王錦亞 鄭梅生

摘? ?要：作為可再生清潔能源的利用，風能發(fā)電具有廣闊的應用市場，因此對風能轉換效率的研究一直受到重視。本文提出一種新型垂直軸可變翼風力發(fā)電機，進行了結構設計和機構運動分析，采用雙曲柄機構實現(xiàn)了風翼在受風轉動時的兩個極限位置，提高了風能的利用效率。

關鍵詞：垂直軸風力發(fā)電機? 可變翼? 結構與運動分析

中圖分類號：TH111? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0053-03

Abstract： Wind power generation has a broad application market as the utilization of renewable and clean energy， thus the research on the efficiency of wind energy conversion has been paid attention to. In this paper， a new type of vertical axis and variable wing turbines is presented， and its structure design and mechanism motion analysis are carried out， and the double crank mechanism realizes the two limit positions of the wind wing when it rotates in the wind， which improves the utilization efficiency of wind energy.

Key Words： Vertical axis wind turbines; Variable wing; Structural motion analysis

隨著國家對生態(tài)文明建設重視程度的不斷提高，可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]受到了極大的推動。其中，風能的轉換利用尤為受到重視。人類利用風能發(fā)電已經(jīng)歷經(jīng)了數(shù)千年的時間，早在19世紀的丹麥，人類就已經(jīng)開始了對風力發(fā)電場的建設。到19世紀80年代末期，第一臺風力發(fā)電機由美國制造成功，直至1990年，新一代風力發(fā)電機的雛形才逐步形成，其主軸分水平布置和垂直布置兩種。由于人們普遍認為水平軸風力發(fā)電機的風能利用率高于垂直軸風力發(fā)電機，使得垂直軸風力發(fā)電機長期得不到發(fā)展。近年來，由于升力型風輪的出現(xiàn)，垂直軸風力發(fā)電機的風能利用率[2]大大提高，但阻力型垂直軸風力發(fā)電機仍然存在風能利用率低的問題。本文在提高風能利用效率方面，提出一種新型的可變翼垂直軸風力發(fā)電機，并進行結構與運動分析。

1? 國內(nèi)外垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展概況

1.1 國外垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展概況

進入21世紀之后，垂直軸風力發(fā)電機的研究取得了極大的進展，很多形象各異的商用小型垂直軸風力機（Vertical Axis Wind Turbines， VAWT）已成功投入市場。

比如美國Mag-Wind 公司的屋頂VAWT系統(tǒng)，他們推出的具有鮮明特色的VAWT解決了其他形式風力渦輪機的很多技術不足，鮮明地把別墅樓群的屋頂作為搭建風機的平臺，并持續(xù)以降低成本作為努力的方向。又如加拿大Cleanfield Energy 公司的屋頂VAWT系統(tǒng)，該公司的主導產(chǎn)品是升力槳葉型3.5KW的VAWT，專門為民用和商用建筑屋頂而設計，離網(wǎng)和并網(wǎng)情況下均可以使用。這種系統(tǒng)的突出特點在于緊湊結實，且部件數(shù)少于同功率水平軸風力發(fā)電機，大大節(jié)約了維護費用，使用壽命可達20～30年。同類產(chǎn)品還有很多，本文就不再一一介紹。

1.2 國內(nèi)垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展概況[3]

在我國，垂直軸風力發(fā)電機在風能發(fā)展歷史上早早地就邁開了前進的步伐。

2006年7月22日，中國垂直軸風力發(fā)電機試驗基地在內(nèi)蒙古化德縣正式啟動運行，其與常規(guī)的水平軸風力發(fā)電機相比，單位千瓦能力投資可下降50%左右。目前，實用型1.5MW大樣機已于2008年正式定型生產(chǎn)，這對我國的風力發(fā)電起到重大的推動作用。

