垂直轴风力发电机组的应用-毕业论文.docx

毕业论文天津轻工职业技术学院毕业 设计（论文）课题名称： 垂直轴风力发电机组的应用专 业：风力发电及电网设备自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指 导 教 师： 时间：年 月 日11毕业设计开题报告一、毕业设计 （论文）的选题要求：1、毕业设计的选题应该符合本专业的培养目标及教学基本要求，体现本专业的基本理论、基本技能训练内容，注重能力培养，有益于学生综合运用所学的知识和技能分析、解决实际问题，使学生得到全面的训练。2、课题的选择应体现教学与生产、科研、文化和经济相结合的原则，课题类型可多样化，尽可能结合生产实际的任务进行，力求真题真做。3、选题的范围和深度应符合学生的实际情况，并尽可能多的反映现代科学技术发展水平。使学生在原有的水平和能力方面有一定的提高。4、课题应难易适度，有明确的任务或研究对象。毕业设计学生一人一题。二、本课题设计（论文）的背景及意义随着传统的化石能源的不断减少甚至是面临枯竭，能源危机是我们将要面临的最大挑战，世界各国都在不断地进行开发新能源的研究，而绿色、环保、可再生的风能正在不断地引起人类的关注，经过研究验证后发现风力发电是一种具有大规模发展潜力的可再生能源，实在在未来有可能成为世界重要的代替能源之一。风力机组是把风能转化为电能的一种有效装置，目前水平轴风力发电机组是世界上应用最为广泛，同时也是发展技术最为完善的一种风力发电机型，与水平轴风力发电机组相比垂直轴风力发电机组有着诸多的优越的性能，并越来越被人们重视。目录摘要4第一章 绪论51.1 引言51.2 世界风力发电的发展历史、现状及其趋势51.2.1 风力发电的发展历史51.2.2 世界风电发展现状及其趋势61.2.3 风能发电具备以下优势71.3 中国风力发电发展的现状7第二章 垂直轴风力发电机组的基本概况102.1 垂直轴风力发电机组的工作原理及其特点102.2 垂直轴风力发电机组的组成结构102.3 垂直轴风力发电机组具有的较多显著的特点122.4 垂直轴风力发电机组的类型122.4.1 阻力型垂直轴风力发电机组的原理及应用实例122.4.2 升力型垂直轴风力发电机组的原理及应用实例13第三章 垂直轴风力机在风力发电中的应用现状163.1 H型垂直轴风力发电机163.2 D-S组合型垂直轴风力发电机173.3 型垂直轴风力发电机173.4 垂直轴涡轮风力发电机173.5 应用展望18结语20参考文献21致谢2231摘要随者环境趋向的恶化和能源危机的加深,清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，因此各国纷纷加强对新能源技术的投入,风能因其清洁、可再生、储量丰富、分布广泛等优点越来越受到世界各国的重视 也越来越多地被应用到风力发电中。风能等相关技术也随之发展 。 近年来, 随着新能源技术进一步发展和普及, 风电机组的小型化、发电系统的独立化已经成为新的发展方向，并得到了广泛的认可和利用, 且装机数量逐年增长 。 但由于现有的、普遍使用的水平轴风力发电机存在着对风速要求高、 噪音大、 安装维护复杂、占地面积过大等缺点, 并不能适用于小型风机的开发和使用 。所以具有调试方便, 对叶片要求低, 不需迎风装置, 运行条件宽松、成本较小等特点的垂直轴风力发电机组, 逐渐成为小型风力发电机的首选，因此研究垂直轴风力发电机组是具有广泛的現实意义和良好的应用前景 。关键词：新能源、可再生、风里发电、垂直轴第一章 绪论1.1 引言能源就是人类用来维持生存活动的能量来源。随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大。目前，我们常用的能源主要来自化石燃料，但这种资源在地球上的存量是有限的，并正日渐枯竭。因此，我们有需要开发其他种类的能源，包括可再生能源等。风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。由于地面各处受太阳辐照后气温变化不同和空气中水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。风能是清洁的、无污染的可再生资源，它取之不尽、用之不竭，在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能越来越受到世界各国的重视，也越来越多地被应用到风力发电中。