張立軍，馬東辰，胡闊亮，米玉霞，朱懷寶，顧嘉偉，劉靜，嚴強

(1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島，266580；2.上海麟風風能科技有限公司，上海，201508)

由于能源危機的日益嚴重，人們越來越傾向于對可再生能源進行研究。其中，風能以其綠色、無污染、可再生等特點已受到廣泛關(guān)注。我國風能資源豐富，根據(jù)國家氣象局的資料，近海70 m高度的年平均風功率密度可達300 W/m2以上，其中臺灣海峽和東海南部風能資源甚為豐富，風速大于6 m/s 時的累計小時數(shù)可達5 000 h[1]。目前對風能利用的主要形式為風力發(fā)電。根據(jù)其風輪旋轉(zhuǎn)軸相對地面的安裝角度可以分為垂直軸風力發(fā)電機(VAWT)和水平軸風力發(fā)電機(HAWT)，與水平軸風力機相比，垂直軸風力機有無需對風裝置、易于安裝且便于維修等優(yōu)點，尤其對于H 型垂直軸風力機來說，其葉片采用等截面結(jié)構(gòu)，更適用于采用計算流體力學方法得到更精確的結(jié)論；同時，H型垂直軸風力機噪聲小，比水平軸風力機擁有更廣的應(yīng)用范圍，具有更高的商業(yè)使用價值。然而，現(xiàn)有的商業(yè)化H 型垂直軸風力發(fā)電機的風能利用率僅在30%～35%之間，遠未達到其理論最大風能利用率64%[2]，且存在自啟動能力弱等不足，在很大程度上限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。為解決垂直軸風力機的低風能利用率問題，人們研究了多種提高其性能的方法，這些方法主要歸納為3種：一是風力機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括葉片翼型和主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化、葉片傾角改變、升阻互補等；二是翼型區(qū)域流場控制，例如利用導流片產(chǎn)生干擾氣流，加裝葉頂端板、襟翼、圓臺型聚風罩等；三是葉片攻角改變，即通過改變?nèi)~片槳距角來實現(xiàn)對攻角的改變。其中，改變?nèi)~片槳距角以其調(diào)節(jié)方式簡便、高效、直接等優(yōu)點逐步受到人們的青睞。

1 變槳技術(shù)原理

現(xiàn)有的垂直軸風力機旋轉(zhuǎn)過程中，葉片攻角隨方位角不斷變化，沒有維持在最佳攻角處，是其風能利用率低的重要原因[3]。在槳距角調(diào)節(jié)過程中，主要角度是槳距角、攻角和方位角，這3個角度之間的關(guān)系如圖1所示。圖1中，W為誘導速度v和切向速度Rω的合成風速，ω為風輪的旋轉(zhuǎn)角速度；θ為葉片方位角，當方位角θ位于0°～180°時，該區(qū)域稱為風輪的上風區(qū)；當θ位于180°～360°時，稱為風輪的下風區(qū)；α為葉片攻角，是合成風速方向與葉片弦線方向之間的夾角；β為葉片槳距角，是切向速度方向與葉片弦線方向之間的夾角。分析圖1中的速度關(guān)系，可以得出垂直軸風力機葉片攻角的表達式為

式中：λ為風輪的葉尖速比，

圖1 翼型角度關(guān)系圖Fig.1 Airfoil angle diagram

變槳技術(shù)的主要思路是通過調(diào)節(jié)槳距角使葉片攻角始終在重點旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)處于最佳攻角處，即在一定葉尖速比下切向力系數(shù)達到最大時所對應(yīng)的攻角，切向力系數(shù)與攻角的關(guān)系如圖2所示。圖2中，CL和CD分別代表翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，其值可由NACA 系列翼型空氣動力學特性數(shù)據(jù)庫查得。CT為切向力系數(shù)，是CL和CD在弦長方向的合成值。由圖2中的幾何關(guān)系，得到CT的計算式為

圖2 葉片翼型氣動力系數(shù)Fig.2 Aerodynamic coefficient of blade profile

隨著風輪的旋轉(zhuǎn)，葉片的合成風速方向時刻變化，攻角也隨之變化，不易直接進行調(diào)節(jié)，而槳距角可通過調(diào)節(jié)葉片與旋轉(zhuǎn)切向方向之間的夾角來調(diào)節(jié)。同時，由于槳距角與攻角之間有關(guān)，槳距角的改變也會使攻角發(fā)生變化，因此，變槳技術(shù)的核心是通過合理調(diào)節(jié)槳距角來間接控制對應(yīng)攻角的變化，以實現(xiàn)對風力機氣動性能的改善。

