變槳距提高升力型垂直軸風力機性能研究綜述

許應橋，孫曉晶

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

隨著化石燃料的日益衰竭以及環境污染的不斷加劇，尋找與開發清潔的可再生能源是當今人類所面臨的一項刻不容緩的任務［1］。風能是一種可再生的清潔能源，其儲量大、分布廣。從20 世紀70 年代至今，世界范圍內風能利用得到迅速發展，風力發電技術日趨成熟，然而與常規能源相比，風能的利用率仍然較低［2］。近些年，全球風力發電機的裝機容量不斷增加，從2004 年6 614 MW 到2015 年的433 GW，以平均每年1.2倍的速度增長。世界各國都把風力發電作為新能源開發的重點，并結合各自不同的國情出臺了新的政策和措施以期進一步推動風能利用技術及其產業的發展。根據全球風能理事會預測，到2050年全球風力發電機的裝機量將會達到3 545 GW［3］。

根據旋轉軸的不同，風力發電機主要分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機兩類。圖1為傳統風力機的分類。圖1(a)中水平軸風力發電機的旋轉軸與來流風向平行，轉速高，最大風能利用率可達50%，是當今風電市場上的主流機型。然而，水平軸風力機風輪直徑較大，重心高，對塔柱和地基的強度要求高。此外，水平軸風力機還需借助尾翼或者偏航系統來使風輪可隨風向的改變而轉動，因而整體結構相對復雜，造價較高［4］。

垂直軸風力機的旋轉軸與來流風向垂直，根據工作原理不同又可分為兩類：升力型垂直軸風機[圖1(b)]和阻力型垂直軸風力機[圖1(c)]。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機具有結構簡單、安裝維護方便、可以多向受風而不需要偏航裝置等優點［5-6］。但垂直軸風力機的風能利用率較低，其最大風能利用率只能達到40%左右，且自啟動能力差。這些問題是阻礙垂直軸風力機發展的主要制約因素。因此，如何改善垂直軸風力機的氣動特性，提高其風能利用率，這些問題一直被研究人員長期關注。

近年來，各種流動控制方法逐漸應用在垂直軸風力機葉片上以抑制或減緩大攻角下翼型的動態失速現象，從而提高風力機翼型的升力及升阻比，進而提升風力機的捕風能力和輸出功率。變槳距是目前最為常見的一種應用在升力型垂直軸風力機上的主動式控制方法。該方法盡管比較簡單、廉價，但對提高垂直軸風力機的風能利用率非常有效。本文主要對目前應用在升力型垂直軸風力機上的變槳距控制方法的研究現狀進行系統的總結和歸納，旨在發現該領域中有待解決的技術難點，以期為從事該研究的相關人員提供參考。

圖1 傳統風力機的分類Fig. 1 Classification of traditional wind turbine

1 升力型垂直軸風力機研究現狀

隨著風能的開發和利用，垂直軸風力發電機的相關技術也取得了顯著的進步，越來越多的科研人員開始關注垂直軸風力機的氣動特性。Tjiu等［7］對不同時期的達里厄型垂直軸風力機的特點進行了分析，指出了不同類型的達里厄型風力機的優缺點。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機的研究起步較晚［8］。早期的垂直軸風力機的葉片普遍采用航空翼型，沒有針對垂直軸風力機運行工況而設計的專有翼型。

近年來，很多學者致力于采用不同的方法來優化設計適用于垂直軸風力機的專用翼型。Chen等［9］對不同的垂直軸風力機翼型的設計方法進行歸納和總結，并提出新的垂直軸風力機翼型的優化思路。目前，垂直軸風力機翼型的設計大部分仍基于格朗特在1935 年為研究旋翼直升機應用所提出的葉素動量理論。然而，垂直軸風力機在實際運行過程中，其葉片與氣流的相互作用使得葉輪周圍的流場十分復雜。葉素動量理論僅適用于理論理想工況的計算，但這種計算方法并不準確。實驗和數值模擬能精確地得到與實際相符的結果，所以實驗和數值模擬逐漸成為現階段垂直軸風力機氣動性能研究的兩種主要方法。

2 垂直軸風力機失速特性的研究

翼型作為風力機主要做功部件的基本單元，是風力機不可或缺的一部分，但其做功條件有限，在大攻角翼型表面容易產生流動分離，從而導致翼型失速。對于垂直軸風力機來說，風力機轉子在旋轉過程中其翼型攻角變化幅度很大，這將導致在有些相位角下翼型會由于攻角太大而發生失速，進而失去做功能力。

