變槳距提高升力型垂直軸風(fēng)力機性能研究綜述

許應(yīng)橋，孫曉晶

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

隨著化石燃料的日益衰竭以及環(huán)境污染的不斷加劇，尋找與開發(fā)清潔的可再生能源是當(dāng)今人類所面臨的一項刻不容緩的任務(wù)［1］。風(fēng)能是一種可再生的清潔能源，其儲量大、分布廣。從20 世紀(jì)70 年代至今，世界范圍內(nèi)風(fēng)能利用得到迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，然而與常規(guī)能源相比，風(fēng)能的利用率仍然較低［2］。近些年，全球風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電作為新能源開發(fā)的重點，并結(jié)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(fēng)能利用技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。根據(jù)全球風(fēng)能理事會預(yù)測，到2050年全球風(fēng)力發(fā)電機的裝機量將會達(dá)到3 545 GW［3］。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的不同，風(fēng)力發(fā)電機主要分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機兩類。圖1為傳統(tǒng)風(fēng)力機的分類。圖1(a)中水平軸風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)軸與來流風(fēng)向平行，轉(zhuǎn)速高，最大風(fēng)能利用率可達(dá)50%，是當(dāng)今風(fēng)電市場上的主流機型。然而，水平軸風(fēng)力機風(fēng)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(fēng)力機還需借助尾翼或者偏航系統(tǒng)來使風(fēng)輪可隨風(fēng)向的改變而轉(zhuǎn)動，因而整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價較高［4］。

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

近年來，各種流動控制方法逐漸應(yīng)用在垂直軸風(fēng)力機葉片上以抑制或減緩大攻角下翼型的動態(tài)失速現(xiàn)象，從而提高風(fēng)力機翼型的升力及升阻比，進而提升風(fēng)力機的捕風(fēng)能力和輸出功率。變槳距是目前最為常見的一種應(yīng)用在升力型垂直軸風(fēng)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(fēng)力機的風(fēng)能利用率非常有效。本文主要對目前應(yīng)用在升力型垂直軸風(fēng)力機上的變槳距控制方法的研究現(xiàn)狀進行系統(tǒng)的總結(jié)和歸納，旨在發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域中有待解決的技術(shù)難點，以期為從事該研究的相關(guān)人員提供參考。

圖1 傳統(tǒng)風(fēng)力機的分類Fig. 1 Classification of traditional wind turbine

1 升力型垂直軸風(fēng)力機研究現(xiàn)狀

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

近年來，很多學(xué)者致力于采用不同的方法來優(yōu)化設(shè)計適用于垂直軸風(fēng)力機的專用翼型。Chen等［9］對不同的垂直軸風(fēng)力機翼型的設(shè)計方法進行歸納和總結(jié)，并提出新的垂直軸風(fēng)力機翼型的優(yōu)化思路。目前，垂直軸風(fēng)力機翼型的設(shè)計大部分仍基于格朗特在1935 年為研究旋翼直升機應(yīng)用所提出的葉素動量理論。然而，垂直軸風(fēng)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(fù)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(zhǔn)確。實驗和數(shù)值模擬能精確地得到與實際相符的結(jié)果，所以實驗和數(shù)值模擬逐漸成為現(xiàn)階段垂直軸風(fēng)力機氣動性能研究的兩種主要方法。

2 垂直軸風(fēng)力機失速特性的研究

翼型作為風(fēng)力機主要做功部件的基本單元，是風(fēng)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(chǎn)生流動分離，從而導(dǎo)致翼型失速。對于垂直軸風(fēng)力機來說，風(fēng)力機轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中其翼型攻角變化幅度很大，這將導(dǎo)致在有些相位角下翼型會由于攻角太大而發(fā)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(shù)值模擬，以翼型前緣1/3 處為旋轉(zhuǎn)中心進行正負(fù)30°的俯仰運動，模擬垂直軸風(fēng)力機翼型的動態(tài)失速特性。Kim 等［11］利用類似的方法研究了轉(zhuǎn)子上游的大渦對垂直軸風(fēng)力機氣動性能的影響。

Almohammadi 等［12］利用轉(zhuǎn)捩模型和k-ω SST模型對比研究垂直軸風(fēng)力機的動態(tài)失速特性時發(fā)現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)捩模型計算得到的垂直軸風(fēng)力機動態(tài)失速現(xiàn)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(zhuǎn)捩模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬分析垂直軸風(fēng)力機的失速特性，結(jié)果也表明利用轉(zhuǎn)捩模型計算得到的結(jié)果的精潘確盼性等比［14］其對他旋兩轉(zhuǎn)個狀模態(tài)型下的的高垂。直軸風(fēng)力機和與非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的垂直軸風(fēng)力機的氣動性能進行了對比，結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的垂直軸風(fēng)力機的輸出扭矩要比非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)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(qū)，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(fēng)力機的動態(tài)失速進行了可視化測量，分析不同雷諾數(shù)和不同葉尖速比下垂直軸風(fēng)力機的動態(tài)失速特性，并對比垂直軸風(fēng)力機翼型在不同時刻的渦結(jié)構(gòu)。粒子圖像測速法能將垂直軸風(fēng)力機的翼型表面渦脫落過程可視化，展現(xiàn)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(zhuǎn)矩還需要配備其他檢測設(shè)備。

