張立軍，馬東辰，胡闊亮，米玉霞，朱懷寶，顧嘉偉，劉靜，嚴(yán)強

(1.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島，266580；2.上海麟風(fēng)風(fēng)能科技有限公司，上海，201508)

由于能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，人們越來越傾向于對可再生能源進(jìn)行研究。其中，風(fēng)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(fēng)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(fēng)功率密度可達(dá)300 W/m2以上，其中臺灣海峽和東海南部風(fēng)能資源甚為豐富，風(fēng)速大于6 m/s 時的累計小時數(shù)可達(dá)5 000 h[1]。目前對風(fēng)能利用的主要形式為風(fēng)力發(fā)電。根據(jù)其風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相對地面的安裝角度可以分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(VAWT)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(HAWT)，與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)有無需對風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(xué)方法得到更精確的結(jié)論；同時，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)噪聲小，比水平軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率僅在30%～35%之間，遠(yuǎn)未達(dá)到其理論最大風(fēng)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)模化應(yīng)用。為解決垂直軸風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(dǎo)流片產(chǎn)生干擾氣流，加裝葉頂端板、襟翼、圓臺型聚風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(fēng)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(dǎo)速度v和切向速度Rω的合成風(fēng)速，ω為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度；θ為葉片方位角，當(dāng)方位角θ位于0°～180°時，該區(qū)域稱為風(fēng)輪的上風(fēng)區(qū)；當(dāng)θ位于180°～360°時，稱為風(fēng)輪的下風(fēng)區(qū)；α為葉片攻角，是合成風(fēng)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(fēng)力機(jī)葉片攻角的表達(dá)式為

式中：λ為風(fēng)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(dá)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(xué)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(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)，葉片的合成風(fēng)速方向時刻變化，攻角也隨之變化，不易直接進(jìn)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(fēng)力機(jī)氣動性能的改善。

2 變槳規(guī)律研究

垂直軸風(fēng)力機(jī)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(xué)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(xué)(含空氣動力學(xué))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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)氣動特性研究及空氣動力學(xué)的不斷完善，上述理論在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(fēng)力機(jī)的理論研究，大部分學(xué)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律時，通常選用葉素理論來進(jìn)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(jìn)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(fēng)力機(jī)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(fēng)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(jìn)一步對葉尖速比λ<1.0 情況下的變槳規(guī)律進(jìn)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(jìn)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)分為上下風(fēng)區(qū)，并將轉(zhuǎn)子作用盤面沿垂直于來流的方向細(xì)分成多個獨立微流管[6]，理論上看對于垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)，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(biāo)，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(fēng)力機(jī)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(jìn)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(jìn)行力矩特性分析，結(jié)果顯示，采用該變槳規(guī)律的風(fēng)力機(jī)能夠可靠自啟動且高效發(fā)電。

張立軍[9]針對垂直軸風(fēng)力機(jī)下風(fēng)區(qū)風(fēng)況的復(fù)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(fēng)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(jìn)行了改進(jìn)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(fēng)力機(jī)進(jìn)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(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率為評價指標(biāo)，判定變槳前后風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的出力效果，便于對比變槳前后風(fēng)力機(jī)的氣動性能，但不能直觀觀察風(fēng)力機(jī)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(xué)(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(fēng)力機(jī)研究的主要手段之一[10]。對變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)二維仿真模型如圖7所示，圖中d為風(fēng)輪直徑。

針對垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的氣動性能差異，模擬不同葉尖速比下風(fēng)力機(jī)所處工況條件。張立勛等[12]仿真研究了不同槳距角下風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)在小方位角下進(jìn)入有效力矩作用區(qū)；設(shè)置外偏置槳距角使風(fēng)力機(jī)延緩?fù)顺鲇行Я刈饔脜^(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(jìn)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(fēng)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)風(fēng)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(dǎo)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖10所示，這種風(fēng)力機(jī)的主要特點在于：當(dāng)葉片處于迎風(fēng)面時，葉片始終與來流風(fēng)垂直；當(dāng)葉片處于背風(fēng)面時，葉片始終與來流風(fēng)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(fēng)力機(jī)進(jìn)行CFD壓力場仿真分析可知，該風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。

圖10 新型隨動變槳垂直軸風(fēng)力機(jī)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(dāng)前對風(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律的研究局限在于以穩(wěn)態(tài)值(如風(fēng)能利用系數(shù)等)為指標(biāo)，而忽視了對瞬態(tài)值(如風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中的實時負(fù)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(fēng)輪CFD 仿真模型，對不同槳距角下風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)、葉片壓力分布、旋渦脫落等情況進(jìn)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(fēng)力機(jī)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(jī)算法的不斷完善，CFD 仿真計算的可靠性將越來越高，會為學(xué)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(fēng)力機(jī)的氣動參數(shù)，且易于觀察風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)樣機(jī)置于實際風(fēng)場中，直接利用傳感器等測試儀器和設(shè)備監(jiān)測風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)裝置并進(jìn)行野外試驗，同時利用LabVIEW 軟件平臺對風(fēng)力機(jī)實時功率進(jìn)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(fēng)力機(jī)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(fēng)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(fēng)力機(jī)測試系統(tǒng)，研發(fā)成本較高，而且基于風(fēng)速的隨機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行性能測試，如圖13所示，通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率，可以實現(xiàn)對風(fēng)速可控調(diào)節(jié)，監(jiān)測不同工況下風(fēng)力機(jī)的性能[19]。但這種方法需要制造標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)洞，研發(fā)成本也比較高。

