王锦亚 郑梅生
摘 要：作为可再生清洁能源的利用，风能发电具有广阔的应用市场，因此对风能转换效率的研究一直受到重视。本文提出一种新型垂直轴可变翼风力发电机，进行了结构设计和机构运动分析，采用双曲柄机构实现了风翼在受风转动时的两个极限位置，提高了风能的利用效率。
关键词：垂直轴风力发电机 可变翼 结构与运动分析
中图分类号：TH111 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0053-03
Abstract： Wind power generation has a broad application market as the utilization of renewable and clean energy， thus the research on the efficiency of wind energy conversion has been paid attention to. In this paper， a new type of vertical axis and variable wing turbines is presented， and its structure design and mechanism motion analysis are carried out， and the double crank mechanism realizes the two limit positions of the wind wing when it rotates in the wind， which improves the utilization efficiency of wind energy.
Key Words： Vertical axis wind turbines; Variable wing; Structural motion analysis
随着国家对生态文明建设重视程度的不断提高，可再生能源产业的发展[1]受到了极大的推动。其中，风能的转换利用尤为受到重视。人类利用风能发电已经历经了数千年的时间，早在19世纪的丹麦，人类就已经开始了对风力发电场的建设。到19世纪80年代末期，第一台风力发电机由美国制造成功，直至1990年，新一代风力发电机的雏形才逐步形成，其主轴分水平布置和垂直布置两种。由于人们普遍认为水平轴风力发电机的风能利用率高于垂直轴风力发电机，使得垂直轴风力发电机长期得不到发展。近年来，由于升力型风轮的出现，垂直轴风力发电机的风能利用率[2]大大提高，但阻力型垂直轴风力发电机仍然存在风能利用率低的问题。本文在提高风能利用效率方面，提出一种新型的可变翼垂直轴风力发电机，并进行结构与运动分析。
1 国内外垂直轴风力发电机的发展概况
1.1 国外垂直轴风力发电机的发展概况
进入21世纪之后，垂直轴风力发电机的研究取得了极大的进展，很多形象各异的商用小型垂直轴风力机（Vertical Axis Wind Turbines， VAWT）已成功投入市场。
比如美国Mag-Wind 公司的屋顶VAWT系统，他们推出的具有鲜明特色的VAWT解决了其他形式风力涡轮机的很多技术不足，鲜明地把别墅楼群的屋顶作为搭建风机的平台，并持续以降低成本作为努力的方向。又如加拿大Cleanfield Energy 公司的屋顶VAWT系统，该公司的主导产品是升力桨叶型3.5KW的VAWT，專门为民用和商用建筑屋顶而设计，离网和并网情况下均可以使用。这种系统的突出特点在于紧凑结实，且部件数少于同功率水平轴风力发电机，大大节约了维护费用，使用寿命可达20～30年。同类产品还有很多，本文就不再一一介绍。
1.2 国内垂直轴风力发电机的发展概况[3]
在我国，垂直轴风力发电机在风能发展历史上早早地就迈开了前进的步伐。
2006年7月22日，中国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙古化德县正式启动运行，其与常规的水平轴风力发电机相比，单位千瓦能力投资可下降50%左右。目前，实用型1.5MW大样机已于2008年正式定型生产，这对我国的风力发电起到重大的推动作用。
2 垂直轴风力发电机的主要类型介绍
垂直轴风力发电机的主要特征，是指旋转轴与地面垂直，风轮的旋转平面与风向平行。通过与水平轴风力发电机的比较，我们不难发现，垂直轴风力发电机具有发电机传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维护，易检修，寿命长，而且不需要迎风装置等优点，其在简化自身结构的同时也降低了风力发电机的制造成本。垂直轴风力机分为阻力型和升力型两个主要类别。
2.1 阻力型风力机
杯式风速计是最简单的阻力型风力机。来自法国的工程师Lafond受到离心式风扇和水利机械中涡轮的启发，发明了一种阻力推进型的垂直轴风力机。S型风轮是典型的阻力型垂直轴风力发电机[4]，由来自芬兰的工程师萨窝纽斯（Savonius）在20世纪20年代发明。S型风轮由轴线相互错开一段距离的两个半圆筒形叶片组成。该风力机具有起动转矩较大，启动性能良好的优点，但其低转速也使得其风能利用率低于水平轴风力机，且在运行中围绕风轮产生的不对称气流也会使其产生侧向推力，带来安全隐患。尤其对于较大型的风力机而言，由于受低转速、垂直轴偏转和安全极限应力的限制，使得其缺少了一定竞争力。
2.2 升力型风力机
