張立軍，馬東辰，趙昕輝，米玉霞，張松，王旱祥，姜浩

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動(dòng)態(tài)失速下H型垂直軸風(fēng)力機(jī)實(shí)時(shí)變槳控制規(guī)律

張立軍1，馬東辰1，趙昕輝1，米玉霞1，張松2，王旱祥1，姜浩1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島，266580；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島，266580)

針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率低、自啟動(dòng)能力弱的問題，以1 kW H型垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)失速下測(cè)得的風(fēng)力機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)洞靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析動(dòng)態(tài)失速對(duì)槳距角調(diào)節(jié)的影響規(guī)律；以風(fēng)輪的最大切向力為目標(biāo)，得到垂直軸風(fēng)力機(jī)在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的最佳理論攻角分別為14.8°和?14.8°。為使風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中維持在最佳攻角附近，基于雙致動(dòng)盤多流管理論進(jìn)行Matlab編程計(jì)算，建立風(fēng)輪工作狀態(tài)下的受力模型，獲得垂直軸風(fēng)力機(jī)在各個(gè)方位的槳距角。通過(guò)對(duì)0°和180°方位角下的槳距角進(jìn)行修正，給出垂直軸風(fēng)力機(jī)1周變槳距規(guī)律。最后，利用雙致動(dòng)盤多流管理論對(duì)提出的變槳控制規(guī)律進(jìn)行理論驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：利用該變槳距規(guī)律得到的風(fēng)能利用率可以由34.6%提高到42.8%。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；動(dòng)態(tài)失速；槳距角；最佳攻角；雙致動(dòng)盤多流管

由于能源危機(jī)日益嚴(yán)重，風(fēng)能以其綠色、無(wú)污染、可再生等特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)國(guó)家氣象局資料，我國(guó)近海70 m高度年平均風(fēng)功率密度可達(dá)300 W/m2以上，大于6 m/s風(fēng)速的累計(jì)時(shí)間可達(dá)4 000 h。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)地面的安裝角度分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(VAWT)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(HAWT)，其中，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)以其無(wú)需安裝對(duì)風(fēng)裝置、易于安裝和維修等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。然而，現(xiàn)有商業(yè)H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用率僅在30%~35%之間，且存在自啟動(dòng)能力弱等不足，在很大程度上限制了其規(guī)模化發(fā)展和應(yīng)用。在垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片攻角隨方位角不斷變化，不能維持在最佳攻角處，是其風(fēng)能利用率低的主要原因[1]。通過(guò)改變槳距角以達(dá)到調(diào)節(jié)攻角的目的是改善風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率的主要途徑。曹成帥等[2]針對(duì)風(fēng)剪、湍流等影響因素，提出基于系統(tǒng)分解的獨(dú)立變槳距控制策略，通過(guò)將互不耦合子系統(tǒng)疊加得到變槳距變化規(guī)律；廉正光等[3?4]利用雙曲柄調(diào)距機(jī)構(gòu)及雙偏心軸機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型調(diào)距機(jī)構(gòu)，并且采用該機(jī)構(gòu)制造出風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)；趙振宙等[5]采用擾流技術(shù)，通過(guò)適當(dāng)增大0°和180°處擾流角以提高風(fēng)力機(jī)的整體性能；梁云峰等[6]針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率控制，設(shè)計(jì)了一套可以實(shí)現(xiàn)快速控制的液壓變槳距系統(tǒng)。上述研究提出的葉片槳距角調(diào)節(jié)方法在一定程度上可以提高風(fēng)能利用率，改善風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)性能，但所運(yùn)用的氣動(dòng)參數(shù)是在靜態(tài)失速條件下設(shè)定的，未考慮動(dòng)態(tài)失速的影響，而翼型的靜態(tài)結(jié)果[7]是在風(fēng)輪固定不動(dòng)時(shí)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各個(gè)攻角下的升阻力系數(shù), 這不能真實(shí)反映風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工作狀況。垂直軸風(fēng)力機(jī)在正常工作中，葉片攻角隨方位角不斷變化總會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)失速[8]。因此，有必要研究動(dòng)態(tài)失速下垂直軸風(fēng)力機(jī)槳距角調(diào)節(jié)方法，得出動(dòng)態(tài)失速下葉片槳距角隨方位角的變化規(guī)律，以提高風(fēng)能利用效率。

