多年来，风力发电场遍布全球。几乎所有人的目光都聚焦在水平轴风力涡轮机的三个标志性叶片上。这并非没有道理：大型水平轴风力涡轮机能够提供惊人的功率和极高的效率，是并网风力发电的支柱。

但并非所有地点都能容纳百米高的水平轴风力涡轮机塔架。城市屋顶、海上浮动平台、偏远哨所——在这些环境中，垂直轴风力涡轮机（VAWT）开始展现其独特的优势。

近年来，垂直轴风力涡轮机（VAWT）重新进入人们的讨论视野。这并非因为它们在绝对性能指标上优于水平轴风力涡轮机（HAWT），而是因为它们更易于维护和适应性更强。

本文将深入探讨垂直轴风力涡轮机中最关键的部件——叶片，并考察该技术目前的进展情况。

一、垂直轴风力涡轮机有哪些值得重新审视的地方？

坦白说，在相同扫掠面积下，垂直轴风力涡轮机的发电效率无法与水平轴风力涡轮机相媲美。但它的优势在于其他方面。

1. 机械结构简单。

发电机、齿轮箱和其他重型部件都可以放置在地面或低处。塔架无需承受巨大的弯矩，维护人员也无需攀爬百米高的结构。仅此一项就大幅降低了运维成本。与水平轴风力发电机（HAWT）相比，垂直轴风力发电机（VAWT）系统活动部件更少，因此其可靠性更高。

2. 全方位——无需偏航系统。

城市风向不断变化。水平轴风力发电机（HAWT）需要偏航机构来跟踪风向，而这些系统随着时间的推移很容易发生故障。垂直轴风力发电机（VAWT）可以接受任何方向的风，不会出现偏航损失，也不会出现与偏航相关的故障模式。

3. 低噪音，简洁美观。

垂直轴风力涡轮机（VAWT）的叶尖速比（TSR）远低于水平轴风力涡轮机（HAWT）。低转速意味着低噪音——几乎可以实现静音运行。尤其是在建筑一体化项目中，VAWT 运行噪音更低，其外形也更能自然地融入建筑环境。

因此，垂直轴风力涡轮机并非要取代水平轴风力涡轮机。它们在新的应用场景中找到了自己的位置——分布式发电、海上漂浮式风电和城市微电网。

二、两种刀片类型——选错你会后悔

叶片是垂直轴风力涡轮机的核心部件。根据其工作原理，叶片可分为升力型和阻力型两类。二者之间的性能差异显著。

强度：决定叶片行为的参数

在深入比较之前，有一个关键参数定义了叶片特性：实度（σ）。

σ = N × c / D

其中 N 为叶片数，c 为叶片弦长，D 为转子直径。实度直接决定转子的 Cp-TSR 工作包络线：

高实度（σ > 0.4）：低 TSR，易于自启动，较低的 Cp——阻力型转子的标志。

低实度（σ < 0.2）：高 TSR，高效率，但自启动性差——升力型转子的标志。

本质上，叶片的实度、压强和叶片总速比（TSR）构成了一个三元关系。一旦理解了这一点，你就理解了升力型叶片和阻力型叶片之间的根本区别。

2.1 升降类型：选择此款以提高效率

升力型叶片类似于飞机机翼。当风流过叶片表面时，上下表面之间的气流速度差异会产生压力差，从而产生升力。该升力的切向分量驱动旋翼旋转。

翼型选择：NACA 00xx 系列

对于H型垂直轴风力机（VAWT），最常用的叶片翼型是NACA 00xx系列对称翼型，例如NACA 0012、0015和0018。两位数的编号表示厚度与弦长的比值，以百分比表示。较厚的翼型能提供更好的结构完整性，但会略微降低气动效率；较薄的翼型则能提供更高的升阻比，但对制造精度要求更高。翼型的选择取决于运行雷诺数范围和转子尺寸：小型风力机通常使用NACA 0012-0015，而中大型风力机则倾向于使用NACA 0018-0021，以确保结构可靠性。

H型配置

最广泛应用的升降式配置是 H 型，其中几个直叶片通过水平支撑臂连接到中心轴——从上方看就像字母 H。

刀片数量很重要

叶片数量直接影响升力型垂直轴风力涡轮机（VAWT）的性能：双叶片配置最简单、成本最低，但对动平衡要求严格，且扭矩波动较大，容易产生振动。三叶片布局是主流选择——动平衡性好、扭矩波动小，并在效率和稳定性之间取得了良好的平衡。四叶片或更多叶片进一步提高了稳定性，产生更平稳的扭矩，但功率系数有所降低。绝大多数商用中小型H型风力涡轮机都采用三叶片布局。