升力型风力机是利用翼型的升力做功，其中最典型的是法国的工程师戴瑞斯（G-J-M-Darrieus）发明的戴瑞斯型（Darrieustype）风力机，于1931获得专利。美国Sandia实验室和加拿大国家空气动力实验室的大量试验研究，证明了戴瑞斯型风力机具有最高的风能利用系数。针对叶片的不同形状，该风力机可分为直叶片和弯叶片两种，且其翼形以对称翼形为主。弯叶片（型）通过固定几何形状来使叶片只承受张力而不承受离心力，这也导致其不便采用变桨距的方法来控制转速，且叶片的制造成本也高于直叶片。相较之下，直叶片（H型）通过轮毂臂和拉索的支撑，为其避免了过大的离心力和弯曲应力，不过，这些支撑会导致气动阻力的产生，对其效率造成负面影响。如图1所示，戴瑞斯型风力机包括H型、 型、Y型和型等，其中以H型风机和型风机最为典型。
3 阻力型垂直轴风力机存在的不足
导致阻力型风力机风能利用率低的主要原因是在其面临来流冲击时，只有其迎风一侧受到有效的推力，与此同时另一侧受到的却是阻力，显然这两者的合力才是推动风轮叶片旋转做功的有效力，从而大大地降低了对风能的利用效率。针对这一问题，本文提出一种新型的垂直轴可变翼风力发电机，其能很好地应对背风一侧的阻力损失问题。其外观如图2所示。
4 新型可变翼风力发电机的结构说明与运动分析
4.1 结构组成
该新型的可变翼风力发电机的结构组成，包括机座，机座上通过平键固定安装一竖直的阶梯轴，在阶梯轴上设置有能转动的上、下两端盖，上下端盖之间通过曲柄安装了数个风翼装置，每个风翼装置分别由上、下两连接杆、一根偏心杆、一块风翼板（叶片）以及上中下三个曲柄所组成。其中上曲柄一端与阶梯轴顶部的凸轴铰接，另一端通过销轴并穿过上连接杆与中曲柄保持相对固定，而风翼板便通过两端的插孔相对固定在中曲柄和下曲柄之间，其结构装配图如图3所示。
4.2 顶部可变翼结构的分析
4.2.1 可变翼结构的功能分解
目前的垂直轴风力机的风翼板只是做简单的循环周期转动，风翼板与竖直轴方向的夹角是固定不变的，因此其受风区域和有效面积受到了很大限制。本文提出的新型可变翼风力发电机，其变翼的含义是将风翼板的迎风区域和背风区域进行周期性变换，达到提高风能利用效率的目的。
风翼板在受风启动后，需要不断地调整迎风区域和背风区域，则自然希望风翼板能进行自动地换向调节。因此需要设计相应的运动机构和能量转换机构。对这两个机构的功能作进一步分析，可知它们分别应该实现下列基本运动（运动流程图如图4所示）：
因此，可变翼运动应该包含两个基本运动：运动轴线绕阶梯轴转动、受风方向和受风面积周期性变换。此外，在改变风翼板的受风方向时，应尽量保持运动的平稳转换和减小机构间的摩擦。针对以上要求，本文采用了连杆机构和偏心结构，具体分析如下。
4.2.2 顶部可变翼四杆机构的运动分析
本文提出的新型垂直轴可变翼风力发电机，其可变翼的功能主要是依靠阶梯轴顶端部分的偏心杆、上连接杆、上曲柄以及轴上两固定支点所组成的双曲柄机构[5]来实现，其机构简图如图5、6所示（以一对风翼板为例）。
计算其自由度：
F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1，原动件为1个时，机构有确定的运动。
由图6的双曲柄机构简化图可以作以下分析：
四杆长度确定：
L上连接杆=66mm，L两固定支点=10mm，
L骗心杆=64.5mm，L上曲柄=14.5mm
用杆长之和条件验证（双曲柄条件）：
（1） L最短杆+L最长杆≤L剩余杆1+L剩余杆2
2）最短杆为机架;故满足双曲柄机构条件，上连接杆和偏心杆均为曲柄。
以上机构实现了风翼板一端与风向垂直，另一端与风向平行的两极限位置，如图7所示：
由图7可知，迎風一侧与风向垂直成90°夹角，背风一侧与风向平行成0°夹角，此时受风的有效面积最大，风能的利用效率最高。
5 结论
本文主要提出了一种新型的垂直轴可变翼风力发电机，在通过对国内外垂直轴风力发电机发展状况的简要概括后，详细介绍并分析了其在结构与运动方面的特点：（1）垂直轴采用阶梯轴，在阶梯轴上布置有滑动轴承和滚动轴承，并安装有上下两端盖以实现风翼的转动，有效地增加了整体结构的稳定性;（2）布置在上端盖上的双曲柄机构实现了风翼在受风转动时的两个极限位置，即一端与风向平行，另一端与风向垂直，最大程度的提高了风能的利用效率。
随着国家对可再生清洁能源寄托的期望越来越高，风能发电具有十分广阔的发展前景。就本文提出的新型垂直轴可变翼风力发电机而言，其可变翼结构不仅使风能得到最大限度地利用，而且还具有安全、可靠等诸多方面的优越性，因此具有较好的应用前景。
参考文献
[1] 张杰，赵君博，翟东升.可再生能源发展态势及特征——基于四领域常见可再生能源专利的主题分析[J].科技管理研究，2018，38（19）：38-46
[2] 程友良，薛占璞，渠江曼，杨国宁.考虑能源利用率的风力发电技术结构改进研究[J].科技通报，2018，34（5）：192-198
[3] 孙云峰，田德，王海宽，张春友，时燕，亢燕茹.垂直轴风力发电机的发展概况及趋势[J].农村牧区机械化，2008（2）：42-44
[4] Ushiyama I，Nagai H，Optimum Design Configurations and Performance of SavoniusRotors[J].WindEngineering，1988，12（1）
[5] 郑文纬，吴克坚.《机械原理》[M].北京：高等教育出版社，2012.12