2? 垂直軸風力發(fā)電機的主要類型介紹

垂直軸風力發(fā)電機的主要特征，是指旋轉軸與地面垂直，風輪的旋轉平面與風向平行。通過與水平軸風力發(fā)電機的比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，垂直軸風力發(fā)電機具有發(fā)電機傳動機構和控制機構等裝置在地面或低空，便于維護，易檢修，壽命長，而且不需要迎風裝置等優(yōu)點，其在簡化自身結構的同時也降低了風力發(fā)電機的制造成本。垂直軸風力機分為阻力型和升力型兩個主要類別。

2.1 阻力型風力機

杯式風速計是最簡單的阻力型風力機。來自法國的工程師Lafond受到離心式風扇和水利機械中渦輪的啟發(fā)，發(fā)明了一種阻力推進型的垂直軸風力機。S型風輪是典型的阻力型垂直軸風力發(fā)電機[4]，由來自芬蘭的工程師薩窩紐斯（Savonius）在20世紀20年代發(fā)明。S型風輪由軸線相互錯開一段距離的兩個半圓筒形葉片組成。該風力機具有起動轉矩較大，啟動性能良好的優(yōu)點，但其低轉速也使得其風能利用率低于水平軸風力機，且在運行中圍繞風輪產(chǎn)生的不對稱氣流也會使其產(chǎn)生側向推力，帶來安全隱患。尤其對于較大型的風力機而言，由于受低轉速、垂直軸偏轉和安全極限應力的限制，使得其缺少了一定競爭力。

2.2 升力型風力機

升力型風力機是利用翼型的升力做功，其中最典型的是法國的工程師戴瑞斯（G-J-M-Darrieus）發(fā)明的戴瑞斯型（Darrieustype）風力機，于1931獲得專利。美國Sandia實驗室和加拿大國家空氣動力實驗室的大量試驗研究，證明了戴瑞斯型風力機具有最高的風能利用系數(shù)。針對葉片的不同形狀，該風力機可分為直葉片和彎葉片兩種，且其翼形以對稱翼形為主。彎葉片（型）通過固定幾何形狀來使葉片只承受張力而不承受離心力，這也導致其不便采用變槳距的方法來控制轉速，且葉片的制造成本也高于直葉片。相較之下，直葉片（H型）通過輪轂臂和拉索的支撐，為其避免了過大的離心力和彎曲應力，不過，這些支撐會導致氣動阻力的產(chǎn)生，對其效率造成負面影響。如圖1所示，戴瑞斯型風力機包括H型、 型、Y型和型等，其中以H型風機和型風機最為典型。

3? 阻力型垂直軸風力機存在的不足

導致阻力型風力機風能利用率低的主要原因是在其面臨來流沖擊時，只有其迎風一側受到有效的推力，與此同時另一側受到的卻是阻力，顯然這兩者的合力才是推動風輪葉片旋轉做功的有效力，從而大大地降低了對風能的利用效率。針對這一問題，本文提出一種新型的垂直軸可變翼風力發(fā)電機，其能很好地應對背風一側的阻力損失問題。其外觀如圖2所示。

4? 新型可變翼風力發(fā)電機的結構說明與運動分析

4.1 結構組成

該新型的可變翼風力發(fā)電機的結構組成，包括機座，機座上通過平鍵固定安裝一豎直的階梯軸，在階梯軸上設置有能轉動的上、下兩端蓋，上下端蓋之間通過曲柄安裝了數(shù)個風翼裝置，每個風翼裝置分別由上、下兩連接桿、一根偏心桿、一塊風翼板（葉片）以及上中下三個曲柄所組成。其中上曲柄一端與階梯軸頂部的凸軸鉸接，另一端通過銷軸并穿過上連接桿與中曲柄保持相對固定，而風翼板便通過兩端的插孔相對固定在中曲柄和下曲柄之間，其結構裝配圖如圖3所示。

4.2 頂部可變翼結構的分析

4.2.1 可變翼結構的功能分解

目前的垂直軸風力機的風翼板只是做簡單的循環(huán)周期轉動，風翼板與豎直軸方向的夾角是固定不變的，因此其受風區(qū)域和有效面積受到了很大限制。本文提出的新型可變翼風力發(fā)電機，其變翼的含義是將風翼板的迎風區(qū)域和背風區(qū)域進行周期性變換，達到提高風能利用效率的目的。

