1.3 垂直轴风力机的发展

垂直轴风力机的应用可以追溯到几千年前，人们利用垂直轴风力机进行提水，但直到20世纪20年代后才开始对利用垂直轴风力机进行发电的研究，随着人们对垂直轴风力机性能的逐步认识和开发，垂直轴风力机有了更广阔的应用空间。

如前所述，垂直轴风力机的旋转轴垂直于地面或来流方向。所以，垂直轴风力机工作时不受流体方向改变的影响，无需设置偏航结构，且其齿轮箱和发电机安装在地面，相对于安装在离地面几十米高的水平轴风力机来说，具有更好的结构稳定性和可维护性。但是，垂直轴式风轮在工作过程中，周围扰动流体呈现强烈的周期性非稳态变化特征，具有叶片载荷变化剧烈，流动干扰复杂等问题。因此，垂直轴叶轮结构、气动性能设计中诸多问题逐渐呈现，认识和解决这些问题对于提升现代垂直轴风力机风能利用率、延长其疲劳寿命、降低制造成本具有重要意义。

1.3.1 垂直轴风力机分类

垂直轴风力机主要分为两种形式，即阻力型与升力型，后来结合两者优点又研发了组合型风力机。

1.3.1.1 阻力型风力机

利用气流对叶片前后表面的压强差来驱动叶轮的风力机称为阻力型风力机。

1.Blyth-Rotor型风力机

第一台被用于发电的垂直轴风力机是由苏格兰工程师James Blyth于1887年发明的Blyth-Rotor型风力机，如图1-8所示。该风力机利用纯阻力型叶片驱动发电机转子为蓄电池充电。虽然当时对居民照明而言该风力机显得非常不经济，但是在偏远和人口稀少地区，没有电力传输设备，该类型风力机却发挥了很好的作用。

图1-8 Blyth-Rotor型风力机

2.LaFond型风力机

受到离心式风扇和水利机械中的涡轮启发，法国工程师 Montpeuier在1930年设计了LaFond型垂直轴风力机，如图1-9所示，它包括外围固定聚风板和内部多阻力型叶片转子。这种风力机叶片凹面和凸面受到风力作用后，形成较大阻力差，驱动内部转子快速旋转，风由上风向吹至下风向时，对途经的下风向叶片产生额外驱动力矩，因此，这种风轮具有较大的启动力矩，通常在2.5m/s的风速下就能正常启动。

图1-9 LaFond型风力机

3.Savonius型风力机

Savonius型风力机的概念是由芬兰工程师S.J.Savonius于20世纪30年代提出，是一种阻力型垂直轴风力机，如图1-10所示。Savonius型风力机将两个半圆形叶片开口相对组成S形，并在旋转中心处有一部分重叠区，即在两叶片端部之间形成一定的间隙，该风力机具有结构简单、成本低、可设计性强、转动力矩高等优点，自诞生以来，大量工程师对其进行了风洞试验研究并改进，使其最大风能利用系数达到了0.3。但与利用升力型的现代桨叶式水平轴风力机相比，其转速和效率依旧偏低，基于这个原因，Savonius型风力机被用于较小功率需求并具有经济性的场合，如抽水、驱动小型发电机、通风换气以及在冬季搅拌水塘防止结冰、海流计等方面。

4.风杯式风力机

风杯式风轮由两个或三个半球面围绕转轴对称安装，球面方向相反，它利用气流在叶片前后形成的压强差来推动叶轮工作，如图1-11所示。当受到来自水平方向的风时，凹面承受的风阻力要比凸面承受的阻力大3～4倍，两侧的力矩差即为风力机输出扭矩。为提升风能利用率，并且使风力机转动平稳，风轮至少需安装3个风杯。然而该类型风力机最大线速度接近风速，叶尖速比λ通常小于1，且叶片在逆风区时产生的反向力矩降低了转动轴的总力矩，因此风能利用率较低。

图1-10 Savonius型风力机

图1-11 风杯式风力机

1.3.1.2 升力型风力机

升力型风力机，引入升力型翼型作为叶片截面，在高速旋转时可保证在顺风区内气流也吹向翼型前缘，风速作用在升力型风力机叶片上的气动力可分解为与入流风速平行和垂直的两个分力，其中与入流风速垂直的分力称为升力，与入流风速平行的分力称为阻力，升力在叶片转动方向的投影大于阻力在转动反方向的投影，风轮由升力驱动。

1.Giromill型风力机

Giromill型风力机为垂直轴直叶片升力型风力机，如图1-12所示，其叶片截面一般采用常用的航空翼型，如NACA和SAND系列。该类型风力机最早由法国工程师Geor-ges Darrieus于1927年申请并获得专利。它通常由2～4根直翼型叶片，在风力作用下产生升力来驱动装置旋转发电。