Hand 等［10］對NACA0018 失速特性進行了二維數值模擬，以翼型前緣1/3 處為旋轉中心進行正負30°的俯仰運動，模擬垂直軸風力機翼型的動態失速特性。Kim 等［11］利用類似的方法研究了轉子上游的大渦對垂直軸風力機氣動性能的影響。

Almohammadi 等［12］利用轉捩模型和k-ω SST模型對比研究垂直軸風力機的動態失速特性時發現，利用轉捩模型計算得到的垂直軸風力機動態失速現象要比利用k-ω SST 模型計算得到的提前。Nobile 等［13］分別利用轉捩模型、標準k-ω模型和標準k-ε模型模擬分析垂直軸風力機的失速特性，結果也表明利用轉捩模型計算得到的結果的精潘確盼性等比［14］其對他旋兩轉個狀模態型下的的高垂。直軸風力機和與非旋轉狀態下的垂直軸風力機的氣動性能進行了對比，結果表明：旋轉狀態下的垂直軸風力機的輸出扭矩要比非旋轉狀態下的理想；前緣渦和翼型表面剪切渦有助于翼型上表面生成低壓區，從而獲得額外升力。

Ferreira 等［15-16］利用粒子圖像測速法對垂直軸風力機的動態失速進行了可視化測量，分析不同雷諾數和不同葉尖速比下垂直軸風力機的動態失速特性，并對比垂直軸風力機翼型在不同時刻的渦結構。粒子圖像測速法能將垂直軸風力機的翼型表面渦脫落過程可視化，展現出更清晰的量化過程。相比于模擬，該方法的信服力較高。但粒子圖像測速法只能分析翼型周圍的局部流場，要檢測輸出轉矩還需要配備其他檢測設備。

3 提高升力型垂直軸風力機性能的變槳距控制方法

與水平軸風力機相比，自啟動性能差和風能利用效率低是阻礙升力型垂直軸風力機發展的主要因素。為了進一步改善升力型垂直軸風力機的氣動性能，提高其風能利用率，許多研究者提出了改進方法。目前這些方法主要分為兩類：一類是對現有成熟翼型的氣動特性進行詳細的研究和對比，尋找能使垂直軸風力機獲得更高風能利用率的翼型型號［17-19］，或者開展升力型垂直軸風力機專用翼型的優化設計［20］；另一類是采用主動和被動的流動控制方法抑制翼型表面的流動分離，改善垂直軸風力機葉片周圍流場，提高風力機轉矩特性。

對升力型垂直軸風力機葉片來說，翼型在攻角0°～15°均能產生升力。當攻角超過15°，葉片表面將產生動態失速，導致做功性能顯著下降。傳統的升力型垂直軸風力機的葉尖速比必須維持在4 以上，此時葉片攻角較小，才能保證葉片具有較好的氣動性能和較高的捕風能力。而要在低葉尖速比下也能維持較好的氣動性能，就要采用主動控制的方法減小葉片旋轉到不同相位角處的攻角，以延緩其表面的流動分離。

變槳距技術是目前應用在升力型垂直軸風力機中最常見的一種控制方法：根據風速的變化及葉片旋轉到不同位置，調節葉片的槳距角，改變葉片的攻角，減小葉片表面上的流動分離，從而改善葉片的氣動性能，提高垂直軸風力機整體的輸出功率。

3.1 變槳距垂直軸風力機的理論分析

目前比較成熟的用于升力型垂直軸風力機氣動性能的理論預測方法主要有兩種：第一是基于勢流理論的渦方法；第二是基于動量理論的多流管模型。單盤面單流管模型相對簡單，但是不能反映垂直軸風力機轉子作用平面范圍內上游區和下游區的流動參數變化。

為了解決這一問題，Paraschivoiu 等［20］提出了雙盤面多流管模型。該模型在流管理論的基礎上又將每個流管進一步細分為上游和下游兩個盤面，可以實現上、下游兩個盤面的不同性能分析。流管型簡單快捷，便于工程應用，且雙盤面多流管模型計算的結果比葉素動量理論的更為精確，因此目前理論研究中多采用雙盤面多流管模型對風力機氣動性能進行計算。此外，當風力機翼型為不對稱或有安裝角時，采用雙盤面多流管模型對其氣動性能進行計算可以得到更為精確的預測結果。

