簡析幾種垂直軸風力發電機翼型的調節方式 - 全文

　　風力發電機多種多樣，但簡單歸納起來可分為兩類：

　　1、水平軸風力發電機，即風輪的旋轉軸與風向平行；

　　2、垂直軸風力發電機，即風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流的方向。

垂直軸風力發電機

　　本文主要描述的是垂直軸風力發電機。垂直軸風力發電機（vertical axis wind turbine VAWT）從分類來說，主要分為阻力型和升力型。

　　阻力型垂直軸風力發電機主要是利用空氣流過葉片產生的阻力作為驅動力的，而升力型則是利用空氣流過葉片產生的升力作為驅動力的。由于葉片在旋轉過程中，隨著轉速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，所以升力型的垂直軸風力發電機的效率要比阻力型的高很多。

　　利用阻力旋轉的垂直軸風力發電機有幾種類型，其中有利用平板和杯子做成的風輪，這是一種純阻力裝置；S型風車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩，但尖速比低，在風輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。

　　達里厄式風輪是法國G.J.M達里厄于19世紀30年代發明的。在20世紀70年代，加拿大國家科學研究院對此進行了大量的研究，是水平軸風力發電機的主要競爭者。達里厄式風輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，它的啟動力矩低，但尖速比可以很高，對于給定的風輪重量和成本，有較高的功率輸出。世界上有多種達里厄式風力發電機，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。這些風輪可以設計成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。

　　從達里厄發明升力型垂直軸風力機至今已180多年了，但一直未能廣泛應用，主要是自身的一些缺點妨礙了應用。不能自起動是其重要的缺點，但主要的缺點還是對風力的變化范圍與負荷的變化范圍要求過窄，這也涉及它不能調速的缺點。

　　1、固定葉片升力型垂直軸風力發電機

圖1升力型垂直軸風力機風輪葉片布置圖

　　傳統達里厄風力機采用ф形葉片，目前較多采用直葉片（H型）結構，達里厄風力機的葉片相對于風輪是固定的，也就是葉片弦線角度是不可調的。圖1是風輪的葉片分布圖。

　　升力型風力機是利用葉片的升力推動風輪旋轉做功，對于多數普通翼型的葉片在理想狀態下，在攻角為0至15度能產生升力，而在8至13度能產生大的升力且阻力較小。圖2是風力機的葉片旋轉到風輪向風側（0度位置）時的氣流與受力圖。

圖2葉片在正常與失速時升力阻力對比圖

　　圖2左側圖中葉片受到相對風速W的作用產生升力L與阻力D，相對風速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度，相對風速W由風速V與葉片運動速度u合成，此時的葉片運動的速度約風速的4倍，即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F，該力對風輪的力矩力為M，是推動風輪旋轉的力。在葉尖速比為4時，葉片運行在向風側或背風側均能產生推動風輪旋轉的力矩，僅在兩側（90度與180度）附近升力很小，會有不大的負向力矩。

　　在圖2右側圖中風速增加了一倍，葉片運動的速度未變，葉尖速比約為2，葉片的攻角α約為27度，葉片工作在失速狀態，此時葉片產生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相對風輪產生的力矩力M為負向，是阻止風輪旋轉的，在這種風速與轉速下葉片產生負向力矩的可能性是很大的。

　　其實葉片在葉尖速比為4（α為14度）時已在失速的邊沿，低于4時升力L已不再增加，阻力D已明顯上升，風葉產生的力矩力M有可能為0或負向。好在葉片運行在0度至90度中間一段區域葉片攻角較小能產生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中間也有這樣一段區域。但在在葉尖速比小于3.5（α大于16度）時這樣的區域就越來越小了。

　　圖3中是升力型垂直軸風力機的功率系數Cp與葉尖速比tsr的關系曲線，可見葉尖速比在4至6之間才有較高的功率系數，而且氣流是在理想的狀態下。

圖3固定葉片垂直軸風力機功率系數與葉尖速比關系曲線圖

　　然而風力大小不可能穩定，風力機負荷也不會不變，當風速快速增加，風力機轉速不能立即同步跟上，葉尖速比可能降至3.5以下，風力機可能遭受反向力矩的沖擊而運行不穩；這種情況在風力機負荷增加轉速下降導至葉尖速比下降時同樣會出現；在風速下降時風力機因負荷轉速會下降更快，也可能出現這種情況。要求風力或負荷的變化范圍較窄就是固定葉片升力型垂直軸風力機的主要問題，不能自起動也是固定葉片升力型垂直軸風力機的重要缺點，這些都給應用帶來許多限制。

