介紹萬向風車

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　　葉槳頭的調節
　　我們知道，葉槳是風車收集風能並把風能轉變成力的作用的重要部件，葉槳的橫截面稱為翼型，長度稱槳長，寬度稱槳寬，翼型的形狀由弦長（翼型的前緣點和後緣點的連線）及中弧線確定，翼型、槳長、槳寬對於風車的性能和效率起著非常重要的作用。
　　然而，有了優良的外形，這還只是提供了風車性能和效率的前提條件，要想使風車真正達到優良的性能和較高的效率，還必須有一個最佳的狀態位置，例如：攻角、傾斜度、傾角……等等。
　　攻角是翼型弦線與氣流方向的夾角，一般用α表示。正常運行時氣流附著翼型表面流過，靠近翼型上方的氣流速度比下麵的氣流速度快，根據流體力學的伯努利原理，翼型受到一個上升的力Fl，當然翼型也會受到氣流的阻力Fd。
　　翼型在正常的工作狀態下，有較大的升力且阻力很小，並且升力隨攻角的增大而增加。但並不是在任何情況下翼型都能產生大的升力。如果攻角α大到一定程度，氣體將不再附著翼型表面流過，在翼型上方氣流會發生分離，翼型前緣後方會產生渦流，導致阻力急劇上升升力下降，這種情況稱為失速。
　　由此不難看出，翼型的狀態和位置對於風車的性能和效率是至關重要的，特別是對於升力型垂直軸風車來說，葉槳的位置在週期的變化著，它的各個參數都在週期的變化，所以，翼型的狀態和位置的微小變化，都會對風車的性能和效率產生重大的影響，必須對葉槳進行多維度的精心調整，才能達到優良的性能和較高的效率。
　　葉槳頭就是通過葉槳頭上的三個轉軸實現對葉槳的傾斜度、安裝攻角、偏心度進行三維度調整的，這就大大的優於螺旋槳風車和達裏厄風車的一維度調整。
　　在室內進行了葉槳頭的調節實驗，發現通過葉槳頭各個參數的調整，可使效率在50%範圍內增加或減小。
　　看視頻請點擊：
　　http://v.youku.com/v_show/id_XNjYwNTM0MTAw.html

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　　2~4葉槳可隨意切換的底盤
　　因為風車豎軸用的是小機動車的後橋，刹車輪上有四個鏈接輪轂的螺孔，所以做風車底盤時就做成了正方形的底盤框架。這樣一來，風車做成兩葉槳和四葉槳，並使葉槳均布在轉軸周圍是很方便的，可要做成三葉槳就麻煩了。因此，我在介紹增加葉槳數量實驗時就說：“因為使用的小機動車後橋，刹車輪上有四個螺孔，條件所限只能做四個葉槳，但考慮效果應該是一樣的，那就做四個葉槳好了。”
　　在做了一陣四葉槳試驗後，發現四葉槳確有很多好處，啟動力矩增大了，效率也增加了，心想以後做樣機或成品就做四葉槳……。
　　可把在室外的風車拆了，經過大修又裝在了室內以後，我又想，增加葉槳數量的實驗效果不錯，可卻代表不了四葉槳和三葉槳相比較的效果如何？四葉槳一定比三葉槳好嗎？那可不一定！所以就很想做一下三葉槳的實驗。可一想到將三葉槳均布在轉軸周圍，每個葉槳之間相隔120度，原來的四邊形底盤框架就不行了，就得另造，這可有點太難了。
　　好在立軸和支架已經裝在了室內，出來進去一抬眼就能看見，看見了就琢磨，突然有一天我用手撥弄了一下支架上的托板，嘿嘿！三葉槳的固定方式出現在了眼前，真是踏破鐵鞋無覓處，得來全不費工夫！
　　原來固定葉槳頭時，我沒有直接固定在底盤上，因為考慮到葉槳頭位置還可能進行小的調整，所以先把葉槳頭固定在了托板上，又把托板固定在了底盤上，這樣一來，只要挪動一下托板，就改成了三葉槳。
　　有人可能會說，這麼簡單的事，還弄得這麼複雜，是不是有點弱智？其實，事情說出來了，就簡單了，如果你有創新的體驗，或者有摸著石頭過河的體驗，你就覺得不簡單了。
　　還可以用另句話來形容：眾裏尋她千百度，驀然回首，她在燈火闌珊處！
　　做過三葉槳試驗後，事情就清楚了：葉槳不是越多越好，而是三葉槳更好！

