垂直轴风力发电机是未来风电的必然发展方向

垂直轴风力发电机是未来风电的必然发展方向根据机型风力发电机可分为两类：

水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

现在在全世界运行的风力发电机总数中，水平轴桨叶式风电机为90%以上，这是由于历史上理论上的误区，错误的认为垂直轴风机的发电效率要远远低于水平轴造成的，而近年来，随着理论的进步，实际风场的验证，以及风机大型化趋势的发展，垂直轴风机的优势越来越明显，如果我国的风机制造企业，还是一味的跟在西方国家的后面，抱残守缺，亦步亦趋的发展水平轴风机，势必为将来的发展带来危机，相反，如果我国的风机制造企业，抓住目前的战略机遇，迅速抢占垂直轴风机发展的制高点，则可在未来的市场竞争中，占据优势地位，取得超常规的发展。

以下从几个方面对水平轴风电机和垂直轴风电机的优劣做一比较：

1、a、水平轴的风机风叶的成本是占据整套机组比例非常大的一个部分，而风机风叶的成本增长，是随着风叶长度，也即风轮半径的增长呈3次方增长的；与此同时，风轮的扫风面积，也即风轮的输出功率是随着风叶长度，也即风轮半径的增长呈2次方增长的；这就使得风叶成本增长的速率远远大于输出功率的增长速率，随着风叶长度的增加，投资成本急剧增长，而输出功率增长较缓慢，因此，很快会达到增长极限。1b、而垂直轴的风轮是可以向水平方向发展的，也就是线性的增加支撑叶片的力臂长度和叶片数量，就可以达到增加风轮的扫风面积，也就是风轮成本的增长是随着风轮半径的增加呈线性（1次方）增长的，而输出功率的增长是随着风轮半径的增长呈2次方增长的；输出功率的增长速率远远大于投资成本的增长速率，由此可知，垂直轴风电机是随着风机大型化的发展，单位发电功率的投资成本是在迅速降低的。

2、a、同理，水平轴的风机塔筒的成本也是占据整套机组比例非常大的一个部分，而风机塔筒的成本增长，是随着塔筒高度，也即风叶长度，也即风轮半径的增长呈3次方增长的；

b、垂直轴风机可以采用轨道支撑的方式，其支撑装置的成本增长也是随风叶长度，也即风轮半径的增长呈线性（1次方）增长的；

3、"与传统的水平轴风电系统相比，垂直轴风电系统的风场利用率更高，最多可比传统系统高5倍以上，垂直轴风电系统具有无噪音、无切出的优点，突破了传统系统‘风小时转，风大时停’的低效模式，同时避免了电流时断时续对电网的冲击。【1】

4、对于备受争议的垂直轴风电机风能利用系数低的问题，这里给出两个正在运行中的风电场的对比：

a、法国Gual industrie公司的小型VAWT系统【2】

整个系统比传统的水平轴风力发电机具有更好的低风启动性和运行安静的优点。它的启动风速约为2m/s。风速在40m/s时，仍可工作，有很宽的工作范围。经该公司实地验证，在同一地区使用同功2率的垂直轴风力发电机的年发电量是传统水平轴风力发电机的

1."3倍。

b、芬兰Windside公司的小型VAWT系统【3】

芬兰Windside公司开发了一种外形独特的VAWT系统，该公司的WS系列垂直轴风机是基于航天工程原理的垂直涡轮。它的风力发电机的突出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，可在风速低至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垂直轴风力发电机的年发电量比在同一地区传统型水平轴风机的发电量增加50%，有着极强的风况适应能力。即使风速低于5m/s,WS风轮机的效率也较高。WS系列风机曾创下在风速高达60m/s的状况下也能继续发电的世界纪录。

5、根据公开的文献资料以及公知常识，我们还得到了以下的几点分析结论：

A、从结构分析：

a、水平轴风力发电机由于风力发电机是随风变化的，因此发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的风小时，不发电，狂风吹来，又使风轮越转越快，系统就会被吹跨为了解决这些问题，水平轴风力增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等装置

（1）、齿轮箱可以将很低的风轮转速（大型的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出3（2）、偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向，风轮沿水平轴旋转，以便产生动力为此，机舱要在水平面360度旋转，随时跟风，达到"迎风"目的要知道，大型的风机机舱总重几十多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度这个调节系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪闭环电力拖动系统

（3）、变桨矩系统，水平轴风轮机当风速变化时,为了调节转速，要有浆距调节系统，风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况停机系统，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼即在风载荷下转动浆叶一个角度此扭矩非常大，只有用液压系统才行这个闭环调节系统精度高，液压系统液体在冬季要有防冻措施，以防失灵该系统价格贵、维护难

（4）、液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用

（5）、控制系统是风力发电机的神经中枢就大型风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网4和脱网并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机

b、垂直轴风力机无需对风，不存在偏航功率损失；叶片设计简单，完全可以自主设计；机舱和齿轮箱可置于风轮下或地面，维修费用更低；垂直轴风力机的噪音比水平轴更小，噪声污染降低；此外，试验室研究表明其风能利用系数不低于水平轴垂直轴风轮机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动

B、从力学角度分析：

叶片是风电机的"心脏"，叶片的性能直接关系到风电机的性能

（1）、水平轴风力发电机：

现有水平轴风力发电机叶片是参照直升飞机的螺旋桨设计的，属于高风速叶片这种叶片结构相似悬臂梁，叶片上受到正面风载荷力和离心力，会使根部产生很大弯矩的应力，大量事故都是叶片根部折断为此，这种叶片强刚性能要求很高，造价高昂，MW级风电机叶片非常巨大，在高风速状态产生强风载，风载的强度很惊人，造成的后果就是大幅提高塔架和机组的强度和成本，造成风电机的强烈振动，造成机械和疲劳损坏，还容易形成冲击电流，影响并网的稳定性5（2）、垂直轴风轮机，叶片两头与轴固定，它的形状不是由叶片的刚度来保证的叶片是柔性的，转轴旋转后无弯矩应力叶片只受拉应力，用料少、寿命长，不易折断

所以，叶片性能是造成风电机高昂成本的主要因素，也是造成故障和高额维护费的主要因素，我们要降低风电机成本、提高发电效率就必须改善叶片性能

C、系统稳定性分析：

（1）、水平轴风机的机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨至几十吨，叶片上随机风载荷达几十吨，重心高、不稳定、易翻倒由于高位放置安装，维护不便

（2）、垂直轴风力发电机的发电机、齿轮箱放在底部，重心低、稳定、维护方便由于塔架低矮，降低了成本

总结上述：

水平轴风力机设计技术复杂，重几十吨的机舱需安装在近百米的高空，功率存在偏航损失等，这些都是国内风电成本较高的原因垂直轴风力发电系统力学性能好、结构简单、成本低，具有竞争优势，所以垂直轴风力发电机是未来风电的必然发展方向。6“然而，由于传统垂直轴风机自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等原因，未能大规模商业化生产。

若能解决上述问题，垂直轴风机将成为大型风机技术发展的一个重要方向。”这是长期以来本行业的一个共识，但是，这种现象并非是一成不变的，随着许多业内许多科技工作者长期以来的不懈努力，垂直轴风力发电机在大型化