1.2 世界风力发电的发展历史、现状及其趋势1.2.1 风力发电的发展历史随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。而风能发电是世界上到目前为止历史最为悠久，技术最为成熟的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。因此世界各国都竞相发展风电事业，利用风能的步伐不断加快，风力发电规模逐步扩大，风力发电由小到大、由单机到并网运行快速发展，已经形成一种新兴产业。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，世界上第一台用于发电的风力机1891 年在丹麦建成，但由于各种原因未能成为电网中的电源。1931年，苏联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m的Andrea Enfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。直到 1973 年发生石油危机后，美国、西欧等国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，研制现代风力发电机组，开创出了风能利用的新时代。美国开始建造一系列示范风力机组，如1975年的功率100KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW，见下图1。如图1所示 图1 E-126型风力发电机1.2.2 世界风电发展现状及其趋势上世纪90年代中期开始，世界累计风力发电能力成以平均每年15%的速度增长，2006年起更以每年超过20%的速度增长（见图2,图3）图2全球风电累计和新增装机变化趋势图3. 全球风电市场增长率（2006-2011年）尽管累计总量还在不断增加，但是风电开始从快速发展向稳步发展转变，新增容量的增速开始变缓。从图1-2中可清晰地看到20062009年风电经历了快速增长过程，年均增速在30%40%；从2009年以后，风电的发展速度开始放缓，年均增速迅速降低，全球的风电发展已经进入到了平稳期，新增的装机容量保持在40GW左右。1.2.3 风能发电具备以下优势1、环保：传统火力发电在发电过程中会产生大量的有害气体，如二氧化碳，这些气体会对环境及人们的身体健康造成威胁，而风力发电过程，是空气对风机叶片做功，能量又转化为电能，不会产生有害气体，所以，风能是一种洁净的、无污染的环保能源。2、可再生：风能是靠空气的流动而产生的，这种能源依赖于太阳的存在。只要太阳存在，就可不断地、有规律地形成气流，周而复始地产生风能，可永续利用。3、储量丰富：全球风能总量约2.74 109MW，其中可利用的风能为2.7109MW。而且我过风能资源丰富，居世界第三位。4、分布广泛、就地取材、无需运输：在边远地区如高原、山区、岛屿等地区，由于缺乏煤、石油和天然气等资源，给生活在这一地区的人民群众带来诸多不便，而且由于地处偏远、交通不便，即使从外界运输燃料也十分困难。因此，利用风能发电可就地取材、无需运输，具有很大的优越性。5、占地面积小：风力发电机组安装分散，占地面积小，大部分土地仍可供农业、林业使用，基本上不影响风电场周围的环境。随着能源危机与环境恶化的日益加剧，风力发电的越显重要。1.3 中国风力发电发展的现状我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50104MW，居全国之首如图4所示。图4 全年平均风能密度分布在国家可再生能源发展规划和风电装备国产化等相关政策的支持下，我过风电产业得到了快速发展2009 年，虽然金融危机引起的全球经济秩序的动荡仍在持续，但风电行业发展势头迅猛，全球年度市场增长率达 45%，最重要的是中国首次超越美国，成为了 2009 年新增装机容量全球第 1 的国家。2009 年累计装机容量排名前 10 位和新增装机前 10 位的国家如图 5 和图 6 所示。图 5 2009 年全球风电累计装机容量前 10 名的国家图 6 2009 年全球风电新增装机容量前 10 名的国家2009年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124%；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114%。