本书系统地论述了垂直轴风力机的空气动力原理、机械结构和电气控制原理。本书共14章，第1 ~ 3章介绍风能与风力机基本知识；第4 ~ 5章介绍水平轴风力机的原理；第6 ~ 14章介绍垂直轴风力机。书中不仅有各种丰富的图表和计算公式，还列举了作者在工作实践中的大量设计案例，以期为读者提供更加翔实、可靠的经验数据。
本书的读者对象范围很广，可以包含：中小型风力发电机初学者；政府和企业的风力发电机（尤其是垂直轴风力机）项目管理者；从事垂直轴风力机设计的工程技术人员。本书既能帮助初学者构建关于风力发电机的基础知识，也能帮助研发设计人员做深层的分析计算及风轮设计，并计算载荷、校核构件。本书既适合科普，又适合深入和提高，本书按照知识深浅程度，层层递进，力求让读者易学易懂、提升阅读体验。

前言
第1章　风能利用的基本知识1
1.1　空气密度与风速2
1.1.1　通过热气球理解空气密度2
1.1.2　空气密度与海拔和温度的关系2
1.1.3　风阻力3
1.1.4　风级与风速4
1.1.5　风速的跳变性6
1.1.6　地面粗糙度与风切变9
1.1.7　风的平顺性12
1.1.8　年平均风速与极限风速12
1.1.9　工作风速13
1.1.10　关于年满发小时数13
1.2　测风及其设备15
1.2.1　风速测量15
1.2.2　风向测量 15
1.2.3　配套设备 16
1.2.4　测风数据的利用17
1.3　风功率与捕风面积17
1.3.1　风的动能17
1.3.2　风功率与风功率密度18
1.3.3　风力机的捕风面积与风含功率19
1.3.4　风力发电机的效率21
1.4　风能利用与风频图22
1.4.1　风频图与12m/s额定风速的来由22
1.4.2　风频图是怎样得到的23
1.4.3　根据什么确定额定风速23
1.4.4　怎样决定风力机的捕风面积25
1.4.5　轻风起动与轻风的利用价值26
1.5　因地制宜使用风力发电机26
1.5.1　风力机的地域适应性问题26
1.5.2　高空取能28
1.6　度电成本28
1.6.1　各种电源的度电成本28
1.6.2　风电的度电成本30
1.7　中小型风力发电机的应用场合30
1.8　年平均风功率密度32
1.8.1　定义32
1.8.2　风资源分级34
思考题 35
参考文献 35
第2章　风力机概述36
2.1　历史上的风力机37
2.2　风力机的种类38
2.2.1　水平轴风力机38
2.2.2　垂直轴风力机39
2.3　词语解释41
2.4　风力机的一般规律43
2.4.1　风力机的几个工作状况43
2.4.2　控制的意义44
2.5　风力机的“天敌”45
2.5.1　飞车45
2.5.2　共振46
2.6　风力机常用概念47
2.6.1　叶尖速比47
2.6.2　功率曲线49
2.6.3　风能利用系数与贝茨极限54
2.7　风力机的一般参数55
2.7.1　风力机的起动风速、工作风速、安全风速55
2.7.2　风轮参数与实度55
2.8　中小型风力发电设备的配置与使用56
2.8.1　并网使用57
2.8.2　离网使用58
2.9　怎样评判风力机60
2.9.1　易于操作的评判指标60
2.9.2　评判指标解释 61
2.9.3　补充指标65
2.10　相关标准67
思考题 67
参考文献 69
第3章　风力机原理概述70
3.1　风力机各部分的关系71
3.2　风力机原理框架及构造体系概述72
3.2.1　空气动力原理72
3.2.2　机械系统72
3.2.3　电气系统73
3.2.4　控制系统73
3.3　空气动力的产生74
3.4　翼型74
3.4.1　流线型翼型知识75
3.4.2　翼型怎样产生升力75
3.4.3　水平运动物体的阻力系数76
3.4.4　升力系数与阻力系数77
3.4.5　升力、阻力的计算80
3.4.6　对称翼型81
3.5　翼型的全攻角解读82
3.6　相对风速86
3.7　叶素分析—空气动力分析的基本方法87
3.7.1　取叶素87
3.7.2　抓住4条线及其相互关系88
3.7.3　风速三角形89
3.8　水平轴叶片空气动力原理89
3.8.1　受力三角形89
3.8.2　水平轴桨叶分段空气动力计算90
3.8.3　水平轴桨叶整叶受力分析92
3.8.4　计算叶片空气动力的目的92
3.8.5　关于空气动力计算几个问题的处理93
3.9　水平轴风力机与垂直轴风力机分析方法的不同93
3.10　转动惯量95
3.11　关于雷诺数的解读97
本章小结98
思考题 99
参考文献 99
第4章　中小型水平轴风力机原理100
4.1　叶片角度101
4.1.1　作图观察扭角102
4.1.2　计算扭角103
4.2　水平轴风轮的起动与运行104
