垂直轴风力机：低振动高效能，不受风速限制

垂直轴风力机用在风速低且风向不稳定的地方，通常它们不用来商业化发电，然而在居民区和城市地区，由于噪声和高度的限制不允许使用水平轴风力机，垂直轴风力机也会得以应用。垂直轴风力机工作振动水平低，且无论风速和风向怎样它们都会产生电能。

垂直轴风力机的一个特点是不用考虑风力机的朝向，因为它们是圆形的，所以无论风向如何它都会发电。目前垂直轴风力机没有水平轴风力机使用广泛，事实上，垂直轴风力机只占当今使用风力机中的一小部分。对于垂直轴风力机和水平轴风力机之间的选择没有可比性，而应该根据在应用和实际安装地点中能够产生最好效果来选择最佳机型。

图3-12是达里厄风力机，图3-13是萨沃尼斯风力机。萨沃尼斯风力机利用阻力产生旋转能量，达里厄风力机利用升力使转轴旋转，图3-13中可以看到固定在叶片下方的发电机。

图3-12 达里厄型垂直轴风力机（图片来源：美国能源部）

图3-13 萨沃尼斯型垂直轴风力机

垂直轴风力机可以在低速和宽转速范围内正常发电，所以没有必要使发电机的速度恒定。由于垂直轴风力机因为发电机的速度不是恒定的，所以输出电压的频率不总是60Hz；一般利用变频器将发电机输出变换为单相60Hz电压或三相60Hz交流电压。有时还采用其他的电器元件把交流电压变为直流电压，或者直接采用直流发电机产生直流电压。

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图3-14 Quietrevolution的QR5型垂直轴风力机（图片来源：Quietrevolution）

图3-14所示为另一类垂直轴风力机——Quietrevolution的QR5型，这个装置看起来像艺术品，然而它在低转速和可变转速下产生足够的电能供家庭以及小的单位使用。这种装置需要三相电气连接，这在一些小的商业或住宅区没法实现。这类小型垂直轴风力机大约是5万美元，只在美国有售。转子大约5m（16.4ft）高，直径3.1m（10.17ft），大约重450kg（990lb），叶片坐落在3.4m（11.15ft）的轴上，为此高度限制是一个要考虑的问题。叶片也可能安装在位于下倾式机罩上长度为6m（19.69ft）或15m（49.21ft）的轴上。

这类风力机使用直驱永磁同步发电机，发电机被集成在风力机部分，14m/s的风速产生的功率峰值是7.4kW的交流电和6.2kW的直流电。英国风能联合会（BWEA）对11m/s风速下的设定功率是4.2kW（交流）和3kW（直流）。这样的输出根据所在地的风量，每年产生5000～11000kW·h的电能。叶片螺旋桨式的空气动力学设计可以实现平滑、安静的运行效果。

由于转子垂直轴的几何形状，所以叶尖接近转轴并且旋转时经过的距离较短，叶尖转速度较低，可大大减少噪声。

更小的垂直轴风力机适合于城市运行，因为那里需要安静无振动的运行环境。城市里风速和风向不断变化并且因为建筑物和其他物体阻挡的缘故使得风速更低。垂直轴风力机能在低风速下产生电压，它们不用改变方向来捕捉到可利用的风能。在城市使用垂直轴风力机的另一个优势是它们的造型比较美观，叶片会被喷漆或装扮来与周围的环境一致，例如建筑物的颜色。

垂直轴风力机也有别的优点。因为无论任何风向下都能获取风能，所以不需要任何偏航控制。齿轮箱以及发电机安放在地面，不需要爬塔架去维护它们。事实上，这类风力机或许根本不需要塔架，或者仅需要比水平轴风力机低得多的塔架或基座。

垂直轴风力机的缺点是不能自起动，所以需要一个发电机使它们起转，这意味着需要备用电池，或者连接在电网上获得启动能量。垂直轴风力机没有水平轴风力机效率高，并且低空的风没有水平轴风力机在高空捕捉到的风那么强劲和持续，所以最终导致垂直轴风力机发出1kW·h电能的成本更高。此外，大部分垂直轴风力机需要钢缆线来固定，如果被安装在小的居民区或农场这就存在一定问题，可能会发生人被绊倒或者农用设备搅住的危险。