台湾省当年新增风电装机37台，容量77.9MW；累计装机227台，容量436.05MW，如图 7 所示。图 7 历年我国装机储量2011年，在全球性金融危机愈演愈烈的情况下，主权债务危机、欧元区财政失衡、全球经济整体低迷，风电的发展还是取得了满意的发展结果，累积装机量还是在不断提高，同比增长20%，当年新增超过40GW，累计装机容量达238GW。从图 8 、 9 可知，中国的累计装机总量已经超过美国，成为世界第一，且占比已经超过全球的四分之一，达到26.24 %。更能体现中国全球风电领袖地位的是2011年新增风电装机达到17 631MW，全球新增市场占比达到惊人的43.46%，风电发展的速度已经遥遥领先于其他国家。图 8 2011 年全球风电累计装机容量前 10 名的国家图 9 2011 年全球风电新增装机容量前 10 名的国家据统计，2011年中国（不含港、澳、台）全年新增风电装机容量17.63GW，累计装机容量62.36GW。至2011年年底，中国有30个省、市、自治区（不含港、澳、台）有了自己的风电场，风电累计装机超过1GW的省份超过10个，其中超过2GW的省份9个 。可见中国风电发展已势不可挡。第二章 垂直轴风力发电机组的基本概况2.1 垂直轴风力发电机组的工作原理及其特点垂直轴风力发电机的叶轮转轴与地面垂直，故称为垂直轴风力发电机。，是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。2.2 垂直轴风力发电机组的组成结构 垂直轴风力发电机因其起动风速低、风能利用率高、无噪声、无需对风向、安全性高等诸多优点 ,与水平轴风力发电机相比 ,更具有广阔的市场应用前景 ,而且对垂直轴风力发电机组的研究也取得了长足的进步。以H型垂直轴风力发电机组为例H 型垂直轴风力发电机组主要由风轮装置、发电机、刹车装置、控制器和塔架等部件组成 ,如图 1 所示。1、 风轮装置。风轮装置是把风能转换为机械能的重要部件。风轮装置的设计好坏 , 将直接决定整个风力发电机系统的成功与否。风轮装置主要由主轴组件、支持翼、叶片等零部件组成。2、 主轴组件为整个风力发电机组重要的承力构件 ,传递横向风荷载。主轴与塔架可靠连接 ,主轴外的套筒起传递扭矩的作用。若不采用该结构 ,直接将套筒与发电机转子相连 ,则当风轮承受很大的横向风荷载 ,发电机转子受弯扭组合荷载 ,同时处于交变应力状态 ,对其结构设计极为不利。如图 2 所示的承力结构型式可以极大地改善结构的受力情况 ,使得承力结构设计更加合理。支持翼用来连接主轴和叶片 ,以形成具有一定刚性的 H 型框架结构 ,这样有利于叶片的结构设计及整体结构的安全性。图 2 主轴与发电机连接结构型式叶片是风力发电机的关键部件 ,叶片外形设计尤为重要 ,直接关系到能否获得所希望的功率。支持翼与叶片的连接采用如图 3 所示的叶片箍方式 ,以确保两者连接的可靠性。图 3 叶片箍3、 发电机。发电机的结构型式为立式心轴通孔三相交流永磁同步发电机。发电机为结合H 型垂直轴风力发电机特点而专门设计的低转速发电机。4、 刹车装置。刹车装置是风力发电机必须配备的安全控制机构。停机控制使风力发电机在需要进行维修、发生不正常运转或预计发生破坏性强风时 ,使风力发电机停止运转。刹车装置由刹车箍、刹车蹄、刹车带、转轴、摇臂、弹簧、刹车绳等零件组成。5、 控制器。控制器通过发电机的输出为负载或者蓄能装置提供稳定的电能输出。6、 塔架。塔架是用来支撑风力发电机的构件 ,该部分的设计对整个结构的安全运行起着重要的作用。2.3 垂直轴风力发电机组具有的较多显著的特点 1.安全性。采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决； 2.噪音。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度； 3.抗风能力。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风； 4.回转半径。由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率； 5.发电曲线特性。