近些年，風(fēng)電機(jī)組尺寸持續(xù)增長，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)電機(jī)組氣動效率、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)電機(jī)組設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵因素，降低疲勞載荷可以顯著降低風(fēng)電機(jī)組制造和維護(hù)成本。無論是提升風(fēng)電機(jī)組氣動效率或是降低載荷水平，其研究的核心都集中于葉片的氣動控制技術(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。本文將根據(jù)現(xiàn)有的研究資料討論風(fēng)電機(jī)組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)電機(jī)組葉片上，有的還處于研究階段。
氣動控制技術(shù)綜述
風(fēng)電機(jī)組氣動控制技術(shù)可以分為兩類：主動控制和被動控制，如圖1 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)電機(jī)組發(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)電機(jī)組的自由偏航技術(shù)，氣彈適應(yīng)葉片以及渦流發(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)如改變剖面形狀和翼型表面吹/ 吸氣的控制技術(shù)。
被動控制技術(shù)
一、被動偏航
絕大多數(shù)的現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組均采用主動偏航控制，然而在早期風(fēng)電機(jī)組以及部分現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組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)的小型風(fēng)電機(jī)組中。還有一種側(cè)風(fēng)輪偏航系統(tǒng)，也成功地用在小型風(fēng)電機(jī)組中。然而無論是尾舵還是側(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)電機(jī)組中。另一種應(yīng)用于部分現(xiàn)代大型風(fēng)電機(jī)組中的被動偏航技術(shù)是下風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組中采用的自由偏航。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)電機(jī)組上就采用了這種技術(shù)。
二、氣彈適應(yīng)葉片（彎扭耦合）
在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，葉片總是伴隨著彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，其帶來攻角的變化會影響到葉片的發(fā)電功率和氣動載荷，這種現(xiàn)象被稱之為氣彈耦合。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，彎扭耦合是研究最廣泛的一種氣彈適應(yīng)性設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)旨在當(dāng)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(jìn)而降低攻角，降低載荷。這種技術(shù)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：基于材料的耦合和基于外形的耦合。