圖13 垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)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(fēng)力機(jī)樣機(jī)，如圖14所示，利用自制風(fēng)洞，模擬了垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場情況，對3～10 m/s 風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率進(jìn)行了監(jiān)測，試驗結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示，變槳距風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率較定槳距風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的測試試驗也將迎來更好的發(fā)展機(jī)遇。

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

表1 2種風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)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(xué)者對此也進(jìn)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(jī)械傳動變槳，二是液壓傳動變槳。

3.1 機(jī)械傳動變槳

采用機(jī)械傳動機(jī)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(jī)的精確性和蝸輪蝸桿減速機(jī)的自鎖功能，設(shè)計了一種自主變槳式風(fēng)力機(jī)，如圖15所示。其主要工作原理是：利用光電編碼器檢測風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速及葉片位置，通過變槳伺服電機(jī)調(diào)節(jié)葉片槳距角，并利用蝸輪蝸桿減速機(jī)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(fēng)力機(jī)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(xué)者提出了利用連桿機(jī)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(jī)構(gòu)來控制風(fēng)力機(jī)槳距角的垂直軸風(fēng)力機(jī)模型。JAIN 等[23]也提出類似的四連桿機(jī)構(gòu)模型，如圖16所示。

圖16 連桿式變槳距風(fēng)力機(jī)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(jī)構(gòu)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖17所示，該風(fēng)力機(jī)主要采用雙曲柄調(diào)距機(jī)構(gòu)及雙偏心軸機(jī)構(gòu)。

圖17 基于調(diào)距機(jī)構(gòu)的整體風(fēng)機(jī)模型[24]Fig.17 Overall structure of distance adjusting mechanism[24]

對于垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳機(jī)構(gòu)中連桿機(jī)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(jī)方向法對一種雙曲柄機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)構(gòu)的參數(shù)組合。雙曲柄機(jī)構(gòu)的幾何分析如圖18所示。

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

采用機(jī)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(hù)等，但是并不利于風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)，變槳機(jī)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(jī)構(gòu)響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)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(jī)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(jī)構(gòu)實現(xiàn)控制變槳機(jī)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(jìn)行比較形成偏差，進(jìn)而進(jìn)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(fēng)力機(jī)的穩(wěn)壓恒頻發(fā)電。為了使垂直軸風(fēng)力機(jī)吸收更多的風(fēng)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(fēng)力機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖20所示?！岸鄬印笨梢允癸L(fēng)力機(jī)充分吸收不同高度上的風(fēng)能；“多軸”可以降低風(fēng)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(fēng)力機(jī)采用液壓傳動，不但省去了機(jī)械式變速箱和整流逆變器，并用普通交流電動機(jī)代替了永磁發(fā)電機(jī)，制造成本降低了約30%，而且占地面積?。徊捎醚a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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力機(jī)[30]Fig.20 VAWT with multi-layer multi-axis tower[30]

4 變槳機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難點剖析

現(xiàn)階段，雖然各國學(xué)者對于變槳距H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)速高于切出風(fēng)速時的“限速”外，垂直軸風(fēng)力機(jī)用于1周連續(xù)改變攻角進(jìn)而提高風(fēng)能利用率的變槳機(jī)構(gòu)并未得到商業(yè)化應(yīng)用，究其原因主要是在變槳機(jī)構(gòu)響應(yīng)時間、1周實時變槳規(guī)律計算、下風(fēng)區(qū)流場復(fù)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(jī)構(gòu)實現(xiàn)起來非常困難，尤其是對中小型垂直軸風(fēng)力機(jī)。

4.1 變槳機(jī)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(fù)雜，主要包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、機(jī)械與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多個環(huán)節(jié)，而且存在閉環(huán)控制，很難實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)。特別是對于中小型垂直軸風(fēng)力機(jī)而言，風(fēng)力機(jī)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(fēng)風(fēng)能科技有限公司所生產(chǎn)的小型垂直軸風(fēng)力機(jī)為例，風(fēng)力機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。由表2可知：這些小型風(fēng)力機(jī)方位角的變化頻率較高，如額定功率為3 kW的風(fēng)力機(jī)，在額定風(fēng)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(fēng)速的隨機(jī)變化、葉片的慣性、連接機(jī)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(jī)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(fēng)速變化而完成葉片攻角的改變。