启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在58米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%30%； 6.利用风速范围。采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.525m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性； 7.刹车装置。可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可； 8.运行维护。采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。2.4 垂直轴风力发电机组的类型垂直轴风力发电机按照工作方式的不同可以分为两种：即阻力型垂直轴风力发电机组和升力型垂直轴风力发电机组两种。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。2.4.1 阻力型垂直轴风力发电机组的原理及应用实例阻力型风机是利用空气的阻力做功，典型的结构是S型风轮，这种风力发电机是在1924年由芬兰工程师Savonius发明的，并于1929年获得专利。它由两个轴线错开的半圆柱形组成，如图1-10所示，其起动转矩较大，围绕着风轮会产生对称气流，这将产生侧向的推力。但是，在20世纪20年代开始，许多学者就致力于研究S型风力发电机，对该风机的启动性能进行了大量的风洞实验结果表明，S型发风力发电机的最大风能利用效率仅能达到0.3左右。因此，S型风力发电机只适用于小型垂直轴风力发电机组。图 10 S型风力发电机中国最早利用风能的风力机就是阻力型垂直轴风力机。根据叶片形状和结构可以分为平板摆转式风力机、风杯式阻力差风力机、屏障平板式风力机、塞内加尔式风力机、垂直轴涡轮式风力机和萨沃纽斯（Savonius）型风力机（也叫S型风力机）等，测定风速最常用的杯式风速计就是由风杯式阻力差风力机构造的。阻力型垂直轴风力机常见的类型是萨沃纽斯型风力机，如图所示，转子截面呈S状，由上至下犹如切成一分为二的两半圆柱片。自20世纪20年代以来，不同的研究人员通过风洞实验对萨沃纽斯风力机进行了研究，得出它的最大功率系数可达30%。此外，由于它需要30倍的面积才能输出与传统风力机转子相同的功率，故而从单位重量功率输出角度而言，萨沃纽斯风力机效率不高。它虽然风能利用效率较低、无法实现气动限速功能、抗台风能力弱，但启动性好、转速低、结构简单、运行可靠、安装维护方便，该风力机适合常年风速较低、对风能利用率要求不高、无台风的地区使用，仅对较小功率的需求有用并具经济性，如抽水、驱动小型发电机、通风换气以及在冬季搅拌水塘以防止结冰等。从技术需求角度来说，设计和生产萨沃纽斯风力机非常简单，所以适合在发展中国家或是无电的孤岛上应用。2.4.2 升力型垂直轴风力发电机组的原理及应用实例升力型风机是利用翼形的升力做功，典型的是达里厄型风力机(Darrieus)。达里厄式风轮是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮属于一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。达里厄型风力机有多种形式,以H型、型风轮为典型，H型风轮（如图 11 b ）结构相对比较简单，但这种结构将产生离心力，使得叶片会在其连接点处产生严重的弯曲应力；型风轮（如图 11 a ）所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力荷载，因而其所受的弯曲应力很小。(a) (b)图 11 升力型风力发电机(a) 型风轮 (b) H型风轮H型风轮结构简单，由两片与转轴平行的叶片阻成，叶片截面为流线型的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧，风轮绕风力机转轴旋转。但这种结构造成的离心力使叶片在其连结点处产生严重的弯曲应力。直叶片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力，降低了风力机的效率。图 12a3叶片风力机；图12 b分段型风力机图 12 H型垂直轴风力机 H型风力机的叶片数一般为2至6个，图 12 a是一个有3个叶片的风力机模型。