2 變槳規(guī)律研究

垂直軸風力機變槳距的研究重點在于變槳規(guī)律的可行性分析，目前國內(nèi)外學者運用的主要研究方法有動量模型法、數(shù)值計算法和測試試驗法等。

2.1 動量模型法

動量模型法利用流體力學(含空氣動力學)的相關(guān)理論如動量理論、葉素理論、流管理論，借助水平軸風力機的分析方法，通過提出假定，建立模型的方法來計算。隨著垂直軸風力機氣動特性研究及空氣動力學的不斷完善，上述理論在風力機的設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進過程中起到了越來越重要的作用。其中，對于變槳距垂直軸風力機的理論研究，大部分學者運用的主要是葉素理論和雙制動盤多流管理論。

2.1.1 基于葉素理論分析

垂直軸風力機在不同葉尖速比下運行時，葉片攻角的變化范圍不同。應(yīng)用葉素理論便于得到翼型在不同葉尖速比下的攻角變化范圍，因此，在研究特定葉尖速比下風力機變槳規(guī)律時，通常選用葉素理論來進行分析。

顧華朋等[4]基于葉素理論，得到了NACA0012翼型在不同葉尖速比下攻角隨方位角的變化關(guān)系，如圖3所示。通過進一步結(jié)合翼型的升阻力系數(shù)隨攻角變化關(guān)系，提出了一種以葉尖速比為分區(qū)的變槳方案，翼型的升阻力系數(shù)曲線如圖4所示，其變槳方案如式(4)所示。該變槳規(guī)律的合理性主要在于：在低葉尖速比、大攻角工況下，通過調(diào)節(jié)槳距角使葉片攻角在60°～140°之間，此時垂直軸風力機主要靠葉片的阻力做功獲得較大啟動力矩；在較高葉尖速比下，葉片攻角變化范圍較大，利用變槳方法控制葉片攻角在失速點±15°附近，使得葉片可以依靠升力做功從而獲得較大且穩(wěn)定的扭矩。通過建立風輪扭矩系數(shù)模型，分析了該變槳運行規(guī)律的有效性。

吳祥輝等[5]基于葉素理論，進一步對葉尖速比λ<1.0 情況下的變槳規(guī)律進行了討論，主要是通過求解不同的方位角和槳距角時所對應(yīng)的扭矩力，比較了各個方位角下最大扭矩力對應(yīng)的最佳槳距角，進而得到1周槳距角的調(diào)節(jié)規(guī)律。得到的槳距角變化規(guī)律如圖5所示。

圖3 定槳葉片攻角變化曲線[4]Fig.3 Change curve of attack angle with fixed pitch angle[4]

圖4 NACA0012翼型大攻角升阻力系數(shù)曲線[4]Fig.4 NACA0012 airfoil lift drag coefficient curve of high attack angle[4]

2.1.2 基于雙制動盤多流管理論分析

與葉素理論不同，雙制動盤多流管理論不僅以單一葉片為分析對象，它還將風輪旋轉(zhuǎn)分為上下風區(qū)，并將轉(zhuǎn)子作用盤面沿垂直于來流的方向細分成多個獨立微流管[6]，理論上看對于垂直軸風力機的氣動性能分析更為合理。

圖5 槳距角變化規(guī)律[5]Fig.5 Changing rule of pitch angle[5]

PARASCHIVOIU 等[7]針對一種7 kW 的垂直軸風力機，將CARDAAV 代碼與基于遺傳算法的優(yōu)化器相結(jié)合，開發(fā)了一種新的優(yōu)化工具來定義葉片槳距角的變化。以基于雙制動盤多流管理論求解的氣動參數(shù)為評價指標，驗證了優(yōu)化算法的可行性。

張立勛等[8]針對變槳距垂直軸風力機憑某一尖速比下最優(yōu)變槳規(guī)律無法啟動和變槳規(guī)律中的不連續(xù)性問題，重點對此不連續(xù)部分進行了修正，如圖6所示，通過人工設(shè)計一條斜率最小的直線段，連接變槳規(guī)律中不連續(xù)段的兩端，并修改方位角n×180°附近的葉片槳距角為90°，實現(xiàn)規(guī)律連續(xù)性。采用雙制動盤多流管理論對所設(shè)計的變槳規(guī)律進行力矩特性分析，結(jié)果顯示，采用該變槳規(guī)律的風力機能夠可靠自啟動且高效發(fā)電。

