垂直轴风力机商用成熟机型优选方案

与水平轴风力机相比，垂直轴风力机更适用于离网发电，并且在城市风能开发中发挥优势。风能专家预测，同为10MW的水平轴和垂直轴风力发电机组，后者单位电能成本远低于前者，并且能维持更长的使用寿命。

在大量垂直轴风力机试验样机研究基础上，如英国Vertical-Axis Wind Turbines Limited研发的Giromill型Musgrove风力机、Heidelberg Motor Company生产的HMRotor 300、美国Sandia国家实验室开发的34m旋转直径的Darrieus风力机、加拿大Quebec City Cap Chat建成的Lavalin Eole（64m）研究型风力机，一系列商用垂直轴风力机及风场建立并投入使用。

1.3.2.1　Mariah Energy System系列

Mariah Energy风能利用公司成立之前，其设计师大部分供职于美国农业部门、能源部门以及其他私人新能源企业，该公司一直致力于制造较高风能利用率、运输成本低、运行维护成本低的垂直轴风力发电机。

该公司将突破性概念贯穿于垂直轴风力机设计之中，在市场上推广了一批15～16kW的小机型，并在2012年开发了新一代2.5MW商用机型，如图1-16所示。

如图1-16（b）所示2.5MW商用机型造型简单、成本低廉并且风能利用高效，相对于同级别水平轴风力机具有以下优势：

（1）硕大的直叶片与水平轴风力机叶片比较，在输出较高电能的同时，极大地降低了制造成本，其单位输出功率成本仅为水平轴风力机的1/3～1/2。

（2）风力机转子无需偏航装置，能够吸收各个方向的气流，并且能够适应风速的快速变化。

图1-16　Mariah Energy公司开发的风力机

（3）该风力机采用智能电网管理技术，可自动调整叶片的旋转半径控制叶片载荷，提升叶片的气动力力矩并降低叶片在高风速下的转矩，起到刹车作用。

（4）叶片气动外形采用自动调节技术，可提升风轮在不同风速下的功率输出，降低阻抗和顺风推力，进而提高风能利用率。

（5）风力机装置安装简便，无需重型起重机，节约大部分运输、吊装和维护成本，Mariah Energy 2.5MW机型安装过程如图1-17所示。

图1-17　Mariah Energy 2.5MW机型安装过程

图1-18　氢气制造、存储装置

（6）该风力发电系统配备高效的氢气制造、存储设备，如图1-18所示。当电力输出过剩时，多余电量可用于氢气制备。电力需求旺盛时，存储氢气高效燃烧用于额外电力生成。整个系统对生态环境无任何污染。

1.3.2.2　Flowind系列

在垂直轴风力机发展史上，最成功的风力机运营商是起始于20世纪80年代的Flowind公司。该公司主打机型是双叶片的Darrieus_Φ型垂直轴风力机。在Flowind公司鼎盛时期，曾一度在美国加利福尼亚州风场安装了500台风力机，并向2万户家庭供电。在1987年，Flowind公司的风电场平均输出功率达到1000MW。迄今为止，没有另外任何一家垂直轴风力机公司达到这一水平。在当时，所有风力机在阳光下旋转发电，成为极为壮观的风景，Flowind公司垂直轴风力机风场如图1-19所示。

图1-19　Flowind公司垂直轴风力机风场

由于扩张太快，该风力机制造缺陷随着时间推移逐渐显现出来，弯曲的铝合金叶片与转轴连接处开始疲劳断裂，以至于这一现象快速地在整个风电场扩展。到20世纪90年代，Flowind公司风场生产点电力只有1987年时的1/10。而到2004年，Flowind公司风场的所有风机基本被清除，或当废品被变卖。当Flowind公司最后一台风力机被清理时，根据统计，其所有风力机在使用寿命内平均电能输出达到10亿kW·h。(www.xing528.com)