風翼板在受風啟動后，需要不斷地調(diào)整迎風區(qū)域和背風區(qū)域，則自然希望風翼板能進行自動地換向調(diào)節(jié)。因此需要設計相應的運動機構和能量轉換機構。對這兩個機構的功能作進一步分析，可知它們分別應該實現(xiàn)下列基本運動（運動流程圖如圖4所示）：

因此，可變翼運動應該包含兩個基本運動：運動軸線繞階梯軸轉動、受風方向和受風面積周期性變換。此外，在改變風翼板的受風方向時，應盡量保持運動的平穩(wěn)轉換和減小機構間的摩擦。針對以上要求，本文采用了連桿機構和偏心結構，具體分析如下。

4.2.2 頂部可變翼四桿機構的運動分析

本文提出的新型垂直軸可變翼風力發(fā)電機，其可變翼的功能主要是依靠階梯軸頂端部分的偏心桿、上連接桿、上曲柄以及軸上兩固定支點所組成的雙曲柄機構[5]來實現(xiàn)，其機構簡圖如圖5、6所示（以一對風翼板為例）。

計算其自由度：

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1，原動件為1個時，機構有確定的運動。

由圖6的雙曲柄機構簡化圖可以作以下分析：

四桿長度確定：

L上連接桿=66mm，L兩固定支點=10mm，

L騙心桿=64.5mm，L上曲柄=14.5mm

用桿長之和條件驗證（雙曲柄條件）：

（1） L最短桿+L最長桿≤L剩余桿1+L剩余桿2

2）最短桿為機架;故滿足雙曲柄機構條件，上連接桿和偏心桿均為曲柄。

以上機構實現(xiàn)了風翼板一端與風向垂直，另一端與風向平行的兩極限位置，如圖7所示：

由圖7可知，迎風一側與風向垂直成90°夾角，背風一側與風向平行成0°夾角，此時受風的有效面積最大，風能的利用效率最高。

5? 結論

本文主要提出了一種新型的垂直軸可變翼風力發(fā)電機，在通過對國內(nèi)外垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展狀況的簡要概括后，詳細介紹并分析了其在結構與運動方面的特點：（1）垂直軸采用階梯軸，在階梯軸上布置有滑動軸承和滾動軸承，并安裝有上下兩端蓋以實現(xiàn)風翼的轉動，有效地增加了整體結構的穩(wěn)定性;（2）布置在上端蓋上的雙曲柄機構實現(xiàn)了風翼在受風轉動時的兩個極限位置，即一端與風向平行，另一端與風向垂直，最大程度的提高了風能的利用效率。

隨著國家對可再生清潔能源寄托的期望越來越高，風能發(fā)電具有十分廣闊的發(fā)展前景。就本文提出的新型垂直軸可變翼風力發(fā)電機而言，其可變翼結構不僅使風能得到最大限度地利用，而且還具有安全、可靠等諸多方面的優(yōu)越性，因此具有較好的應用前景。

參考文獻

[1] 張杰，趙君博，翟東升.可再生能源發(fā)展態(tài)勢及特征——基于四領域常見可再生能源專利的主題分析[J].科技管理研究，2018，38（19）：38-46

[2] 程友良，薛占璞，渠江曼，楊國寧.考慮能源利用率的風力發(fā)電技術結構改進研究[J].科技通報，2018，34（5）：192-198

[3] 孫云峰，田德，王海寬，張春友，時燕，亢燕茹.垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展概況及趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化，2008（2）：42-44

[4] Ushiyama I，Nagai H，Optimum Design Configurations and Performance of SavoniusRotors[J].WindEngineering，1988，12（1）

[5] 鄭文緯，吳克堅.《機械原理》[M].北京：高等教育出版社，2012.12