Giromill型风力机风能利用系数可达到0.3以上。其结构型式和材料能够适应风轮在运转过程中产生的较大应力变化。在风力和惯性力作用下，该风力机可维持较为稳定的转速，并在湍流风况中运行良好。因此在许多特殊环境地区可替代水平轴风力机进行风力发电。

Giromill型风力机外形尽管简单，但是流经其旋转域的气流流场非常复杂，对其近场动态尾流研究一直是该类型风力机优化设计的热点。

图1-12 Giromill型垂直轴风力机

图1-13 Gorlov型螺旋叶片垂直轴风力机

2.Gorlov型风力机

Gorlov型风力机由Giromill型直叶片风力机演变而来，其最大的特点是将直叶片沿旋转圆域外围盘绕，沿其轴向看，叶片的投影长度等于旋转域的周长，如图1-13所示。该类型风力机由美国西北大学Gorlov教授于1995年申请专利。

Gorlov型风力机公开的风洞试验数据显示，其风能利用率分布在24.4%～39%之间，最佳叶尖速比为2～2.5。由于Gorlov型风力机叶片在旋转域圆周处呈螺旋形分布，旋转过程中，在各个叶片之间的每支叶片的某一截面都处于最佳迎风攻角，使得风轮的启动力矩达到最大值。相对于Giromill型风力机存在启动力矩差且需要采用额外电能带动风轮旋转的缺点，Gorlov型风力机具有极佳的启动性能。Gorlov型风力机另一明显的优势是转矩输出平稳，因此相对于直叶片Giromill型风力机，具有扭曲外形的Gorlov型风力机可保持更长的使用寿命。

3.Darrieus型风力机

Darrieus型系列风力机中最适合于风场发电的机型为Φ型风力机，该类型风力机具有 “搅蛋器”外形，通常具有2～3根叶片，Darrieus型垂直轴风力机如图1-14所示。

图1-14 Darrieus型垂直轴风力机

1931年，Darrieus型风力机由法国航空工程师G.J.M.Darrieus在美国申请并获得专利。在专利申请书中，该风力机外形被形容为 “有一个如同跳绳形状的流线型曲线轮廓”。Darrieus型风力机叶轮形状采用Troposkien曲线、抛物线、悬链曲线和Sandia型曲线。Darrieus型风力机最初并没有受到重视，直到20世纪60年代，才得到加拿大国家科学委员会和美国圣地亚国家实验室的重视，进行了大量的实验研究，Darrieus型风力机才具有了实用价值。在所有垂直轴风力发电机中，Darrieus型风力机风能利用系数最高。目前，所有的升力型垂直轴风力发电机都可以归为Darrieus型风力机。

图1-15 组合型垂直轴风力机

1.3.1.3 组合型风力机

升力型和阻力型风力机各有其优缺点，将两者相结合，取长补短，人们设计了组合型风力机。图1-15所示是一种典型的组合型垂直轴风力机，上部使用升力直线翼型，下部为阻力S型，通过气动力的互补，克服了升力型与阻力型的缺点，整体设计带来了较大的升力系数和较大的阻力扭矩，提高了风能利用率和启动性能。但组合型风力机结构、制造工艺以及安装等较为复杂。

1.3.2 垂直轴风力机商用成熟机型

与水平轴风力机相比，垂直轴风力机更适用于离网发电，并且在城市风能开发中发挥优势。风能专家预测，同为10MW的水平轴和垂直轴风力发电机组，后者单位电能成本远低于前者，并且能维持更长的使用寿命。

在大量垂直轴风力机试验样机研究基础上，如英国 Vertical-Axis Wind Turbines Limited研发的Giromill型 Musgrove风力机、Heidelberg Motor Company生产的 HM-Rotor300、美国Sandia国家实验室开发的34m旋转直径的Darrieus风力机、加拿大Quebec City CapChat建成的Lavalin Eole（64m）研究型风力机，一系列商用垂直轴风力机及风场建立并投入使用。

1.3.2.1 Mariah Energy System系列

MariahEnergy风能利用公司成立之前，其设计师大部分供职于美国农业部门、能源部门以及其他私人新能源企业，该公司一直致力于制造较高风能利用率、运输成本低、运行维护成本低的垂直轴风力发电机。