虽然Flowind公司退出了历史舞台，但它使得垂直轴风力机整整辉煌了10年，其业绩和市场占有率深深地影响了随后垂直轴风力机的发展。

在Flowind公司运营期间，主要有两款机型被投入使用，即Flowind17和Flowind19。两款风力机的基本技术参数见表1-1。

表1-1　Flowind公司主营风力机技术参数

由表1-1可知，Flowind17垂直轴风力机旋转面积为260m2，相当于18m旋转直径的水平轴风力机，而Flowind19等价于21m旋转直径的水平轴风力机。在当时，虽属于大型风力机，但与现代风力机相比，相去甚远。

1.3.2.3　UGE系列

UGE风能公司全称为Urban Green Energy，城市绿色能源。作为全球领先的微型能源开发公司，UGE致力于为客户提供高质量、高效率和更优美的垂直轴风力发电机以及混合能源路灯，UGE系列风力机应用如图1-20所示。

图1-20　UGE系列风力机应用

UGE携手优秀的合作团队，为全球分类能源开发提供解决方案。公司总部在美国纽约，在我国北京和英国伦敦设立了分公司，并在全球约有150个经销商。整个公司有101171.41m2开发制造场地，并有3251.61m2的工厂车间，有望成为全球最大的小型风力机制造商。

从成立伊始，UGE公司致力于小型垂直轴风力发电机的设计、研发和制造。其主打机型为螺旋形叶片的Gorlov型风力机。在充分利用磁悬浮技术在风电领域取得重大突破的基础上，UGE公司成功研发了磁悬浮系列的垂直轴风力机，并且其叶片启动力矩小、噪声小，在各种风况下，风能输出稳定，并且是首家获得风力发电机风能输出、安全和降噪资质证书的制造商。公司历经5年的发展，产品已经成熟，并构成一条完整的产品线，垂直轴风力机机型包括10kW的UGE-9M、4kW的UGE-VA、1kW的eddyGT、600W的eddy和200W的Hoyi。其中，UGE-9M是UGE开发的世界上最大的旋翼型垂直轴风力机，如图1-21所示。其高度约为9.6m，风轮直径为6m，叶片采用高强度复合材料，使用双轴承设计，大大降低了疲劳损耗。额定功率为10kW，噪声输出最高仅为38dB。

图1-21　UGE-9M垂直轴风力机

UGE公司参与我国国家“863”计划项目，为未来建立无人值守科考站和移动式科考舱。经过多轮调试和优选，公司研发了Hoyi后羿垂直轴风力发电机，并成功地为我国首台风力驱动机器人“极地漫游者”提供能源，极地漫游者机器人如图1-22所示。

图1-22　极地漫游者机器人

Hoyi后羿风力机具有占用空间小、噪声低、对风向无转向机构而且发电效率高等特点，为机器人长航程的漫游行走提供了有力保障。数据显示，在该风力发电机组的推动下，“极地漫游者”可以搭载近50kg重的仪器，在风速8～15m/s的时候通过风光电驱动不间断行走，甚至越过近半米高的障碍物，在冰盖复杂地形下进行多传感器融合的自主导航控制，并在卫星网络通讯下可实现国内直接遥控。

1.3.2.4 WS系列

历史悠久的芬兰Windside公司开发了一种外形独特的阻力型垂直轴风力发电系统，提供给广大野外工作者，在最恶劣的环境下随时随地为电池充电。该公司的WS系列风力机是基于航天工程原理的垂直涡轮，涡轮转子由两个螺旋叶片驱动，Windside公司开发的WS系列风力机如图1-23所示。

图1-23　Windside公司开发的WS系列风力机

该发电系统经过了风洞试验，并且在芬兰南部气象条件变化剧烈的海洋环境中进行了测试，取得了良好的工作效果。WS系列风力机突出的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，可在风速低于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风力发电机组的年发电量比在同一地区传统水平轴风力机的发电量高出50%，有着极强的复杂风况适应能力。WS系列风力机曾创下了在风速高达60m/s的状况下也能继续发电的世界纪录。风速并不是影响发电效率的唯一因素，风向和风强变化也会影响实际的发电量，而WS系列风力机独特的螺旋阻力型叶片可以保证叶片一直处在最合适的角度承接来风。