Jain 等［21］基于雙盤面多流管模型計算并對比了不同葉片槳距角下垂直軸風力機風能利用率隨葉尖速比變化曲線。與不采用變槳距控制的風力機相比，采用變槳距控制的風力機最高風能利用率可提高80%。

顧華朋等［22］提出新型自動變槳距式垂直軸風力發電系統結構，并探索了可顯著提高翼型氣動性能的變槳距控制方法，還通過計算流體力學（CFD）軟件模擬計算了NACA0012 翼型在0～180°攻角范圍內的升、阻力系數。利用翼型的升力系數并根據葉素動量理論分別計算變槳距和定槳距風力機單個翼型旋轉一周產生的轉矩系數。結果表明，變槳距風力機的轉矩系數可比定槳距風力機的提高一倍左右，且變槳距式垂直軸風力機的自啟性能也有一定的提高。

張立勛等［23］采用雙盤面多流管模型對升力型垂直軸風力機進行了數學建模，以此方法計算單個翼型的氣動力，并通過CFD 軟件計算出不同槳距角下定槳距風力機的風能利用率。結果表明，變槳距控制下風力機與不同槳距角下的定槳距垂直軸風力機相比，其風能利用率有明顯提高。

趙振宙等［24］基于雙盤面多流管模型對傳統的變槳距方式進行了改進。傳統變槳距只對風力機翼型的相對相位角的大攻角進行改善，使大攻角在槳距角改變的情況下變小。趙振宙等［24］提出使相對相位角對應的小攻角在槳距角的改變下變大，大攻角在槳距角的改變下變小的想法，重點提高小攻角相對相位角區域翼型的氣動性能。該方法擴大了風力機高性能的相對相位角的范圍，在高葉尖速比下風力機的性能明顯提高。

3.2 變槳距升力型垂直軸風力機的數值模擬

李健等［25］利用數值模擬方法計算了不同槳距角下垂直軸風力機的風能利用率。然而，他們僅對槳距角為正值時的風能利用率的變化規律進行了研究。埃因霍芬理工大學的Rezaeiha 等［26］采用數值模擬方法對比研究了升力型垂直軸風力機葉片槳距角β固定在-7°～3°之間不同角度時葉片的轉矩系數。根據該方法可以得到不同槳距角下葉片輸出轉矩隨其相位角變化的規律。當葉片旋轉到不同相位角時，可以通過調整葉片的槳距角，使其保持較大的輸出轉矩，從而提高風力機的風能利用率。

加拿大學者Abdalrahman 等［27］提出了一種控制垂直軸風力機變槳距角變化的新理論，即多感神經網絡方法，利用該方法能計算出不同工況下風力機的風能利用率。垂直軸風力機每個葉片在不同相位角下都有一個最佳槳距角，使其在各個相位角下的做功能力達到最大。Abdalrahman等利用多感神經網絡PID 控制器來調整風力機葉片在不同相位角下的槳距角，進而使垂直軸風力機的風能利用率達到最大。與不加控制的垂直軸風力機風能利用率相比，該控制方法可將垂直軸風力機風能利用率提高25%左右。

張立勛等［28］利用多種用戶定義函數方法對變槳距式垂直軸風力機的性能進行了分析，對比了變槳距和定槳距的垂直軸風力機在不同尖速比、雷諾數和風速下的風能利用率。結果表明，采用變槳距控制的垂直軸風力機的風能利用率得到較大提高，最大風能利用率提高了90%左右。

左薇等［29］采用Flow Vision HPC 軟件對垂直軸風力機進行數值模擬，風力機的葉片采用NACA0022 翼型，并以該翼型的失速攻角為目標條件調節該風力機葉片槳距角的變化。與定槳距風力機功率系數相比，采用變槳距控制后的風力機功率系數提高了45%左右。

目前文獻中對變槳距垂直軸風力機的CFD數值模擬多為二維計算，主要包括物理模型的建立、網格劃分、求解器和后處理等步驟。但不同的研究者在模擬過程中控制風力機葉片變槳距的方法有所不同，主要可分為兩種：①根據葉片的失速特性和氣流對葉片的相對速度，確定葉片槳距角在轉子旋轉一周內的變化規律，通過自編程序（比如Fluent 軟件中的程序編譯UDF）在模擬過程中控制槳距角，使其能夠隨著翼型的相對位置的變化而變化；②分析不同定槳距角風力機的轉矩系數在一個旋轉周期內的不同變化規律，根據其規律確定在一個旋轉周期內不同相位角下的最佳槳距角。該方法由于每個固定的槳距角都需對應一套計算網格，因此網格劃分的工作量較大。