表2 小型垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)3 kW 垂直軸風(fēng)力機(jī)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(dāng)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(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向都在實時變化。風(fēng)速的改變帶來風(fēng)力機(jī)葉尖速比的變化，而在不同葉尖速比下，風(fēng)力機(jī)的攻角變化規(guī)律和槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律不同；風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(fēng)速隨機(jī)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(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難點。

4.3 下風(fēng)區(qū)流場計算復(fù)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(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)流場結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，屬于典型的大分離非定常流動，且葉片在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)要2次受到來流風(fēng)的作用。當(dāng)氣流經(jīng)過上風(fēng)區(qū)葉片到達(dá)下風(fēng)區(qū)時，出現(xiàn)了擾流現(xiàn)象，此時下風(fēng)區(qū)各個方位誘導(dǎo)速度發(fā)生了改變，且方向也與來流風(fēng)方向不同。由于下風(fēng)區(qū)流場分布復(fù)雜，雙致動盤多流管理論已經(jīng)很難完全反映誘導(dǎo)速度方向的變化，故在對垂直軸風(fēng)力機(jī)1周變槳規(guī)律制定時，下風(fēng)區(qū)槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律很難準(zhǔn)確得到。而目前關(guān)于垂直軸風(fēng)力機(jī)的分析，大都假設(shè)了垂直軸風(fēng)輪下風(fēng)區(qū)各個方位的誘導(dǎo)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(fēng)區(qū)提出了局部葉尖速比的概念，并重新建立了下風(fēng)區(qū)葉片攻角的計算模型[9]，如圖23所示。

定義下風(fēng)區(qū)局部葉尖速比X’為

圖23 下風(fēng)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(fēng)區(qū)葉片攻角的計算公式為

利用數(shù)值計算對推導(dǎo)出的垂直軸風(fēng)輪下風(fēng)區(qū)攻角的計算公式進(jìn)行了驗證，在此基礎(chǔ)上制定了下風(fēng)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(fēng)區(qū)流場的復(fù)雜性，目前關(guān)于下風(fēng)區(qū)槳距角調(diào)節(jié)策略的研究還尚不成熟，或許需要進(jìn)一步建立針對下風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(jìn)口來流攻角快速變化的過程中，風(fēng)輪葉片所表現(xiàn)出的與靜態(tài)風(fēng)洞實驗完全不同的氣動特性[37]，是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)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(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)1周時失速區(qū)的位置和大小?？梢娙~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(fù)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)實驗數(shù)據(jù)與風(fēng)洞靜態(tài)實驗結(jié)果[40-41]，以獲得風(fēng)輪的最大切向力為目標(biāo)，得到了垂直軸風(fēng)力機(jī)在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的最佳理論攻角。理論上，當(dāng)風(fēng)力機(jī)以最佳攻角運行時，將不再有動態(tài)失速的現(xiàn)象產(chǎn)生。基于雙致動盤多流管理論進(jìn)行Matlab編程計算，給出了垂直軸風(fēng)力機(jī)1周變槳距規(guī)律，變槳前后風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機(jī)的切向力，進(jìn)而增加風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩[39]。

圖25 變槳前后風(fēng)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(fēng)力機(jī)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(jìn)步和實驗經(jīng)驗的積累，垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)發(fā)展的主要趨勢，盡管大型化垂直軸風(fēng)力機(jī)由于高度較高，所受風(fēng)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(jī)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(xué)理論的提出，更準(zhǔn)確合理的槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律和更可靠經(jīng)濟(jì)的變槳機(jī)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(fēng)力機(jī)的研究熱點和難點。

同時，未來風(fēng)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(yuǎn)的能源，為盡快地利用這種能源，一些風(fēng)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(jī)組運行數(shù)據(jù)，建立運行數(shù)據(jù)庫和風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫，預(yù)先感知運行狀態(tài)，為機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)風(fēng)速及風(fēng)向預(yù)先感知風(fēng)力機(jī)的流場情況，從而得到槳距角的調(diào)節(jié)值，調(diào)動變槳機(jī)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(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率，除設(shè)計單一變槳機(jī)構(gòu)外，各國學(xué)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(fēng)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(fēng)能等新思想，基于新材料和信息技術(shù)，探索開發(fā)智能風(fēng)力機(jī)，這些途徑都將為垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)性能。目前對于垂直軸風(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)變槳技術(shù)研究的主流方法。

2)無論是采用機(jī)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(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)整體響應(yīng)時間較長，無法適應(yīng)風(fēng)速風(fēng)向的快速隨機(jī)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(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)2次掃掠來流風(fēng)，導(dǎo)致下風(fēng)區(qū)的誘導(dǎo)速度分布很復(fù)雜，給下風(fēng)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(fù)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(fēng)力機(jī)的風(fēng)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(fēng)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(fēng)場外圍大區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)將會被提前預(yù)知；智能柔性變形機(jī)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(fēng)力機(jī)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(fēng)力機(jī)的可能性將會更大。