垂直轴风力发电机

一、风力发电机组分类

风力发电机组主要由两大部分组成：

风力机部分――它将风能转换为机械能；

发电机部分――它将机械能转换为电能。

根据风机这两大部分采用的不同结构类型、以及它们分别采用的技术方案的不同特征，再加上它们的不同组合，风力发电机组可以有多种多样的分类。

1、按照风机旋转主轴的方向（即主轴与地面相对位置）分类，可分为：

“水平轴式风机”――转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置；

“垂直轴式风机”――转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向。

2、按照桨叶受力方式可分成“升力型风机”或“阻力型风机”。

3、按照桨叶数量分类可分为“单叶片”、“双叶片”、“三叶片”和“多叶片”型风机。

叶片的数目由很多因素决定，其中包括空气动力效率、复杂度、成本、噪音、美学要求等等。

大型风力发电机可由1、2 或者3片叶片构成。

叶片较少的风力发电机通常需要更高的转速以提取风中的能量，因此噪音比较大。而如果叶片太多，它们之间会相互作用而降低系统效率。目前3叶片风电机是主流。从美学角度上看，3叶片的风电机看上去较为平衡和美观。

4、按照风机接受风的方向分类，则有“上风向型”――叶轮正面迎着风向（即在塔架的前面迎风旋转）和“下风向型”――叶轮背顺着风向，两种类型。

上风向风机一般需要有某种调向装置来保持叶轮迎风。

而下风向风机则能够自动对准风向, 从而免除了调向装置。但对于下风向风机, 由于一部分空气通过塔架后再吹向叶轮, 这样, 塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应,使性能有所降低。

5、按照功率传递的机械连接方式的不同，可分为“有齿轮箱型风机”和无齿轮箱的“直驱型风机”。

有齿轮箱型风机的桨叶通过齿轮箱及其高速轴及万能弹性联轴节将转矩传递到发电机的传动轴,联轴节具有很好的吸收阻尼和震动的特性，可吸收适量的径向、轴向和一定角度的偏移，并且联轴器可阻止机械装置的过载。

而直驱型风机则另辟蹊径，配合采用了多项先进技术，桨叶的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接传递到发电机的传动轴，使风机发出的电能同样能并网输出。这样的设计简化了装置的结构，减少了故障几率，优点很多，现多用于大型机组上。

6、根据按桨叶接受风能的功率调节方式可分为：

“定桨距（失速型）机组”――桨叶与轮毂的连接是固定的。当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。由于定桨距（失速型）机组结构简单、性能可靠，在20 年来的风能开发利用中一直占据主导地位。

“变桨距机组”――叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角可在一定范围内（一般0－90度）调节变化，其性能比定桨距型提高许多，但结构也趋于复杂，现多用于大型机组上。

7、按照叶轮转速是否恒定可分为：

“恒速风力发电机组”――设计简单可靠，造价低，维护量少，直接并网；缺点是：气动效率低，结构载荷高，给电网造成电网波动，从电网吸收无功功率。

“变速风力发电机组”――气动效率高，机械应力小，功率波动小，成本效率高，支撑结构轻。缺点是：功率对电压降敏感，电气设备的价格较高，维护量大。现常用于大容量的主力机型。

8、根据风力发电机组的发电机类型分类，可分为两大类：“异步发电机型” “同步发电机型”

只要选用适当的变流装置，它们都可以用于变速运行风机。

异步发电机按其转子结构不同又可分为：

(a) 笼型异步发电机――转子为笼型。由于结构简单可靠、廉价、易于接入电网，而在小、中型机组中得到大量的使用。

(b) 绕线式双馈异步发电机――转子为线绕型。定子与电网直接连接输送电能，同时绕线式转子也经过变频器控制向电网输送有功或无功功率。

同步发电机型按其产生旋转磁场的磁极的类型又可分为：

(a) 电励磁同步发电机――转子为线绕凸极式磁极，由外接直流电流激磁来产生磁场。

(b) 永磁同步发电机――转子为铁氧体材料制造的永磁体磁极，通常为低速多极式，不用外界激磁，简化了发电机结构，因而具有多种优势。

9、根据风机的输出端电压高低化分，一般可分为：

“高压风力发电机”――风力发电机输出端电压为10~20kV，甚至40kV，可省掉风机的升压变压器直接并网。它与直驱型，永磁体磁极结构一起组成的同步发电机总体方案，是目前风力发电机中一种很有发展前途的机型。

“低压风力发电机”――输出端电压为1kV 以下，目前市面上大多为此机型。

10、根据风机的额定功率化分，一般可分为：

微型机：10 kW 以下

小型机：10 kW 至100 kW

中型机：100 kW 至1000 kW

大型机：1000 kW 以上（MW 级风机）

二、垂直轴风力发电机和水平轴的区别

1、发电机不同：垂直轴的发电机一般采用无铁芯的永磁盘式电机或外转子电机，启动力矩小，微风就能启动，相当适合在城市或者像中国南方等低风速地区使用；水平轴的发电机一般采用造价低廉的有铁芯发电机，启动力矩往往较大，不适合在城市道路、以及中国南方等低风速使用。

2、风叶结构不同：垂直轴的风力发电机是万向受风的垂直式结构，不管任何方向的来风，均保持同一方向转动，更好的利用了风能；而水平轴的风力发电机有个专门用来调节风力发电机受风方向的尾巴，每次风来时，首先得把风机的迎风方向调整，这样不仅浪费了风能，同时水平式的风力发电机与支撑该电机的法兰之间还得安装一个传动的轴承，该轴承传动多了，会产生机械疲劳，造成风机容易折断或者脱落。

3、同等风速条件下垂直轴发电效率比水平式的要高，特别是低风速地区。

4、在高风速地区，垂直轴风力发电机要比水平式的更加安全稳定；另外，国内外大量的案例证明，水平式的风力发电机在城市地区经常不转动，在北方、西北等高风速地区又经常容易出现风机折断、脱落等问题，伤及路上行人与车辆等危险事故。

5、风能利用率 ，中国空气动力研究与发展中心曾作过相关水平轴风力发电机的风洞实验，实测的利用率在 23%-29%左右 。经过中国空气动力研究与发展中心的实验表明垂直轴的风能利用率在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超过水平轴风轮。

综合各种因素来看垂直轴风力发电机是未来风电的发展方向，由于水平轴风机在中国已有近20年的生产及发展，垂直轴的开发生产也就是近几年的时间，所以随着其优势的不端显现，会像水平轴一样逐步普及的。