VAWT的抗臺風研究

曹 政

（江蘇省海安高級中學 江蘇海安 226600）

1 引言

隨之穩定。因此，該VAWT不需通過復雜的控制電路耗散能量，也不需要額外的制動機構強制停機，就能安全度過臺風期，且能正常發電，安全環保，有效節約化石燃料資源。

開發利用可再生的風能可節約化石燃料資源。我國大規模風能開發利用主要集中在風資源豐富的高風速區。對于占全國總面積68%的風資源較豐富區和可利用的低風速區卻幾乎沒有開發。垂直軸風力發電機(VAWT）因其風速要求不高、無需偏航裝置、成本低、噪聲小、環保等優勢[1]，逐漸受到業界重視。

現有的VAWT當風速超過額定風速時，風力機的控制電路會將額外的能量以電阻發熱等形式耗散掉，形成一定程度的資源浪費；一旦超過極限風速（甚至臺風）時，風力機必須緊急制動，否則會導致結構磨損，甚至整體損壞[2]，危及人畜安全，對周圍環境也造成破壞。

2 可抗臺風的VAWT工作原理

本文設計的可抗臺風垂直軸風力機，如圖1所示。立柱焊接于平臺中央，發電機輸出軸固定于立柱頂部，多個葉片組件與電機外殼間通過支撐套管連接。復合支撐套管由外支撐管和內支撐管組成，彈簧置于內支撐管中以連接內、外支撐管。可折疊葉片由上、下葉片、導軌等構成。上、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。導軌固定于外支撐管端部。

圖1 抗臺風的VAWT整體結構及其受力分析圖

根據風能轉換理論[3]，風力機可產生的功率為：

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。在風速無法人為控制時，可改變葉輪掃掠面積，將輸出功率控制在許可范圍內。VAWT旋轉時葉片產生離心力，當風速超過額定值甚至達臺風時，風力機葉片向外滑出，在彈簧作用下建立新的平衡，此時上下葉片向內向內折疊一定角度，葉輪掃掠面積變小，反過來使葉輪角速度變小并趨于穩定，VAWT輸出功率

3 葉片承載能力

風力機旋轉時葉片受4個力作用(見圖1）：重力，風作用于葉片產生的升力，離心力以及彈簧力。重力方向平行于回轉軸，與風力機的功率無關。升力的切向分量Fz用于驅動風力機旋轉，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，上、下葉片質量為m，c為葉片弦長，CN為法向力系數，當風速為額定風速 υ0時，設葉輪角速度為 ω0，此時 x=0，有 F彈=Fn+Fx，即

當風速大于額定風速時，上下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，有

4 輸出功率

下面結合可抗臺風的VAWT葉片幾何解析圖（見圖1），分析臺風時風力機穩定發電原理。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。

當實際風速小于(或等于）風力機設計時的額定風速時，升力分量Fx與離心力Fn之和小于(或等于）彈簧力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。

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，離心力增大，葉片向外甩至某一位置 A’B’、A’D’，此時葉片鉸接點為A’（x0+x，0）,x變大，彈簧拉力相應增大，又由于y相應變小，葉輪掃掠面積也會變小，葉片上產生的升力相應變小，Fz相應變小，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(2）帶入式(3）得，

當風速大于額定風速時，葉輪掃掠面積為：

根據實際試驗知，在一定風速范圍內，當葉輪掃掠面積不變時，葉輪角速度與風速近似成線性正比例關系，為簡化計算，令。將式(5）代入式(1），且令 C1=CpC3υρ，C2=CNρy0cC2υ，得可抗臺風的VAWT風能轉換功率為：

由公式(6）知，可抗臺風的VAWT功率隨葉輪角速度而變化。當風速超過額定風速，甚至在臺風狀態下，葉輪角速度隨風速增加而增加，Fn變大，葉片鉸接點向A’運動，葉片端部B向B’運動，即x變大，y相應變小，葉輪掃掠面積也會變小，反過來會使葉輪角速度變小，離心力下降，鉸接點A’回縮，最終葉片在升力、離心力與彈簧力作用下建立新的平衡，葉片固定于某一角度不再移動，角速度不變，風力機輸出功率隨之恒定，從而減小了立柱振顫，避免了整機的毀壞以及對周圍環境的破壞。

5 結語

傳統風力機當風速過大時，即使利用制動機構人為停機，但風力發電機的迎風面仍受臺風作用，若承受的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。可抗臺風的VAWT解決了傳統VAWT風速達設計極限后不能工作的難題，避免了主軸振顫、葉片扭曲折斷、傳動機構磨損加劇，無法穩定發電等問題，能延長風力機的壽命，安全環保，可有效節約化石燃料資源，有較好的應用前景。

[1]Tai FZ,Kang KW,Jang MH,et al.Study on the analysis method for the vertical-axis wind turbines having Darrieus blades.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.西北大學,2014.

[3]Ion Paraschivoiu著,李春等譯.垂直軸風力機原理與設計.上海科學技術出版社,2013.