3 提高升力型垂直軸風(fēng)力機性能的變槳距控制方法

與水平軸風(fēng)力機相比，自啟動性能差和風(fēng)能利用效率低是阻礙升力型垂直軸風(fēng)力機發(fā)展的主要因素。為了進一步改善升力型垂直軸風(fēng)力機的氣動性能，提高其風(fēng)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(xiàn)有成熟翼型的氣動特性進行詳細(xì)的研究和對比，尋找能使垂直軸風(fēng)力機獲得更高風(fēng)能利用率的翼型型號［17-19］，或者開展升力型垂直軸風(fēng)力機專用翼型的優(yōu)化設(shè)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(fēng)力機葉片周圍流場，提高風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩特性。

對升力型垂直軸風(fēng)力機葉片來說，翼型在攻角0°～15°均能產(chǎn)生升力。當(dāng)攻角超過15°，葉片表面將產(chǎn)生動態(tài)失速，導(dǎo)致做功性能顯著下降。傳統(tǒng)的升力型垂直軸風(fēng)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(fēng)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(zhuǎn)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(shù)是目前應(yīng)用在升力型垂直軸風(fēng)力機中最常見的一種控制方法：根據(jù)風(fēng)速的變化及葉片旋轉(zhuǎn)到不同位置，調(diào)節(jié)葉片的槳距角，改變?nèi)~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(fēng)力機整體的輸出功率。

3.1 變槳距垂直軸風(fēng)力機的理論分析

目前比較成熟的用于升力型垂直軸風(fēng)力機氣動性能的理論預(yù)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(fēng)力機轉(zhuǎn)子作用平面范圍內(nèi)上游區(qū)和下游區(qū)的流動參數(shù)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(chǔ)上又將每個流管進一步細(xì)分為上游和下游兩個盤面，可以實現(xiàn)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(yīng)用，且雙盤面多流管模型計算的結(jié)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(fēng)力機氣動性能進行計算。此外，當(dāng)風(fēng)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(yù)測結(jié)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(fēng)力機風(fēng)能利用率隨葉尖速比變化曲線。與不采用變槳距控制的風(fēng)力機相比，采用變槳距控制的風(fēng)力機最高風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(xué)（CFD）軟件模擬計算了NACA0012 翼型在0～180°攻角范圍內(nèi)的升、阻力系數(shù)。利用翼型的升力系數(shù)并根據(jù)葉素動量理論分別計算變槳距和定槳距風(fēng)力機單個翼型旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。結(jié)果表明，變槳距風(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)可比定槳距風(fēng)力機的提高一倍左右，且變槳距式垂直軸風(fēng)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(fēng)力機進行了數(shù)學(xué)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(fēng)力機的風(fēng)能利用率。結(jié)果表明，變槳距控制下風(fēng)力機與不同槳距角下的定槳距垂直軸風(fēng)力機相比，其風(fēng)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(tǒng)的變槳距方式進行了改進。傳統(tǒng)變槳距只對風(fēng)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(yīng)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(qū)域翼型的氣動性能。該方法擴大了風(fēng)力機高性能的相對相位角的范圍，在高葉尖速比下風(fēng)力機的性能明顯提高。

3.2 變槳距升力型垂直軸風(fēng)力機的數(shù)值模擬

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

加拿大學(xué)者Abdalrahman 等［27］提出了一種控制垂直軸風(fēng)力機變槳距角變化的新理論，即多感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，利用該方法能計算出不同工況下風(fēng)力機的風(fēng)能利用率。垂直軸風(fēng)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(dá)到最大。Abdalrahman等利用多感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器來調(diào)整風(fēng)力機葉片在不同相位角下的槳距角，進而使垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率達(dá)到最大。與不加控制的垂直軸風(fēng)力機風(fēng)能利用率相比，該控制方法可將垂直軸風(fēng)力機風(fēng)能利用率提高25%左右。

張立勛等［28］利用多種用戶定義函數(shù)方法對變槳距式垂直軸風(fēng)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(fēng)力機在不同尖速比、雷諾數(shù)和風(fēng)速下的風(fēng)能利用率。結(jié)果表明，采用變槳距控制的垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率得到較大提高，最大風(fēng)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(fēng)力機進行數(shù)值模擬，風(fēng)力機的葉片采用NACA0022 翼型，并以該翼型的失速攻角為目標(biāo)條件調(diào)節(jié)該風(fēng)力機葉片槳距角的變化。與定槳距風(fēng)力機功率系數(shù)相比，采用變槳距控制后的風(fēng)力機功率系數(shù)提高了45%左右。

