一种可抗台风的垂直轴风力机设计

曹 政

(江苏省海安高级中学，江苏 海安 226600)

一种可抗台风的垂直轴风力机设计

曹 政

(江苏省海安高级中学，江苏 海安 226600)

提出了一种可抗台风的垂直轴风力机，叶片可以根据风速大小自行向内折叠一定角度，使得风力机转速下降，输出功率基本保持不变，达到抗台风的目的。设计了垂直轴风力机的整体结构，分析了垂直轴风力机抗台风的工作原理，阐述了可抗台风的垂直轴风力机工作过程。

垂直轴风力机；叶片；抗台风

0 引 言

开发利用风能可在一定程度上有效解决能源危机。水平轴风力发电机商业化时间较早，但这种风力机的技术构成复杂、造价高，且运行限制条件严格，适合运行的风速范围小。而垂直轴风力发电机因其不受风向影响、无需偏航装置、安装维护方便、成本低、噪声小等优势[1]，逐渐受到业界重视。

现有垂直轴风力发电机大多为升力型风力机。额定风速和极限风速是其重要设计指标。当风速超过额定风速时，为了保证输出功率一致，风力机的控制电路会将额外的风能以电阻发热等形式消散；一旦超过极限风速时，某些结构会将风力机紧急制动，防止功率过载或者转速过大导致的结构磨损[2]。在更极端(如台风)情况下，风力发电机很可能遭到整体损坏。

设计一种结构合理，能抗台风，且在超过极限风速时能稳定发电的垂直轴风力机，可提高垂直轴风力机的寿命，促进垂直轴风力机的推广应用。

1 抗台风垂直轴风力机整体结构设计

文中设计的可抗台风垂直轴风力机，如图1所示。中空立柱竖直焊接于基础平台中央，发电机输出轴竖向固定于中空立柱顶部，发电机外壳上表面装配有连接圆盘，多个叶片组件与圆盘之间通过支撑套管连接，叶片组件竖直布置，且沿立柱周向均布，构成风轮。

复合支撑套管由外支撑管和内支撑管组成，内支撑管刚好插于外支撑管中，弹簧置于内支撑管中以连接内、外支撑管。

可折叠叶片由上叶片、下叶片、连接块、铰链、导轨及滑块构成。上叶片和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。导轨竖向布置，其中部固定于外支撑管端部。

1-基础平台；2-立柱；3-导轨；4-下叶片；5-内支撑管；6-连接块；7-上叶片；8-滑块；9-外支撑管；10-连接管；11-连接圆盘；12-发电机图1 可抗台风的垂直轴风力机整体结构

采用铰链将叶片的一端与滑块相连，滑块置于导轨槽内沿导槽自由移动；采用铰链将叶片的另一端与连接块相连，连接块固定于内支撑管端部。

2 抗台风原理

根据风能转换理论[3]，风力机可产生的功率为：

(1)

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。

可见，垂直轴风力机正常工作时的输出功率与叶轮扫掠面积和风速有关。在风速无法人为控制的情况下，只有改变叶轮扫掠面积，将输出功率控制在许可范围内。同时，通过调节机构控制垂直轴风力机的旋转速度，从而保证风力机在台风影响下结构稳固，且能正常发电。

垂直轴风力机旋转过程中叶片产生离心力，当风速超过额定风速甚至是台风时，风力机叶片向外甩出，在弹簧拉力作用下叶片建立新的平衡，此时叶片向内于某一固定角度不变，叶轮扫掠面积S变小，反过来会使叶轮角速度ω变小并趋于稳定，风力机的输出功率随之稳定。因此，整个风力机不需要采取强制机械停机就能安全度过台风期，更重要的是其在台风期间也能正常发电。

3 可折叠叶片受力分析

可折叠叶片包括上叶片和下叶片。上叶片和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。内支撑管置于外支撑管内，其相对移动受弹簧约束，如图2所示。

图2 复合支撑管结构示意图

风力机在旋转过程中，叶片受4个力的作用：重力，风作用于叶片产生的升力，离心力以及弹簧拉力。叶片所受重力方向平行于回转轴，与风力机的功率无关，故对叶片的受力分析只要考虑回转叶片的切向和法向方向的受力情况，如图3所示。

