垂直轴风力机分类

垂直轴风力机主要分为两种形式，即阻力型与升力型，后来结合两者优点又研发了组合型风力机。

1.3.1.1 阻力型风力机

利用气流对叶片前后表面的压强差来驱动叶轮的风力机称为阻力型风力机。

1.Blyth-Rotor型风力机

图1-8　Blyth-Rotor型风力机

第一台被用于发电的垂直轴风力机是由苏格兰工程师James Blyth于1887年发明的Blyth-Rotor型风力机，如图1-8所示。该风力机利用纯阻力型叶片驱动发电机转子为蓄电池充电。虽然当时对居民照明而言该风力机显得非常不经济，但是在偏远和人口稀少地区，没有电力传输设备，该类型风力机却发挥了很好的作用。

2.LaFond型风力机

受到离心式风扇和水利机械中的涡轮启发，法国工程师Montpeuier在1930年设计了LaFond型垂直轴风力机，如图1-9所示，它包括外围固定聚风板和内部多阻力型叶片转子。这种风力机叶片凹面和凸面受到风力作用后，形成较大阻力差，驱动内部转子快速旋转，风由上风向吹至下风向时，对途经的下风向叶片产生额外驱动力矩，因此，这种风轮具有较大的启动力矩，通常在2.5m/s的风速下就能正常启动。

图1-9　LaFond型风力机

3.Savonius型风力机

Savonius型风力机的概念是由芬兰工程师S.J.Savonius于20世纪30年代提出，是一种阻力型垂直轴风力机，如图1-10所示。Savonius型风力机将两个半圆形叶片开口相对组成S形，并在旋转中心处有一部分重叠区，即在两叶片端部之间形成一定的间隙，该风力机具有结构简单、成本低、可设计性强、转动力矩高等优点，自诞生以来，大量工程师对其进行了风洞试验研究并改进，使其最大风能利用系数达到了0.3。但与利用升力型的现代桨叶式水平轴风力机相比，其转速和效率依旧偏低，基于这个原因，Savonius型风力机被用于较小功率需求并具有经济性的场合，如抽水、驱动小型发电机、通风换气以及在冬季搅拌水塘防止结冰、海流计等方面。

4.风杯式风力机

风杯式风轮由两个或三个半球面围绕转轴对称安装，球面方向相反，它利用气流在叶片前后形成的压强差来推动叶轮工作，如图1-11所示。当受到来自水平方向的风时，凹面承受的风阻力要比凸面承受的阻力大3～4倍，两侧的力矩差即为风力机输出扭矩。为提升风能利用率，并且使风力机转动平稳，风轮至少需安装3个风杯。然而该类型风力机最大线速度接近风速，叶尖速比λ通常小于1，且叶片在逆风区时产生的反向力矩降低了转动轴的总力矩，因此风能利用率较低。

图1-10　Savonius型风力机

图1-11　风杯式风力机

1.3.1.2　升力型风力机

升力型风力机，引入升力型翼型作为叶片截面，在高速旋转时可保证在顺风区内气流也吹向翼型前缘，风速作用在升力型风力机叶片上的气动力可分解为与入流风速平行和垂直的两个分力，其中与入流风速垂直的分力称为升力，与入流风速平行的分力称为阻力，升力在叶片转动方向的投影大于阻力在转动反方向的投影，风轮由升力驱动。(www.xing528.com)

1.Giromill型风力机

Giromill型风力机为垂直轴直叶片升力型风力机，如图1-12所示，其叶片截面一般采用常用的航空翼型，如NACA和SAND系列。该类型风力机最早由法国工程师Georges Darrieus于1927年申请并获得专利。它通常由2～4根直翼型叶片，在风力作用下产生升力来驱动装置旋转发电。

Giromill型风力机风能利用系数可达到0.3以上。其结构型式和材料能够适应风轮在运转过程中产生的较大应力变化。在风力和惯性力作用下，该风力机可维持较为稳定的转速，并在湍流风况中运行良好。因此在许多特殊环境地区可替代水平轴风力机进行风力发电。

Giromill型风力机外形尽管简单，但是流经其旋转域的气流流场非常复杂，对其近场动态尾流研究一直是该类型风力机优化设计的热点。

图1-12　Giromill型垂直轴风力机

图1-13　Gorlov型螺旋叶片垂直轴风力机

2.Gorlov型风力机

Gorlov型风力机由Giromill型直叶片风力机演变而来，其最大的特点是将直叶片沿旋转圆域外围盘绕，沿其轴向看，叶片的投影长度等于旋转域的周长，如图1-13所示。该类型风力机由美国西北大学Gorlov教授于1995年申请专利。

Gorlov型风力机公开的风洞试验数据显示，其风能利用率分布在24.4%～39%之间，最佳叶尖速比为2～2.5。由于Gorlov型风力机叶片在旋转域圆周处呈螺旋形分布，旋转过程中，在各个叶片之间的每支叶片的某一截面都处于最佳迎风攻角，使得风轮的启动力矩达到最大值。相对于Giromill型风力机存在启动力矩差且需要采用额外电能带动风轮旋转的缺点，Gorlov型风力机具有极佳的启动性能。Gorlov型风力机另一明显的优势是转矩输出平稳，因此相对于直叶片Giromill型风力机，具有扭曲外形的Gorlov型风力机可保持更长的使用寿命。

3.Darrieus型风力机

Darrieus型系列风力机中最适合于风场发电的机型为Φ型风力机，该类型风力机具有“搅蛋器”外形，通常具有2～3根叶片，Darrieus型垂直轴风力机如图1-14所示。

图1-14　Darrieus型垂直轴风力机

1931年，Darrieus型风力机由法国航空工程师G.J.M.Darrieus在美国申请并获得专利。在专利申请书中，该风力机外形被形容为“有一个如同跳绳形状的流线型曲线轮廓”。Darrieus型风力机叶轮形状采用Troposkien曲线、抛物线、悬链曲线和Sandia型曲线。Darrieus型风力机最初并没有受到重视，直到20世纪60年代，才得到加拿大国家科学委员会和美国圣地亚国家实验室的重视，进行了大量的实验研究，Darrieus型风力机才具有了实用价值。在所有垂直轴风力发电机中，Darrieus型风力机风能利用系数最高。目前，所有的升力型垂直轴风力发电机都可以归为Darrieus型风力机。

图1-15　组合型垂直轴风力机

1.3.1.3　组合型风力机

升力型和阻力型风力机各有其优缺点，将两者相结合，取长补短，人们设计了组合型风力机。图1-15所示是一种典型的组合型垂直轴风力机，上部使用升力直线翼型，下部为阻力S型，通过气动力的互补，克服了升力型与阻力型的缺点，整体设计带来了较大的升力系数和较大的阻力扭矩，提高了风能利用率和启动性能。但组合型风力机结构、制造工艺以及安装等较为复杂。