張立軍[9]針對垂直軸風力機下風區(qū)風況的復雜性，提出了局部葉尖速比的概念，基于雙制動盤多流管理論，重新建立了下風區(qū)葉片攻角與槳距角之間的關(guān)系式，對雙制動盤多流管理論進行了改進和完善。

綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，采用動量模型法對變槳距垂直軸風力機進行研究的目的主要有2個：一是通過建立理論模型，得到槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律；二是以風力機的風能利用率為評價指標，判定變槳前后風力機的性能變化，驗證變槳規(guī)律的可行性。這種研究方法簡單易行，可以直接反映風力機的出力效果，便于對比變槳前后風力機的氣動性能，但不能直觀觀察風力機流場的變化，對于功率系數(shù)變化的原因也缺少探討。

圖6 修正前后變槳方案對比[8]Fig.6 Schemes comparison of before-and-after variable pitch modification[8]

2.2 數(shù)值計算法

近幾年來，隨著計算流體力學(CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值計算方法以其精度高、計算速度快、成本低等優(yōu)點，成為垂直軸風力機研究的主要手段之一[10]。對變槳距垂直軸風力機的研究通常采用二維計算方法，主要原因在于變槳技術(shù)并未改變翼型形狀，研究重點是變槳前后風力機氣動性能參數(shù)的改變，相對于三維計算，二維計算網(wǎng)格設(shè)置相對簡單，工作量小，計算效率高[11]。一種經(jīng)典的垂直軸風力機二維仿真模型如圖7所示，圖中d為風輪直徑。

針對垂直軸風力機的變槳問題，數(shù)值計算法的一個重要優(yōu)勢在于通過改變邊界條件，便于研究不同槳距角下風力機的氣動性能差異，模擬不同葉尖速比下風力機所處工況條件。張立勛等[12]仿真研究了不同槳距角下風力機的氣動性能，通過分析不同槳距角下力矩系數(shù)，如圖8所示，提出一種主動式變槳規(guī)律：設(shè)置內(nèi)偏置槳距角或小幅值外偏置槳距角，使風力機在小方位角下進入有效力矩作用區(qū)；設(shè)置外偏置槳距角使風力機延緩退出有效力矩作用區(qū)。研究表明，這種方法增加了有效切向力的作用范圍。

對于同一類問題，ABDALRAHMAN等[13]利用FLUENT 流體仿真軟件對不同葉尖速比下槳距角進行研究，通過分析同一葉尖速比下槳距角在不同方位角下的出力情況，得到了風輪旋轉(zhuǎn)1 周時，各個葉片對應(yīng)的槳距角變化規(guī)律，如圖9所示。

圖7 垂直軸風力機二維仿真示意圖Fig.7 Two-dimensional simulation diagram of VAWT

圖8 不同槳距角下力矩系數(shù)圖[12]Fig.8 Torque coefficients at different pitch angles[12]

除此之外，數(shù)值計算法在觀察流場分布上有其獨特優(yōu)勢。垂直軸風力機風能利用率較低的重要原因在于攻角的不斷變化，而攻角改變所導致的葉片周圍流場的變化是翼型升阻力系數(shù)變化的根本原因。借助CFD 仿真軟件，能夠直觀觀察葉片在各個方位角下的流場情況，對于研究變槳式風力機有較好的輔助作用。左薇等[14]采用笛卡兒動網(wǎng)格數(shù)值計算方法研究了動態(tài)變槳式H 型風力機的氣動特性，重點分析了變槳前后不同時刻葉片周圍的渦量云圖，研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)變槳方式不會生成前緣分離渦，且可以避免葉片脫落尺度較大、強度較強的尾緣分離渦。

圖9 槳距角變化圖(葉尖速比λ=1.0)[13]Fig.9 Pitch angle variation diagram(tip speed ratioλ=1.0)[13]

彭偉等[15]提出一種新型隨動變槳距垂直軸風力機結(jié)構(gòu)，如圖10所示，這種風力機的主要特點在于：當葉片處于迎風面時，葉片始終與來流風垂直；當葉片處于背風面時，葉片始終與來流風平行，以此來減少阻力，增加其產(chǎn)生的力矩。通過對該變槳距風力機進行CFD壓力場仿真分析可知，該風力機在轉(zhuǎn)動過程中可以使葉片產(chǎn)生的壓力相對穩(wěn)定，有助于風力機保持勻速轉(zhuǎn)動。