1 動(dòng)態(tài)失速對(duì)槳距角調(diào)節(jié)的影響

動(dòng)態(tài)失速是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在低尖速比下運(yùn)行時(shí)的必然結(jié)果[8]，是指在進(jìn)口來(lái)流攻角快速變化的過(guò)程中，風(fēng)輪葉片所表現(xiàn)出的與靜態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)完全不同的氣動(dòng)特性[9]。

美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)試正常工作時(shí)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，在雷諾數(shù)=3.6×105條件下，得到了動(dòng)態(tài)失速時(shí)NACA0012翼型的升阻力系數(shù)[10]，2組結(jié)果對(duì)比如圖1和圖2所示。由于NACA翼型為對(duì)稱翼型，其升力系數(shù)曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱，阻力系數(shù)曲線關(guān)于縱軸對(duì)稱，故圖1和圖2中僅分別給出了葉片攻角大于0°時(shí)的升力系數(shù)和阻力系數(shù)。

圖1 升力系數(shù)對(duì)比圖

圖2 阻力系數(shù)對(duì)比圖

從圖1和圖2可知：在靜態(tài)條件下，當(dāng)葉片攻角=10°左右時(shí)，升力系數(shù)達(dá)到最大值。而在動(dòng)態(tài)失速下所測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)攻角=17°左右時(shí)，升力系數(shù)達(dá)到最大值，風(fēng)力機(jī)發(fā)生失速的攻角出現(xiàn)了延遲。在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，攻角最大值出現(xiàn)在23°左右。此后，攻角逐漸變小，按照靜態(tài)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在攻角變小過(guò)程中，升力系數(shù)在各個(gè)攻角處的值與攻角變大過(guò)程中的值一致。而考慮動(dòng)態(tài)失速影響所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在攻角變小過(guò)程中，升力系數(shù)變化趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯的滯回現(xiàn)象；在攻角變大和攻角變小過(guò)程中，同一個(gè)攻角對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)不同，且在變大過(guò)程中升力系數(shù)較大。

同樣，從圖2可以看出：垂直軸風(fēng)輪阻力系數(shù)由于受動(dòng)態(tài)失速的影響，也發(fā)生了明顯的滯回現(xiàn)象。在風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，同一個(gè)攻角對(duì)應(yīng)2個(gè)不同的阻力系數(shù)，其中，攻角變大過(guò)程中對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)較大。對(duì)比上述2種情形可知：考慮動(dòng)態(tài)失速影響所測(cè)得的翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)與靜態(tài)條件下風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大差異。所以，有必要對(duì)風(fēng)輪在動(dòng)態(tài)失速下的受力模型進(jìn)行研究。

2 槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律

H型垂直軸風(fēng)力機(jī)屬于升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)作用在葉片上產(chǎn)生的切向力是風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動(dòng)力，它是葉片所受升力和阻力在切線方向上的合力。由翼型空氣動(dòng)力學(xué)可知[11]，葉片的切向力隨攻角的變化而變化，在某一攻角處切向力會(huì)達(dá)到最大值。因此，計(jì)算最大切向力所對(duì)應(yīng)的葉片攻角，進(jìn)而通過(guò)這個(gè)攻角調(diào)節(jié)葉片槳距角使風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能利用率[12]。

2.1 葉片理論最佳攻角計(jì)算

本文采用的1 kW H型對(duì)稱翼垂直軸風(fēng)輪模型如圖3所示，垂直軸風(fēng)輪的相關(guān)參數(shù)如表1所示，計(jì)算時(shí)雷諾數(shù)仍選為=3.6×105。

對(duì)垂直軸風(fēng)輪進(jìn)行受力分解，得到作用在風(fēng)輪上各力之間的關(guān)系如圖4所示。圖4中：為誘導(dǎo)速度和切向速度的合成風(fēng)速；為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度；為葉片攻角，即合成風(fēng)速方向與葉片弦線方向的夾角；為葉片槳距角，即切向速度方向與葉片弦線方向的夾角，可通過(guò)機(jī)構(gòu)直接調(diào)節(jié)，此處=0°；為葉片方位角，當(dāng)方位角位于0°~180°時(shí)，該區(qū)域稱為風(fēng)輪的上風(fēng)區(qū)，當(dāng)位于180°~360°時(shí)，稱為風(fēng)輪的下風(fēng)區(qū)；L和D分別代表葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的升力和阻力，將L和D沿葉片運(yùn)動(dòng)的切向和法向正交分解，可得到葉片受到的切向力T和法向力N，其中切向力T是推動(dòng)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的主動(dòng)力。以下討論當(dāng)升力驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪產(chǎn)生最大切向力T時(shí)葉片的攻角。