目前文獻(xiàn)中對變槳距垂直軸風(fēng)力機的CFD數(shù)值模擬多為二維計算，主要包括物理模型的建立、網(wǎng)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(fēng)力機葉片變槳距的方法有所不同，主要可分為兩種：①根據(jù)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的變化規(guī)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(fēng)力機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的不同變化規(guī)律，根據(jù)其規(guī)律確定在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)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(yīng)一套計算網(wǎng)格，因此網(wǎng)格劃分的工作量較大。

與傳統(tǒng)的實驗方法相比，計算機數(shù)值模擬方法可以節(jié)省大量的人力、物力和時間。但為了節(jié)省計算時間，大部分?jǐn)?shù)值模擬都處在二維模擬研究階段。二維模擬中假設(shè)葉片展長為無限長并忽略了葉尖效應(yīng)、機械結(jié)構(gòu)及一些控制機構(gòu)之間的摩擦損耗，這樣就導(dǎo)致數(shù)值結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差。變槳距式升力型垂直軸風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工難度大，現(xiàn)階段關(guān)于其實際運行情況的實驗研究仍較少。然而，為了驗證數(shù)值模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展針對變槳距式升力型垂直軸風(fēng)力機的實驗研究非常必要。

3.3 變槳距垂直軸風(fēng)力機的實驗研究

Elkhoury 等［30］通過實驗和三維數(shù)值模擬方法對變槳距垂直軸風(fēng)力機的性能進行了研究。實驗中采用如圖2 所示的風(fēng)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(jié)構(gòu)可使偏心輪隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動葉片擺動，從而調(diào)整旋轉(zhuǎn)過程中葉片槳距角的變化。模擬與實驗研究結(jié)果均表明，采用變槳距控制后升力型垂直軸風(fēng)力機在低葉尖速比下的風(fēng)能利用率最高可以提升一倍左右。

圖2 變槳距垂直軸風(fēng)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(xué)Miau 等［31］團隊采用多流管方法對變槳距垂直軸風(fēng)力機的性能進行了計算，同時進行了實驗測試。對風(fēng)力機葉片的槳距角分別在-10°～10°和-70°～70°范圍內(nèi)的控制效果進行分析。他們發(fā)現(xiàn)：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(fēng)力機的風(fēng)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(fēng)力機的氣動特性進行了數(shù)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(gòu)（如圖3所示）實現(xiàn)風(fēng)力機葉片在旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的風(fēng)力機在低雷諾數(shù)下的最大風(fēng)能利用率可提高15%左右。

圖 3 被動變槳距式風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)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(fēng)力機。與定槳距式垂直軸風(fēng)力機輸出功率對比發(fā)現(xiàn)，這種變槳距角的擺線式風(fēng)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(fēng)力機進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，與定槳距式垂直軸風(fēng)力機相比，采用變槳距控制后的垂直軸風(fēng)力機的自啟動能力得到提高，且其風(fēng)能利用率提高22%左右。

4 討論與總結(jié)

目前垂直軸風(fēng)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(fēng)力機轉(zhuǎn)子上添加一些輔助的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中槳距角的變化。一些常見的輔助機械結(jié)構(gòu)有凸輪連桿結(jié)構(gòu)、彈簧結(jié)構(gòu)、擺錘結(jié)構(gòu)等。但這些輔助機械結(jié)構(gòu)對連續(xù)性、強度、潤滑性等要求較高。此外，這些附加結(jié)構(gòu)只能使風(fēng)力機葉片槳距角在一個較小范圍內(nèi)發(fā)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(fēng)力機葉片的槳距角根據(jù)風(fēng)速變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化。葉片在旋轉(zhuǎn)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(fēng)力機的輸出功率系數(shù)。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(fēng)力機的風(fēng)能利用率需將額外的輸入功率計算在內(nèi)。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(jié)果表明，通過變槳距控制方法可有效改善垂直軸風(fēng)力機的氣動性能。然而，在自然環(huán)境下，由于風(fēng)速和風(fēng)向不斷發(fā)生變化，要使風(fēng)力機葉片的槳距角能夠進行相應(yīng)的調(diào)整，就需開發(fā)更加智能化的控制系統(tǒng)，所需要的機械與控制結(jié)構(gòu)也將更為復(fù)雜。因此，目前變槳距控制垂直軸風(fēng)力機技術(shù)仍多停留在理論研究階段，而如何使這項技術(shù)的實際應(yīng)用更加智能化、高效化仍需進一步探索。