圖10 新型隨動變槳垂直軸風力機示意圖[15]Fig.10 Schematic diagram of a new type of follow drive variable pitch vertical axis wind turbine[15]

REZAEIHA 等[16]指出，當前對風力機變槳規(guī)律的研究局限在于以穩(wěn)態(tài)值(如風能利用系數(shù)等)為指標，而忽視了對瞬態(tài)值(如風力機旋轉(zhuǎn)過程中的實時負載及力矩變化、邊界層分離現(xiàn)象及層流與湍流的轉(zhuǎn)化情況等)的研究。為此，通過建立風輪CFD 仿真模型，對不同槳距角下風力機的扭矩系數(shù)、葉片壓力分布、旋渦脫落等情況進行了研究，綜合考慮瞬態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值的變化，給出了最佳槳距角為β=-2°。其中，扭矩系數(shù)的變化趨勢如圖11所示[16]。

圖11 不同槳距角下風力機扭矩系數(shù)圖[16]Fig.11 Torque coefficient diagram of wind turbine at different pitch angles[16]

上述研究均采用數(shù)值計算法，充分發(fā)揮了數(shù)值計算法精確度高、對仿真結(jié)果后處理能力強、流程顯示直觀等優(yōu)點?？梢灶A(yù)見的是，隨著計算機算法的不斷完善，CFD 仿真計算的可靠性將越來越高，會為學者們的研究帶來更大便利。

2.3 測試試驗法

數(shù)值計算法雖然便于求得風力機的氣動參數(shù)，且易于觀察風力機周圍流場的變化，但是由于所選計算模型、條件設(shè)置以及網(wǎng)格質(zhì)量等因素，計算仍存在一定的誤差，而測試試驗法則更加直觀，并且試驗得到的數(shù)據(jù)也更具有說服力。

目前，測試試驗法主要分為2種。

一種是將風力機樣機置于實際風場中，直接利用傳感器等測試儀器和設(shè)備監(jiān)測風力機的性能。例如LEE等[17]為驗證基于數(shù)值計算得到的擺線式變槳規(guī)律[18]的正確性，搭建了風力機裝置并進行野外試驗，同時利用LabVIEW 軟件平臺對風力機實時功率進行采集，結(jié)果如圖12所示[17]，對比發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果低于CFD 仿真結(jié)果，但2 種結(jié)果的趨勢大致相同。這種研究方法的優(yōu)點在于風力機位于實際流場中，對工況的還原度高，但存在的主要缺點是不能人為地改變風速，對自然環(huán)境的依賴程度較強。同時，由于需要搭建實際的風力機測試系統(tǒng)，研發(fā)成本較高，而且基于風速的隨機性，受地勢、周圍環(huán)境等因素的影響，有時候測試結(jié)果未必真實反映風力機的性能。

圖12 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比[17]Fig.12 Comparison of experimental results and simulation results[17]

另一種測試試驗方法是對變槳距風力機在風洞內(nèi)進行性能測試，如圖13所示，通過調(diào)節(jié)軸流風機的轉(zhuǎn)動頻率，可以實現(xiàn)對風速可控調(diào)節(jié)，監(jiān)測不同工況下風力機的性能[19]。但這種方法需要制造標準化的風洞，研發(fā)成本也比較高。

圖13 垂直軸風力機風洞試驗系統(tǒng)[19]Fig.13 Wind tunnel experimental system for VAWT[19]

張立軍等[20]研發(fā)了一種小型變槳距垂直軸風力機樣機，如圖14所示，利用自制風洞，模擬了垂直軸風力機的流場情況，對3～10 m/s 風速下的風力機的發(fā)電功率進行了監(jiān)測，試驗結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示，變槳距風力機的發(fā)電效率較定槳距風力機的至少能提高7.86%。

在變槳規(guī)律研究中，測試試驗法的主要優(yōu)勢是可信度大，但也存在制造成本高、研究周期長、占地面積大等不足，成為阻礙其發(fā)展的主要原因。但隨著新能源技術(shù)越來越受到重視、國家政策的支持及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的完善，變槳距垂直軸風力機的測試試驗也將迎來更好的發(fā)展機遇。

圖14 變槳距垂直軸風力機[20]Fig.14 Variable pitch vertical axis wind turbine[20]

表1 2種風力機發(fā)電功率的對比Table 1 Comparison of power generated by two types of wind turbines

