風(fēng)力發(fā)電機(jī)多種多樣，但簡(jiǎn)單歸納起來(lái)可分為兩類：

　　1、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；

　　2、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流的方向。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　　本文主要描述的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（vertical axis wind turbine VAWT）從分類來(lái)說(shuō)，主要分為阻力型和升力型。

　　阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是利用空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動(dòng)力的，而升力型則是利用空氣流過(guò)葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動(dòng)力的。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會(huì)增大，所以升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率要比阻力型的高很多。

　　利用阻力旋轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有幾種類型，其中有利用平板和杯子做成的風(fēng)輪，這是一種純阻力裝置；S型風(fēng)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(dòng)力矩，但尖速比低，在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。

　　達(dá)里厄式風(fēng)輪是法國(guó)G.J.M達(dá)里厄于19世紀(jì)30年代發(fā)明的。在20世紀(jì)70年代，加拿大國(guó)家科學(xué)研究院對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。達(dá)里厄式風(fēng)輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，它的啟動(dòng)力矩低，但尖速比可以很高，對(duì)于給定的風(fēng)輪重量和成本，有較高的功率輸出。世界上有多種達(dá)里厄式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。這些風(fēng)輪可以設(shè)計(jì)成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。

　　從達(dá)里厄發(fā)明升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)至今已180多年了，但一直未能廣泛應(yīng)用，主要是自身的一些缺點(diǎn)妨礙了應(yīng)用。不能自起動(dòng)是其重要的缺點(diǎn)，但主要的缺點(diǎn)還是對(duì)風(fēng)力的變化范圍與負(fù)荷的變化范圍要求過(guò)窄，這也涉及它不能調(diào)速的缺點(diǎn)。

　　1、固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

圖1升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片布置圖

　　傳統(tǒng)達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)采用ф形葉片，目前較多采用直葉片（H型）結(jié)構(gòu)，達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)的葉片相對(duì)于風(fēng)輪是固定的，也就是葉片弦線角度是不可調(diào)的。圖1是風(fēng)輪的葉片分布圖。

　　升力型風(fēng)力機(jī)是利用葉片的升力推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做功，對(duì)于多數(shù)普通翼型的葉片在理想狀態(tài)下，在攻角為0至15度能產(chǎn)生升力，而在8至13度能產(chǎn)生大的升力且阻力較小。圖2是風(fēng)力機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)到風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)（0度位置）時(shí)的氣流與受力圖。

圖2葉片在正常與失速時(shí)升力阻力對(duì)比圖

　　圖2左側(cè)圖中葉片受到相對(duì)風(fēng)速W的作用產(chǎn)生升力L與阻力D，相對(duì)風(fēng)速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度，相對(duì)風(fēng)速W由風(fēng)速V與葉片運(yùn)動(dòng)速度u合成，此時(shí)的葉片運(yùn)動(dòng)的速度約風(fēng)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(duì)風(fēng)輪的力矩力為M，是推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速比為4時(shí)，葉片運(yùn)行在向風(fēng)側(cè)或背風(fēng)側(cè)均能產(chǎn)生推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩，僅在兩側(cè)（90度與180度）附近升力很小，會(huì)有不大的負(fù)向力矩。

　　在圖2右側(cè)圖中風(fēng)速增加了一倍，葉片運(yùn)動(dòng)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(tài)，此時(shí)葉片產(chǎn)生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩力M為負(fù)向，是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的，在這種風(fēng)速與轉(zhuǎn)速下葉片產(chǎn)生負(fù)向力矩的可能性是很大的。

　　其實(shí)葉片在葉尖速比為4（α為14度）時(shí)已在失速的邊沿，低于4時(shí)升力L已不再增加，阻力D已明顯上升，風(fēng)葉產(chǎn)生的力矩力M有可能為0或負(fù)向。好在葉片運(yùn)行在0度至90度中間一段區(qū)域葉片攻角較小能產(chǎn)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(qū)域。但在在葉尖速比小于3.5（α大于16度）時(shí)這樣的區(qū)域就越來(lái)越小了。