对于可变攻角的达里厄风力机，H型结构便于实现，适于大容量要求的风力机。由于大容量风力机往往叶片很长，不易加工，且成本高，因此将风力机分为几段，然后再串联起来，把它设计成分段型风力机，如图 12 b所示。这样，既保证了功率输出要求，又简化了风力机叶片的加工，降低了成本。 典型的达里厄风力机翼片不是直的，而是弯成弧形，两翼片合成一个形，形结构非常简单，容易实现大型机组的制造与安装，目前在国外运行的大型达里厄风力机都是形结构，图 13 是一台达理厄风力机示意图。型风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力载荷，从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力要强，所以对于相同的总强度，型叶片比较轻，且比直叶片能以更高的速度运行。但型叶片不便采用变桨距方法实现自起动和控制转速。另外，对于高度和直径相同的风轮，型转子比H型转子的扫掠面积要小一些。 图 13 型垂直轴风力机第三章 垂直轴风力机在风力发电中的应用现状目前，风力发电正处在一个高速发展的时期，加大垂直轴风力机的应用研究对风力发电的发展有着重要的意义。垂直轴风力机在风力发电方面的实际应用及潜在应用主要有以下几种类型：H型垂直轴风力机、D-S组合型垂直轴风力机、型垂直轴风力机和垂直轴涡轮式风力机等，其中H型和D-S组合型是目前研究和使用最为广泛的垂直轴风力机类型。3.1 H型垂直轴风力发电机上海麟风风能科技有限公司从2005年起开始对H型垂直轴风力发电机包括空气动力学、材料、结构、发电机等多方面进行了系统研发，现已在H型垂直轴风力发电机这一世界级难题的项目中取得突破。200W、300W、500W、1kW、3kW、5kW、10kWH型垂直轴风力发电机的产品已经开始规模化生产，并且300W、1kW、3kW、5kW和10kW的产品已经安装在世界各地50多个国家。同时他们已经开始设计、制造可变“攻角”50kW风力机。随着研发资金的到位，他们将逐步开始生产兆瓦级H型垂直轴风力发电机样机并进行现场测试。目前他们已经申请9项国际发明专利，不仅具有完全自主的知识产权，而且他们的H型垂直轴风力发电机将来很可能是水平轴风力发电机的替代品。唐山市拓又达科技有限公司研发制造的无铁芯稀土永磁H型垂直轴风力发电机填补了五项国内空白技术，其中湍流促进H型垂直轴风力发电机组项目为自主研发项目，以81项国家专利为支撑，拥有完全自主知识产权。其湍流促进H型垂直轴风力发电机是中小型水平轴风机组的换代产品，无噪音，360度受风，风能利用率达到40%，适合城市区域和低风速区域使用风力发电，将使全国24%风能贫乏区能使用风电，全国50%风能利用区增加20%以上的风能发电量。该公司生产的H型垂直轴风力机在城市街道、高速公路、果园、养殖场、厂区、农村、学校、山区、亭台、汽车和船舶等地方均有应用，有的是结合太阳能电池板一起使用，为路灯、监控设备、通信基站、小微电网、家庭和车船供电，从而改善了人们的生活条件和更好地提高工厂和养殖场生产效率，使经营利润最大化，还为美化环境作出了巨大贡献。黑龙江安德新能源科技开发有限公司从2003年开始在风力发电等新能源领域进行了长期研究和开发，吸收了国内外优秀的科研成果，集主动气动控制技术等多项先进技术于产品中，自主研发出“全风能全风速，主动控制型”的H型垂直轴风力发电机。该风力机实现了风力发电机组运行安全、稳定、发电量高、发电质量好、投入成本低、免维护的设计目的，将现有风电机组总成本降低了35%40%，并适合各种环境下使用，尤其适合海岛和沿海地区供电供暖、制冷和海水淡化使用。该公司研发出来的H型垂直轴风力发电机组主要有10kW、30kW、50kW、100kW、300kW、500kW、1000kW和1500kW机组，并且该类风力机可以在2.53m/s的风速下即可启动，也可承受59m/s超大风速，风速利用范围广，克服了现有风力发电机既需要风能发电，又害怕风力强大损坏风力机结构的尴尬局面，是海上风电场理想的产品。他们将发电机安装在底部直径为1.5m的塔筒里面，可以使发电机免受风霜雨雪的侵蚀，很好的保护了发电机，延长了发电机的使用寿命。 3.2 D-S组合型垂直轴风力发电机深圳市泰玛风光能源科技有限公司通过七年的研发，成功开发出具有世界先进水平的磁悬浮风力发电机，已完成了国际中小型风电技术里程碑式的跨越，将磁悬浮风力发电机应用于风光互补路灯、通信基站、风能充电站等重要领域。