與傳統的實驗方法相比，計算機數值模擬方法可以節省大量的人力、物力和時間。但為了節省計算時間，大部分數值模擬都處在二維模擬研究階段。二維模擬中假設葉片展長為無限長并忽略了葉尖效應、機械結構及一些控制機構之間的摩擦損耗，這樣就導致數值結果與實驗數據存在一定的誤差。變槳距式升力型垂直軸風力機的結構較復雜，加工難度大，現階段關于其實際運行情況的實驗研究仍較少。然而，為了驗證數值模擬計算結果的準確性，開展針對變槳距式升力型垂直軸風力機的實驗研究非常必要。

3.3 變槳距垂直軸風力機的實驗研究

Elkhoury 等［30］通過實驗和三維數值模擬方法對變槳距垂直軸風力機的性能進行了研究。實驗中采用如圖2 所示的風力機模型。該模型中在距葉片前緣15%弦長左右處加裝與偏心輪相接的連桿。該結構可使偏心輪隨轉子旋轉帶動葉片擺動，從而調整旋轉過程中葉片槳距角的變化。模擬與實驗研究結果均表明，采用變槳距控制后升力型垂直軸風力機在低葉尖速比下的風能利用率最高可以提升一倍左右。

圖2 變槳距垂直軸風力機三維軸視圖與俯視圖［32］Fig. 2 Axonometric drawing and top view of variablepitch vertical axis wind turbine［32］

臺灣國立大學Miau 等［31］團隊采用多流管方法對變槳距垂直軸風力機的性能進行了計算，同時進行了實驗測試。對風力機葉片的槳距角分別在-10°～10°和-70°～70°范圍內的控制效果進行分析。他們發現：分別采取-70°～70、-10°～10°和定槳距混合式控制方式均可以使垂直軸風力機的風能利用率在各葉尖速比下得到一定的提高。

Benedict 等［32］對被動式變槳距控制的垂直軸風力機的氣動特性進行了數值模擬和實驗研究。該變槳距控制方法通過連桿和凸輪機構（如圖3所示）實現風力機葉片在旋轉過程中槳距角的變化，不需要安裝額外的控制器，從而減少了能量的消耗。研究表明，采用這種變槳距結構的風力機在低雷諾數下的最大風能利用率可提高15%左右。

圖 3 被動變槳距式風力機的結構示意圖Fig. 3 Structure of passive-pitch wind turbine

Hwang 等［33］提出一種基于變槳距角的擺線式垂直軸風力機。與定槳距式垂直軸風力機輸出功率對比發現，這種變槳距角的擺線式風力機的輸出功率提高一倍左右。Kiwata 等［34］針對小型變槳距角垂直軸風力機進行了實驗研究。實驗結果表明，與定槳距式垂直軸風力機相比，采用變槳距控制后的垂直軸風力機的自啟動能力得到提高，且其風能利用率提高22%左右。

4 討論與總結

目前垂直軸風力機變槳距的控制方法按是否有額外功率的輸入分為兩種：被動式變槳距的控制方法和主動式變槳距的控制方法。

被動式變槳距的控制方法通過在風力機轉子上添加一些輔助的機械結構來實現葉片在旋轉過程中槳距角的變化。一些常見的輔助機械結構有凸輪連桿結構、彈簧結構、擺錘結構等。但這些輔助機械結構對連續性、強度、潤滑性等要求較高。此外，這些附加結構只能使風力機葉片槳距角在一個較小范圍內發生變化。因此被動式變槳距控制方法的控制效果不理想。

主動式變槳距的控制方法比較靈活，能使風力機葉片的槳距角根據風速變化產生相應的變化。葉片在旋轉過程中處在不同相位角時都可維持較高的做功能力，因此可有效提高垂直軸風力機的輸出功率系數。由于主動式控制方法需要額外功率的輸入，因此主動式變槳距垂直軸風力機的風能利用率需將額外的輸入功率計算在內。然而，目前大部分研究人員都沒有對這部分能量進行定量計算。

眾多研究結果表明，通過變槳距控制方法可有效改善垂直軸風力機的氣動性能。然而，在自然環境下，由于風速和風向不斷發生變化，要使風力機葉片的槳距角能夠進行相應的調整，就需開發更加智能化的控制系統，所需要的機械與控制結構也將更為復雜。因此，目前變槳距控制垂直軸風力機技術仍多停留在理論研究階段，而如何使這項技術的實際應用更加智能化、高效化仍需進一步探索。