3 變槳實現(xiàn)方法探討

對于變槳距垂直軸風力機而言，無論是采用動量模型，還是采用數(shù)值計算以及測試試驗，最終目的在于實現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用。而變槳距風力機制作的關(guān)鍵在于使其葉片槳距角的變化與所求得的變槳規(guī)律相一致，為此，國內(nèi)外學者對此也進行了相關(guān)探索和研究，目前實現(xiàn)變槳的方法主要分為2 種：一是機械傳動變槳，二是液壓傳動變槳。

3.1 機械傳動變槳

采用機械傳動機構(gòu)是實現(xiàn)葉片槳距角調(diào)節(jié)的有效途徑。2014年，楊凱等[21]利用伺服電機的精確性和蝸輪蝸桿減速機的自鎖功能，設(shè)計了一種自主變槳式風力機，如圖15所示。其主要工作原理是：利用光電編碼器檢測風力機的轉(zhuǎn)速及葉片位置，通過變槳伺服電機調(diào)節(jié)葉片槳距角，并利用蝸輪蝸桿減速機的反向自鎖功能，保持槳距角在特定區(qū)域內(nèi)保持不變。

圖15 變槳風力機剖面圖[21]Fig.15 Cross view of pitching wind turbine[21]

上述方案的局限性之一在于蝸輪蝸桿價格較為昂貴，制作成本較高。近幾年，許多學者提出了利用連桿機構(gòu)實現(xiàn)對槳距角的調(diào)節(jié)。YAMADA等[22]提出采用四連桿機構(gòu)來控制風力機槳距角的垂直軸風力機模型。JAIN 等[23]也提出類似的四連桿機構(gòu)模型，如圖16所示。

圖16 連桿式變槳距風力機模型[23]Fig.16 Model of variable pitch VAWT with connecting rod[23]

廉正光等[24-25]提出一種采用雙曲柄調(diào)距機構(gòu)的垂直軸風力機，如圖17所示，該風力機主要采用雙曲柄調(diào)距機構(gòu)及雙偏心軸機構(gòu)。

圖17 基于調(diào)距機構(gòu)的整體風機模型[24]Fig.17 Overall structure of distance adjusting mechanism[24]

對于垂直軸風力機變槳機構(gòu)中連桿機構(gòu)的設(shè)計重點在于各段桿長的確定。張立軍等[20]采用隨機方向法對一種雙曲柄機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確定了各桿的桿長，得到了不同葉尖速比下變槳機構(gòu)的參數(shù)組合。雙曲柄機構(gòu)的幾何分析如圖18所示。

圖18 雙曲柄機構(gòu)幾何分析圖[20]Fig.18 Analysis diagram of double crank mechanism[20]

采用機械傳動方式實現(xiàn)周期性槳距角調(diào)整的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、便于維護等，但是并不利于風力機的大型化發(fā)展。

3.2 液壓傳動變槳

針對兆瓦級H 型垂直軸風力機，變槳機構(gòu)的設(shè)計需滿足驅(qū)動力大、有足夠的強度和精度等要求[26]，采用液壓傳動變槳系統(tǒng)，可以起到機構(gòu)響應(yīng)速度快、定位準確、驅(qū)動力大等優(yōu)點。如圖19所示，液壓變槳系統(tǒng)主要由變槳控制器、D/A 轉(zhuǎn)化器、電液比例閥和變槳執(zhí)行機構(gòu)等組成[27]。其工作原理是：通過電液比例閥控制液壓缸活塞桿驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)控制變槳機構(gòu)的槳距角，通過位移傳感器，將活塞桿的位移反饋給PID槳距控制器，PID槳距控制器根據(jù)槳距角的給定值和實際響應(yīng)的測量值進行比較形成偏差，進而進行參數(shù)放大，計算出電液比例閥的控制電壓。在此基礎(chǔ)上，再通過D/A 轉(zhuǎn)換器控制電液比例閥的輸出流量，從而驅(qū)動液壓缸活塞桿的運動，實現(xiàn)槳距角的大小調(diào)節(jié)[28]。

圖19 液壓變槳系統(tǒng)控制圖[27]Fig.19 Control diagram of hydraulic pitching system[27]