圖3 H型垂直軸風(fēng)力機(jī)模型

表1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)

圖4 葉片受力分析圖

以葉片在風(fēng)輪上風(fēng)區(qū)為例，分析圖4中參數(shù)間的幾何關(guān)系，可以得出垂直軸風(fēng)輪葉片攻角和合成風(fēng)速間的表達(dá)式為

葉片所受的升力L和阻力D分別為[12]

如圖4所示，L和D沿葉片切向運(yùn)動(dòng)的合力，即切向力T為

式中：為空氣密度，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下取1.225 5 kg/m3；為葉片弦長(zhǎng)；為翼型展向的長(zhǎng)度；L和D分別為翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，其值可由NACA系列翼型空氣動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫(kù)查得；T為切向力系數(shù)，是L和D在弦長(zhǎng)方向的合成值，它們之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 葉片翼型氣動(dòng)力系數(shù)

由圖5中的幾何關(guān)系，得到T的計(jì)算式為

由式(4)和(5)可知：要求切向力FT，必須得到CL和CD。考慮到動(dòng)態(tài)失速的影響，利用Sandia風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合式(5)得到升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD和切向力系數(shù)CT隨攻角變化的圖形，如圖6所示。

由式(4)并結(jié)合圖6中的結(jié)果可計(jì)算出驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的切向力T。風(fēng)能利用率P為風(fēng)輪的輸出功率與對(duì)應(yīng)風(fēng)輪的風(fēng)功率max的比值，即

式中：為葉片數(shù)；為風(fēng)輪的掃掠面積。由式(6)可知：在其他參數(shù)不變情況下，當(dāng)葉片攻角的取值使切向力T達(dá)到最大時(shí)，風(fēng)能利用率P也為最大值。由圖6可知：當(dāng)攻角=14.8°時(shí)，切向力系數(shù)L達(dá)到最大值，即切向力T達(dá)到最大值，=14.8°就是考慮動(dòng)態(tài)失速影響下葉片的最佳攻角?？紤]到無(wú)論是上風(fēng)區(qū)還是下風(fēng)區(qū)，攻角都有逐漸變大的過(guò)程，所以，可以認(rèn)為：在上風(fēng)區(qū)，當(dāng)攻角=14.8°時(shí)，切向力達(dá)到最大值；同理，在下風(fēng)區(qū)，當(dāng)攻角=?14.8°時(shí)，切向力達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的P也達(dá)到最大值，即風(fēng)輪上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的理論最佳攻角分別為14.8°和?14.8°。然而，目前的垂直軸風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片攻角隨方位角的變化呈類正弦規(guī)律[13]，不能始終保持在理論最佳攻角附近，故需要對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此維持在最佳攻角處。為使計(jì)算結(jié)果更加精確，本文結(jié)合雙致動(dòng)盤多流管理論對(duì)風(fēng)輪槳距角的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行分析。

2.2 垂直軸風(fēng)力機(jī)攻角及誘導(dǎo)速度計(jì)算

雙致動(dòng)盤多流管模型是目前研究垂直軸風(fēng)力機(jī)的主要分析模型[14]，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該模型的計(jì)算精度較高。這里采用雙致動(dòng)盤多流管理論計(jì)算垂直軸風(fēng)輪各個(gè)方位誘導(dǎo)速度，從而得到葉片攻角的實(shí)際變化情況。雙致動(dòng)盤多流管分析模型如圖7所示。

據(jù)圖7和雙致動(dòng)盤多流管理論，無(wú)窮遠(yuǎn)來(lái)流風(fēng)∞流經(jīng)垂直軸風(fēng)輪時(shí)分為3個(gè)階段，分別為上風(fēng)區(qū)誘導(dǎo)速度、轉(zhuǎn)軸處的均衡誘導(dǎo)速度e和下風(fēng)區(qū)誘導(dǎo)速度′，其三者之間的關(guān)系為[11]

(a) 主視圖；(b) 俯視圖

式中：和′分別為上風(fēng)區(qū)誘導(dǎo)因子和下風(fēng)區(qū)的誘導(dǎo)因子，且＜1，′＜1。

從方位角=0°開始記為第1個(gè)流管，假設(shè)模型共分為個(gè)流管，則第個(gè)流管的寬度為

對(duì)每個(gè)流管進(jìn)行受力分析，將流向力F分解為法向力N和切向力T，得到每個(gè)流管上的流向力為

假設(shè)風(fēng)輪葉片數(shù)為，流管總數(shù)為，則在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)1周過(guò)程中，作用在個(gè)流管上的平均流向力為

