涨知识 | 关于垂直轴风力发电机，你该知道这些……

编辑 | 风电头条 穆白

1月22日，广东省“阳江造”2兆瓦垂直轴风力发电机成功试验运行及并网发电，该大功率垂直轴风力发电机具备大规模生产、运输与安装，生产及维修成本低和使用寿命长达40年以上的优点。

其实垂直轴风力发电机很早就有了，垂直轴风机的应用可以追溯到几千年前 , 人们利用垂直轴风机进行提水。我们今天就来好好了解下垂直轴风力发电机。

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基础知识

是什么

垂直轴风力发电机是指旋转轴垂直于地面或者来流方向的风力发电机。人类历史上最古老的风力发电机实际上就是垂直轴风力发电机。

早在1300多年前，中国已经出现一种古老的垂直轴风车，它主要用来提水灌溉。在1000年前，约公元700年时，波斯同样建造了垂直轴的风车。水平轴风力发电机最早出现在欧洲，要比垂直轴风车晚很多年。由于古代垂直轴风车的效率低，随着水平轴风力发电机的不断完善，垂直轴风车逐渐被淘汰。

垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

分类

垂直轴风力发电机主要分为阻力型和升力型。

阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。

由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。

优点

相对于传统的水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有不需要偏航（不用对风向）、微风启动（1m/s即可启动发电）、无噪音等优点。另外，垂直轴风力发电机的叶片也不像三叶片水平轴风力发电机的叶片对材料要求比较高。

正是由于垂直轴风力发电机的这些优点，可以应用于城市公共照明，居民聚集区等水平轴风力发电机很难应用的领域。可大量用于别墅、多层及高层建筑、通信基站、城市公共照明、高速公路、海上油田、海岛、边疆等离网的小型用电。

不足

a、很难大型化

如果将垂直轴风力发电机大型化，达到兆瓦级别，会使得中间的主轴较长。垂直轴风力发电机的竖直的叶片旋转时因为离心力会弯曲，连接这些叶片的主轴承载了所有的负荷。从力学方面分析，垂直轴风力发电机功率越大、H型叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差。

考虑到国内的制造工艺和设计水平，垂直轴风力发电机大型化后，整体刚性中心的把握有一定的挑战。这使得国产垂直轴风力发电机的抗风能力难以让人放心，容易产生共振甚至倒塌等问题。

b 、转化效率低

虽然垂直轴风力发电机在微风（1m/s）即可启动发电，且不需要偏航，但是由于叶片迎风面积非常有限，风能转化效率比较低。表现在风机性能的Cp值上，不超过0.4（三叶片水平轴风机一般在0.45附近）。

另外，由于并网型垂直轴风机的固有属性是高度（国内某公司的1MW垂直轴风机高60m）较低（目前常见的1.5MW三叶片水平轴风机轮毂高70m，叶尖离地距离最大超过110m），使得暂时无法利用高处的高风速，这也使得并网型的垂直轴风力发电机发电能力较差。

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技术现状

国外：

日本：2002年初开始研究，2003年初产品投放市场，功率在0.5--30KW之间。美国、英国、德国、奥地利、韩国等国家也都已生产出样机，准备投入规模化生产，目前功率都在10KW以内。一般来说，国外也将垂直轴风力发电机视为离网小型应用的选择之一。

法国：石油和天然气工程公司德希尼布（Technip）公司和风力发电新创企业嫩驽伐公司（Nenuphar）最近发布了一款2MW的垂直轴风力发电机（Vertiwind），预计将于2013年底漂浮在地中海水域。因为海面粗糙度较低，风速随高度增长而增加的幅度不如陆地那么明显，所以高度较低的垂直轴风力发电机在海上风电方面还有一定的发展可能。

国内：

2005年，行业投入力量从国外学习垂直轴机组技术。

2008年-2012年，国内多家企业先后投入样机的研究阶段。三峡办、上海举风、福禄公司先后投入了垂直轴Φ型样机试验；香港和合、深圳风发、国能风电投入了垂直轴H型样机试验。

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技术发展趋势

发电机的功率是扭矩和转速的乘积 , 由于水平轴风机的结构因素 , 决定了水平轴风机的风能利用率不会太高。

随着计算机技术的日新月异 , 计算流体力学(Computational Fluid Dynamics , 简称 CFD) 得到了飞速的发展 , 从最初的小扰动速势方程 , 到欧拉方程以及更加复杂的 N - S 方程 , 尤其进入 21 世纪后 , 已经可以模拟动态下的复杂外形气流流动 ,这为垂直轴风机的研究提供了一个基础。传统的水平轴风力发电机叶片受其叶片特殊的非等截面结构限制 , 目前还不能用 CFD 方法设计、计算 , 只能靠大量的经验来设计。

对于 H 型垂直轴风轮叶片 , 由于是等截面结构 , 已经可以用 CFD 方法来设计 , 计算精度要高于叶素理论方法 , 因此 , 目前世界上研究垂直轴风机的机构也越来越多。

H 型垂直轴风轮

现有的中、小型 H型垂直轴风机如上图所示不仅在系统效率上达到了中小型水平轴风机的水平 , 而且还解决了低风速启动和高风速下自动限速的问题 ,。在世界上首次使中、小型垂直轴风机具有商业应用价值 , 同时由于 H 型风机无噪声的特点 , 比中、小型水平轴风机具有更广的应用范围 , 为中、小型垂直轴风机的大规模商业开发奠定了基础。

麟风风电设备公司用在大型垂直轴风机上的变“攻角”技术 , 有电动和机械两种方式 , 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。

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 2 m/ 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机更高的风能利用率 , 在高风速环境下运行无噪声 , 而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机具有比大型水平轴风力发电机更高的商业开发价值。

由于 H 型垂直轴风机高效、无噪声等特点 ,未来无论是在风电场应用还是中小型独立用户 ,H 型垂直轴风机必将被大量应用。

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垂直轴 H 型风力发电机的应用

由于 H 型垂直轴风机的特性 , 因此风力发电机的应用方式、应用领域发生了改变。

水平轴风机由于噪声、对风向等问题 , 风机要么用于风电场 , 要么用于边远地区解决无电问题 , 这些应用场合都远离城市中心区域 , 但H 型风机将扩展新的应用领域。

比如 , 除了风电场应用以外 , 还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度 , 建造风电大楼和零能耗大楼。在这方面上海由于拥有 H 型垂直轴风机技术这一得天独厚的优势 , 应该有条件和能力走在前列 。

其次 , 城市公共照明和高速公路亦可以通过风 / 光互补方式大量应用风力发电机 , 如图所示：

高速公路旁的垂直轴风力发电机组

另外 , 具有风资源条件的企事业单位也可以大量应用 H 型垂直风机 , 比如靠海边的海水淡化装置、油田采油机和海上钻井平台等 , 如图所示：

应用于海上钻井平台旁的垂直轴风力发电机组

最后附上视频

本文参考：

发电：垂直轴风力发电机的发展趋势和应用；

允哥聊风电：垂直轴风机初步调研报告；

电力网：垂直轴风电技术革新能否改写能源版图？

END