風(fēng)力發(fā)電機多種多樣，但簡單歸納起來可分為兩類：

1、水平軸風(fēng)力發(fā)電機，即風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行；

2、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，即風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流的方向。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機

本文主要描述的是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機（verTIcalaxiswindturbineVAWT）從分類來說，主要分為阻力型和升力型。

阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機主要是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的阻力作為驅(qū)動力的，而升力型則是利用空氣流過葉片產(chǎn)生的升力作為驅(qū)動力的。由于葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加阻力急劇減小，而升力反而會增大，所以升力型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的效率要比阻力型的高很多。

利用阻力旋轉(zhuǎn)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有幾種類型，其中有利用平板和杯子做成的風(fēng)輪，這是一種純阻力裝置；S型風(fēng)車，具有部分升力，但主要還是阻力裝置。這些裝置有較大的啟動力矩，但尖速比低，在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下，提供的功率輸出低。

達(dá)里厄式風(fēng)輪是法國G.J.M達(dá)里厄于19世紀(jì)30年代發(fā)明的。在20世紀(jì)70年代，加拿大國家科學(xué)研究院對此進(jìn)行了大量的研究，是水平軸風(fēng)力發(fā)電機的主要競爭者。達(dá)里厄式風(fēng)輪是一種升力裝置，彎曲葉片的剖面是翼型，它的啟動力矩低，但尖速比可以很高，對于給定的風(fēng)輪重量和成本，有較高的功率輸出。世界上有多種達(dá)里厄式風(fēng)力發(fā)電機，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。這些風(fēng)輪可以設(shè)計成單葉片，雙葉片，三葉片或者多葉片。

從達(dá)里厄發(fā)明升力型垂直軸風(fēng)力機至今已180多年了，但一直未能廣泛應(yīng)用，主要是自身的一些缺點妨礙了應(yīng)用。不能自起動是其重要的缺點，但主要的缺點還是對風(fēng)力的變化范圍與負(fù)荷的變化范圍要求過窄，這也涉及它不能調(diào)速的缺點。

1、固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機

圖1升力型垂直軸風(fēng)力機風(fēng)輪葉片布置圖

傳統(tǒng)達(dá)里厄風(fēng)力機采用ф形葉片，目前較多采用直葉片（H型）結(jié)構(gòu)，達(dá)里厄風(fēng)力機的葉片相對于風(fēng)輪是固定的，也就是葉片弦線角度是不可調(diào)的。圖1是風(fēng)輪的葉片分布圖。

升力型風(fēng)力機是利用葉片的升力推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)做功，對于多數(shù)普通翼型的葉片在理想狀態(tài)下，在攻角為0至15度能產(chǎn)生升力，而在8至13度能產(chǎn)生大的升力且阻力較小。圖2是風(fēng)力機的葉片旋轉(zhuǎn)到風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)（0度位置）時的氣流與受力圖。

圖2葉片在正常與失速時升力阻力對比圖

圖2左側(cè)圖中葉片受到相對風(fēng)速W的作用產(chǎn)生升力L與阻力D，相對風(fēng)速W與葉片弦線的夾角即葉片的攻角α約為14度，相對風(fēng)速W由風(fēng)速V與葉片運動速度u合成，此時的葉片運動的速度約風(fēng)速的4倍，即葉尖速比為4。升力L與阻力D的合力為F，該力對風(fēng)輪的力矩力為M，是推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力。在葉尖速比為4時，葉片運行在向風(fēng)側(cè)或背風(fēng)側(cè)均能產(chǎn)生推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的力矩，僅在兩側(cè)（90度與180度）附近升力很小，會有不大的負(fù)向力矩。

在圖2右側(cè)圖中風(fēng)速增加了一倍，葉片運動的速度未變，葉尖速比約為2，葉片的攻角α約為27度，葉片工作在失速狀態(tài)，此時葉片產(chǎn)生的升力L下降了，阻力D大大上升了，相對風(fēng)輪產(chǎn)生的力矩力M為負(fù)向，是阻止風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的，在這種風(fēng)速與轉(zhuǎn)速下葉片產(chǎn)生負(fù)向力矩的可能性是很大的。