该公司所开发的磁悬浮风力发电机是全功率的风力发电机，其特点是集外观设计、实用设计、电机工程学、动力机械学、航空大气工程、风洞测验、磁悬浮技术、电脑模拟分析等学科于一体，采用轻型铝合金、钛金、不锈钢紧固件等轻型特殊材料制造，材料经过无鉻达克罗处理，符合欧盟OHS指令、EUP指令、ELV指令。其工作原理是：采用磁悬浮技术理论、结合超级磁铁的磁力将电机线圈悬浮于一定的空间，在没有任何机械摩擦的情况下，使电机转动并切割磁力线发出交流电，1级风起动、高效能发电、平稳运行。其最大特点是让风力机在没有任何摩擦的状态下微风发电，是属于“小风发小电、大风发大电”的全功率磁悬浮风力发电机。该风力机的诞生，将为人类更加广泛地应用风能提供可靠的风力发电技术。现拥有八种功率的风力发电机分别是：200W、300W、400W、600W、1kW、2kW、3kW、5kW。他们目前与中科院合作研发项目有10kW、250kW等兆瓦级磁悬浮风力发电机，产品在中国、美国、台湾、新加坡、澳大利亚、意大利、德国、西班牙、新西兰等国家和地区开始实际应用。3.3 型垂直轴风力发电机1973年石油危机后，在美国政府的支持下，一些垂直轴风力发电机项目得以开展。在项目进展中风轮直径5m、1017m的系列机型按部就班地开发出来。美国Sandia国家实验室设计过直径34m的变速竖轴风电机组，20世纪90年代初，美国顺风（Flowwind）公司在此基础上开发垂直轴风电机，生产了一系列产品推向市场。但是随着20世纪90年代中期顺风公司倒闭，这种技术再也没有出现在市场上。加拿大研制了风轮直径70m，功率达4MW的垂直轴风力发电机Eole，安装在Magdalen岛，并于1987年投入运行。1980年中国空气动力研究与发展中心研制出我国第一台6m的型垂直轴风力发电机，并在风洞中测得风能利用系数为0.37，8m/s时风力机输出功率为2kW，达到了设计要求。随后这台样机在四川安县、内蒙锡盟等地进行了自然风条件下的试验，分别测定了风力机功率系数和功率、风速特性、启动特性及过速保护特性，结果与风洞实验结果吻合。实验中风力机经受了大风、低温、雨雪等环境的考验，证明风力机的系统设计是成功的。我国于2006年在内蒙古自治区化德县安装了50kW小样机组和2007年在张家口风电场安装了1.5MW垂直轴永磁风力发电机组。兆瓦级机组使用了变速恒频直联技术，改变了目前风力发电机齿轮高速易损坏、难维护等缺点，单位造价可节省40%。3.4 垂直轴涡轮风力发电机上海风合新能源科技发展有限公司从2003年研发出第一台垂直轴涡轮风力发电机开始就一直从事这方面的研究。该类型风力发电机主要由16个导风板、9个叶片、增速机和发电机等组成，结构简单，安装和维护方便，噪音微小，微风即可启动，风速达到7km/h就可产生电能，安装环境要求低，在任何风向下都可工作，包括紊流和旋风。该公司设计的垂直轴涡轮风力机机组由于结构设计特殊，可以将风力机进行叠加组合，即如果单机1kW机组，叠加放置5个，即相当于一个5kW机组，还可以呈菱形放置，两台机组间只需相距直径的1.5倍即可，从而节约占地面积。垂直轴涡轮风力发电机的发电控制系统采用太阳能MPPT控制器进行管理，可保证发电机在各工况下以最大功率工作3.5 应用展望由于风速的随机性，要相对稳定供电，仅依靠垂直轴风力机发电机组是不行的，通常与其他发电方式互补组成系统或与储能装置联合应用。垂直轴风力机发电可与太阳能光伏发电、太阳能光热发电、小型水力发电、海洋能发电、生物质能发电、柴油机发电、燃气轮机发电以及地热发电等组合成各种不同的互补发电系统，是今后新型可持续发展的、为人们喜爱的绿色电力系统。 垂直轴风力机与建筑物完美相结合使能源建筑一体化成为可能。下图是美国Mag-Wind公司把美国普遍的小洋楼屋顶作为主要客户群来开发的一种垂直轴风力机图 5 Mag-Wing 公司的风力机外形图 6 英国垂直轴风力机与建筑物的完美结合图6是英国科研人员将垂直轴阻力型风力机与建筑学相结合，这样做不仅降低了风力机的制造成本，提高了风力机的工作效率，还增强了风力机与建筑物结合的审美感。因此，垂直轴风力机在加快分布式能源系统和绿色建筑领域的发展将有一席之地。目前，中国的大气污染已经对社会环境构成严重威胁，从中央到地方，无不对工业污染造成的经济发展制约和国际对华投资的负面影响而担忧。垂直轴风力机由于具有噪声低、美观、可以与建筑一体化等方面的优势，用它来发电可作为生产清洁能源的补充。