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

圖3固定葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲線圖

　　然而風(fēng)力大小不可能穩(wěn)定，風(fēng)力機(jī)負(fù)荷也不會(huì)不變，當(dāng)風(fēng)速快速增加，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能立即同步跟上，葉尖速比可能降至3.5以下，風(fēng)力機(jī)可能遭受反向力矩的沖擊而運(yùn)行不穩(wěn)；這種情況在風(fēng)力機(jī)負(fù)荷增加轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)至葉尖速比下降時(shí)同樣會(huì)出現(xiàn)；在風(fēng)速下降時(shí)風(fēng)力機(jī)因負(fù)荷轉(zhuǎn)速會(huì)下降更快，也可能出現(xiàn)這種情況。要求風(fēng)力或負(fù)荷的變化范圍較窄就是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要問(wèn)題，不能自起動(dòng)也是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的重要缺點(diǎn)，這些都給應(yīng)用帶來(lái)許多限制。

　　2、升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)翼型調(diào)節(jié)的方式

　　在水平軸風(fēng)力機(jī)中采用變漿距角的方法來(lái)適應(yīng)風(fēng)速的變化、調(diào)節(jié)風(fēng)速與負(fù)荷間的關(guān)系，在垂直軸風(fēng)力機(jī)中通過(guò)改變翼型也可改善運(yùn)行性能。下面淺析幾種控制翼型的方法及優(yōu)缺點(diǎn)：

　　1）按程序指定的角度來(lái)改變?nèi)~片的角度

　　用微處理機(jī)來(lái)控制葉片的角度是最好的方法，不過(guò)本文不討論用微處理機(jī)控制的方式只討論用最簡(jiǎn)單的機(jī)械方法控制葉片的角度。

　　采用凸輪推桿或偏心輪調(diào)整葉片攻角，在葉片長(zhǎng)度方向有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片通過(guò)葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪的葉片支架上，有連桿拉動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿受凸輪或偏心輪的控制，還裝有對(duì)風(fēng)裝置使凸輪受風(fēng)向控制，凸輪是按設(shè)定的控制規(guī)律來(lái)設(shè)計(jì)，使葉片運(yùn)轉(zhuǎn)到不同的位置轉(zhuǎn)向預(yù)定的角度。

　　這種風(fēng)力機(jī)能自起動(dòng)，能在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)工作。

　　缺點(diǎn)是：由于葉片在各個(gè)位置上的轉(zhuǎn)角相對(duì)于風(fēng)向是固定的，與風(fēng)速無(wú)關(guān)，故僅對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)速有高的轉(zhuǎn)換效率，在其它風(fēng)速時(shí)，葉片攻角并不一定最佳，在正常工作時(shí)葉片應(yīng)基本不擺動(dòng)，故這種固定的擺動(dòng)規(guī)律是無(wú)法在較寬的風(fēng)速的得到大的轉(zhuǎn)換效率。

　　結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械磨損大，不適合惡劣環(huán)境運(yùn)行，噪聲也大。

　　2）利用風(fēng)力與擋塊控制葉片的角度

　　靠風(fēng)力直接推動(dòng)葉片擺動(dòng)，用擋桿限制擺動(dòng)角度。在葉片長(zhǎng)度方向有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片轉(zhuǎn)軸位置在葉片的壓力中心前側(cè)（標(biāo)準(zhǔn)的常用翼型正常運(yùn)行時(shí)壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長(zhǎng)位置），葉片通過(guò)葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪的葉片支架上，葉片可繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。葉片轉(zhuǎn)軸設(shè)在離葉片前緣1/4葉片弦長(zhǎng)前的位置，可保證葉片在任何角度風(fēng)對(duì)葉片的作用力合力的作用點(diǎn)在轉(zhuǎn)軸的后方，能使葉片隨風(fēng)擺動(dòng)。在支架上還有擋桿限制葉片擺動(dòng)的角度，圖4是其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4利用風(fēng)力與擋塊控制葉片的擺動(dòng)角度

　　圖5是葉片受風(fēng)力作用下葉片擺動(dòng)的示意圖，葉片隨風(fēng)擺動(dòng)可使風(fēng)力機(jī)在較低的風(fēng)速下也能較好的工作，葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時(shí)，葉片向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺，葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時(shí)，葉片向風(fēng)輪外側(cè)偏擺，均能形成較大的轉(zhuǎn)矩力，圖中葉尖速比約為2，左方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時(shí)受力狀況，右方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時(shí)受力狀況。

圖5葉片受風(fēng)力作用擺動(dòng)示意圖

　　這種方式優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)力機(jī)能夠自起動(dòng)，而且在低風(fēng)速到較高的風(fēng)速下都能工作。

