一種可抗臺風的垂直軸風力機設計

曹 政

(江蘇省海安高級中學，江蘇 海安 226600)

一種可抗臺風的垂直軸風力機設計

曹 政

(江蘇省海安高級中學，江蘇 海安 226600)

提出了一種可抗臺風的垂直軸風力機，葉片可以根據風速大小自行向內折疊一定角度，使得風力機轉速下降，輸出功率基本保持不變，達到抗臺風的目的。設計了垂直軸風力機的整體結構，分析了垂直軸風力機抗臺風的工作原理，闡述了可抗臺風的垂直軸風力機工作過程。

垂直軸風力機；葉片；抗臺風

0 引 言

開發利用風能可在一定程度上有效解決能源危機。水平軸風力發電機商業化時間較早，但這種風力機的技術構成復雜、造價高，且運行限制條件嚴格，適合運行的風速范圍小。而垂直軸風力發電機因其不受風向影響、無需偏航裝置、安裝維護方便、成本低、噪聲小等優勢[1]，逐漸受到業界重視。

現有垂直軸風力發電機大多為升力型風力機。額定風速和極限風速是其重要設計指標。當風速超過額定風速時，為了保證輸出功率一致，風力機的控制電路會將額外的風能以電阻發熱等形式消散；一旦超過極限風速時，某些結構會將風力機緊急制動，防止功率過載或者轉速過大導致的結構磨損[2]。在更極端(如臺風)情況下，風力發電機很可能遭到整體損壞。

設計一種結構合理，能抗臺風，且在超過極限風速時能穩定發電的垂直軸風力機，可提高垂直軸風力機的壽命，促進垂直軸風力機的推廣應用。

1 抗臺風垂直軸風力機整體結構設計

文中設計的可抗臺風垂直軸風力機，如圖1所示。中空立柱豎直焊接于基礎平臺中央，發電機輸出軸豎向固定于中空立柱頂部，發電機外殼上表面裝配有連接圓盤，多個葉片組件與圓盤之間通過支撐套管連接，葉片組件豎直布置，且沿立柱周向均布，構成風輪。

復合支撐套管由外支撐管和內支撐管組成，內支撐管剛好插于外支撐管中，彈簧置于內支撐管中以連接內、外支撐管。

可折疊葉片由上葉片、下葉片、連接塊、鉸鏈、導軌及滑塊構成。上葉片和下葉片各自的一端連接與內支撐管端部，葉片的另一端于導軌中自由運動。導軌豎向布置，其中部固定于外支撐管端部。

1-基礎平臺；2-立柱；3-導軌；4-下葉片；5-內支撐管；6-連接塊；7-上葉片；8-滑塊；9-外支撐管；10-連接管；11-連接圓盤；12-發電機圖1 可抗臺風的垂直軸風力機整體結構

采用鉸鏈將葉片的一端與滑塊相連，滑塊置于導軌槽內沿導槽自由移動；采用鉸鏈將葉片的另一端與連接塊相連，連接塊固定于內支撐管端部。

2 抗臺風原理

根據風能轉換理論[3]，風力機可產生的功率為：

(1)

式中：Cp為風能利用率；ρ為空氣密度；S為葉輪掃掠面積；υ為風速。

可見，垂直軸風力機正常工作時的輸出功率與葉輪掃掠面積和風速有關。在風速無法人為控制的情況下，只有改變葉輪掃掠面積，將輸出功率控制在許可范圍內。同時，通過調節機構控制垂直軸風力機的旋轉速度，從而保證風力機在臺風影響下結構穩固，且能正常發電。

垂直軸風力機旋轉過程中葉片產生離心力，當風速超過額定風速甚至是臺風時，風力機葉片向外甩出，在彈簧拉力作用下葉片建立新的平衡，此時葉片向內于某一固定角度不變，葉輪掃掠面積S變小，反過來會使葉輪角速度ω變小并趨于穩定，風力機的輸出功率隨之穩定。因此，整個風力機不需要采取強制機械停機就能安全度過臺風期，更重要的是其在臺風期間也能正常發電。

3 可折疊葉片受力分析

可折疊葉片包括上葉片和下葉片。上葉片和下葉片各自的一端連接與內支撐管端部，葉片的另一端于導軌中自由運動。內支撐管置于外支撐管內，其相對移動受彈簧約束，如圖2所示。

圖2 復合支撐管結構示意圖

風力機在旋轉過程中，葉片受4個力的作用：重力，風作用于葉片產生的升力，離心力以及彈簧拉力。葉片所受重力方向平行于回轉軸，與風力機的功率無關，故對葉片的受力分析只要考慮回轉葉片的切向和法向方向的受力情況，如圖3所示。

圖3 垂直軸風力機葉片受力分析圖

升力的切向分量Fz用于驅動風力機旋轉。升力的法向分量Fx、離心力合力Fn以及彈簧拉力F彈用于調節葉片的折疊程度。

設彈簧彈性系數為k，彈簧原長為l0，彈簧初始伸長量x0(即外支撐管程度)，則彈簧產生的拉力為：

(2)

設上、下葉片質量均為m，它們繞旋軸旋轉時產生的離心力合力為：

(3)

葉片旋轉時產生的最大升力法向分量Fx為[3]：

(4)