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　　用行星齒輪實現上下兩風車旋轉方向相反
　　垂直軸風車（單風輪）在風力的作用下旋轉時，因為一側風速高一側風速低，兩側風壓不一致，風車就會受到側面的推力作用，可能會引起風車的傾倒。所以，應該製作兩個風輪上下串聯，並使上下兩個風輪的旋轉方向相反，使兩個側向推力相互抵消，就像雙螺旋槳直升機一樣。
　　採用行星齒輪就可以實現上下兩風輪旋轉方向相反，解決側推力問題。
　　行星齒輪有內齒輪和外齒輪，中間由小齒輪嚙合傳遞能量，這樣，一個軸順時鐘轉的話，另一個軸就逆時鐘轉，不僅兩軸旋轉方向相反，且旋轉軸心相同。（見圖）
　　
　　用行星齒輪實現上下兩風車旋轉方向相反的問題，可能是我考慮到的最後一個問題了，剩下的就應該是把這些想法或草圖變成圖紙，然後加工成零件，最後，再安裝成風力發電機進行最後的測試了。真的特別的期盼那些有能力有條件有遠見的企業或個人，趕緊改革創新，放棄那些華而不實的形象工程，別再搞你的那個阻力型風車，那是被淘汰的落後技術，在技術上你還想開倒車，倒行逆施？那不是在開玩笑？
　　還是建議你造一臺調槳長的萬向風車小樣機，為完成這個專案出點力，我將給你50%專利權（兩個月期限內）。
　　
　　
　　
　　
　　

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　　還有一個小問題
　　在上一貼中講述了用行星齒輪實現上下兩風車旋轉方向相反的辦法，用這一辦法實現上下串聯起來的兩風輪在同一豎軸軸心上旋轉方向相反是完全正確的。但要仔細想一想怎樣實現它，你就會發現這裏有兩個小問題：一是，內齒輪和外齒輪大小不一（如圖所示，內齒輪小外齒輪大），這樣就會使兩軸的旋轉速度不一樣了，有了變速弁遄F二是，行星齒輪有三個軸，如果把其中一個軸作為主動軸，帶動另兩個軸旋轉，另兩個軸都會轉。這樣問題就來了，你希望轉的軸可能不轉，你不希望轉的軸，可能轉的飛快。所以必須把不希望轉的軸給它固定下來。
　　其實辦法也很簡單（見圖），一是，將平面齒輪變成扇形齒輪，使平面傳動變成上下傳動；二是，將行星齒輪的連接軸通過一空心細軸一直聯通到下部底座，固定在底座上，這樣一來還可以讓小空心細軸輸送潤滑油到扇形齒輪。小細軸還可以一直通上去，高出在整個風車外面，做避雷針。這裏的關鍵問題是要把所有的軸做成空心管，這對於風車來說並不難，因為它的負荷絕對沒有機動車的大，做成空心管也完全可以承受。
　　說是小問題，其實問題一點也不小。設想一下，如果這個問題不解決，後果將怎樣？假設行星齒輪的三個軸不固定，那麼風車接收到的風能就不能傳遞到發電機，就可能傳遞到另一軸空轉，造成飛車。如果沒有潤滑油輸送，沒有避雷針，這個風車也是不安全的。所以說，設計無小事，細節決定成敗！
　　
　　