该公司将突破性概念贯穿于垂直轴风力机设计之中，在市场上推广了一批15～16kW的小机型，并在2012年开发了新一代2.5MW商用机型，如图1-16所示。

如图1-16 （b）所示2.5MW商用机型造型简单、成本低廉并且风能利用高效，相对于同级别水平轴风力机具有以下优势：

（1）硕大的直叶片与水平轴风力机叶片比较，在输出较高电能的同时，极大地降低了制造成本，其单位输出功率成本仅为水平轴风力机的1/3～1/2。

（2）风力机转子无需偏航装置，能够吸收各个方向的气流，并且能够适应风速的快速变化。

图1-16 Mariah Energy公司开发的风力机

（3）该风力机采用智能电网管理技术，可自动调整叶片的旋转半径控制叶片载荷，提升叶片的气动力力矩并降低叶片在高风速下的转矩，起到刹车作用。

（4）叶片气动外形采用自动调节技术，可提升风轮在不同风速下的功率输出，降低阻抗和顺风推力，进而提高风能利用率。

（5）风力机装置安装简便，无需重型起重机，节约大部分运输、吊装和维护成本，Mariah Energy2.5MW机型安装过程如图1-17所示。

图1-17 Mariah Energy2.5MW机型安装过程

图1-18 氢气制造、存储装置

（6）该风力发电系统配备高效的氢气制造、存储设备，如图1-18所示。当电力输出过剩时，多余电量可用于氢气制备。电力需求旺盛时，存储氢气高效燃烧用于额外电力生成。整个系统对生态环境无任何污染。

1.3.2.2 Flowind系列

在垂直轴风力机发展史上，最成功的风力机运营商是起始于20世纪80年代的Flowind公司。该公司主打机型是双叶片的Darrieus_Φ型垂直轴风力机。在Flowind公司鼎盛时期，曾一度在美国加利福尼亚州风场安装了500台风力机，并向2万户家庭供电。在1987年，Flowind公司的风电场平均输出功率达到1000MW。迄今为止，没有另外任何一家垂直轴风力机公司达到这一水平。在当时，所有风力机在阳光下旋转发电，成为极为壮观的风景，Flowind公司垂直轴风力机风场如图1-19所示。

图1-19 Flowind公司垂直轴风力机风场

由于扩张太快，该风力机制造缺陷随着时间推移逐渐显现出来，弯曲的铝合金叶片与转轴连接处开始疲劳断裂，以至于这一现象快速地在整个风电场扩展。到20世纪90年代，Flowind公司风场生产点电力只有1987年时的1/10。而到2004年，Flowind公司风场的所有风机基本被清除，或当废品被变卖。当Flowind公司最后一台风力机被清理时，根据统计，其所有风力机在使用寿命内平均电能输出达到10亿kW·h。

虽然Flowind公司退出了历史舞台，但它使得垂直轴风力机整整辉煌了10年，其业绩和市场占有率深深地影响了随后垂直轴风力机的发展。

在Flowind公司运营期间，主要有两款机型被投入使用，即Flowind17和 Flow-ind19。两款风力机的基本技术参数见表1-1。

由表1-1可知，Flowind17垂直轴风力机旋转面积为260m²，相当于18m旋转直径的水平轴风力机，而Flowind19等价于21m旋转直径的水平轴风力机。在当时，虽属于大型风力机，但与现代风力机相比，相去甚远。

1.3.2.3 UGE系列

UGE风能公司全称为Urban Green Energy，城市绿色能源。作为全球领先的微型能源开发公司，UGE致力于为客户提供高质量、高效率和更优美的垂直轴风力发电机以及混合能源路灯，UGE系列风力机应用如图1-20所示。

图1-20 UGE系列风力机应用

UGE携手优秀的合作团队，为全球分类能源开发提供解决方案。公司总部在美国纽约，在我国北京和英国伦敦设立了分公司，并在全球约有150个经销商。整个公司有101171.41m²开发制造场地，并有3251.61m² 的工厂车间，有望成为全球最大的小型风力机制造商。

从成立伊始，UGE公司致力于小型垂直轴风力发电机的设计、研发和制造。其主打机型为螺旋形叶片的Gorlov型风力机。在充分利用磁悬浮技术在风电领域取得重大突破的基础上，UGE公司成功研发了磁悬浮系列的垂直轴风力机，并且其叶片启动力矩小、噪声小，在各种风况下，风能输出稳定，并且是首家获得风力发电机风能输出、安全和降噪资质证书的制造商。公司历经5年的发展，产品已经成熟，并构成一条完整的产品线，垂直轴风力机机型包括10kW 的 UGE9M、4kW 的 UGE VA、1kW 的eddyGT、600W的eddy和200W的Hoyi。其中，UGE 9M是UGE开发的世界上最大的旋翼型垂直轴风力机，如图1-21所示。其高度约为9.6m，风轮直径为6m，叶片采用高强度复合材料，使用双轴承设计，大大降低了疲劳损耗。额定功率为10kW，噪声输出最高仅为38dB。