优点：高效率

在讨论理论时，人们喜欢提及贝茨极限59.3%。这是理论上的上限——在实践中从未达到过。实际应用中的H型风力涡轮机在额定风速附近，其功率系数Cp约为0.25至0.35。在理想条件下，优化设计可以超过0.35，少数实验室原型机在最佳叶尖速比（TSR）下已接近0.40。

在实际应用中，最好的水平轴风力发电机（HAWT）的功率因数（Cp）已达到约 0.50，而升力式垂直轴风力发电机（VAWT）的理论最大值约为 0.40。然而，考虑到垂直轴风力发电机在复杂风场中的优势——例如不易受台风等极端天气的影响、消除偏航损失以及安装和维护成本更低——在某些部署场景下，两者之间的有效发电能力差距会显著缩小。

缺点：自启动能力差

升力式风力涡轮机有一个难以克服的缺陷——在低风速下，它们几乎无法转动。叶片必须先达到一定的转速，才能产生足够的升力来维持旋转。因此，许多升力式风力涡轮机要么配备小型启动电机，要么采用混合式设计，增加一组阻力叶片来辅助启动。

2.2 阻力型：选择此项可获得启动扭矩

阻力式叶片的原理要简单得多——就像风车或风速计一样：风直接推动它们旋转。

萨沃纽斯（S型）

萨沃纽斯转子是经典的转子结构，由两个沿中心轴线错位排列的半圆柱形叶片组成，从上方看呈S形。它的运转完全依靠阻力驱动：凹面吸收风的推力，而另一侧的凸面阻力较小——这种差动产生的净扭矩驱动转子旋转。由于结构简单且没有复杂的空气动力学表面，萨沃纽斯转子即使在风速低至1.5-2米/秒的微风中也能可靠运转。

螺旋（戈尔洛夫型）

还有一种螺旋式结构，叶片沿轴线扭转。这种结构旋转极其平稳，外观也十分引人注目。

优点：响应迅速

启动风速极低——只需1.5-2米/秒的微风即可启动转子。噪音极小，且设计对鸟类友好。

缺点：效率低

传统的阻力式转子（例如经典的萨沃纽斯转子）的比热容通常只有 0.15 到 0.18。优化的螺旋式或变几何设计可以达到 0.20 到 0.25。这使得阻力式涡轮机不适用于公用事业规模的发电，但在绝对效率并非首要考虑因素的应用中——例如小型离网电源、楼宇集成系统——它们比其数值所显示的更具实用性。

2.3 混合型：为什么不两者兼备？

工程师们一直希望兼具两者的优点：既拥有升力型叶片的高效率，又具备阻力型叶片的自启动能力。解决方案是什么？混合式设计。

一种常见的做法是在H型升力叶片内部或外部增加一组阻力叶片。在低风速时，阻力叶片发挥作用，使转子加速。一旦转速足够，升力叶片便接管动力，开始高效发电。

另一种方法是使用螺旋扭曲的叶片，这种叶片在低风速下表现出阻力型特性，在较高风速下则转变为升力型特性。

当然，混合式配置更复杂、更昂贵。但在风况恶劣的场地，它们通常能提供更优异的整体性能。

三、计算方法：扫掠面积和功率输出

无论何种类型，风力涡轮机所能捕获的能量都遵循一个通用公式：

P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp

ρ — 空气密度，海平面约为 1.225 kg/m³。

A——扫掠面积。对于垂直轴风力涡轮机，最常用的计算公式是转子直径×转子高度。

V³——风速的立方。风速翻倍，功率就增加八倍。

Cp — 功率系数，其数值在前几节中讨论过。

扫掠面积的计算方法因结构而异。对于H型转子：扫掠面积 = 直径 × 扫掠高度。对于Φ型（达里厄斯）转子：扫掠面积 ≈ 0.65 × 高度 × 最大直径——这是基于典型叶片轮廓曲率的近似修正值。

一个实际示例

考虑一台H型垂直轴风力发电机，其转子直径为3米，扫掠高度为3.5米。扫掠面积A = 3 × 3.5 = 10.5平方米。在额定风速为10米/秒，并假设Cp = 0.30的情况下：

