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垂直轴风力发电机大型化的
可行性研究
文 严 强　上海麟风风能科技有限公司
目前国内外有许多厂商正在致力于大型垂直轴风力发电机的研发，但通过对一些现有大型化垂直轴风力发电机厂商的开发过程看，基本上都是用小型垂直轴风力发电机的设计思路，把小型垂直轴风力发电机通过一定比例放大后成为大型垂直轴风力发电机。

笔者认为以这样的方法开发大型垂直轴风力发电机，说明这些探索者还没有真真理解垂直轴风力发电机的特性。

众所周知垂直轴风力发电机具有低噪音、安全性、无需太高塔架的优点，但多年来经过无数人的努力都没有生产出可商业化应用的大型垂直轴风力发电机，究其原因主要是无法同时解决气动效率、自启动、超速控制、结构稳定性、安全制动等一系列问题，而这些问题在水平轴风力发电机上都已经解决。

而效率、超速控制、稳定性、安全制动4个方面的问题也是任何风力发电机需要解决的问题。

本文将就这些问题展开讨论，上海麟风是如何解决这些难题。

垂直轴风轮在转动时，叶片在风轮不同位置扭矩大小、方向都不同，在有些位置扭矩大，在有些位置扭矩小，在有些位置扭矩为正，在有些位置扭矩为负。

随着风轮直径的增大和转速的下降，这些变化尤其明显，而风轮最终的输出功率是这些扭矩的合力矩，这样垂直风轮的气动效率较低。

按照达里厄上世纪30年代所做实验和结论，垂直风轮较为理想的尖速比为5～6，按此要求做出来的垂直风轮实度比很低，无法自启动，且带载能力也很弱。

当垂直风轮做大以后还面临垂直轴承担的弯矩越来越大的问题，弯矩越大，对轴的强度要求就越高，不仅重量重了，成本也越高，越难以商业化。

当垂直风轮转动时，风轮的主震频率为转速除以叶片数量，当作用于叶片上的风能不能被有效转化成动能（转速）后震动尤其明显。

为了提高自启动性能适当提高叶片宽度将取得明显效果，合理的叶片宽度是风轮半径的1/2～1/4之间。

为了克服叶片角度固定的垂直风轮当叶片在风轮不同位置时扭矩方向相反、不能发挥最大扭矩的缺陷，使用“实时可变攻角”技术可克服这一缺陷。

实时可变攻角技术就是当风轮在旋转时，根据风向、叶片位置、风速等要素实时调节叶片角度，以达到改变扭矩方向并使叶片在不同位置都能获得最大扭矩的作用，极大提高了垂直轴风轮的效率。

在该系统中，叶片不是固定在悬臂支架上的，而是可以绕叶片回转中心转动的，当风轮转动到不同位置时，系统可以自动调节叶片的“攻角”，使叶片在不同位置时的“攻角”，在圆周上任何一个位置时，始终能够保持在所设定的优化角度范围内。

通过风洞实验，在一个1.36米直径、1米叶片长度的风轮，在2米/秒风洞风速下测得的功率达到4～4.5瓦，即风能/机械能的转换效率达到了（60～68）%，超过了59.3%的传统
12风能产业 Wind Energy Industry 2014年2月
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2014年2月 Wind Energy Industry 风能产业理论极限值，这并非传统理论的错误，而是传统理论中风轮是在二维空间运动；而垂直风轮是在三维空间运动，二者条件不同。

当强台风来临时，可实时调节叶片角度，始终保持叶片处于顺浆状态，减小迎风面积，防止在强台风时叶
片断裂、塔架倒塌等恶性事故的发生。

当垂直风轮直径很大时，风轮产生的弯矩也很大，轴的直径不仅需要很大，而且强度要求也很高，难以商业化。

最佳的解决方案是利用桁架结构具有强度高、重量轻的特点，将轴做成行街结构的中心轴。

可变攻角实时的具体方法
凹槽凸轮法
下图为采用凹槽凸轮实现实时变攻角的具体方法，凹槽凸轮及导杆机构、曲柄滑块机构以及凹槽凸轮方位的调整系统组成。

凹槽凸轮方位的调整由伺服系统组成，可以调整凹槽凸轮相对于风向的方位，以使凹槽凸轮的
起始位置同风向的相对位置保持不变。

凹槽凸轮机构的导杆随悬臂支架转动，导杆一端的滚子沿静止的凸轮轮廓线运动，从而可以带动导杆做往复运动。

通过凹槽凸轮机构和曲柄滑块机构来自动调节风轮在转动过程中，每个叶片在不同位置时的角度，使叶片的角度保持在设定的优化角度范围值内。

该系统在风向没有变化时，能够根据叶片在风轮旋转过程中的不同位置来自动调节叶片角度，使叶片角度调整为设定的优化角度范围；当风向发生变化后，能够根据风向的变化，通过伺服或步进电机调整风轮的方位角，使系统同风向的相对方向保持不变，仍然能使叶片的角度保持在设定的优化值范围内。

采用凹槽凸轮法具有结构简单、成本低，仅需要通过伺服电机将凹槽凸轮迎风即可。

但一个系统仅能适用一条凹槽曲线，但在不同风速下凹槽
曲线应该是不同的。

因此凹槽凸轮法
通常垂直风轮轴和发电机轴不是同轴结构，而是二者在现场组合而成，在现场组合的风轮轴和发电机轴往往是间隙配合，无论采用什么措施紧固，在长期运动过程中，二者都会产生相对运动从而加速垂直风轮的摇摆，引起垂直风轮的各种故障。

有效的解决方案是发电机轴和风轮采用同轴结构。

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具有结构简单、低成本，但只能控制一个凹槽凸轮曲线的特点。

伺服电机（摆动液压马达）法
发电机安装在三个均匀分布的立柱上，发电机的轴就是风轮轴，以保持风力发电机的稳定，叶片通过支持翼安装在风轮轴上，叶片可以围绕其回转中心旋转中心转动。

中空的集电环安装在发电机的回转中心上，通过集电环向伺服电机供电。

编码器安装在风轮的回转中心处，编码器是根据测风仪提供的风向信号，向中央处理器提供叶片的方位，由中央处理器确定每个叶片在不同风速、不同方位时的叶片转角。

中央处理器可以根据测风仪和编码器的信号，向控制叶片转动的伺服电机发出指令，控制叶片在旋转过程中每个叶片在不同风速、不同方位角时的叶片转角。

伺服电机法的优点是可以根据不同风速、风向选取不同预先设定的凹槽凸轮曲线，以达到风力机在不同的风速下叶片始终都保持最优的角度，最大限度的提高风轮的效率和在强风时的顺浆功能；其缺点是系统复杂、成本高。

综上所述，垂直轴风力发电机由于气动特性和主轴结构的原因，不能如水平风机那样将小型水平风力机按比例放大后成为大型风力机，而必须使用实时可变攻角技术和特殊塔架结构才能真真意义上实现垂直轴风力发
电机的大型化。

14风能产业 Wind Energy Industry 2014年2月。