　　缺點(diǎn)是葉片運(yùn)行至90度或270度附近的區(qū)域時(shí)，葉片擺至兩側(cè)擋桿間的位置，處于順風(fēng)位置，沒(méi)有升力僅有阻力。而且隨葉尖速比的增加，葉片處于順風(fēng)的區(qū)域加大；如果葉片可擺動(dòng)的范圍是±15度，葉片的最高葉尖速比就不會(huì)超過(guò)4，因?yàn)槿~尖速比超過(guò)4時(shí)，葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)整周都處于順風(fēng)位置，沒(méi)有升力僅有阻力，即使沒(méi)有負(fù)荷，轉(zhuǎn)速也不會(huì)增加。所以葉片可擺動(dòng)的范圍若超過(guò)±15度時(shí)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率會(huì)明顯降低，若葉片可擺動(dòng)的范圍小于±15度時(shí)風(fēng)力機(jī)自起動(dòng)能力會(huì)很差。

　　從結(jié)構(gòu)上看優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)副最少，加工安裝維護(hù)容易。缺點(diǎn)是頻繁撞擊擋塊易造成構(gòu)件損傷、噪聲也大。

　　3）利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案一

　　在轉(zhuǎn)速增高時(shí)減小葉片的擺動(dòng)角度，可適應(yīng)較寬的風(fēng)速范圍，運(yùn)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(zhuǎn)軸與安裝與2小節(jié)相同。在葉片上固定有擺桿，離心滑動(dòng)擋塊可沿支架軸線滑動(dòng)，并通過(guò)彈簧與支架連接，圖6左圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。葉片擺動(dòng)時(shí)擺桿在離心滑動(dòng)擋塊的V型口內(nèi)擺動(dòng)，V型口的邊沿將限制葉片的擺動(dòng)角度。

　　當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心滑動(dòng)擋塊受離心力作用向風(fēng)輪外側(cè)移動(dòng)，移動(dòng)量隨轉(zhuǎn)速增高加大。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低時(shí)檔桿在V型口上端，葉片有較大的擺動(dòng)幅度，見圖6中部圖；在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高時(shí)檔桿在V型口底部，葉片可擺動(dòng)幅度較小，見圖6右部圖。

圖6利用V形離心滑動(dòng)擋塊控制葉片的擺動(dòng)角度

　　這種控?cái)[方式的優(yōu)點(diǎn)是：風(fēng)力機(jī)可自起動(dòng)，在未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，如葉尖速比在2時(shí)也會(huì)有功率輸出，在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片不擺動(dòng)，可運(yùn)行到較高的葉尖速比。

　　缺點(diǎn)是：葉片仍然是在一個(gè)限位區(qū)間內(nèi)擺動(dòng)，該區(qū)間隨轉(zhuǎn)速增加而減小，也就是說(shuō)當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)葉片可擺動(dòng)的角度是不變的，葉片運(yùn)行至90度或270度附近的一段區(qū)域時(shí)，葉片在限位區(qū)間內(nèi)順風(fēng)擺動(dòng)，沒(méi)有升力僅有阻力。

　　從結(jié)構(gòu)上看是復(fù)雜了，滑動(dòng)件對(duì)機(jī)械加工要求高，密封潤(rùn)滑較麻煩，而且在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)仍有限位時(shí)的撞擊，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有影響，也會(huì)有噪聲。

　　4）利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案二

圖7利用離心滑動(dòng)擋塊控制葉片的擺動(dòng)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(fēng)輪支架上有帶擋輪的離心滑塊，滑塊在靠葉片端自由滑動(dòng)。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)滑塊受離心力作用靠緊葉片，風(fēng)則推動(dòng)葉片擺動(dòng)，擺動(dòng)的葉片又把滑塊推向支架內(nèi)側(cè)，葉片將擺至風(fēng)力與離心力平衡的位置。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)滑塊的擋輪始終靠緊葉片，滑塊對(duì)葉片的作用是連續(xù)的，葉片的擺動(dòng)也是連續(xù)的，消除了順風(fēng)擺動(dòng)的區(qū)間。

　　圖7中左圖是風(fēng)輪不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片與擋塊都處于任意位置；圖7中圖是風(fēng)輪還未進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速，葉片在上風(fēng)位置，有較大擺角；圖7右圖是葉片在兩側(cè)位置，或進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，擺角很小。