對(duì)每一個(gè)流管，建立連續(xù)方程、伯努利方程和動(dòng)量方程，得到作用在流管上的平均流向力F為

式中：為空氣密度(kg/m3)；s為流管面積；d為流管在豎直方向的高度。

由式(10)~(14)可得

為了表達(dá)方便，將式(15)等號(hào)左邊部分記為*，結(jié)合式(10)，則*為

式(15)可以表示為

式(17)即為風(fēng)輪上風(fēng)區(qū)誘導(dǎo)因子的迭代公式。編制Matlab程序進(jìn)行計(jì)算，令誘導(dǎo)因子a的迭代初值為1，殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10?4。當(dāng)誘導(dǎo)因子迭代計(jì)算結(jié)果收斂后，分別用式(7)計(jì)算上風(fēng)區(qū)各個(gè)方位的誘導(dǎo)速度，用式(2)計(jì)算合成風(fēng)速W，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出：合成風(fēng)速隨方位角不斷變化，在方位角為180°時(shí)(如圖4所示)，由于切向速度的方向發(fā)生變化，合成風(fēng)速的方向也發(fā)生了改變，但其大小未變。需要說(shuō)明的是：上述H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的參數(shù)是在葉尖速比λ=3.40時(shí)得到的，在其他葉尖速比條件下，本文建立的雙致動(dòng)盤多流管分析模型同樣適用。

2.3 槳距角調(diào)節(jié)方法

上述研究是在槳距角=0°時(shí)進(jìn)行的。根據(jù)式(1)，葉片攻角隨方位角不斷變化，不能保證風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保持理論最佳攻角。為提高風(fēng)輪風(fēng)能利用率，通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角，達(dá)到間接改變攻角的目的。由式(1)可知葉片槳距角的表達(dá)式為

在上風(fēng)區(qū)令葉片攻角等于14.8°，在下風(fēng)區(qū)令葉片攻角等于?14.8°，據(jù)式(18)就能得到葉片槳距角的調(diào)節(jié)規(guī)律。由于此時(shí)調(diào)節(jié)槳距角后又會(huì)對(duì)上、下風(fēng)區(qū)誘導(dǎo)速度的分布產(chǎn)生影響，故需重新利用雙致動(dòng)盤多流管理論對(duì)調(diào)節(jié)槳距角后的模型進(jìn)行迭代計(jì)算，求解新的攻角調(diào)節(jié)規(guī)律。重復(fù)此過(guò)程，直至得到的攻角與理論最佳攻角的殘差小于10?4為止，得出此時(shí)槳距角的調(diào)節(jié)規(guī)律如圖9所示。

按圖9所示的規(guī)律調(diào)節(jié)槳距角，得到變槳前后葉片攻角隨方位角的變化規(guī)律，如圖10所示。

從圖10可知：葉片槳距角調(diào)節(jié)前，攻角隨方位角呈類正弦規(guī)律變化，這與用矢量分析法所得的計(jì)算結(jié)果一致[15]；葉片變槳后，風(fēng)輪上、下風(fēng)區(qū)葉片攻角都能夠維持在最佳攻角處。

2.4 特殊方位角下槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律修正

按此槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律能夠很好地維持葉片攻角，但是由圖9可以看到，當(dāng)方位角=0°和=180°時(shí)，由于風(fēng)向突然改變，槳距角發(fā)生了跳變，而在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中，這種跳變是很難實(shí)現(xiàn)的，因此，需要對(duì)上述槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行修正。根據(jù)葉片氣動(dòng)性能分析結(jié)果，在當(dāng)前尖速比下，當(dāng)方位角=0°和=180°，且葉片受到的升力沿風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的徑向時(shí)，不能當(dāng)作風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)力[16]。所以，在方位角為0°和180°時(shí)，將槳距角調(diào)節(jié)為0°，此時(shí)攻角為0°，葉片的阻力矩最小。圖11所示為修正后的葉片槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律。

圖9 葉片槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律

1—攻角調(diào)節(jié)前；2—攻角調(diào)節(jié)后。

圖11 修正后的葉片槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律

3 槳距角調(diào)節(jié)前后風(fēng)力機(jī)性能對(duì)比

為了驗(yàn)證本文提出的葉片槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律的有效性，針對(duì)本文研究的H型垂直軸風(fēng)輪模型，依據(jù)表1中風(fēng)力機(jī)參數(shù)，利用雙致動(dòng)盤多流管理論計(jì)算葉片槳距角調(diào)節(jié)前后風(fēng)輪的切向力和風(fēng)能利用率。