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信不信由你（1）

——調槳長的萬向風車比螺旋槳風車效益高十倍

　　調槳長的萬向風車由於採用了調漿長的新技術，不僅可以通過風車調漿長使輸出必v基本穩定，給後續的接受電網創造了較好的條件，解決了風電消納難，棄風斷網的問題，而且由於採用了調漿長的新技術，也使風力利用的範圍大大加寬，使相同必v的調槳長的萬向風車比水準軸螺旋槳風車在相同風速條件下發出的電量高十倍以上。這也就是說，如果拿來兩臺同必v風車（例如必v同為一兆瓦），一臺是調槳長的萬向風車；另一臺是水準軸螺旋槳風車，讓它們在同一條件下工作，那麼，調槳長的萬向風車發出的電量將是水準軸螺旋槳風車發出的電量的十倍以上。如果將此定為效益，也就可以說調槳長的萬向風車比水準軸螺旋槳風車的發電效益高十倍以上。——信不信由你！
　　我們知道，為了確定風輪的尺寸首先要確定風力機的額定風速，在國家標準GB/T 13981一92《風力機設計通用要求》中6.1.1條規定對風力發電機組的切入風速與額定風速有規定：（見圖表）（參見鵬芃科藝風力機的額定風速一節）
　　這是早些年的規定，近些年常用年平均風速來確定額定風速（有關年平均風速見相關詞語定義），根據國外的統計資料，在降低製造成本的前提下以年平均風速來計算額定風速，對於可變槳風力機的額定風速為年平均風速的1.67至1.77倍；對於失速型風力機的額定風速為年平均風速的2倍以上。按此計算出的額定風速比上表的數值要高，針對大型水準軸風力機或釦韟X適些。我們覺得對於風速變化不太大的環境與具有良好安全性能的可變槳風力機可適當減小這個比例，以降低成本。
　　但釵h微型小型風力機既不能變槳又無自動安全保護弁遄A為適應寬的風速變化範圍在大風時不燒毀發電機，不得不把額定風速定得比較高，額定風速為年平均風速的2倍以上。多以13m/s或更高作為額定風速。額定風速13m/s的風力發電機在風速為6m/s運行時，其必v僅為額定必v的10%，對於大部分時間工作在6m/s風速下確實是浪費。
　　所以，現有風電技術對風車的風輪尺寸、額定風速、電機的額定必v的規定是很不科學的，並且還誤導人們認識，讓人們以為風車越大，發電機額定必v越大，發電量越多，效率越高。其實，發電量與風車大小，額定必v大小，並沒有太大關系，這就造成了人們對風力發電有了十分混亂的認識，出現了投資不小，回報甚微，不少人大呼上當的情景。
　　調槳長的萬向風車由於採用了調漿長的新技術，解決了上面那些種種問題，為風力發電開闢了新天地。
　　由於風車槳長可調，就使風輪尺寸沒有固定的大小，保證了基本上穩定的必v輸出；也保證了風力發電機基本上工作在額定必v上，在風力變換莫測的情況下，基本上滿負荷運轉。
　　下麵就以每節槳長為1.35米，共三節，上下兩層旋轉方向相反的調槳長的萬向風車為例，看看其發電機的額定必v，最高風速，最低風速。
　　根據風車輸出必v    P=0.6SV3
　　設風速最大是10米/ 秒，則風力發電機的額定必v應是：P=546.75瓦 取500瓦上下兩個就是1000瓦。
　　最低風速（此時葉槳三節全部伸出，長為4.05米，必v輸出仍為1000瓦）應該是
　　V=4.8米/秒
　　這就是說在風速為4.8~10米/秒範圍內，風車以1000瓦必v恒必v輸出。
　　如果對風車的應用風力範圍不滿意，還可改變風車葉槳的節數和每節的長度：
　　如果想增加覆遢d圍，就要增加節數。例如：
　　3節，可覆? 4.8~10米/秒；
　　4節，可覆? 3~10米/秒；
　　 5節，可覆?~10米/秒；
覆誘中葹O可以用儀錶調節的，如果當地的風力較大，就可提高覆誘中葹A例如，可將2~10米/秒，提高到5~13米/秒；如果當地風力較小，可將4.8~10米/秒，降低到2~7.2米/秒，甚至1~6.2米/秒（適合京津保地區）；
如果想降低最低風速值，可加長每節葉槳長度。例如：
每節長1.35米 ，最低風速為4.8米/秒；
每節長6米 ，最低風速為2米/秒；
最低風速值不是啟動或切入風速值，而是保持恒必v輸出的最低風速值。




　　

