简析几种垂直轴风力发电机翼型的调节方式

　　风力发电机多种多样，但简单归纳起来可分为两类：

　　1、水平轴风力发电机，即风轮的旋转轴与风向平行；

　　2、垂直轴风力发电机，即风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。

垂直轴风力发电机

　　本文主要描述的是垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机（vertical axis wind turbine VAWT）从分类来说，主要分为阻力型和升力型。

　　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。

　　利用阻力旋转的垂直轴风力发电机有几种类型，其中有利用平板和杯子做成的风轮，这是一种纯阻力装置；S型风车，具有部分升力，但主要还是阻力装置。这些装置有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。

　　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，是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，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。世界上有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。

　　从达里厄发明升力型垂直轴风力机至今已180多年了，但一直未能广泛应用，主要是自身的一些缺点妨碍了应用。不能自起动是其重要的缺点，但主要的缺点还是对风力的变化范围与负荷的变化范围要求过窄，这也涉及它不能调速的缺点。

　　1、固定叶片升力型垂直轴风力发电机

图1升力型垂直轴风力机风轮叶片布置图

　　传统达里厄风力机采用ф形叶片，目前较多采用直叶片（H型）结构，达里厄风力机的叶片相对于风轮是固定的，也就是叶片弦线角度是不可调的。图1是风轮的叶片分布图。

　　升力型风力机是利用叶片的升力推动风轮旋转做功，对于多数普通翼型的叶片在理想状态下，在攻角为0至15度能产生升力，而在8至13度能产生大的升力且阻力较小。图2是风力机的叶片旋转到风轮向风侧（0度位置）时的气流与受力图。

图2叶片在正常与失速时升力阻力对比图

　　图2左侧图中叶片受到相对风速W的作用产生升力L与阻力D，相对风速W与叶片弦线的夹角即叶片的攻角α约为14度，相对风速W由风速V与叶片运动速度u合成，此时的叶片运动的速度约风速的4倍，即叶尖速比为4。升力L与阻力D的合力为F，该力对风轮的力矩力为M，是推动风轮旋转的力。在叶尖速比为4时，叶片运行在向风侧或背风侧均能产生推动风轮旋转的力矩，仅在两侧（90度与180度）附近升力很小，会有不大的负向力矩。

　　在图2右侧图中风速增加了一倍，叶片运动的速度未变，叶尖速比约为2，叶片的攻角α约为27度，叶片工作在失速状态，此时叶片产生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相对风轮产生的力矩力M为负向，是阻止风轮旋转的，在这种风速与转速下叶片产生负向力矩的可能性是很大的。

　　其实叶片在叶尖速比为4（α为14度）时已在失速的边沿，低于4时升力L已不再增加，阻力D已明显上升，风叶产生的力矩力M有可能为0或负向。好在叶片运行在0度至90度中间一段区域叶片攻角较小能产生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中间也有这样一段区域。但在在叶尖速比小于3.5（α大于16度）时这样的区域就越来越小了。

　　图3中是升力型垂直轴风力机的功率系数Cp与叶尖速比tsr的关系曲线，可见叶尖速比在4至6之间才有较高的功率系数，而且气流是在理想的状态下。

图3固定叶片垂直轴风力机功率系数与叶尖速比关系曲线图

　　然而风力大小不可能稳定，风力机负荷也不会不变，当风速快速增加，风力机转速不能立即同步跟上，叶尖速比可能降至3.5以下，风力机可能遭受反向力矩的冲击而运行不稳；这种情况在风力机负荷增加转速下降导至叶尖速比下降时同样会出现；在风速下降时风力机因负荷转速会下降更快，也可能出现这种情况。要求风力或负荷的变化范围较窄就是固定叶片升力型垂直轴风力机的主要问题，不能自起动也是固定叶片升力型垂直轴风力机的重要缺点，这些都给应用带来许多限制。