其實葉片在葉尖速比為4（α為14度）時已在失速的邊沿，低于4時升力L已不再增加，阻力D已明顯上升，風(fēng)葉產(chǎn)生的力矩力M有可能為0或負(fù)向。好在葉片運行在0度至90度中間一段區(qū)域葉片攻角較小能產(chǎn)生正向力矩、在90度至180度、180度至270度、270度至360度的中間也有這樣一段區(qū)域。但在在葉尖速比小于3.5（α大于16度）時這樣的區(qū)域就越來越小了。

圖3中是升力型垂直軸風(fēng)力機的功率系數(shù)Cp與葉尖速比tsr的關(guān)系曲線，可見葉尖速比在4至6之間才有較高的功率系數(shù)，而且氣流是在理想的狀態(tài)下。

圖3固定葉片垂直軸風(fēng)力機功率系數(shù)與葉尖速比關(guān)系曲線圖

然而風(fēng)力大小不可能穩(wěn)定，風(fēng)力機負(fù)荷也不會不變，當(dāng)風(fēng)速快速增加，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不能立即同步跟上，葉尖速比可能降至3.5以下，風(fēng)力機可能遭受反向力矩的沖擊而運行不穩(wěn)；這種情況在風(fēng)力機負(fù)荷增加轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)至葉尖速比下降時同樣會出現(xiàn)；在風(fēng)速下降時風(fēng)力機因負(fù)荷轉(zhuǎn)速會下降更快，也可能出現(xiàn)這種情況。要求風(fēng)力或負(fù)荷的變化范圍較窄就是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機的主要問題，不能自起動也是固定葉片升力型垂直軸風(fēng)力機的重要缺點，這些都給應(yīng)用帶來許多限制。

2、升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機翼型調(diào)節(jié)的方式

在水平軸風(fēng)力機中采用變漿距角的方法來適應(yīng)風(fēng)速的變化、調(diào)節(jié)風(fēng)速與負(fù)荷間的關(guān)系，在垂直軸風(fēng)力機中通過改變翼型也可改善運行性能。下面淺析幾種控制翼型的方法及優(yōu)缺點：

1）按程序指定的角度來改變?nèi)~片的角度

用微處理機來控制葉片的角度是最好的方法，不過本文不討論用微處理機控制的方式只討論用最簡單的機械方法控制葉片的角度。

采用凸輪推桿或偏心輪調(diào)整葉片攻角，在葉片長度方向有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪的葉片支架上，有連桿拉動葉片轉(zhuǎn)動，連桿受凸輪或偏心輪的控制，還裝有對風(fēng)裝置使凸輪受風(fēng)向控制，凸輪是按設(shè)定的控制規(guī)律來設(shè)計，使葉片運轉(zhuǎn)到不同的位置轉(zhuǎn)向預(yù)定的角度。

這種風(fēng)力機能自起動，能在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)工作。

缺點是：由于葉片在各個位置上的轉(zhuǎn)角相對于風(fēng)向是固定的，與風(fēng)速無關(guān)，故僅對設(shè)計的風(fēng)速有高的轉(zhuǎn)換效率，在其它風(fēng)速時，葉片攻角并不一定最佳，在正常工作時葉片應(yīng)基本不擺動，故這種固定的擺動規(guī)律是無法在較寬的風(fēng)速的得到大的轉(zhuǎn)換效率。

結(jié)構(gòu)上的缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機械磨損大，不適合惡劣環(huán)境運行，噪聲也大。

2）利用風(fēng)力與擋塊控制葉片的角度

靠風(fēng)力直接推動葉片擺動，用擋桿限制擺動角度。在葉片長度方向有葉片轉(zhuǎn)軸，葉片轉(zhuǎn)軸位置在葉片的壓力中心前側(cè)（標(biāo)準(zhǔn)的常用翼型正常運行時壓力中心在離葉片前緣1/4葉片弦長位置），葉片通過葉片轉(zhuǎn)軸安裝在風(fēng)輪的葉片支架上，葉片可繞軸轉(zhuǎn)動。葉片轉(zhuǎn)軸設(shè)在離葉片前緣1/4葉片弦長前的位置，可保證葉片在任何角度風(fēng)對葉片的作用力合力的作用點在轉(zhuǎn)軸的后方，能使葉片隨風(fēng)擺動。在支架上還有擋桿限制葉片擺動的角度，圖4是其結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4利用風(fēng)力與擋塊控制葉片的擺動角度