除可用于變槳外，液壓技術(shù)還可實現(xiàn)垂直軸風力機的穩(wěn)壓恒頻發(fā)電。為了使垂直軸風力機吸收更多的風能，降低研發(fā)成本，張立軍等[29-30]提出了一種塔架式多層多軸垂直軸風力機，其結(jié)構(gòu)如圖20所示。“多層”可以使風力機充分吸收不同高度上的風能；“多軸”可以降低風剪效應(yīng)[31-32]對單一旋轉(zhuǎn)軸的制約，減小其旋轉(zhuǎn)軸在上下位置處的扭矩差。同時，該風力機采用液壓傳動，不但省去了機械式變速箱和整流逆變器，并用普通交流電動機代替了永磁發(fā)電機，制造成本降低了約30%，而且占地面積??；采用補償+穩(wěn)能技術(shù)，系統(tǒng)能輸出(50±0.2) Hz 的恒頻率的交流電。目前該風力發(fā)電機正處于初試階段，初步測試結(jié)果表明，基本能夠滿足并網(wǎng)要求。

圖20 多層多軸塔架式垂直軸風力機[30]Fig.20 VAWT with multi-layer multi-axis tower[30]

4 變槳機構(gòu)實現(xiàn)的難點剖析

現(xiàn)階段，雖然各國學者對于變槳距H 型垂直軸風力機做了大量研究，且對于變槳規(guī)律的實現(xiàn)也提出了多種設(shè)計方案[33-35]。但目前除了用于風速高于切出風速時的“限速”外，垂直軸風力機用于1周連續(xù)改變攻角進而提高風能利用率的變槳機構(gòu)并未得到商業(yè)化應(yīng)用，究其原因主要是在變槳機構(gòu)響應(yīng)時間、1周實時變槳規(guī)律計算、下風區(qū)流場復雜性分析和動態(tài)失速下可靠變槳等方面存在理論和技術(shù)瓶頸，機構(gòu)實現(xiàn)起來非常困難，尤其是對中小型垂直軸風力機。

4.1 變槳機構(gòu)響應(yīng)時間

圖21 變槳系統(tǒng)控制流程圖Fig.21 Control flow chart of variable pitch system

目前的變槳系統(tǒng)控制流程圖如圖21所示，變槳結(jié)構(gòu)復雜，主要包括感應(yīng)機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、機械與執(zhí)行機構(gòu)等多個環(huán)節(jié)，而且存在閉環(huán)控制，很難實現(xiàn)機構(gòu)的快速響應(yīng)。特別是對于中小型垂直軸風力機而言，風力機的額定轉(zhuǎn)速高，對應(yīng)葉片攻角的變化頻率較快。以上海麟風風能科技有限公司所生產(chǎn)的小型垂直軸風力機為例，風力機的相關(guān)參數(shù)如表2所示。由表2可知：這些小型風力機方位角的變化頻率較高，如額定功率為3 kW的風力機，在額定風速和額定轉(zhuǎn)速下，方位角每變化10°，僅需要0.015 s[36]。由于風速的隨機變化、葉片的慣性、連接機構(gòu)間的間隙、外部環(huán)境等因素的影響都會限制整個變槳機構(gòu)在實際運行中的反應(yīng)速度，因此，變槳系統(tǒng)很難在較短時間內(nèi)適應(yīng)快速的風速變化而完成葉片攻角的改變。

表2 小型垂直軸風力機相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of small vertical axis wind turbine

4.2 1周實時變槳規(guī)律

在額定工況下，上述麟風3 kW 垂直軸風力機的葉尖速比λ=0.86，在該葉尖速比下，葉片攻角的1 周變化規(guī)律如圖22所示。由圖22可知：當方位角變化10°時，在大部分方位角下攻角變化5°左右，且在方位角θ=180°附近，攻角發(fā)生跳變。因此，在極短時間內(nèi)，葉片攻角變化范圍較大。

而在實際工作狀態(tài)下，通常來流風的風速和風向都在實時變化。風速的改變帶來風力機葉尖速比的變化，而在不同葉尖速比下，風力機的攻角變化規(guī)律和槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律不同；風向的改變帶來葉片所處方位角的變化，而1周變槳規(guī)律強調(diào)在每個方位角處，葉片都對應(yīng)1個槳距角理論調(diào)節(jié)值，在這個理論調(diào)節(jié)值下對應(yīng)最佳攻角。因此，在實際工況下，為維持風力機較高的輸出功率，每個時刻對葉片轉(zhuǎn)動角度的調(diào)節(jié)值都不盡相同。而如何快速識別風速隨機變化，確定葉片實時所處方位角，然后再計算槳距角調(diào)節(jié)值，已成為變槳機構(gòu)實現(xiàn)的難點。

4.3 下風區(qū)流場計算復雜性

圖22 葉尖速比λ=0.86時攻角變化規(guī)律Fig.22 Rule of attack angle with blade tip velocity ratioλ=0.86