4.2.1　风力机转动的力来源于切向力104
4.2.2　定桨水平轴叶片的起动力105
4.2.3　变桨水平轴叶片的起动力105
4.2.4　停机保护时的桨角106
4.2.5　变桨机构107
4.2.6　功率控制逻辑107
4.3　水平轴风力机叶片的受力110
4.3.1　气动力110
4.3.2　离心力111
4.3.3　轴向力的简易计算111
4.4　中小型机基本结构111
4.4.1　中型机结构111
4.4.2　小型机结构112
4.5　最简结构怎样解决功率限制问题115
4.5.1　用控制器控制115
4.5.2　风轮侧偏的功率限制方式115
4.5.3　尾舵板飘摆功率限制方式117
4.5.4　折尾式功率限制方式118
4.6　水平轴风力机控制器、逆变器的相关功能119
4.6.1　水平轴风力机的起动情况119
4.6.2　控制器是如何满足起动要求的120
4.7　电气匹配与管理使用121
4.7.1　电池失效问题121
4.7.2　离网设备的电压匹配问题121
4.7.3　风光互补离网设备的电压匹配问题121
4.7.4　并网逆变器的功率点设置122
4.8　最大功率跟踪123
4.8.1　发电机的电磁阻力123
4.8.2　控制电流，变阻抗运行124
4.8.3　最大功率跟踪的思路124
4.8.4　大功率开关管125
4.8.5　开关逆变与脉宽调制127
4.8.6　脉宽调制的控制信号130
4.8.7　超过额定功率时的控制133
思考题 134
参考文献 134
第5章　中小型水平轴风力机的探讨135
5.1　小型机设计、应用的若干问题136
5.1.1　平衡问题136
5.1.2　尾舵与轮毂结构问题 137
5.1.3　机械制动与控制问题138
5.1.4　技术与非技术问题 138
5.2　中小型水平轴风力机的课题139
5.2.1　加长叶片 139
5.2.2　改变叶片形状140
5.2.3　水平轴的一轴多机模式 141
5.3　一个小型水平轴风力机村级电站案例142
5.3.1　项目概况142
5.3.2　项目问题142
5.3.3　查明问题142
5.3.4　项目的教训145
5.3.5　建设乡村级小微型风电站应有的做法 145
5.3.6　疑问146
思考题 146
第6章　垂直轴风力机概述147
6.1　升力型垂直轴风力机介绍148
6.2　升力型垂直轴风力机的历史149
6.2.1　大型达里厄型垂直轴风力机曾并网运营149
6.2.2　为什么顶部拉绳式Φ形垂直轴风力机会退出历史舞台149
6.2.3　落地是优势还是劣势149
6.3　升力型垂直轴风力机的结构及特点150
6.3.1　基本结构150
6.3.2　关于磁悬浮152
6.3.3　叶片材料153
6.4　为什么是直叶片154
6.5　升力型垂直轴风力机的翼型157
6.6　垂直轴风力机的优点157
本章小结 159
思考题 159
第7章　升力型垂直轴风力机原理详解161
7.1　垂直轴与水平轴风轮的本质不同 162
7.2　叶片旋转一周总览163
7.3　从3叶风轮的分图看风速三角形 165
7.3.1　以3叶风轮的分图进行分析165
7.3.2　对称翼型的扩展攻角166
7.4　垂直轴风轮是怎样起动的166
7.4.1　阻力起动力计算166
7.4.2　升力起动力计算169
7.4.3　阻力起动推理170
7.4.4　起动阻力矩计算170
7.4.5　垂直轴风力机起动计算的步骤171
7.4.6　不能起动的情形172
7.5　垂直轴风轮是怎样运行的173
7.6　垂直轴空气动力计算174
7.6.1　求相对风速Vw174
7.6.2　求攻角α174
7.6.3　求投影角β、切向力Fq175
7.7　求输出功率的一般式176
7.7.1　风力发电机输出功率176
7.7.2　风力发电机效率式177
7.8　径向力177
7.8.1　径向力的分析177
7.8.2　径向力—水平推力的计算179
7.8.3　水平推力的频率181
7.8.4　计算实例182
本章小结 186
思考题 187
第8章　垂直轴风力机的结构与受力188
8.1　垂直轴风力机的常见机身结构189
8.1.1　单发电机的机身结构189
8.1.2　多发电机的机身结构191
8.2　机体易破坏位置192
8.3　简易校核概述192
8.4　受力分析计算194
8.4.1　机体上力的作用点194
8.4.2　机体、塔柱受力计算194
8.5　机体弯曲应力简易校核举例197
8.5.1　机体校核举例 197
8.5.2　塔柱校核举例 200
8.6　直叶片的受力分析201
8.6.1　直叶片受力损坏的情形201
8.6.2　直叶片的离心力分析202