圖5是葉片受風(fēng)力作用下葉片擺動的示意圖，葉片隨風(fēng)擺動可使風(fēng)力機在較低的風(fēng)速下也能較好的工作，葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時，葉片向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺，葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時，葉片向風(fēng)輪外側(cè)偏擺，均能形成較大的轉(zhuǎn)矩力，圖中葉尖速比約為2，左方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時受力狀況，右方是葉片旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時受力狀況。

圖5葉片受風(fēng)力作用擺動示意圖

這種方式優(yōu)點是風(fēng)力機能夠自起動，而且在低風(fēng)速到較高的風(fēng)速下都能工作。

缺點是葉片運行至90度或270度附近的區(qū)域時，葉片擺至兩側(cè)擋桿間的位置，處于順風(fēng)位置，沒有升力僅有阻力。而且隨葉尖速比的增加，葉片處于順風(fēng)的區(qū)域加大；如果葉片可擺動的范圍是±15度，葉片的最高葉尖速比就不會超過4，因為葉尖速比超過4時，葉片在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)整周都處于順風(fēng)位置，沒有升力僅有阻力，即使沒有負(fù)荷，轉(zhuǎn)速也不會增加。所以葉片可擺動的范圍若超過±15度時風(fēng)力機風(fēng)能利用效率會明顯降低，若葉片可擺動的范圍小于±15度時風(fēng)力機自起動能力會很差。

從結(jié)構(gòu)上看優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，運動副最少，加工安裝維護(hù)容易。缺點是頻繁撞擊擋塊易造成構(gòu)件損傷、噪聲也大。

3）利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案一

在轉(zhuǎn)速增高時減小葉片的擺動角度，可適應(yīng)較寬的風(fēng)速范圍，運行到較高的葉尖速比，下面是一種控制偏擺角度的方式：

葉片的轉(zhuǎn)軸與安裝與2小節(jié)相同。在葉片上固定有擺桿，離心滑動擋塊可沿支架軸線滑動，并通過彈簧與支架連接，圖6左圖為其結(jié)構(gòu)示意圖。葉片擺動時擺桿在離心滑動擋塊的V型口內(nèi)擺動，V型口的邊沿將限制葉片的擺動角度。

當(dāng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，離心滑動擋塊受離心力作用向風(fēng)輪外側(cè)移動，移動量隨轉(zhuǎn)速增高加大。在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速低時檔桿在V型口上端，葉片有較大的擺動幅度，見圖6中部圖；在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高時檔桿在V型口底部，葉片可擺動幅度較小，見圖6右部圖。

圖6利用V形離心滑動擋塊控制葉片的擺動角度

這種控擺方式的優(yōu)點是：風(fēng)力機可自起動，在未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，如葉尖速比在2時也會有功率輸出，在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，葉片不擺動，可運行到較高的葉尖速比。

缺點是：葉片仍然是在一個限位區(qū)間內(nèi)擺動，該區(qū)間隨轉(zhuǎn)速增加而減小，也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時葉片可擺動的角度是不變的，葉片運行至90度或270度附近的一段區(qū)域時，葉片在限位區(qū)間內(nèi)順風(fēng)擺動，沒有升力僅有阻力。

從結(jié)構(gòu)上看是復(fù)雜了，滑動件對機械加工要求高，密封潤滑較麻煩，而且在低于額定轉(zhuǎn)速時仍有限位時的撞擊，對結(jié)構(gòu)強度有影響，也會有噪聲。

4）利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案二

圖7利用離心滑動擋塊控制葉片的擺動角度

圖7是另一種利用離心滑塊控制偏擺角度的方式，在風(fēng)輪支架上有帶擋輪的離心滑塊，滑塊在靠葉片端自由滑動。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時滑塊受離心力作用靠緊葉片，風(fēng)則推動葉片擺動，擺動的葉片又把滑塊推向支架內(nèi)側(cè)，葉片將擺至風(fēng)力與離心力平衡的位置。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時滑塊的擋輪始終靠緊葉片，滑塊對葉片的作用是連續(xù)的，葉片的擺動也是連續(xù)的，消除了順風(fēng)擺動的區(qū)間。

圖7中左圖是風(fēng)輪不轉(zhuǎn)動時，葉片與擋塊都處于任意位置；圖7中圖是風(fēng)輪還未進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速，葉片在上風(fēng)位置，有較大擺角；圖7右圖是葉片在兩側(cè)位置，或進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，擺角很小。