3.1 切向力對(duì)比

利用雙制動(dòng)盤多流管理論計(jì)算上、下風(fēng)區(qū)各流管的誘導(dǎo)速度，利用式(4)求得變槳距前后垂直軸風(fēng)輪所受的切向力如圖12所示。從圖12可知：葉片槳距角調(diào)節(jié)后，當(dāng)60°＜＜150°，225°＜＜290°時(shí)，切向力都較之前明顯增大，而在切向力小于變槳前的部分，2條曲線的差距不大。這說(shuō)明這種變槳距規(guī)律能夠較好地提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的切向力，進(jìn)而增大風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩。

1—變槳距角前；2—變槳距角后。

3.2 風(fēng)能利用率對(duì)比

為計(jì)算風(fēng)輪的風(fēng)能利用率，首先求解單個(gè)葉片對(duì)風(fēng)輪主軸中心的轉(zhuǎn)矩為

個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)1周過(guò)程中產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩和平均輸出功率分別為

在此基礎(chǔ)上，風(fēng)輪的風(fēng)能利用率為

式中：為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，對(duì)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，

由式(19)~(23)，利用圖12中切向力并結(jié)合圖7中合成風(fēng)速，即可計(jì)算出變槳前后垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率。Matlab軟件編制的計(jì)算流程如圖13所示。計(jì)算結(jié)果顯示：由表1中的H型定槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)計(jì)算得到的風(fēng)能利用率為34.6%；而采用本文提出的變槳距方案所得風(fēng)能利用率為42.8%，可見變槳效果明顯。

4 結(jié)論

1) 以獲得最大切向力為目標(biāo)，得到動(dòng)態(tài)失速下本文研究的H型垂直軸風(fēng)輪在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的理論最佳攻角分別為14.8°和?14.8°。

2) 利用雙致動(dòng)盤多流管理論進(jìn)行Matlab編程計(jì)算，得到風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)1周的變槳距規(guī)律。利用該變槳距規(guī)律，H型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率由變槳前的34.6%提高到42.8%，體現(xiàn)了該變槳距方法的有效性。

3) 考慮到特殊方位角下葉片升力沿風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的徑向，為了減小阻力矩，規(guī)定0°和180°方位角的槳距角為0°，進(jìn)一步明確了葉片變槳距變化規(guī)律。

[1] NOBUYUKI F, SATOSHI S. Observations of dynamic stall on Darrieus wind turbine blades[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(2): 201?204.

[2] 曹成帥, 趙允貴, 王太國(guó). 一種新型獨(dú)立變槳控制器設(shè)計(jì)[J]. 電工電氣, 2016(12): 27?30. CAO Chengshuai, ZHAO Yungui, WANG Taiguo. Design of a new type of independent variable pitch controller[J]. Electrotechnics Electric, 2016(12): 27?30.

[3] 廉正光. 采用雙曲柄調(diào)距機(jī)構(gòu)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)理研究與樣機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2016, 33(8): 100?104. LIAN Zhengguang. Principle research and prototype design of a vertical axis wind turbine with double crank adjustment mechanism[J]. Journal of Machine Design, 2016, 33(8): 100?104.

[4] 廉正光, 張宏偉, 李愷. 一種變槳距垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī): 中國(guó), 201410009955.3[P]. [2014?03?26]. LIAN Zhengguang, ZHANG Hongwei, LI Kai. A vertical axis wind turbine with variable pitch: China, 201410009955.3[P]. [2014?03?26].

[5] 趙振宙, 陳潘浩, 王同光, 等. 基于擾流技術(shù)的直葉片升力型垂直軸風(fēng)輪的性能改善[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2016, 52(22): 146?152. ZHAO Zhenzhou, CHEN Fanhao, WANG Tongguang, et al. Performance improvement of lift type wind turbine with straight blades based on interference airflow technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(22): 146?152.

[6] 梁云峰, 谷鳳民, 陳宇, 等. 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓變槳距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)床與液壓, 2017, 45(2): 63?68. LIANG Yunfeng, GU Fengmin, CHEN Yu, et al. Design and simulation for hydraulic variable pitch system of wind turbine with variable speed and constant frequency[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2017, 45(2): 63?68.

[7] SHELDAHL R E. Aerodynamic characteristics of seven airfoil sections through 180 degrees angle of attack for use in aerodynamic analysis of vertical axis wind turbines[R]. Sandia: Sandia National Laboratories, 1981: 12?40.