8.7　直叶片的受力校核204
8.7.1　怎样校核流线型叶片204
8.7.2　叶片校核举例206
本章小结 207
本章要点 208
思考题 208
第9章　升力型垂直轴风力机的设计209
9.1　设计思想210
9.1.1　追求较高的叶尖速比210
9.1.2　安全生存的目标210
9.1.3　造价要低、结构要简211
9.1.4　便于风场组装、运输和吊装211
9.2　怎样规划风力机212
9.2.1　风轮参数规划212
9.2.2　风轮转速与发电机参数的规划214
9.3　垂直轴风力机的机体参数的计算215
9.4　轴承参数及载荷考察 217
9.5　关于加工218
9.5.1　法兰-圆管焊合结构体218
9.5.2　轴柱体的制作要求219
9.5.3　关于齿轮啮合精度220
9.5.4　齿圈材料221
9.5.5　齿轮校核221
9.5.6　齿轮的简便校核方法223
9.6　零部件设计224
9.6.1　轴承选用224
9.6.2　选定钢材226
9.6.3　选定轴柱体机身直径226
9.6.4　传动方式的设计227
9.6.5　关于叶片设计228
9.6.6　不锈钢焊合式钣金叶片229
9.7　防雷设计231
9.8　地基设计232
第10章　设计实例234
10.1　规划235
10.2　计算载荷237
10.2.1　动态水平推力237
10.2.2　静态水平推力238
10.3　机体设计238
10.3.1　求钢管轴尺寸239
10.3.2　求轴承规格241
10.3.3　轴的设计241
10.4　叶片设计242
10.5　支臂设计244
10.6　传动设计245
10.7　防雷设计246
10.8　阻力轮设计246
10.9　塔柱设计247
10.10　吊装设计248
10.11　气动减速方案249
第11章　垂直轴风力机的研发250
11.1　技术路线的选择251
11.1.1　三层选择251
11.1.2　关于机型的选择251
11.1.3　实度的选择252
11.1.4　叶片厚度的选择252
11.2　技术布局的必要性253
11.3　技术布局的内容253
11.3.1　落实试验风场253
11.3.2　定好控制模式、决定控制系统254
11.3.3　选定数据采集系统255
11.3.4　加工、监造与吊装256
11.3.5　组织研发班子257
11.3.6　制定评判标准257
11.4　模拟风动试验258
11.4.1　车载风动试验258
11.4.2　风口吹风试验259
11.4.3　风洞试验260
11.4.4　简易风洞260
11.4.5　简易风洞实测记录 （5个记录例） 264
11.5　饱和转速法268
11.6　一个9m2风洞设计案例268
11.6.1　设计简易风洞应知事项269
11.6.2　设计案例270
11.7　破坏性试验272
11.7.1　未经检验结果惨遭风毁的案例272
11.7.2　找到首个破坏点274
11.7.3　拖动试验274
11.7.4　检验后再宣传274
11.8　加工不合格危害研发的案例275
第12章　关于垂直轴风力机的探讨277
12.1　低风速机型278
12.2　轴柱抗倾覆279
12.3　叶片抗弯280
12.4　气动减速问题281
12.4.1　阻力减速法281
12.4.2　破坏升力法281
12.4.3　气动减速方面的现状282
12.5　安装角问题283
12.6　非对称叶片问题283
12.7　功率做大的问题285
12.8　叶端的压差损失285
12.9　造价与微风发电等问题286
第13章　阻力型垂直轴风力机289
13.1　什么是阻力型风轮290
13.2　萨沃纽斯阻力轮290
13.2.1　S轮的实机野外实测数据291
13.2.2　S轮风洞试验数据293
13.3　分离风斗式阻力轮294
13.4　转帆式阻力轮295
13.4.1　特点概述295
13.4.2　转帆式阻力轮是怎样工作的295
13.4.3　转帆式阻力轮的分析计算297
13.4.4　转帆式阻力轮为什么用平板302
13.5　可对风的遮挡式阻力轮303
13.5.1　遮挡式阻力轮的计算305
13.5.2　遮挡式阻力轮宜采取3风板307
13.5.3　遮挡式横轴阻力轮307
13.6　翻身风斗式阻力轮308
13.6.1　翻身风斗式阻力轮的工作机理309
13.6.2　小结：一整圈风斗姿态与出力状况313
13.6.3　双风斗自动对风可行性分析314
13.6.4　3风斗自动对风可行性分析315
13.6.5　出力和效率分析318
13.7　其他阻力轮319
13.8　极地应用——阻力轮可能的应用场合321
13.8.1　极端风况下利用风能必须做专门研究321