图1-21 UGE9M垂直轴风力机

UGE公司参与我国国家 “863”计划项目，为未来建立无人值守科考站和移动式科考舱。经过多轮调试和优选，公司研发了Hoyi后羿垂直轴风力发电机，并成功地为我国首台风力驱动机器人 “极地漫游者”提供能源，极地漫游者机器人如图1-22所示。

图1-22 极地漫游者机器人

Hoyi后羿风力机具有占用空间小、噪声低、对风向无转向机构而且发电效率高等特点，为机器人长航程的漫游行走提供了有力保障。数据显示，在该风力发电机组的推动下，“极地漫游者”可以搭载近50kg重的仪器，在风速8～15m/s的时候通过风光电驱动不间断行走，甚至越过近半米高的障碍物，在冰盖复杂地形下进行多传感器融合的自主导航控制，并在卫星网络通讯下可实现国内直接遥控。

1.3.2.4 WS系列

历史悠久的芬兰 Windside公司开发了一种外形独特的阻力型垂直轴风力发电系统，提供给广大野外工作者，在最恶劣的环境下随时随地为电池充电。该公司的 WS系列风力机是基于航天工程原理的垂直涡轮，涡轮转子由两个螺旋叶片驱动，Windside公司开发的 WS系列风力机如图1-23所示。

图1-23 Windside公司开发的 WS系列风力机

该发电系统经过了风洞试验，并且在芬兰南部气象条件变化剧烈的海洋环境中进行了测试，取得了良好的工作效果。WS系列风力机突出的特点是其在风速很低的情况下就可以给电池充电，且风轮面积越大启动风速越低，可在风速低于1m/s的状况下工作。在芬兰海岛地区进行的真实环境测试中，WS风力发电机组的年发电量比在同一地区传统水平轴风力机的发电量高出50%，有着极强的复杂风况适应能力。WS系列风力机曾创下了在风速高达60m/s的状况下也能继续发电的世界纪录。风速并不是影响发电效率的唯一因素，风向和风强变化也会影响实际的发电量，而 WS系列风力机独特的螺旋阻力型叶片可以保证叶片一直处在最合适的角度承接来风。

1.3.3 国外垂直轴风力机的启示

1.3.3.1 小型垂直轴风力机的优势

国外近年来的研究实践成果显示，垂直轴小型风力机在三个方面具有突出的优势。

1.维修保养方面

风力发电机组的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风力机的叶片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，疲劳寿命要长于水平轴的疲劳寿命；垂直轴风力机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部很远甚至在地面上，便于维护。

2.风能利用效率方面

小型风力发电机组由于杆架高度限制和周围地貌引发的紊流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况。相比于水平轴风力机，垂直轴风力机启动风速较小，不存在 “对风损失”，理论风能利用率可达40%以上。

3.与环境的和谐方面

应用于城镇等人口密集地区的小型风力发电设备，对噪声和外观都有较高的要求。垂直轴风力机的低噪声和美观外形等多种优点是水平轴风力机难以比拟的，其风轮的尖速比远小于水平轴风轮，这样的低转速产生的气动噪声很小，甚至可以达到静音的效果。

1.3.3.2 国外小型垂直轴风力发电进展对国内厂商的启示

目前国产小型风力发电系统绝大多数为水平轴风力机，在垂直轴风力机技术创新和产品升级上缺乏重视和投入，导致垂直轴风力机缺乏技术含量和发展导向。

综合分析，国外先进的垂直轴风力发电技术的发展主要有如下启示：

（1）样式多，百花齐放。从国外造型各异的风力机形式看，目前关于垂直轴风力机的研究仍处在摸索阶段，这对于国内厂商来说正是切入研究的最好时机，应及时吸收先进技术，探索适合我国国情的新的发展方式。

（2）大力应用新技术。先进的曲面造型技术、磁悬浮技术、计算机仿真技术应用于小型垂直轴风力机领域，大大提高了风能利用率和环境适应能力。我国的大型风电设备受制于没有自主知识产权和国外相关专利技术不转让的窘境，因此应尽快在小型垂直轴风力发电这个还没有形成技术壁垒的领域抓紧开发，利在长远。

（3）针对特定客户，打造个性产品。国外先进公司所设计的产品都针对特定环境和客户，例如前述的美国Mag-Wind公司就把美国普遍的小洋楼屋顶作为主要客户群来开发，芬兰 Windside公司为野外工作人员提供恶劣气候条件下可靠的充电设备等。而国内大部分厂家生产的小型风力发电系统关于客户和应用环境的针对性就很模糊。