VAWT的抗台风研究

曹 政

（江苏省海安高级中学 江苏海安 226600）

1 引言

随之稳定。因此，该VAWT不需通过复杂的控制电路耗散能量，也不需要额外的制动机构强制停机，就能安全度过台风期，且能正常发电，安全环保，有效节约化石燃料资源。

开发利用可再生的风能可节约化石燃料资源。我国大规模风能开发利用主要集中在风资源丰富的高风速区。对于占全国总面积68%的风资源较丰富区和可利用的低风速区却几乎没有开发。垂直轴风力发电机(VAWT）因其风速要求不高、无需偏航装置、成本低、噪声小、环保等优势[1]，逐渐受到业界重视。

现有的VAWT当风速超过额定风速时，风力机的控制电路会将额外的能量以电阻发热等形式耗散掉，形成一定程度的资源浪费；一旦超过极限风速（甚至台风）时，风力机必须紧急制动，否则会导致结构磨损，甚至整体损坏[2]，危及人畜安全，对周围环境也造成破坏。

2 可抗台风的VAWT工作原理

本文设计的可抗台风垂直轴风力机，如图1所示。立柱焊接于平台中央，发电机输出轴固定于立柱顶部，多个叶片组件与电机外壳间通过支撑套管连接。复合支撑套管由外支撑管和内支撑管组成，弹簧置于内支撑管中以连接内、外支撑管。可折叠叶片由上、下叶片、导轨等构成。上、下叶片各自的一端连接与内支撑管端部，叶片的另一端于导轨中自由运动。导轨固定于外支撑管端部。

图1 抗台风的VAWT整体结构及其受力分析图

根据风能转换理论[3]，风力机可产生的功率为：

式中，Cp为风能利用率，ρ为空气密度，S为叶轮扫掠面积，υ为风速。在风速无法人为控制时，可改变叶轮扫掠面积，将输出功率控制在许可范围内。VAWT旋转时叶片产生离心力，当风速超过额定值甚至达台风时，风力机叶片向外滑出，在弹簧作用下建立新的平衡，此时上下叶片向内向内折叠一定角度，叶轮扫掠面积变小，反过来使叶轮角速度变小并趋于稳定，VAWT输出功率

3 叶片承载能力

风力机旋转时叶片受4个力作用(见图1）：重力，风作用于叶片产生的升力，离心力以及弹簧力。重力方向平行于回转轴，与风力机的功率无关。升力的切向分量Fz用于驱动风力机旋转，法向分量Fx、离心力合力Fn以及弹簧拉力F弹用于调节叶片的折叠程度。

设弹簧弹性系数为k，弹簧原长为l0，弹簧初始伸长量x0，上、下叶片质量为m，c为叶片弦长，CN为法向力系数，当风速为额定风速 υ0时，设叶轮角速度为 ω0，此时 x=0，有 F弹=Fn+Fx，即

当风速大于额定风速时，上下叶片在升力法向分量、弹簧力和离心力共同作用下到达新位置，有

4 输出功率

下面结合可抗台风的VAWT叶片几何解析图（见图1），分析台风时风力机稳定发电原理。y轴代表风力机立柱，x轴代表支撑管，外支撑管长x0，A’B’表示风力机正常运转时某可折叠叶片的上叶片，A’D’表示下叶片，上、下叶片长度均为y0，BD表示导轨。

当实际风速小于(或等于）风力机设计时的额定风速时，升力分量Fx与离心力Fn之和小于(或等于）弹簧力F弹，点A’向回转中心O移动，但受外支撑管长度x0的约束，只能到达点A（x0，0），同时 B’、D’两点在导轨内移动，分别到达 B（x0，y0）、D（x0，-y0），此时上、下叶片完全贴合于导轨，且平行于立柱，风力机可将捕获的风能转化为电能，实现正常发电。

当实际风速大于风力机设计时的额定风速，甚至达到台风时，离心力增大，叶片向外甩至某一位置 A’B’、A’D’，此时叶片铰接点为A’（x0+x，0）,x变大，弹簧拉力相应增大，又由于y相应变小，叶轮扫掠面积也会变小，叶片上产生的升力相应变小，Fz相应变小，ω下降，离心力变小，最终叶片在升力法向分量、离心力与弹簧力作用下建立新的平衡，叶片处于某一固定位置不再移动，因而风力机的输出功率随之恒定，从而使发电机在台风的作用下可以正常的工作而不损害发电机的寿命。

将式(2）带入式(3）得，

当风速大于额定风速时，叶轮扫掠面积为：

根据实际试验知，在一定风速范围内，当叶轮扫掠面积不变时，叶轮角速度与风速近似成线性正比例关系，为简化计算，令。将式(5）代入式(1），且令 C1=CpC3υρ，C2=CNρy0cC2υ，得可抗台风的VAWT风能转换功率为：

由公式(6）知，可抗台风的VAWT功率随叶轮角速度而变化。当风速超过额定风速，甚至在台风状态下，叶轮角速度随风速增加而增加，Fn变大，叶片铰接点向A’运动，叶片端部B向B’运动，即x变大，y相应变小，叶轮扫掠面积也会变小，反过来会使叶轮角速度变小，离心力下降，铰接点A’回缩，最终叶片在升力、离心力与弹簧力作用下建立新的平衡，叶片固定于某一角度不再移动，角速度不变，风力机输出功率随之恒定，从而减小了立柱振颤，避免了整机的毁坏以及对周围环境的破坏。

5 结语

传统风力机当风速过大时，即使利用制动机构人为停机，但风力发电机的迎风面仍受台风作用，若承受的弯矩和扭矩超过其极限载荷，轻则叶片折断，重则风力机倾覆报废。可抗台风的VAWT解决了传统VAWT风速达设计极限后不能工作的难题，避免了主轴振颤、叶片扭曲折断、传动机构磨损加剧，无法稳定发电等问题，能延长风力机的寿命，安全环保，可有效节约化石燃料资源，有较好的应用前景。

[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.垂直轴阻力差型风机的气动制动研究.西北大学,2014.

[3]Ion Paraschivoiu著,李春等译.垂直轴风力机原理与设计.上海科学技术出版社,2013.