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　　信不信由你（2）
　　——水準軸螺旋槳風車是典型的閉門造車
　　我國有一句成語叫“閉門造車”，是說關上門造車，不管兩個車輪之間的寬度是否合於路上的車轍。比喻做事不考慮客觀情況，脫離實際。
　　在近些年來關於螺旋槳風車的爭論中，鑒於螺旋槳風車投資大，效益低的不爭的事實，有釵h人仔細的研究了螺旋槳風車的癥結所在，提出了螺旋槳風車的釵h不足甚至錯誤。其中令人印象深刻的有以下幾項：
　　1）現有風電機理論受飛機的螺旋槳理論影響很大，但這個理論推導過程漏洞百出，讓人很難認同。
　　2）風電機理論還有一個更明顯的錯誤，就是風輪的轉速與葉片寬度和葉片數成反比。這完全是照搬了飛機螺旋槳的理論，從而使現有風電機與古老風車相比已面目全非，寬大的葉片不見了，葉片數也越來越少了，葉片變成了“三根針”。
　　3）有人把現有葉片稱為“牙籤式葉片”，“一根杆子三根針”，得出結論說，這怎能高效獲得風能呢？
　　4）水準軸螺旋槳風車微風發電性能低已成人們的共識，已有廠家採取加長葉片的方法提高微風發電性能，也就是降低風電機的設計風速，這對提高微風發電性能有一些效果，但不會很明顯。因為現有葉片是以空氣動力性能為基礎設計的，低風速情況下空氣動力性能肯定很弱，又如何來提高風能的輸出呢？……。
類似的問題和錯誤還有很多，這裏不再一一例舉。
　　分析一下以上關於水準軸螺旋槳風車的問題和錯誤，本人覺得有一些是正確的，而有一些則似是而非。本人認為，水準軸螺旋槳風車的最主要的錯誤就在於閉門造車！
　　我們知道，要想設計製造出一颱風車，首先應該確定它的大小，這與想造一臺馬車先要瞭解一下車轍的大小有點類似。可是，車轍只要到馬路上測量一下也就知道了，而怎樣確定風車的大小呢？面對自然風忽大忽小，忽東忽西，忽有忽無，風速不斷變化的現實，要確定風車的大小可就相當的困難了！
　　解決這個問題，可以有兩種辦法：一是，杜撰出一個額定風速，當然也不能純屬虛構，條件只有一個，就是別燒發電機，這就有了現有風電技術中的額定風速，進而有了發電機的額定必v。因為別的不管，只管別燒發電機，自然也就有了閉門造車出門不合轍，發出來的是“垃圾風電”，入不了網，送不出去！——這就是現有風電技術。
　　第二個方法，就是風車的大小不確定，根據實際情況由風車的槳長進行調節。條件有三個：一）別燒發電機；二）恒必v輸出；三）在大風下能安全運行。——這就是調槳長的萬向風車技術。
　　由此看來，現有風電技術（包括水準軸螺旋槳、垂直軸達裏厄）是落後技術，而調槳長的萬向風車技術是先進技術，所以，現有風電技術（包括水準軸螺旋槳、垂直軸達裏厄）應該升級換代啦！
　　然而遺憾的是，仍然有釵h風電業者抱著水準軸螺旋槳不放，甚至打壓新技術……。難道你也想走愛迪生因為一時糊塗而打壓交流電，宣楊直流電的覆轍？——信不信由你！
　　



　　

