简析几种垂直轴风力发电机翼型的调节方式-电力技术-飞外网

飞外网>电源/新能源>电力技术>升力型垂直轴风力发电机机翼型调节的方式 - 简析几种垂直轴风力发电机翼型的调节方式

在水平轴风力机中采用变浆距角的方法来适应风速的变化、调节风速与负荷间的关系，在垂直轴风力机中通过改变翼型也可改善运行性能。下面浅析几种控制翼型的方法及优缺点：

1）按程序指定的角度来改变叶片的角度

用微处理机来控制叶片的角度是最好的方法，不过本文不讨论用微处理机控制的方式只讨论用最简单的机械方法控制叶片的角度。

采用凸轮推杆或偏心轮调整叶片攻角，在叶片长度方向有叶片转轴，叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，有连杆拉动叶片转动，连杆受凸轮或偏心轮的控制，还装有对风装置使凸轮受风向控制，凸轮是按设定的控制规律来设计，使叶片运转到不同的位置转向预定的角度。

这种风力机能自起动，能在较宽的风速范围内工作。

缺点是：由于叶片在各个位置上的转角相对于风向是固定的，与风速无关，故仅对设计的风速有高的转换效率，在其它风速时，叶片攻角并不一定最佳，在正常工作时叶片应基本不摆动，故这种固定的摆动规律是无法在较宽的风速的得到大的转换效率。

结构上的缺点：结构复杂、机械磨损大，不适合恶劣环境运行，噪声也大。

2）利用风力与挡块控制叶片的角度

靠风力直接推动叶片摆动，用挡杆限制摆动角度。在叶片长度方向有叶片转轴，叶片转轴位置在叶片的压力中心前侧（标准的常用翼型正常运行时压力中心在离叶片前缘1/4叶片弦长位置），叶片通过叶片转轴安装在风轮的叶片支架上，叶片可绕轴转动。叶片转轴设在离叶片前缘1/4叶片弦长前的位置，可保证叶片在任何角度风对叶片的作用力合力的作用点在转轴的后方，能使叶片随风摆动。在支架上还有挡杆限制叶片摆动的角度，图4是其结构示意图。

图4利用风力与挡块控制叶片的摆动角度

图5是叶片受风力作用下叶片摆动的示意图，叶片随风摆动可使风力机在较低的风速下也能较好的工作，叶片旋转至风轮向风侧时，叶片向风轮内侧偏摆，叶片旋转至风轮背风侧时，叶片向风轮外侧偏摆，均能形成较大的转矩力，图中叶尖速比约为2，左方是叶片旋转至风轮向风侧时受力状况，右方是叶片旋转至风轮背风侧时受力状况。

图5叶片受风力作用摆动示意图

这种方式优点是风力机能够自起动，而且在低风速到较高的风速下都能工作。

缺点是叶片运行至90度或270度附近的区域时，叶片摆至两侧挡杆间的位置，处于顺风位置，没有升力仅有阻力。而且随叶尖速比的增加，叶片处于顺风的区域加大；如果叶片可摆动的范围是±15度，叶片的最高叶尖速比就不会超过4，因为叶尖速比超过4时，叶片在风轮旋转整周都处于顺风位置，没有升力仅有阻力，即使没有负荷，转速也不会增加。所以叶片可摆动的范围若超过±15度时风力机风能利用效率会明显降低，若叶片可摆动的范围小于±15度时风力机自起动能力会很差。

从结构上看优点是：结构简单，运动副最少，加工安装维护容易。缺点是频繁撞击挡块易造成构件损伤、噪声也大。

3）利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案一

在转速增高时减小叶片的摆动角度，可适应较宽的风速范围，运行到较高的叶尖速比，下面是一种控制偏摆角度的方式：

叶片的转轴与安装与2小节相同。在叶片上固定有摆杆，离心滑动挡块可沿支架轴线滑动，并通过弹簧与支架连接，图6左图为其结构示意图。叶片摆动时摆杆在离心滑动挡块的V型口内摆动，V型口的边沿将限制叶片的摆动角度。

当风轮旋转时，离心滑动挡块受离心力作用向风轮外侧移动，移动量随转速增高加大。在风轮转速低时档杆在V型口上端，叶片有较大的摆动幅度，见图6中部图；在风轮转速升高时档杆在V型口底部，叶片可摆动幅度较小，见图6右部图。

图6利用V形离心滑动挡块控制叶片的摆动角度

这种控摆方式的优点是：风力机可自起动，在未达到额定转速时，如叶尖速比在2时也会有功率输出，在达到额定转速时，叶片不摆动，可运行到较高的叶尖速比。

缺点是：叶片仍然是在一个限位区间内摆动，该区间随转速增加而减小，也就是说当转速不变时叶片可摆动的角度是不变的，叶片运行至90度或270度附近的一段区域时，叶片在限位区间内顺风摆动，没有升力仅有阻力。

从结构上看是复杂了，滑动件对机械加工要求高，密封润滑较麻烦，而且在低于额定转速时仍有限位时的撞击，对结构强度有影响，也会有噪声。

4）利用风力与离心挡块控制叶片的角度方案二

图7利用离心滑动挡块控制叶片的摆动角度

图7是另一种利用离心滑块控制偏摆角度的方式，在风轮支架上有带挡轮的离心滑块，滑块在靠叶片端自由滑动。风轮旋转时滑块受离心力作用靠紧叶片，风则推动叶片摆动，摆动的叶片又把滑块推向支架内侧，叶片将摆至风力与离心力平衡的位置。风轮旋转时滑块的挡轮始终靠紧叶片，滑块对叶片的作用是连续的，叶片的摆动也是连续的，消除了顺风摆动的区间。

图7中左图是风轮不转动时，叶片与挡块都处于任意位置；图7中图是风轮还未进入额定转速，叶片在上风位置，有较大摆角；图7右图是叶片在两侧位置，或进入额定转速的状态，摆角很小。

这种控摆方式比上种方式的优点是：连续的控摆，没有顺风摆动区间，有利于进一步提高风力机的运行效率。

结构上的优点是没有了冲击，减小了噪声。但滑块的移动非常频繁，仍存在滑动件对机械加工要求高，密封润滑较麻烦等问题，同时小挡轮的防尘也较麻烦。