　　2、升力型垂直軸風力發電機翼型調節的方式

　　在水平軸風力機中采用變漿距角的方法來適應風速的變化、調節風速與負荷間的關系，在垂直軸風力機中通過改變翼型也可改善運行性能。下面淺析幾種控制翼型的方法及優缺點：

　　1）按程序指定的角度來改變葉片的角度

　　用微處理機來控制葉片的角度是最好的方法，不過本文不討論用微處理機控制的方式只討論用最簡單的機械方法控制葉片的角度。

　　采用凸輪推桿或偏心輪調整葉片攻角，在葉片長度方向有葉片轉軸，葉片通過葉片轉軸安裝在風輪的葉片支架上，有連桿拉動葉片轉動，連桿受凸輪或偏心輪的控制，還裝有對風裝置使凸輪受風向控制，凸輪是按設定的控制規律來設計，使葉片運轉到不同的位置轉向預定的角度。

　　這種風力機能自起動，能在較寬的風速范圍內工作。

　　缺點是：由于葉片在各個位置上的轉角相對于風向是固定的，與風速無關，故僅對設計的風速有高的轉換效率，在其它風速時，葉片攻角并不一定最佳，在正常工作時葉片應基本不擺動，故這種固定的擺動規律是無法在較寬的風速的得到大的轉換效率。

　　結構上的缺點：結構復雜、機械磨損大，不適合惡劣環境運行，噪聲也大。

　　2）利用風力與擋塊控制葉片的角度

　　靠風力直接推動葉片擺動，用擋桿限制擺動角度。在葉片長度方向有葉片轉軸，葉片轉軸位置在葉片的壓力中心前側（標準的常用翼型正常運行時壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置），葉片通過葉片轉軸安裝在風輪的葉片支架上，葉片可繞軸轉動。葉片轉軸設在離葉片前緣1/4葉片弦長前的位置，可保證葉片在任何角度風對葉片的作用力合力的作用點在轉軸的后方，能使葉片隨風擺動。在支架上還有擋桿限制葉片擺動的角度，圖4是其結構示意圖。

圖4利用風力與擋塊控制葉片的擺動角度

　　圖5是葉片受風力作用下葉片擺動的示意圖，葉片隨風擺動可使風力機在較低的風速下也能較好的工作，葉片旋轉至風輪向風側時，葉片向風輪內側偏擺，葉片旋轉至風輪背風側時，葉片向風輪外側偏擺，均能形成較大的轉矩力，圖中葉尖速比約為2，左方是葉片旋轉至風輪向風側時受力狀況，右方是葉片旋轉至風輪背風側時受力狀況。

圖5葉片受風力作用擺動示意圖

　　這種方式優點是風力機能夠自起動，而且在低風速到較高的風速下都能工作。

　　缺點是葉片運行至90度或270度附近的區域時，葉片擺至兩側擋桿間的位置，處于順風位置，沒有升力僅有阻力。而且隨葉尖速比的增加，葉片處于順風的區域加大；如果葉片可擺動的范圍是±15度，葉片的最高葉尖速比就不會超過4，因為葉尖速比超過4時，葉片在風輪旋轉整周都處于順風位置，沒有升力僅有阻力，即使沒有負荷，轉速也不會增加。所以葉片可擺動的范圍若超過±15度時風力機風能利用效率會明顯降低，若葉片可擺動的范圍小于±15度時風力機自起動能力會很差。

　　從結構上看優點是：結構簡單，運動副最少，加工安裝維護容易。缺點是頻繁撞擊擋塊易造成構件損傷、噪聲也大。

　　3）利用風力與離心擋塊控制葉片的角度方案一

　　在轉速增高時減小葉片的擺動角度，可適應較寬的風速范圍，運行到較高的葉尖速比，下面是一種控制偏擺角度的方式：

　　葉片的轉軸與安裝與2小節相同。在葉片上固定有擺桿，離心滑動擋塊可沿支架軸線滑動，并通過彈簧與支架連接，圖6左圖為其結構示意圖。葉片擺動時擺桿在離心滑動擋塊的V型口內擺動，V型口的邊沿將限制葉片的擺動角度。

　　當風輪旋轉時，離心滑動擋塊受離心力作用向風輪外側移動，移動量隨轉速增高加大。在風輪轉速低時檔桿在V型口上端，葉片有較大的擺動幅度，見圖6中部圖；在風輪轉速升高時檔桿在V型口底部，葉片可擺動幅度較小，見圖6右部圖。