图3 垂直轴风力机叶片受力分析图

升力的切向分量Fz用于驱动风力机旋转。升力的法向分量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(即外支撑管程度)，则弹簧产生的拉力为：

(2)

设上、下叶片质量均为m，它们绕旋轴旋转时产生的离心力合力为：

(3)

叶片旋转时产生的最大升力法向分量Fx为[3]：

(4)

式中：ρ为空气密度，υ为风速，c为叶片弦长，CN为法向力系数。

当风速为额定风速υ0时，设叶轮转动角速度为ω0，此时弹簧力等于叶片离心力与叶片升力法向分量之和，x=0，F弹=Fn+Fx，有：

(5)

当风速大于额定风速时，上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，此时弹簧力等于叶片离心力与叶片升力法向分量之和，叶轮角速度为ω，叶片处于新的受力平衡状态，有：

(6)

4 稳定发电原理分析

下面结合可抗台风的垂直轴风力机叶片几何解析图(如图4所示)，分析台风时风力机稳定发电原理。

图4 垂直轴风力机叶片几何解析图

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。

(1)当实际风速小于(或等于)风力机设计时的额定风速时，上、下叶片产生的升力法向分量Fx与叶片旋转产生的离心力合力Fn之和小于(或等于)弹簧拉力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；

(2)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，叶片的离心力合力Fn增大，叶片向外甩出至某一位置A′B′、A′D′，此时叶片铰接点为A′(x0+x，0),x越来越大，弹簧拉力相应增大，又由于y相应变小，叶轮扫掠面积S也会变小，叶片上产生的升力相应变小，驱动风力机旋转的升力切向分量Fz相应变小，叶轮角速度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(5)带入式(6)得，

(7)

由RtΔAA′B′知:

(8)

当风速大于额定风速时，叶轮扫掠面积为：

(9)

(10)

由公式(10)知，可抗台风的垂直轴风力机的功率随叶轮角速度ω的变化而变化。当风速超过额定风速时，甚至在台风状态下，叶轮角速度ω随风速的增加而增加，离心力Fn越来越大，铰接点A向外甩出向A′运动，叶片端部B相应地向B′运动，即x越来越大，y相应变小，叶轮扫掠面积S也会变小，而扫掠面积S的变小反过来会使叶轮角速度ω变小，离心力下降，铰接点A′回缩，最终叶片在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，角速度ω不变，风力机的输出功率随之恒定，从而减小了立柱的振颤，增强了风力机的整体稳定性，避免了整机的毁坏。因此，整个风力机不需要采取强制机械停机就能安全度过台风期，更重要的是其在台风期间也能正常发电。

5 结束语

传统风力机当风速过大时，即使可利用制动机构人为停机，但风力发电机的迎风面仍然受台风的静载荷和动载荷叠加效应的作用，若风力发电机承受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。可抗台风的垂直轴风力机解决了传统的垂直轴风力发电机转速达到设计极限后就不能工作的难题，避免了主轴振颤、叶片扭曲、传动机构磨损加剧，无法正常稳定发电等问题，能有效延长风力机的使用寿命，提高风力机效率，有着较好的应用前景。

[1] Tai FZ , Kang K W, Jang MH, et al. Study on the analysis method for the vertical-axis wind turbines having Darrieus blades[J]. 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 [D]. 西安: 西北大学, 2014.

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

Design of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine

CAO Zheng

(Haian Senior School of Jiangsu Province, Haian 226600, Jiangsu Province, China)

A type of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine is proposed. In order to resist typhoon, the blades can fold inwards for a certain angle according to wind speed, which leads to a drop of rotating speed while output power maintains still. The principle of resisting typhoon is argued. It designs the whole structure of this VAWT and describes the working process of the VAWT.

Vertical Axis Wind Turbine; Blade; Anti-typhoon

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.017

2015-11-04

2015-11-28

曹 政(1997-)，男，江苏南通人，江苏省海安高级中学高三年级学生，获得全国中学生数学奥林匹克竞赛江苏省赛区竞赛一等奖。

TH

B

1009-3230(2015)12-0050-03