如何控制垂直轴风力发电机叶片的角度 - 简析几种垂直轴风力发电机翼型的调节方式

　　3、利用风力与离心力直接控制叶片的角度

　　不用滑动挡块，利用离心力与风力直接控制叶片摆动的角度，一种新设计的结构使运动副减为最少，其结构如下：

图8利用风力与离心摆控制叶片的摆动角度

　　叶片的转轴与安装与2小节相同。在叶片朝向风轮外侧一面固定一根摆杆，摆杆指向风轮外侧，其轴线通过叶片转轴与风轮转轴，摆杆外端部有一个离心锤，离心锤与叶片一起绕叶片转轴转动，图8是结构与摆动示意图。

图9叶片受离心摆力与风力作用示意图

　　在图9的两图中将分析风轮在风力作用下旋转时叶片受控偏摆时的受力情况，图中仅显示叶片、离心锤与主要力矢。箭头W代表风力的方向，叶片正以线速度ｕ正常运行，叶片受到以升力为主的空气动力F2，力作用点为叶片的压力中心；由于风轮旋转，离心锤受到离心力F1作用，F1与F2相对于叶片转轴的矩转向相反，在两力矩作用下叶片摆向两力矩平衡的位置，该位置就是叶片随风轮旋转至该点的被控偏摆角度。左图是风叶旋转至风轮向风侧时，风叶向风轮内侧偏摆的受力状态，右图是风叶旋转至风轮背风侧时，风叶向风轮外侧偏摆的受力情况，转速越高离心力越大，风叶偏摆角度越小，在较高风速时可达较高的叶尖速比。

　　改变离心锤的质量大小或改变离心锤在离心摆杆上的位置均可调整离心力的大小，使叶片运行在较合适的状态。

　　在风轮支架上仍安装有限位挡杆，设置挡杆仅仅是限止风力机起动时的叶片摆动角度，风轮起动后随转速的提高，离心力加大使叶片偏摆角度减小，叶片不会撞击挡杆，风速达到额定风速后，风轮工作在升力状态，叶片仅有小角度偏摆。

　　采用这种控摆方式的风力机可自起动，叶尖速比在1以下运行在阻力状态，叶尖速比从1以上进入到升力阻力混合状态，叶尖速比在1.5以上即进入升力工作状态，叶片的摆动是连续的，没有顺风摆动区间，有利于风能利用效率的提高。

　　从结构上讲，机构简单，运动副只有叶片与风轮支架间通过轴承联接，运转可靠，加工与安装容易，润滑与密封容易，价格低廉，基本不需要维护。风力机运转后靠风力与离心力的平衡控制叶片摆动角度，不会撞击挡杆，也不会有噪声。

　　但该方案要求叶片有很小的转动惯量，对材料选择与结构设计要求高。

　　总结

　　上述几种简单的翼型控制方法，对升力型垂直轴风力发电机的性能有所改善，较低风速可启动，叶尖速比超过1就有功率输出。利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案二与利用风力与离心力直接控制叶片的角度两种方案较适用，前者问题是制作较复杂，维护量大，后者问题是轻质叶片的成本高。

　　但是这些方法都不能解决高风速时限制风力机转速上升的问题，对于大中型风力发电机来说还是要能通过改变翼型来控制风轮转速才是升力型垂直轴风力机的最终出路。