隨著大規(guī)模商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)葉片設(shè)計(jì)技術(shù)趨于成熟。同時(shí)，激烈的市場競爭推動著技術(shù)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(guān)注如何提升風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，降低疲勞載荷可以顯著降低風(fēng)機(jī)制造和維護(hù)成本，并且提高風(fēng)機(jī)壽命。無論是提升風(fēng)力機(jī)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(shù)，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(fēng)力機(jī)葉片的氣動控制技術(shù)。這些技術(shù)有的已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際風(fēng)力機(jī)葉片上，有的還處于研究階段。
1 氣動控制技術(shù)綜述
風(fēng)力機(jī)氣動控制技術(shù)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(shù)是指在不借助外部輔助力量下能夠提高風(fēng)機(jī)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(shù)如下風(fēng)向風(fēng)機(jī)的自由偏航技術(shù)，氣彈葉片設(shè)計(jì)以及渦流發(fā)生器、葉片擾流器等被動氣流控制技術(shù)。主動控制技術(shù)則指需要借助外力的控制技術(shù)，傳統(tǒng)的如機(jī)組偏航，葉片變速變槳等。更先進(jìn)的主動控制技術(shù)如后緣副翼、翼面射流等流動控制技術(shù)。
圖1-1 控制技術(shù)分類
2 被動控制技術(shù)
2.1 被動偏航
為保證風(fēng)輪迎風(fēng)面正對來流風(fēng)向，從而實(shí)現(xiàn)最大的風(fēng)能捕獲，需要靠機(jī)組的偏航控制來實(shí)現(xiàn)。絕大多數(shù)的現(xiàn)代風(fēng)機(jī)均采用依靠輔助測風(fēng)系統(tǒng)的主動偏航控制，然而在早期的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)以及目前的部分風(fēng)機(jī)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(fēng)輪直徑在幾米范圍內(nèi)小風(fēng)機(jī)中。還有一種側(cè)風(fēng)輪偏航系統(tǒng)，也成功的用于了小型風(fēng)力機(jī)中，如圖2-1。然而側(cè)風(fēng)輪偏航也有其缺點(diǎn)：側(cè)風(fēng)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(fēng)輪偏航，由于其偏航力矩的局限，都沒能再應(yīng)用于現(xiàn)代大型風(fēng)機(jī)中了。
圖2-1 一種側(cè)偏航控制風(fēng)機(jī)（來自：Hau，2006）
另一種應(yīng)用于部分現(xiàn)代大型風(fēng)力機(jī)中的被動偏航技術(shù)是下風(fēng)向風(fēng)機(jī)中采用的自由偏航。該技術(shù)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(fēng)向測量誤差。日立公司在其海上5MW風(fēng)機(jī)上就采用了這種技術(shù)。
2.2氣彈適應(yīng)葉片（彎扭耦合）
在風(fēng)力機(jī)運(yùn)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(jìn)而影響到葉片的發(fā)電功率和氣動載荷。在目前運(yùn)行的大多數(shù)風(fēng)機(jī)葉片中，都存在明顯的氣彈耦合的現(xiàn)象，無論是設(shè)計(jì)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?yàn)槿嵝匀~片的氣彈耦合現(xiàn)象不可避免，故可以在葉片設(shè)計(jì)時(shí)利用氣彈耦合特性使其適應(yīng)優(yōu)化發(fā)電功率和降低疲勞載荷的目標(biāo)。其中，彎扭耦合是最常見也是研究最廣泛的一種氣彈適應(yīng)性設(shè)計(jì)。這種彎扭耦合設(shè)計(jì)旨在當(dāng)葉片受載彎曲的同時(shí)會伴隨著顯著的扭轉(zhuǎn)變形以增加葉片扭角，進(jìn)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(shè)計(jì)的葉片能有效降低陣風(fēng)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(shè)計(jì)方法：基于材料的耦合及基于外形的耦合。