與水平軸風力機相比，垂直軸風力機流場結(jié)構(gòu)更復雜，屬于典型的大分離非定常流動，且葉片在上風區(qū)和下風區(qū)要2次受到來流風的作用。當氣流經(jīng)過上風區(qū)葉片到達下風區(qū)時，出現(xiàn)了擾流現(xiàn)象，此時下風區(qū)各個方位誘導速度發(fā)生了改變，且方向也與來流風方向不同。由于下風區(qū)流場分布復雜，雙致動盤多流管理論已經(jīng)很難完全反映誘導速度方向的變化，故在對垂直軸風力機1周變槳規(guī)律制定時，下風區(qū)槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律很難準確得到。而目前關(guān)于垂直軸風力機的分析，大都假設(shè)了垂直軸風輪下風區(qū)各個方位的誘導速度方向不變，這樣的假設(shè)雖簡化了計算，但研究結(jié)果不能完全真實反映實際情況。

本文作者將動量模型和數(shù)值計算技術(shù)相結(jié)合，在下風區(qū)提出了局部葉尖速比的概念，并重新建立了下風區(qū)葉片攻角的計算模型[9]，如圖23所示。

定義下風區(qū)局部葉尖速比X’為

圖23 下風區(qū)葉片攻角分析模型Fig.23 Blade angle of attack analysis model in downwind area

根據(jù)圖23所示的幾何關(guān)系，得到下風區(qū)葉片攻角的計算公式為

利用數(shù)值計算對推導出的垂直軸風輪下風區(qū)攻角的計算公式進行了驗證，在此基礎(chǔ)上制定了下風區(qū)攻角調(diào)節(jié)策略。需要指出的是，這種方法是本文作者的一種合理嘗試，由于下風區(qū)流場的復雜性，目前關(guān)于下風區(qū)槳距角調(diào)節(jié)策略的研究還尚不成熟，或許需要進一步建立針對下風區(qū)流場精確計算的新方法。

4.4 動態(tài)失速下實時變槳控制規(guī)律

4.4.1 風力機運行中動態(tài)失速現(xiàn)象的發(fā)生情況

動態(tài)失速是指在進口來流攻角快速變化的過程中，風輪葉片所表現(xiàn)出的與靜態(tài)風洞實驗完全不同的氣動特性[37]，是垂直軸風力發(fā)電機低尖速比下運行時的必然結(jié)果[38]。NACA0012翼型在動態(tài)失速下上下風區(qū)的失速攻角為17°和-17°[39]。圖24所示為在葉尖速比為0.5，1.0 和2.0 時該翼型攻角隨方位角的變化趨勢以及在這些葉尖速比下風力機旋轉(zhuǎn)1周時失速區(qū)的位置和大小。可見葉片主要工作在失速區(qū)，且葉尖速比越低，失速區(qū)越大，這與相關(guān)研究結(jié)論是一致的[37]。由圖24可知：λ=0.5時失速區(qū)占1周方位角的比例約為80%，此時葉片周圍出現(xiàn)分離流場，受到的氣動阻力急劇上升，攻角調(diào)節(jié)更加復雜。另外，現(xiàn)有的葉片動態(tài)氣動性能相關(guān)實驗數(shù)據(jù)較少，這也極大地制約了垂直軸風力機變槳規(guī)律的突破性研究。

圖24 3種葉尖速比下葉片攻角變化規(guī)律及失速區(qū)Fig.24 Variation of blade angle of attack and stall zone under three tip velocity ratios

4.4.2 考慮動態(tài)失速下實時變槳規(guī)律

本文作者基于美國Sandia 國家實驗室動態(tài)失速下測得的風力機實驗數(shù)據(jù)與風洞靜態(tài)實驗結(jié)果[40-41]，以獲得風輪的最大切向力為目標，得到了垂直軸風力機在上風區(qū)和下風區(qū)的最佳理論攻角。理論上，當風力機以最佳攻角運行時，將不再有動態(tài)失速的現(xiàn)象產(chǎn)生?；陔p致動盤多流管理論進行Matlab編程計算，給出了垂直軸風力機1周變槳距規(guī)律，變槳前后風輪切向力對比如圖25所示。從圖25可知：利用該變槳距規(guī)律得到的風能利用率可以由34.6%提高到42.8%。這說明這種變槳距規(guī)律能夠較好地提高垂直軸風力機的切向力，進而增加風輪的轉(zhuǎn)矩[39]。