13.8.2　极地可采用的阻力型风力机324
13.8.3　一个极地小微电站的构成326
思考题 327
参考文献 327
第14章　国内垂直轴风力机的探索历程328
14.1　概述329
14.2　大型机的探索329
14.2.1　拉绳式达里厄型机329
14.2.2　独立塔柱式达里厄型机330
14.2.3　H形8叶大型机331
14.2.4　双叶组H形大型机333
14.3　中小型机的兴起334
14.3.1　达萨机的流行334
14.3.2　纯升力直5叶H形机的流行335
14.3.3　10kW达萨型样机设计335
14.3.4　35kW达萨型样机设计336
14.4　近年来的发展337
14.4.1　直叶升阻结合H形机成为主流 337
14.4.2　垂直轴风力机市场的新形势338
14.5　其他方面的探索338
14.5.1　塔柱上装机的问题338
14.5.2　楼顶上装机的问题 339
14.6　应留下的思考339
思考题341

中小型风力发电机是风能利用领域一个较小的板块，近20年来，其发展态势有起有落。随着“双碳”目标的推进，“千乡万村驭风行动”加速落地，中小型风力发电机又迎来新机遇。源网荷储一体分布式电站需求的兴起，也为中小型风力发电机开辟了新的应用场景。自2022年以来，国际市场上的需求也出现猛增，我国是中小型风力发电机产品的主要输出国。据有关方面统计预测，2023—2030年全球小型风力发电市场年均复合增长率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）将为15.1%。
垂直轴风力机是中小型风力发电机的分支，由于价格和成熟度问题，国内外市场份额与水平轴风力机相比，一直有较大差距。但近两年来，国内外市场对垂直轴风力机的需求猛增，说明市场对垂直轴风力机的认可，在此形势下，越来越多的开发者进入这个领域，引发中小型垂直轴风力机新一轮的发展热潮。
垂直轴风力机诞生于欧洲、探索在北美、发展在中国。国内一些民营企业孜孜不倦地对垂直轴风力机做了20年的改进，把升力型垂直轴风力机做成了实用产品，行销国内外。但国内对垂直轴风力机的理论研究、技术开发还很不深入，产品也并不完善，市场认知更是远未成熟。
十几年前，作者刚开始进行垂直轴风力机的开发时，找不到垂直轴风力机方面的资料，就萌生了自己写一本关于垂直轴风力机图书的想法，这些年一直坚持边做研究设计边积累资料，现在作者愿把积累的研究设计垂直轴风力机的理论知识和实践经验汇集在本书中，以帮助更多的读者了解并掌握此方面的知识。
风力发电机是一门实用技术，本书注重基本原理，面向实际问题，语言朴素、通俗易懂、循序渐进、环环相扣，用各种实例来解释实际问题。
但风力机又不同于一般的实用技术，风力机的性能是由风轮决定的，风轮参数有多种组合，每一种组合都会导致不同的性能；风力机是靠风力推动，具有很大的不确定性，这也是风力机开发的难点和趣味所在。
本书系统地论述了垂直轴风力机的空气动力原理、机械结构和电气控制原理。可以这样说，读者看完本书，对一般风力发电机（重点是垂直轴风力机）就基本能够做到“心中有数”；研读本书，就可以自行从事垂直轴风力机设计。
本书分14章，第1章介绍了风能及风能利用基础知识，为学习风力发电机知识做铺垫；第2章介绍了风力机的一般常识、常用概念和术语（前两章是从事风力发电机项目管理者的必备知识）；第3章介绍了风力机通用的原理、构造体系、空气动力一般原理；第4 ~ 5章介绍了水平轴风力机的原理、中小型水平轴风力机的构造、水平轴风力机控制及最大功率跟踪，并列举了一个村级风力机案例。
从第6章开始，都是关于垂直轴风力机的内容。其中，第6章介绍了垂直轴风力机的一般知识；第7章介绍了垂直轴风力机的基本构造和空气动力原理，重点讲解升力型叶片空气动力分析计算；第8章介绍了垂直轴风力机常见机体构造形式，重点是机体与塔柱的受力与校核、叶片受力与校核；第9章介绍了垂直轴风力机的设计及样机的加工；第10章介绍了一个样机设 计实例，整机各部分设计都有涉及；第11章介绍了垂直轴风力机的研发，还介绍了简易风洞试验室的设计，并列举了加工不合格导致失败的案例；第12章介绍了垂直轴风力机重大问题的探讨及开发方向；第13章专门介绍了阻力型垂直轴风轮的原理与空气动力计算，探讨了阻力型风力发电机可能的应用场；第14章介绍了国内垂直轴风力机的发展。
多年来，业内各位老师和朋友给作者提供了丰富的知识营养和良好的成长机会，在此表示诚挚的谢意。对机械工业出版社所做的工作，在此也一并表示感谢。
鉴于作者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，恳请读者批评与指正。

作　　者　　
2025年5月