這種控擺方式比上種方式的優(yōu)點是：連續(xù)的控擺，沒有順風(fēng)擺動區(qū)間，有利于進(jìn)一步提高風(fēng)力機的運行效率。

結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點是沒有了沖擊，減小了噪聲。但滑塊的移動非常頻繁，仍存在滑動件對機械加工要求高，密封潤滑較麻煩等問題，同時小擋輪的防塵也較麻煩。

3、利用風(fēng)力與離心力直接控制葉片的角度

不用滑動擋塊，利用離心力與風(fēng)力直接控制葉片擺動的角度，一種新設(shè)計的結(jié)構(gòu)使運動副減為最少，其結(jié)構(gòu)如下：

圖8利用風(fēng)力與離心擺控制葉片的擺動角度

葉片的轉(zhuǎn)軸與安裝與2小節(jié)相同。在葉片朝向風(fēng)輪外側(cè)一面固定一根擺桿，擺桿指向風(fēng)輪外側(cè)，其軸線通過葉片轉(zhuǎn)軸與風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸，擺桿外端部有一個離心錘，離心錘與葉片一起繞葉片轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，圖8是結(jié)構(gòu)與擺動示意圖。

圖9葉片受離心擺力與風(fēng)力作用示意圖

在圖9的兩圖中將分析風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)時葉片受控偏擺時的受力情況，圖中僅顯示葉片、離心錘與主要力矢。箭頭W代表風(fēng)力的方向，葉片正以線速度ｕ正常運行，葉片受到以升力為主的空氣動力F2，力作用點為葉片的壓力中心；由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，離心錘受到離心力F1作用，F(xiàn)1與F2相對于葉片轉(zhuǎn)軸的矩轉(zhuǎn)向相反，在兩力矩作用下葉片擺向兩力矩平衡的位置，該位置就是葉片隨風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)至該點的被控偏擺角度。左圖是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪向風(fēng)側(cè)時，風(fēng)葉向風(fēng)輪內(nèi)側(cè)偏擺的受力狀態(tài)，右圖是風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)至風(fēng)輪背風(fēng)側(cè)時，風(fēng)葉向風(fēng)輪外側(cè)偏擺的受力情況，轉(zhuǎn)速越高離心力越大，風(fēng)葉偏擺角度越小，在較高風(fēng)速時可達(dá)較高的葉尖速比。

改變離心錘的質(zhì)量大小或改變離心錘在離心擺桿上的位置均可調(diào)整離心力的大小，使葉片運行在較合適的狀態(tài)。

在風(fēng)輪支架上仍安裝有限位擋桿，設(shè)置擋桿僅僅是限止風(fēng)力機起動時的葉片擺動角度，風(fēng)輪起動后隨轉(zhuǎn)速的提高，離心力加大使葉片偏擺角度減小，葉片不會撞擊擋桿，風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速后，風(fēng)輪工作在升力狀態(tài)，葉片僅有小角度偏擺。

采用這種控擺方式的風(fēng)力機可自起動，葉尖速比在1以下運行在阻力狀態(tài)，葉尖速比從1以上進(jìn)入到升力阻力混合狀態(tài)，葉尖速比在1.5以上即進(jìn)入升力工作狀態(tài)，葉片的擺動是連續(xù)的，沒有順風(fēng)擺動區(qū)間，有利于風(fēng)能利用效率的提高。

從結(jié)構(gòu)上講，機構(gòu)簡單，運動副只有葉片與風(fēng)輪支架間通過軸承聯(lián)接，運轉(zhuǎn)可靠，加工與安裝容易，潤滑與密封容易，價格低廉，基本不需要維護(hù)。風(fēng)力機運轉(zhuǎn)后靠風(fēng)力與離心力的平衡控制葉片擺動角度，不會撞擊擋桿，也不會有噪聲。

但該方案要求葉片有很小的轉(zhuǎn)動慣量，對材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高。

總結(jié)

上述幾種簡單的翼型控制方法，對升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的性能有所改善，較低風(fēng)速可啟動，葉尖速比超過1就有功率輸出。利用風(fēng)力與離心擋塊控制葉片的角度方案二與利用風(fēng)力與離心力直接控制葉片的角度兩種方案較適用，前者問題是制作較復(fù)雜，維護(hù)量大，后者問題是輕質(zhì)葉片的成本高。

但是這些方法都不能解決高風(fēng)速時限制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速上升的問題，對于大中型風(fēng)力發(fā)電機來說還是要能通過改變翼型來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速才是升力型垂直軸風(fēng)力機的最終出路。