圖6利用V形離心滑動擋塊控制葉片的擺動角度

　　這種控擺方式的優點是：風力機可自起動，在未達到額定轉速時，如葉尖速比在2時也會有功率輸出，在達到額定轉速時，葉片不擺動，可運行到較高的葉尖速比。

　　缺點是：葉片仍然是在一個限位區間內擺動，該區間隨轉速增加而減小，也就是說當轉速不變時葉片可擺動的角度是不變的，葉片運行至90度或270度附近的一段區域時，葉片在限位區間內順風擺動，沒有升力僅有阻力。

　　從結構上看是復雜了，滑動件對機械加工要求高，密封潤滑較麻煩，而且在低于額定轉速時仍有限位時的撞擊，對結構強度有影響，也會有噪聲。

　　4）利用風力與離心擋塊控制葉片的角度方案二

圖7利用離心滑動擋塊控制葉片的擺動角度

　　圖7是另一種利用離心滑塊控制偏擺角度的方式，在風輪支架上有帶擋輪的離心滑塊，滑塊在靠葉片端自由滑動。風輪旋轉時滑塊受離心力作用靠緊葉片，風則推動葉片擺動，擺動的葉片又把滑塊推向支架內側，葉片將擺至風力與離心力平衡的位置。風輪旋轉時滑塊的擋輪始終靠緊葉片，滑塊對葉片的作用是連續的，葉片的擺動也是連續的，消除了順風擺動的區間。

　　圖7中左圖是風輪不轉動時，葉片與擋塊都處于任意位置；圖7中圖是風輪還未進入額定轉速，葉片在上風位置，有較大擺角；圖7右圖是葉片在兩側位置，或進入額定轉速的狀態，擺角很小。

　　這種控擺方式比上種方式的優點是：連續的控擺，沒有順風擺動區間，有利于進一步提高風力機的運行效率。

　　結構上的優點是沒有了沖擊，減小了噪聲。但滑塊的移動非常頻繁，仍存在滑動件對機械加工要求高，密封潤滑較麻煩等問題，同時小擋輪的防塵也較麻煩。

　　3、利用風力與離心力直接控制葉片的角度

　　不用滑動擋塊，利用離心力與風力直接控制葉片擺動的角度，一種新設計的結構使運動副減為最少，其結構如下：

圖8利用風力與離心擺控制葉片的擺動角度

　　葉片的轉軸與安裝與2小節相同。在葉片朝向風輪外側一面固定一根擺桿，擺桿指向風輪外側，其軸線通過葉片轉軸與風輪轉軸，擺桿外端部有一個離心錘，離心錘與葉片一起繞葉片轉軸轉動，圖8是結構與擺動示意圖。

圖9葉片受離心擺力與風力作用示意圖

　　在圖9的兩圖中將分析風輪在風力作用下旋轉時葉片受控偏擺時的受力情況，圖中僅顯示葉片、離心錘與主要力矢。箭頭W代表風力的方向，葉片正以線速度ｕ正常運行，葉片受到以升力為主的空氣動力F2，力作用點為葉片的壓力中心；由于風輪旋轉，離心錘受到離心力F1作用，F1與F2相對于葉片轉軸的矩轉向相反，在兩力矩作用下葉片擺向兩力矩平衡的位置，該位置就是葉片隨風輪旋轉至該點的被控偏擺角度。左圖是風葉旋轉至風輪向風側時，風葉向風輪內側偏擺的受力狀態，右圖是風葉旋轉至風輪背風側時，風葉向風輪外側偏擺的受力情況，轉速越高離心力越大，風葉偏擺角度越小，在較高風速時可達較高的葉尖速比。

　　改變離心錘的質量大小或改變離心錘在離心擺桿上的位置均可調整離心力的大小，使葉片運行在較合適的狀態。

　　在風輪支架上仍安裝有限位擋桿，設置擋桿僅僅是限止風力機起動時的葉片擺動角度，風輪起動后隨轉速的提高，離心力加大使葉片偏擺角度減小，葉片不會撞擊擋桿，風速達到額定風速后，風輪工作在升力狀態，葉片僅有小角度偏擺。

　　采用這種控擺方式的風力機可自起動，葉尖速比在1以下運行在阻力狀態，葉尖速比從1以上進入到升力阻力混合狀態，葉尖速比在1.5以上即進入升力工作狀態，葉片的擺動是連續的，沒有順風擺動區間，有利于風能利用效率的提高。

　　從結構上講，機構簡單，運動副只有葉片與風輪支架間通過軸承聯接，運轉可靠，加工與安裝容易，潤滑與密封容易，價格低廉，基本不需要維護。風力機運轉后靠風力與離心力的平衡控制葉片擺動角度，不會撞擊擋桿，也不會有噪聲。

　　但該方案要求葉片有很小的轉動慣量，對材料選擇與結構設計要求高。