隨著大規(guī)模商用風力發(fā)電機的迅速發(fā)展，現(xiàn)代風力機葉片設計技術趨于成熟。同時，激烈的市場競爭推動著技術的持續(xù)更新。出于控制成本和保證安全的目的，越來越多的研究人員開始關注如何提升風機氣動效率、優(yōu)化葉片外形、降低載荷和增加葉片生命周期等方面的研究。其中，疲勞載荷水平是風機設計的一個關鍵因素，降低疲勞載荷可以顯著降低風機制造和維護成本，并且提高風機壽命。無論是提升風力機氣動效率或是減低載荷水平，其研究的核心都集中于葉片氣動的控制技術，而葉片氣動控制在很大程度上依賴于對流經(jīng)葉片表面氣流的控制。本期譯評將根據(jù)現(xiàn)有的研究資料、專利等討論風力機葉片的氣動控制技術。這些技術有的已經(jīng)廣泛應用于實際風力機葉片上，有的還處于研究階段。

　　1 氣動控制技術綜述

　　風力機氣動控制技術可以分為兩類：主動控制和被動控制，如圖1-1所示。被動控制技術是指在不借助外部輔助力量下能夠提高風機發(fā)電效率、降低氣動載荷等的控制方法。常見的被動控制技術如下風向風機的自由偏航技術，氣彈葉片設計以及渦流發(fā)生器、葉片擾流器等被動氣流控制技術。主動控制技術則指需要借助外力的控制技術，傳統(tǒng)的如機組偏航，葉片變速變槳等。更先進的主動控制技術如后緣副翼、翼面射流等流動控制技術。

　　圖1-1 控制技術分類

　　2 被動控制技術

　　2.1 被動偏航

　　為保證風輪迎風面正對來流風向，從而實現(xiàn)最大的風能捕獲，需要靠機組的偏航控制來實現(xiàn)。絕大多數(shù)的現(xiàn)代風機均采用依靠輔助測風系統(tǒng)的主動偏航控制，然而在早期的風機設計以及目前的部分風機中仍然可以見到被動偏航的例子。其中最簡單的的一種是尾舵偏航，它廣泛地用于風輪直徑在幾米范圍內(nèi)小風機中。還有一種側(cè)風輪偏航系統(tǒng)，也成功的用于了小型風力機中，如圖2-1。然而側(cè)風輪偏航也有其缺點：側(cè)風輪及與之垂直嚙合的偏航齒輪系統(tǒng)容易損壞。無論是尾舵還是側(cè)風輪偏航，由于其偏航力矩的局限，都沒能再應用于現(xiàn)代大型風機中了。

　　圖2-1 一種側(cè)偏航控制風機（來自：Hau，2006）

　　另一種應用于部分現(xiàn)代大型風力機中的被動偏航技術是下風向風機中采用的自由偏航。該技術可以節(jié)約主動偏航控制系統(tǒng)的成本以及避免主動偏航中的風向測量誤差。日立公司在其海上5MW風機上就采用了這種技術。

　　2.2氣彈適應葉片（彎扭耦合）

　　在風力機運行過程中，葉片總是伴隨著彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，從而帶來攻角的變化，進而影響到葉片的發(fā)電功率和氣動載荷。在目前運行的大多數(shù)風機葉片中，都存在明顯的氣彈耦合的現(xiàn)象，無論是設計階段的故意為之或是由于葉片本身輕量和柔性的條件決定。因為柔性葉片的氣彈耦合現(xiàn)象不可避免，故可以在葉片設計時利用氣彈耦合特性使其適應優(yōu)化發(fā)電功率和降低疲勞載荷的目標。其中，彎扭耦合是最常見也是研究最廣泛的一種氣彈適應性設計。這種彎扭耦合設計旨在當葉片受載彎曲的同時會伴隨著顯著的扭轉(zhuǎn)變形以增加葉片扭角，進而降低攻角，降低載荷；再結(jié)合與之匹配的主動變槳策略，控制葉片的發(fā)電效率。使用了彎扭耦合設計的葉片能有效降低陣風引起的載荷波動，從而增加葉片疲勞壽命。目前有兩種典型的設計方法：基于材料的耦合及基于外形的耦合。