　　這種控?cái)[方式比上種方式的優(yōu)點(diǎn)是：連續(xù)的控?cái)[，沒(méi)有順風(fēng)擺動(dòng)區(qū)間，有利于進(jìn)一步提高風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行效率。

　　結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有了沖擊，減小了噪聲。但滑塊的移動(dòng)非常頻繁，仍存在滑動(dòng)件對(duì)機(jī)械加工要求高，密封潤(rùn)滑較麻煩等問(wèn)題，同時(shí)小擋輪的防塵也較麻煩。

　　3、利用風(fēng)力與離心力直接控制葉片的角度

　　不用滑動(dòng)擋塊，利用離心力與風(fēng)力直接控制葉片擺動(dòng)的角度，一種新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使運(yùn)動(dòng)副減為最少，其結(jié)構(gòu)如下：

圖8利用風(fēng)力與離心擺控制葉片的擺動(dòng)角度

　　葉片的轉(zhuǎn)軸與安裝與2小節(jié)相同。在葉片朝向風(fēng)輪外側(cè)一面固定一根擺桿，擺桿指向風(fēng)輪外側(cè)，其軸線通過(guò)葉片轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸，擺桿外端部有一個(gè)離心錘，離心錘與葉片一起繞葉片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，圖8是結(jié)構(gòu)與擺動(dòng)示意圖。

圖9葉片受離心擺力與風(fēng)力作用示意圖

　　在圖9的兩圖中將分析風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片受控偏擺時(shí)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(fēng)力的方向，葉片正以線速度ｕ正常運(yùn)行，葉片受到以升力為主的空氣動(dòng)力F2，力作用點(diǎn)為葉片的壓力中心；由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，離心錘受到離心力F1作用，F(xiàn)1與F2相對(duì)于葉片轉(zhuǎn)軸的矩轉(zhuǎn)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至該點(diǎn)的被控偏擺角度。左圖是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時(shí)，風(fēng)葉向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺的受力狀態(tài)，右圖是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時(shí)，風(fēng)葉向風(fēng)輪外側(cè)偏擺的受力情況，轉(zhuǎn)速越高離心力越大，風(fēng)葉偏擺角度越小，在較高風(fēng)速時(shí)可達(dá)較高的葉尖速比。

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

　　在風(fēng)輪支架上仍安裝有限位擋桿，設(shè)置擋桿僅僅是限止風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)的葉片擺動(dòng)角度，風(fēng)輪起動(dòng)后隨轉(zhuǎn)速的提高，離心力加大使葉片偏擺角度減小，葉片不會(huì)撞擊擋桿，風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后，風(fēng)輪工作在升力狀態(tài)，葉片僅有小角度偏擺。

　　采用這種控?cái)[方式的風(fēng)力機(jī)可自起動(dòng)，葉尖速比在1以下運(yùn)行在阻力狀態(tài)，葉尖速比從1以上進(jìn)入到升力阻力混合狀態(tài)，葉尖速比在1.5以上即進(jìn)入升力工作狀態(tài)，葉片的擺動(dòng)是連續(xù)的，沒(méi)有順風(fēng)擺動(dòng)區(qū)間，有利于風(fēng)能利用效率的提高。

　　從結(jié)構(gòu)上講，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)副只有葉片與風(fēng)輪支架間通過(guò)軸承聯(lián)接，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，加工與安裝容易，潤(rùn)滑與密封容易，價(jià)格低廉，基本不需要維護(hù)。風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后靠風(fēng)力與離心力的平衡控制葉片擺動(dòng)角度，不會(huì)撞擊擋桿，也不會(huì)有噪聲。

　　但該方案要求葉片有很小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高。

　　總結(jié)

　　上述幾種簡(jiǎn)單的翼型控制方法，對(duì)升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能有所改善，較低風(fēng)速可啟動(dòng)，葉尖速比超過(guò)1就有功率輸出。利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案二與利用風(fēng)力與離心力直接控制葉片的角度兩種方案較適用，前者問(wèn)題是制作較復(fù)雜，維護(hù)量大，后者問(wèn)題是輕質(zhì)葉片的成本高。

　　但是這些方法都不能解決高風(fēng)速時(shí)限制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速上升的問(wèn)題，對(duì)于大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)還是要能通過(guò)改變翼型來(lái)控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速才是升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)的最終出路。