風輪

能源是人類社會發展和經濟增長的原動力。以化石燃料為主的能源結構，不僅資源難以支撐，而且對環境帶來嚴重問題，特別是温室氣體排放造成全球氣候變化將帶來一系列生態和環境問題。解決這一難題的出路在於開發清潔的可再生能源。在可再生能源中，除水電以外，風電最具有商業開發條件。風能作為環境友好型的可再生能源，它的開發和利用不僅可以緩解世界能源危機，而且還具有常規化石能源不可比擬的優勢，如可持續開發，不存在資源枯竭問題，不排放二氧化碳等温室氣體和其他有害物質等。地球上風能資源非常豐富，據有關調查結果顯示，全球的風能儲量約為2.74×10⁹MW，其中可經濟開發利用的風能為2×10 ⁷MW，比可開發利用的水電總量還要大10倍。隨着常規化石能源的枯竭和生態環境的惡化，以風電為代表的可再生能源的開發和利用受到各國政府的重視，經過最近二十多年的發展，尤其是近幾年，風電產業日益成為一個迅速增長的新興產業 ^[2]  。

全球風電產業的迅猛發展帶動了風電機組及其上游產業鏈的快速發展，其中葉片是風電機組的關鍵部件之一，其性能好壞直接影響風電機組的風能利用效率和機組所受載荷，在很大程度上決定了機組的整體性能和風電開發利用的經濟性。同時，葉片也是風機的核心部件，其成本約為風電機組總成本的20%。因此，世界各大主要風機制造商都非常重視葉片的設計和生產，並儘可能保持獨立的設計和生產能力 ^[2]  。

風機葉片專用翼型已成系列，但還存在很大改進空間。採用柔性葉片也是一個發展方向，利用新型材料進行設計，從而改進空氣動力和葉片受力狀態，增加可靠性和對風能捕獲量。

在開發新的葉片外形上也進行大量嘗試，Enercon公司對33m葉片進行空氣動力實驗，經過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的最大氣動效率低約3～4%。為此，該公司對大型葉片外形型面和結構都進行了必要的改進，包括為抑制生成擾流和旋渦在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發電機主艙附近的捕風能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部和根部之間的型面進行優化設計。在此基礎上，Enercon公司開發出旋轉直徑71m的2MW風力發電機組，改進後葉片根部的捕風能力得以提高。Enercon公司在4.5MW風力發電機設計中繼續採用此項技術，旋轉直徑為112m的葉片端部仍安裝有傾斜“小翼”，使得葉片單片的運行噪音小於3個葉片(旋轉直徑為66m)運行時產生的噪音 ^[2]  。

風機機組正朝着大型化發展，葉片長度越來越長，捕獲的風能越來越多。風場經營者和能源公司都看好大葉片，因此Enercon公司的6MW機組應運而生，GE公司的7MW機組研發緊鑼密鼓，而英國正在研製10MW的巨型風力機。如此大功率風機配套的葉片將是超規模的。普遍採用的玻纖增強聚脂樹脂、玻纖增強環氧樹脂將無法滿足要求。所以必須開發更為先進的材料，具備輕質、高強以及剛性好的性能。

碳纖維的使用已成必然，但一般以碳/玻混雜的形式出現。3TEX開發了一種三維混雜結構。這種結構具備高強度、高剛度特性，同時該結構能使樹脂灌注速度加快，縮短工作時間。且這種結構較厚，減少了鋪層層數，節約勞動力，降低了生產成本。實際結果表明，使用這種混雜纖維形式比全玻璃鋼葉片減輕質量約為10%左右 ^[2]  。

自變葉片風輪至少由主軸、框架、子軸和葉片構成。主軸在框架中心，框架和葉片繞主軸旋轉。子軸約在葉片三分之一的位置，固定在框架上，葉片繞子軸旋轉。離子軸較長的葉片部分分別位於框架的兩側 ^[1]  。

當風吹向如右圖1所示的風輪時，右邊葉片緊貼框架，推動框架繞主軸旋轉；左邊由於沒有框架擋住（葉片長邊位於框架另一側），因葉片長邊受力大於短邊，故葉片會繞子軸旋轉到最小迎風面積，風的阻力很小。左右兩邊受力不同，從而造成壓力差推動風車轉動 ^[1]  。

（1）水平軸三葉型風輪特點

風輪的目的是利用風能發電。現有風力發電機主要是水平軸三葉型，由於該類型在風向轉變時須隨風擺動造成結構較為複雜，能量損耗大，噪音大，且影響壽命、成本和維修。

（2）現有垂直軸型風輪特點

垂直軸型風輪不需要隨着風向擺動，電機位置固定，運作穩定，噪音小等。而現有垂直型發電機雖然不受風向影響，然而風葉有一半時間處於逆風週期。如薩伏紐斯風阻型風力機是利用風葉的形狀的改變，在順風週期時迎風面風葉是凹面風壓較大，在逆風週期時迎風面是凸面風壓較小，從而造成壓力差推動風車轉動;機翼型定

葉風力機是利用機翼的升力來推動風車轉動，但是這兩種風車的順風週期和逆風週期迎風面面積一樣，故而在低風速時功率啓動扭力低。使得垂直軸型風力機比類似尺寸的水平軸型功率小，同功率風電機的造價垂直軸型貴很多，因此現有垂直軸型風力機沒有能夠得到推廣，同時大型的垂直軸型尤其是兆瓦級的難以實現 ^[3]  。

（3）垂直軸自變葉片風輪的特點

垂直軸自變葉片風輪繼承了現有垂直軸型風輪的優點，克服了其缺點，從而形成獨有的特點：風輪不需要隨着風向擺動，電機位置固定，能量利用率大，啓動風速小；運作穩定，噪音小，安全可靠；結構簡單，施工方便，成本和維修費用小等 ^[1]  。