風速并不是影響發電效率的唯一因素，風向和風強變化也會影響實際的發電量，而 WS系列風力機獨特的螺旋阻力型葉片可以保證葉片一直處在最合適的角度承接來風。

1.3.3 國外垂直軸風力機的啟示

1.3.3.1 小型垂直軸風力機的優勢

國外近年來的研究實踐成果顯示，垂直軸小型風力機在三個方面具有突出的優勢。

1.維修保養方面

風力發電機組的客戶越來越需要使用壽命長、可靠性高、維修方便的產品。垂直軸風力機的葉片在旋轉過程中由于慣性力與重力的方向恒定，疲勞壽命要長于水平軸的疲勞壽命；垂直軸風力機的構造緊湊，活動部件少于水平軸風力機，可靠性較高；垂直軸系統的發電機可以放在風輪下部很遠甚至在地面上，便于維護。

2.風能利用效率方面

小型風力發電機組由于桿架高度限制和周圍地貌引發的紊流，常常處于風向和風強變化劇烈的情況。相比于水平軸風力機，垂直軸風力機啟動風速較小，不存在 “對風損失”，理論風能利用率可達40%以上。

3.與環境的和諧方面

應用于城鎮等人口密集地區的小型風力發電設備，對噪聲和外觀都有較高的要求。垂直軸風力機的低噪聲和美觀外形等多種優點是水平軸風力機難以比擬的，其風輪的尖速比遠小于水平軸風輪，這樣的低轉速產生的氣動噪聲很小，甚至可以達到靜音的效果。

1.3.3.2 國外小型垂直軸風力發電進展對國內廠商的啟示

目前國產小型風力發電系統絕大多數為水平軸風力機，在垂直軸風力機技術創新和產品升級上缺乏重視和投入，導致垂直軸風力機缺乏技術含量和發展導向。

綜合分析，國外先進的垂直軸風力發電技術的發展主要有如下啟示：

（1）樣式多，百花齊放。從國外造型各異的風力機形式看，目前關于垂直軸風力機的研究仍處在摸索階段，這對于國內廠商來說正是切入研究的最好時機，應及時吸收先進技術，探索適合我國國情的新的發展方式。

（2）大力應用新技術。先進的曲面造型技術、磁懸浮技術、計算機仿真技術應用于小型垂直軸風力機領域，大大提高了風能利用率和環境適應能力。我國的大型風電設備受制于沒有自主知識產權和國外相關專利技術不轉讓的窘境，因此應盡快在小型垂直軸風力發電這個還沒有形成技術壁壘的領域抓緊開發，利在長遠。

（3）針對特定客戶，打造個性產品。國外先進公司所設計的產品都針對特定環境和客戶，例如前述的美國Mag-Wind公司就把美國普遍的小洋樓屋頂作為主要客戶群來開發，芬蘭 Windside公司為野外工作人員提供惡劣氣候條件下可靠的充電設備等。而國內大部分廠家生產的小型風力發電系統關于客戶和應用環境的針對性就很模糊。