水平轴风力发电和光伏做不到的领域，垂直轴风力机发电可以做到。如漂浮式海上风电场、组合式风力发电，风能发电观光塔、太阳能烟囱与风力机耦合发电等领域。风电清洁供暖对提高北方风能资源丰富地区消纳风电能力，减少化石能源低效燃烧带来的环境污染，改善北方地区冬季大气环境质量有重要意义。北地区属于季风带，大约是每年的9月中旬至来年的5月中旬风力较大。冬季大风降温天气较多，风能密度较大，风能质量好。如选用垂直轴风力发电机组供暖，暴风雪会带来更多的绿色电力，为居民供暖、供电提供双重保障。三北地区如果采用垂直轴风力发电供暖，可以在每年的9月中旬季风逐渐形成，房间便开始预热，待正式供暖时房间是暖的，供暖房间的温度过渡平稳。在每年的4月份左右停止供暖时，垂直轴风力机发电仍然能够保持很长一段时间过渡供暖，房间温度仍然舒适。而且，垂直轴风力发电机组将是一种实用的新型家用电器：能够给别墅、分户供暖用户的生活带来极大的方便，避免一氧化碳中毒事件发生，改善生活环境，提高生活品质，降低供暖成本，剩余电量卖给国家可以增加家庭收入。结语风力发电作为全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的技术，得到包括中国在内很多国家的高度重视，而随着科学技术的进步和突破，与传统水平轴风力发电机相比，风能利用率更高，起动风速低，噪音少，结构简单、成本低、效率高的垂直轴风力机必将通过更节能、更科学、更环保的方式为人类生活注入绿色动力，成为国际风力发电技术的研究热点并得到广泛的应用。近年来，中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变新兴市场的风电发展迅速。并且在国家政策的支持下，中国的风力发电行业特别是风电设备的制造业也迅速崛起，目前已经成为全球风电最为活跃的场所。2006年全球风电资金中9%投向了中国，总额达16.2亿欧元（约162.7亿元人民币）。2007年，中国风电装机容量已排名世界第五。参考文献赵丹平，徐宝清风力机设计理论及方法M北京：北京大学出版社，2012：2-5.林宗虎风能及其利用J自然杂志，2008，30何建海，胡以怀，张建霞，等风能在船舶上的应用现状及展望蒋超奇，严强水平轴与垂直轴风力发电机的比较研究J上海电力，2007张春友，田德，王海宽，等我国小型风力发电机的发展现状及趋势J农村牧区机械化2008宋俊风能利用北京：机械工业出版社，2014王承煦，张源风力发电M北京：中国电力出版社，2003：贺德馨风工程与工业空气动力学M北京：国防工业出版社，2006：196.赵振宇，郑源，高玉琴，等风力机原理与应用M北京：中国水利水电出版社，2011：倪受元风力发电讲座第一讲风力机的类型与结构J太阳能，2000陈兴华，吴国庆，曹阳，等垂直轴风力发电机结构研究进展J机械设计与制造，2011杨校生风力发电技术与风电场工程M北京：化学工业出版社，2012：7王海云，王维庆，朱新湘，等风力发电基础M重庆：重庆大学出版社，2010陈良康6米型垂直轴风力发电机J太阳能，1984姚英学，汤志鹏垂直轴风力机应用概况及其展望J现代制造工程，2010邓福南一种涡流导风式风力发电机：中国201310455209.2P2014.01.01.邓福南用于风力发电机组的控制系统：中国，201310455206.9P2014.01.22.杨慧杰，杨文通小型垂直轴风力发电机在国外的新发展J电力需求侧管理，2007方永，胡明辅. 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MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究 4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制 5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究 6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现 9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统 10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究