式中：ρ為空氣密度，υ為風速，c為葉片弦長，CN為法向力系數。

當風速為額定風速υ0時，設葉輪轉動角速度為ω0，此時彈簧力等于葉片離心力與葉片升力法向分量之和，x=0，F彈=Fn+Fx，有：

(5)

當風速大于額定風速時，上葉片在升力法向分量、彈簧力和離心力共同作用下到達新位置，此時彈簧力等于葉片離心力與葉片升力法向分量之和，葉輪角速度為ω，葉片處于新的受力平衡狀態，有：

(6)

4 穩定發電原理分析

下面結合可抗臺風的垂直軸風力機葉片幾何解析圖(如圖4所示)，分析臺風時風力機穩定發電原理。

圖4 垂直軸風力機葉片幾何解析圖

y軸代表風力機立柱，x軸代表支撐管，外支撐管長x0，A′B′表示風力機正常運轉時某可折疊葉片的上葉片，A′D′表示下葉片，上、下葉片長度均為y0，BD表示導軌。

(1)當實際風速小于(或等于)風力機設計時的額定風速時，上、下葉片產生的升力法向分量Fx與葉片旋轉產生的離心力合力Fn之和小于(或等于)彈簧拉力F彈，點A′向回轉中心O移動，但受外支撐管長度x0的約束，只能到達點A(x0，0)，同時B′、D′兩點在導軌內移動，分別到達B(x0，y0)、D(x0，-y0)，此時上、下葉片完全貼合于導軌，且平行于立柱，風力機可將捕獲的風能轉化為電能，實現正常發電；

(2)當實際風速大于風力機設計時的額定風速，甚至達到臺風時，葉片的離心力合力Fn增大，葉片向外甩出至某一位置A′B′、A′D′，此時葉片鉸接點為A′(x0+x，0),x越來越大，彈簧拉力相應增大，又由于y相應變小，葉輪掃掠面積S也會變小，葉片上產生的升力相應變小，驅動風力機旋轉的升力切向分量Fz相應變小，葉輪角速度ω下降，離心力變小，最終葉片在升力法向分量、離心力與彈簧力作用下建立新的平衡，葉片處于某一固定位置不再移動，因而風力機的輸出功率隨之恒定，從而使發電機在臺風的作用下可以正常的工作而不損害發電機的壽命。

將式(5)帶入式(6)得，

(7)

由RtΔAA′B′知:

(8)

當風速大于額定風速時，葉輪掃掠面積為：

(9)

(10)

由公式(10)知，可抗臺風的垂直軸風力機的功率隨葉輪角速度ω的變化而變化。當風速超過額定風速時，甚至在臺風狀態下，葉輪角速度ω隨風速的增加而增加，離心力Fn越來越大，鉸接點A向外甩出向A′運動，葉片端部B相應地向B′運動，即x越來越大，y相應變小，葉輪掃掠面積S也會變小，而掃掠面積S的變小反過來會使葉輪角速度ω變小，離心力下降，鉸接點A′回縮，最終葉片在離心力與彈簧力作用下建立新的平衡，葉片處于某一固定位置不再移動，角速度ω不變，風力機的輸出功率隨之恒定，從而減小了立柱的振顫，增強了風力機的整體穩定性，避免了整機的毀壞。因此，整個風力機不需要采取強制機械停機就能安全度過臺風期，更重要的是其在臺風期間也能正常發電。

5 結束語

傳統風力機當風速過大時，即使可利用制動機構人為停機，但風力發電機的迎風面仍然受臺風的靜載荷和動載荷疊加效應的作用，若風力發電機承受彎矩和扭矩超過其極限載荷，輕則葉片折斷，重則風力機傾覆報廢?？煽古_風的垂直軸風力機解決了傳統的垂直軸風力發電機轉速達到設計極限后就不能工作的難題，避免了主軸振顫、葉片扭曲、傳動機構磨損加劇，無法正常穩定發電等問題，能有效延長風力機的使用壽命，提高風力機效率，有著較好的應用前景。

[1] Tai FZ , Kang K W, Jang MH, et al. Study on the analysis method for the vertical-axis wind turbines having Darrieus blades[J]. Renew Energy 2013; 54: 26-31.

[2] 王 磊. 垂直軸阻力差型風機的氣動制動研究 [D]. 西安: 西北大學, 2014.

[3] Ion Paraschivoiu著,李春等譯. 垂直軸風力機原理與設計[M]. 上海: 上?？茖W技術出版社, 2013.

Design of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine

CAO Zheng

(Haian Senior School of Jiangsu Province, Haian 226600, Jiangsu Province, China)

A type of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine is proposed. In order to resist typhoon, the blades can fold inwards for a certain angle according to wind speed, which leads to a drop of rotating speed while output power maintains still. The principle of resisting typhoon is argued. It designs the whole structure of this VAWT and describes the working process of the VAWT.

Vertical Axis Wind Turbine; Blade; Anti-typhoon

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.017

2015-11-04

2015-11-28

曹 政(1997-)，男，江蘇南通人，江蘇省海安高級中學高三年級學生，獲得全國中學生數學奧林匹克競賽江蘇省賽區競賽一等獎。

TH

B

1009-3230(2015)12-0050-03