[8] NOBUYUKI F, SATOSHI S. Observations of dynamic stall on Darrieus wind turbine blades[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2001, 89(2): 201?214.

[9] 查顧兵. 風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)失速模型的研究及其在性能預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[D]. 上海: 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 2009: 37?46. ZHA Gubing. Research and application of dynamical stall model in wind turbine[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University. School of Mechanical Engineering, 2009: 37?46.

[10] ALLET A, PARASCHIVOIU I. Viscous flow and dynamic stall effects on vertical-axis wind turbines[J]. International Journal of Rotating Machinery, 1995, 2(1): 1?14.

[11] 伊恩·帕拉斯基沃尤. 垂直軸風(fēng)力機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M]. 李春, 葉舟, 高偉, 譯. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2013: 62?86. PARASCHIVOIU I. Principle and design of vertical axis wind turbine[M]. LI Chun, YE Zhou, GAO Wei, trans. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 2013: 62?86.

[12] CHOUGULE P, NIELSEN S. Overview and design of self-acting pitch control mechanism for vertical axis wind turbine using multi body simulation approach[C]//The Science of Making Torque from Wind. Lyngby, Denmark, 2014: 1?10.

[13] 張立軍, 劉華, 趙昕輝, 等. 垂直軸風(fēng)力機(jī)非對(duì)稱翼型葉片變攻角方法[J]. 可再生能源, 2016, 34(2): 232?237. ZHANG Lijun, LIU Hua, ZHAO Xinhui, et al. The method for wind turbine to vary angle of attack of asymmetric airfoil blade[J]. Renewable Energy Resources, 2016, 34(2): 232?237.

[14] BLUSSEAU P, PATEL M H. Gyroscopic effects on a large vertical axis wind turbine mounted on a floating structure[J]. Renewable Energy, 2012, 46(5): 31?42.

[15] 張立軍, 劉華, 趙昕輝, 等. 垂直軸風(fēng)力機(jī)非對(duì)稱翼型葉片變攻角方法[J]. 可再生能源, 2016, 34(2): 232?237. ZHANG Lijun, LIU Hua, ZHAO Xinhui, et al. The method for wind turbine to vary angle of attack of asymmetric airfoil blade[J]. Renewable Energy Resources, 2016, 34(2): 232?237.

[16] KIRKE B K, LAZAUSKAS L. Limitations of fixed pitch Darrieus hydrokinetic turbines and the challenge of variable pitch[J]. Renewable Energy, 2011, 36(3): 893?897.

(編輯 陳燦華)

Real-time variable-pitch control laws of H-type vertical axis wind turbine under dynamic stall

ZHANG Lijun1, MA Dongchen1, ZHAO Xinhui1, MI Yuxia1, ZHANG Song2, WANG Hanxiang1, JIANG Hao1

(1. College of Electromechanical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 2. College of Chemical Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Aiming at the disadvantages of low efficiency and poor self-starting ability of vertical axis wind turbine, the study takes 1 kW H-type vertical axis wind turbine as the research object, the influence of dynamic stall on pitch angle adjustment was analyzed by contrasting the experimental results of wind turbine measured by dynamic stall at Sandia National Laboratory. The maximum tangential force of the wind wheel was regarded as the target, and the theoretical optimum angles of attack 14.8° and ?14.8° at upwind area and downwind areas of wind turbine were obtained, respectively. In order to keep the wind wheel near the optimum angle of attack, the programming calculation in Matlab software based on double-multiple streamtubes theory was carried out, and the force model of the wind turbine was established and the pitch angle of the vertical axis wind turbine in each direction was obtained. By adjusting the pitch angle of 0° and 180° azimuth angle, the rule of the variable pitch of a vertical axis wind turbine was given. Finally, the proposed real-time variable-pitch control laws were verified based on the multi flow management theory of double actuated disk. The results show that the wind energy utilization rate can be increased from 34.6% to 42.8% by using the variable pitch.

vertical axis wind turbine; dynamic stall; pitch angle; optimum angle of attack; double-multiple stream tubes

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.030

KT83

A

1672?7207(2018)10?2610?08

2017?11?18；

2018?01?12

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EEP022)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(17CX05021)(Project (ZR2014EEP022) supported by Natural Science Foundation of Shandong Province; Project(17CX05021) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

張立軍，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，從事可再生能源技術(shù)和綠色裝備制造研究；E-mail：zhanglijun@upc.edu.cn