圖25 變槳前后風輪所受切向力對比Fig.25 Contrast of tangential force before and after pitch angle adjustment

5 未來發(fā)展

近幾年關(guān)于變槳距垂直軸風力機的研究發(fā)展迅速，隨著流體理論的完善、計算流體技術(shù)的進步和實驗經(jīng)驗的積累，垂直軸風力機變槳技術(shù)將會越來越成熟。未來幾年，“大型化、高效率、低成本”仍將是垂直軸風力機發(fā)展的主要趨勢，盡管大型化垂直軸風力機由于高度較高，所受風剪效應(yīng)的影響較大[42-44]，主軸偏振劇烈[45]，但是其轉(zhuǎn)速下降，對變槳調(diào)節(jié)機構(gòu)的響應(yīng)時間可能要求變低，因此，新的流場模型的建立和空氣動力學理論的提出，更準確合理的槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律和更可靠經(jīng)濟的變槳機構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)的研發(fā)，都將成為未來變槳距垂直軸風力機的研究熱點和難點。

同時，未來風電發(fā)展也將會是大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的時代，數(shù)據(jù)是一種潛力巨大、影響深遠的能源，為盡快地利用這種能源，一些風能公司創(chuàng)建了大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，利用多種傳感器融合技術(shù)，廣泛采集機組運行數(shù)據(jù)，建立運行數(shù)據(jù)庫和風資源數(shù)據(jù)庫，預(yù)先感知運行狀態(tài)，為機組長期穩(wěn)定高效運行和優(yōu)化升級提供理論支撐。該技術(shù)在H 型變槳式垂直軸風力機上應(yīng)用的可行性在于：通過大數(shù)據(jù)平臺的創(chuàng)建，可以快速根據(jù)來流風風速及風向預(yù)先感知風力機的流場情況，從而得到槳距角的調(diào)節(jié)值，調(diào)動變槳機構(gòu)提前響應(yīng)，以彌補響應(yīng)時間的遲滯性。

此外，為提高垂直軸風力機風能利用效率，除設(shè)計單一變槳機構(gòu)外，各國學者還致力于研究基于新材料的翼型智能柔性變形技術(shù)[46]、風輪外圍大區(qū)域流場實時控制[47]及采用輔助設(shè)備[48]向高空收集高風能等新思想，基于新材料和信息技術(shù)，探索開發(fā)智能風力機，這些途徑都將為垂直軸風力機的商業(yè)化應(yīng)用起到一定的推動作用。

6 結(jié)論

1)變槳技術(shù)的核心在于通過調(diào)節(jié)槳距角以使攻角維持在最佳角度，從而獲得較高的翼型升阻比以提高風力機性能。目前對于垂直軸風力機變槳規(guī)律的研究方法主要包括動量模型法、數(shù)值計算法和測試試驗法等，其中，數(shù)值計算法是H 型垂直軸風力機變槳技術(shù)研究的主流方法。

2)無論是采用機械傳動變槳，還是液壓傳動變槳，局部方位角變槳或全方位角變槳未能應(yīng)用于工程實際中的主要難點在于：變槳控制系統(tǒng)的復雜性導致系統(tǒng)整體響應(yīng)時間較長，無法適應(yīng)風速風向的快速隨機變化；葉片攻角的不斷改變、方位角位置變化，以及實際工況下葉尖速比的波動，使得1周變槳規(guī)律實現(xiàn)很困難；葉片在上風區(qū)和下風區(qū)2次掃掠來流風，導致下風區(qū)的誘導速度分布很復雜，給下風區(qū)變槳規(guī)律的理論計算帶來了技術(shù)瓶頸；動態(tài)失速下實時變槳控制規(guī)律的研究更復雜，目前僅限于理論研究，且受限于動態(tài)氣動性能相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的缺乏。

3)目前，商業(yè)化小型H 型垂直軸風力機的風能利用率為30%～35%，隨著變槳技術(shù)從原有的僅限于“限速”作用，逐漸地向局部方位角變槳，再到全方位角變槳方向演變，風能利用率也將逐步提高。同時，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，風場外圍大區(qū)域的風速、風向等參數(shù)將會被提前預(yù)知；智能柔性變形機翼技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)和新型傳感控制技術(shù)的快速發(fā)展，將催生智能風力機的誕生?；谶@些技術(shù)的融合，未來全方位角變槳技術(shù)真正應(yīng)用于大型垂直軸風力機的可能性將會更大。