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　　信不信由你（3）
　　——從理論上分析調槳長的萬向風車比螺旋槳風車效率高
　　風力機的效率是指風通過風輪掃掠面積時，把一部分動能傳給風力機，把風輪接受的風的動能與通過風輪掃掠面積的全部風的動能的比值稱為風能利用係數（也稱風力機風能利用效率），根據貝茨理論，風力機的最大風能利用係數是59%，風能利用係數是衡量風力機性能的主要指標。
　　各種形式的風輪接受風力的風能利用係數是不同的，阻力型風力機的風能利用係數較低（一般不超過25%），升力型風力機的風能利用係數較高（一般在30%~45%）。風力發電機組除了風輪的風能利用係數外，還有機械傳動系統效率、發電機效率等，這些效率的乘積就是風力發電機的全效率。
　　那麼，為什麼升力型風力機的風能利用係數高於阻力型風力機的風能利用係數呢？
　　我們知道，升力型風力機是通過風車葉片的特殊形狀（翼型），按著流體力學、空氣動力學原理，使風能變成了升力，然後又通過支架的杠杆作用變成旋轉的力矩推動風車旋轉；阻力型風力機是通過阻力，產生旋轉力矩，然後推動風車旋轉。那麼是不是利用升力效率就高，利用阻力效率就低呢？如果這樣，那麼升力不就可以稱為高級力量，而阻力就是低級力量了嗎？當然不是。因為只有能量有高級能量（例如機械能）和低級能量（例如熱能），而力是沒有高低之分的。所以，升力阻力都是力，升力型風車如果調節不當，也可能效率還不如阻力型風車，利用升力，只是開拓了提高效率的可能性。
　　本人認為，升力型風力機的風能利用係數高於阻力型風力機的風能利用係數的原因在於升力型風力機可以引入正回饋，而阻力型風車則完全不能引入正回饋。
　　要想明白這個道理，只要這樣想像一下，風力機在風場中受到風力的作用後，就會有旋轉的力矩使風車開始旋轉，而轉速一定是逐漸增加的，它就相當於風力機的一個輸出信號。能不能把這個輸出信號引回到輸入端，再變成力矩信號作用在風車上形成正回饋呢？這就是問題的關鍵。升力型風力機是完全可以的，因為轉速的增加使風輪與周圍空氣的相對速度增加，相當於風速增加，升力就增加，用杠杆引回到輸入端，就可以使風輪轉速進一步增加，從而形成了正回饋；然而阻力型風車，風輪轉速的增加，使風輪線速度與風速之差減小，阻力減小，完全不能形成正回饋。
　　由此可見，升力型風力機利用升力形成正回饋，只要葉片調節得當，就能提高效率；而阻力型風車則完全不可能。
　　那麼，是不是升力型風力機就無一例外的沒有差別？當然也不是，因為風車構造不同，形成的回饋係數也會有很大差別。下麵就來分析一下水準軸螺旋槳風車和調槳長的萬向風車有哪些差別？
　　先看兩張力分析圖，然後再做一些簡單的解釋。（這一部分需要一定的風電知識和一定的想像力，對於有一定風電知識的風電發燒友來說，可能不成問題，但對沒有深入研究風電的初學者來說，可能有一定困難。）
　　
　　圖15-1為水準軸螺旋槳風車由葉片頂端看下去的俯視圖。圖15-2是調槳長的萬向風車由葉片頂端看下去的俯視圖。
　　從圖15-1可以看到，當水準軸螺旋槳風車線速度增加時，使攻角、升力的方向、大小都發生了變化，攻角減小使升力減小，相對風速W向弦線靠近，使與相對風速W垂直的升力的方向向翼型尾部方向偏轉，使旋轉分力減少，進而使旋轉力矩減少。這樣一來，雖然線速度增加使升力增加但被上述原因削弱了不少，使回饋係數不大。
　　從圖15-2可以看到，調槳長的萬向風車線速度增加時，使攻角、升力的方向、大小都發生了變化，攻角減小使升力減小，相對風速W向弦線靠近，使與相對風速W垂直的升力的方向向翼型尾部方向偏轉。但因葉槳是傾斜向上固定在底盤上的，通過葉槳的杠杆作用，升力方向的偏轉，並不影響力矩的大小。這樣一來，雖然線速度增加使升力增加且沒有被削弱，所以使回饋係數較大，這就從理論分析角度可以得出結論——調槳長的萬向風車比螺旋槳風車效率高！
　　
　　
　　