P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1,930 W

这是一台额定功率接近 2 千瓦级的风力涡轮机。实际输出功率还必须考虑发电机效率（通常为 85% 至 93%）、线路损耗以及风况固有的变化。这个例子也解释了为什么垂直轴风力涡轮机需要至少 20 平方米的扫掠面积才能达到 5 千瓦的功率水平。

四、前方的道路在哪里？

垂直轴风力涡轮机（VAWT）发展的两个方向值得关注：

1. 海上漂浮式风电。

深水区风能资源丰富，但水深限制了桩基结构的可行性——只有浮式平台方案才可行。垂直轴风力涡轮机（VAWT）重心低，在波浪摇晃的平台上比水平轴风力涡轮机（HAWT）稳定性好得多，而且维护也更加便捷。

2. 城市智慧能源。

将建筑一体化光伏发电与垂直轴风力涡轮机相结合，再配上储能装置和微电网控制器，可以将单栋建筑变成一个独立的能源单元。

五、海外事态发展对中国意味着什么

近年来国际研发成果为我们提供了宝贵的参考。在海上漂浮式风电领域，瑞典SeaTwirl公司于2015年成功部署了其30千瓦S1型漂浮式垂直轴风力发电机（VAWT）原型机，验证了低重心VAWT设计在漂浮平台上的稳定性优势。其1兆瓦S2型机组的详细工程设计已经完成。瑞士FlowGen公司已将紧凑型VAWT系统应用于欧洲多个分布式能源项目中。

中国制造商在小功率永磁发电机生产或叶片制造工艺方面并不落后。差距主要体现在两个方面：首先，缺乏长时间、多工况的现场测试数据来验证系统可靠性；其次，系统级集成方面有待改进，特别是叶片、发电机和控制器之间的匹配。与其追求孤立的突破，更务实的做法是首先确保5-50千瓦垂直轴风力发电机系统真正可靠稳定。

六、别忘了发电机——刀片与PMG系统的匹配

一套设计精美的叶片组，如果与发电机不匹配，也毫无意义。这是实际工程中最常被忽视的环节。

齿槽转矩

永磁发电机在转子磁体和定子槽之间存在固有的齿槽转矩。在启动阶段，这种阻力转矩会直接叠加在转子的启动转矩之上。如果永磁发电机的齿槽转矩较大（例如，槽数少且气隙小的设计），系统的实际切入风速可能会从理论上的 2-3 米/秒提高到 4-5 米/秒。在风力资源匮乏的地区，这会造成致命的后果——系统会整天空转而无法发电。对于低速直驱式垂直轴风力发电机系统，选择永磁发电机时必须优先考虑多槽设计，并适当增大气隙，以最大限度地降低齿槽转矩。

速度-功率曲线匹配

在额定工况下，叶片在其最佳叶尖速比 (TSR) 范围内运行（升力型设计通常为 2.5–3.5）。相应的额定转速必须落在永磁发电机 (PMG) 的高效发电区域内（通常为额定转速的 80%–120%）。如果两者不匹配，则可能导致叶片达到额定风速时，PMG 的转速仍低于额定转速，从而造成发电量不足；或者 PMG 过早进入恒功率运行区域，而此时叶片尚未发挥其全部潜力。在系统设计阶段，强烈建议将叶片的功率因数 (Cp) 与叶尖速比 (TSR) 曲线与 PMG 的效率-转速特性曲线进行交叉验证。

直驱与变速箱

垂直轴风力发电机 (VAWT) 的运行速度相对较低（中小型机组通常为 100–250 转/分）。直驱式永磁发电机 (PMG) 消除了齿轮箱的机械损耗和故障风险，但为了在低转速下达到额定输出功率，需要更高的极对数，这会增加电机尺寸和成本。加装齿轮箱可以使用更紧凑的高速发电机，但会增加齿轮维护的需求。目前，直驱式电机在 10 千瓦以下的系统中占据主导地位，而在 10–50 千瓦的功率范围内，两种驱动方式并存，具体选择取决于客户对可靠性和成本的优先考虑。

结语

近年来，垂直轴风力涡轮机（VAWT）技术取得了显著进展，叶片研发尤为引人注目。混合式设计有效地融合了升力型叶片和阻力型叶片的优势。

技术本质上并非关乎绝对的好坏，而只关乎是否适合特定用途。选择合适的配置，就能得到一台性能优良的涡轮机。