一、概述
风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械。通常由机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、发电机、偏航装置、电子控制器、液压系统、冷却元件、塔架、风速计及风向标等构成。
风力发电系统的基本原理为：叶片用来接受风力并通过机头的定子绕组切割永磁转子的磁力线产生电能。风力发电机因风量不稳定，故其输出的通常是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用带有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。
尽管风力发电机的外形多种多样，但归纳起来可分为两类：
(a)水平轴风力发电机 (b)垂直轴风力发电机
图1 风力发电机结构形式
二、水平轴与垂直轴风力发电机性能比较
水平轴和垂直抽风力发电机性能孰优孰劣是近年来学术界和技术工程师们争论不休的议题[,，
]。学者们普遍认为，水平轴风力发电机因具有风能利用效率高和理论研究成熟的优点成为目前商业化风力发电的主要形式，其使用率。但是随着科技的发展,人们在对水平轴风力机的研究时,发现垂直轴风力机在某些关键技术方面可能能够很好的解决水平轴风力机目前所要面临的问题。例如，垂直轴风力发电机组发电机的齿轮箱在底部,结构稳定,这样系统维护便利和制造成本大大减少；不需要对风系统,系统复杂性降低,能接受来自各个方向上的风能并且减少了对风损失；垂直轴风力机的尖速比要比水平轴的小，气动噪声也就小。因此垂直轴风力机的优点主要体现在在整个系统的结构稳定可靠、制造成本相对较低、风能利用率较高和环保效果好等方面。特别是在人口集聚和城市公共设施等对噪声控制要求比较高的地方能方便运用垂直轴风力机发电机。因此,垂直轴风力机比水平轴风力机具有更加广阔的使用空间。
当然,垂直轴风力机也有其缺点，导致目前没有在风力发电事业中占据更广阔的市场。首先是人们对垂直轴风力机的认识不足风能发电原理,认为其风能利用率不如水平轴；其次是垂直轴风力机的自身的一些原因如在低风速下难以自启动。翼型和设计方法等方面的理论研究不足等因素。
为了对市场成型的水平轴和垂直抽风力发电机性能进行全面了解，以考虑选择推广的目标，我们考察了两个典型产品：台湾Iwind（爱风）垂直轴风力发电机（以下简称垂直轴发电机）
和上海致远FD系列水平轴风力发电机（以下简称水平轴发电机），并将二者的基本技术参数加以对比，如附表A所示。从以下方面可以看出二者性能方面的差异：
1. 占用空间：比较Iw202和FD4-2/9两种具有相同输出功率（2000W）的垂直轴和水平轴发电机，前者旋转直径只有3米，后者叶轮直径需要4米。因此垂直轴发电机节省空间；
2. 切入风速：垂直轴发电机的切入风速低，也就是与水平轴发电机相比，能够在更低的风速下开始发电，这样就拓宽了其使用条件；
3. 发电机位置：水平轴风力机的发电机需要放置在高空，而垂直轴风力机的发电机放置在齿轮箱底部，稳定性好，便于维护；
3. 系统配置：垂直轴发电机无需变速装置，简化了系统配置；
4. 噪音：垂直轴发电机噪声低。这是因为水平轴风轮的尖速比一般在5~7，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音。垂直轴风轮的尖速比一般在1.5~2，这样的低转速基本上不产生气动噪声，完全达到了静音的效果。无噪声带来的好处是显而易见的，以前因为噪声问题不能应用风力发电机的场合(如城市公共设施、民宅等)，现在可以应用垂直轴风力
发电机来解决；
5. 风能利用率：关于风能利用率，即发电机的功率与风轮扫掠面积内风能量的比值，其计算方法绝大部分是由水平轴风机的叶片设计方计算所得，一般在40%以上。但是由于设计方法本身的缺陷，这种计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。有文献提出了对修正方法修正后[]，水平轴的风能利用率要降低30% ~ 50%。对于小型水平轴风力发电机的风能利用率，中国空气动力研究与发展中心曾做过相关的风洞实验，实测的利用率在23% ~ 29%[]。而国外有机构经过实验表明垂直轴风轮的风能利用率在40%以上[]。另外，在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”，而垂直轴风轮则不存在这个问题。因此，在考虑了对风损失之后，垂直轴风轮的风能利用率完全有可能超过水平轴风轮。
以上性能都能够体现垂直轴发电机的优越性。但垂直轴发电机在结构上，需要较多的叶片组装，所以安装工作要复杂一些。
三、结 论
尽管与水平轴发电机相比，垂直轴发电机具有占用空间小、切入风速低、系统配置简化、噪音低、风能利用率高等诸多优点，甚至很多在人们原有意识里原本属于缺陷的方面，经过科学技术的发展和产品形态逐步改良，都已经成为先天的优势。但目前垂直轴发电机市场应用率不高，仅占整个风力发电机使用的3%左右。因此，其技术成熟度尚有待考量。最好能够考察一些垂直轴发电机使用实例，以便更深入地了解其运行维护状况。
附表A Iwind垂直轴风力发电机与上海致远水平轴风力发电机性能参数对比表
形式 | 竖直轴 | 水平轴 | ||||
品牌 | 台湾iwind（爱风） | 上海致远 | ||||
规格型号 | iw301 | iw202 | iw402 | iw103 | FD4-2/9 | FD5-5/10 |
风轮直径(m) | —— | 4.0 | 5.0 | |||
叶片长度(m) | 1.2 | 3 | 4.45 | 7 | —— | |
旋转直径(m) | 1.2 | 3 | 4.5 | 6 | —— | |
叶片材料 | 玻璃材质制成，经抗紫外线及耐酸碱烤漆处理，耐寒耐热且无风向限制 | 水质玻璃钢涂覆 | ||||
叶片结构 | 九翼型叶片 | 普通 | ||||
叶片数 | 3支主叶片，3支上副叶片，3支下副叶片 | 3 | ||||
调速方式 | 无需变速装置 | 侧偏、失速、电磁 | ||||
启动风速(m/s) | <1 | <1.5 | <1.5 | <1.5 | 3 | |
切入风速(m/s) | 2.5 | 3 | ||||
工作风速范围(m/s) | 未知，同类产品为3~25 | 3~25 | ||||
额定风速(m/s) | 12 | 9 | 10 | |||
耐风限度(m/s) | 60 | 50 | ||||
噪音 | 满载小于48dB | <65dB | ||||
额定电压(V) | —— | DC120V/DC220V | ||||
额定功率(W) | 300 | 2000 | 4000 | 10000 | 2000 | 5000 |
风能利用率% | 目前尚无定论 | >42 | ||||
发电机形式 | 高效永磁发电机 | 永磁低速三相交流 | ||||
参考文献
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