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原15-2圖有誤，現已更正。
在此表示歉意！

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　　信不信由你（4）
　　——調槳長的萬向風車對葉槳的三維調節比螺旋槳的一維調節優越得多
　　前已述及，升力型風力機是通過風車葉片的特殊形狀（翼型），按著流體力學、空氣動力學原理，使風能變成了升力，然後又通過支架的杠杆作用把升力變成旋轉的力矩，推動風車旋轉。這一過程與阻力型風車通過葉片產生阻力，再由杠杆使阻力變成旋轉力矩推動風車旋轉不同，因為升力除了與風速的大小、方向和風輪線速度的大小、方向有關以外，還與葉槳的攻角大小以及翼型形狀、槳距角等有關，同時還與葉槳的狀態有關。就是因為升力與這些因素有關，其中的一個因素的變化，就會引起其他因素變化，牽一發而動全身，這就使問題變得非常複雜，與阻力型風車的單純直接，截然不同……。雖然利用升力，開拓了提高效率的可能性，可是面對這麼多影響升力大小和方向的因素，如果調節不當，使用不當，結構不合理，不但不能提高效率，甚至還可能產生不良的後果。因此，必須對升力型風車進行仔細深入的分析研究，找出規律，想出趨利避害的好辦法，才能達到提高風車效率的目的。
　　下麵讓我們以螺旋槳風車和調槳長的萬向風車為例，對其產生升力的過程，風車的結構特點，信號變換和傳遞過程進行分析，看看各自的特點如何，性能如何？
　　圖16-1是螺旋槳風車和調槳長的萬向風車葉片受力分析圖；
　　圖16-2是螺旋槳風車和調槳長的萬向風車信號流程方塊圖。因為，螺旋槳風車和調槳長的萬向風車信號流程方塊圖除了調漿長部分不同以外，其他部分基本相同，所以兩圖合併畫在了一起（省去了調漿長部分）。
　　
　　從圖16-1中我們可以看到：
　　1）翼型受到外界風力的作用後產生升力的過程很複雜；
　　翼型弦線與翼型前進方向有一固定的夾角β稱為漿距角，作用在翼型上的風速是外來風速v與翼型線速度u合成的相對風速w，相對風速w與翼型弦線間的夾角ㄛO翼型的攻角。由空氣動力學可知，升力F的大小和方向與相對風速w、攻角ㄢㄕ傢騿A升力的方向是與相對風速w垂直的方向，升力的大小要根據翼型的升力係數與阻力係數隨攻角的變化曲線而得到。如果要儘量讓翼型工作在失速前的攻角並獲得最大的升力與較小的阻力，對螺旋槳風車來說，就得調槳距。調槳距就是對於一定的風速v與一定的線速度u選擇合適的翼型漿距角β以獲得最合適的攻角ㄐC
　　2）作用在翼型上的外界風力是相對風速w。這不光是自然風力，還包括翼型線速度u產生的風速，而外來的自然風速v與翼型線速度u產生的風速的向量和，就是相對風速w。
　　現在我們著重來分析一下線速度u，這是由於風輪在風力作用下旋轉而產生的，這也是葉槳與周圍空氣的相對速度，換句話說，對葉將而言這就是風速。而這個憑空出現的風速是從哪里來的呢？我們看圖16-2，發現它就是由風車的輸出部分來的，這也就是說，這股風是由輸出引回到輸入端，與輸入的自然風相加（向量和）產生了相對風速W。按照控制論原理，由輸出產生的輸出信號，引回到輸入端，與輸入信號相加，這就是正回饋。
　　說來真的湊巧，因為風車應用了升力，就給風車搭建了一個正回饋平臺，開通了正回饋回路，也就開拓出了提高效率的可能性。
　　這裏要注意的是，有了正回饋回路，只是開拓出了提高效率的可能性，絕不是能自然地提高效率。至於是否能夠提高效率，能夠提高多少？那可就不一定了，或釵]調節不當，風車根本不轉，或陷ㄟ物雃h產生飛車……這都是有可能的。這就像搭了一個很好的舞臺，但要上演怎樣的讓人們喜聞樂見的節目，還得看我們的智慧和努力。
　　3）因為葉槳的構造、狀態、位置（包括了葉槳的漿距角、攻角、傾斜度、前傾、後傾……等等）不光牽涉到上面所說的“調槳距就是對於一定的風速v與一定的線速度u選擇合適的翼型漿距角β以獲得最合適的攻角ㄐC”，現在又關係到了有沒有正回饋係數？正回饋係數有多大？所以，為滿足攻角和正回饋的雙重需要，只是進行猶如螺旋槳風車的調槳距的一維調節是遠遠不夠的了，必須採用調槳長的萬向風車的葉槳頭，對葉槳進行傾斜度、偏心度、安裝攻角的三維調節（實際是X軸、y軸再加旋轉）。
　　我們說，升力型風力機是一個十分複雜的系統，而調槳長的萬向風車比螺旋槳風車更複雜，特別是增加了調漿長以後，不光涉及空氣動力學、理論力學，還涉及控制理論，這裏，很希望有興趣的朋友能夠深入的研究！我這裏只是拋磚引玉！

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