万向风车

   万向风车的特点：
1、效率高
   风车效率的差异是很大的，不仅不同种类的风车间存在着效率上的差异，（例如：升力型风车的效率高于阻力型风车；水平轴风车高于垂直轴风车……等，）而同一种类型的风车也存在着很大差异，例如，螺旋桨风车如果造得不好，叶片的非线性扭转不正确，叶片选型不恰当，叶片制造精度达不到要求，叶片就不能产生升力，或者产生的升力很小，这就会使螺旋桨风车变成阻力型风车，效率也会很低。

现代水平轴螺旋桨风力机的有效输出功率：w  ＝0.155  ρ D2 v3  
    ρ－空气密度，D－风轮直径，v－风速
也可以写为w＝0.5cρA v 3  
    c－机械效率因素（通常0.1－0.5），ρ－空气密度，A－叶片扫过的区域，v－风速
由上式可以看出，风车的输出功率与风速的三次方成正比，与叶片的扫风面积成正比，与空气密度成正比。
万向风车的输出功率，与上式基本相同。但需要注意的是，在同等材料数量情况下，万向风车的扫风面积小于螺旋桨风车的一半（由于背风面的叶片不与风接触）。这就使万向风车的功率输出小于螺旋桨风车的一半，与达里厄（Darrieus）风车相同。
需要指出的是，虽然从理论上说，万向风车效率不如水平轴，但水平轴螺旋桨风车要达到最佳输出状态，需要风速、转速、负载三者都处于最佳范围，这是很窄的范围。离开这个范围，风车工作就不稳定，要么停转，要么飞车……。再加上螺旋桨风车叶片需要非线性扭转（即使用调浆的办法，收效也不大），并且升力的大小和方向都受转速影响，如果全面考虑到这些情况，万向风车的输出功率不会小于水平轴螺旋桨风车，特别是H型达里厄（Darrieus）风车。
2、启动力矩大
    要分析风车的启动力矩，就要对风车在静态时的受力状况作受力分析。万向风车的交叉叶片既有阻力作用又有升力作用，所以其启动力矩与阻力型风车不相上下，而比以斜面迎风的螺旋桨式风车要大。因此，万向风车在微风下即可转动。这一特点使万向风车的风能利用范围更宽，如果匹配合适，万向风车能做到只要有风就能发电。
3、设计容易 
专利法实施细则第二条指出，专利法所称发明，是指对产品、方法或者其改进所提出的新的技术方案。因为是技术方案，所以在具体实施时，就必须进行设计。螺旋桨式风车设计复杂，需要选择的参数虽然不多，但选择的范围小。例如：叶片横截面的形状、叶片非线性扭曲、叶片材料、尾舵大小……等等，都需要进行精心的计算和选择，有的还需要试验测定。这主要是因为螺旋桨式风车各个参数之间的联系过于密切，一个参数的改变会引起其它参数的改变，这就可能使性能的提高和降低相互抵消，难于得到最佳设计。而万向风车需要选择和设计的参数虽然不少，但选择的范围比较宽，特别是各参数之间相互关联比较小，这就容易得出最佳设计。例如：如果利用调浆技术来改善风车效率，螺旋桨风车的叶片只有一个调浆自由度，而万向风车可以有力臂、叶片仰角、叶片倾斜角，三个自由度。

4、建造简单
      万向风车无论是叶片、支架、转轴，还是基础平台，都不需要特殊的制造工艺和材料。螺旋桨式风力机叶片由于受力状况不好，为了减轻重量并达到一定强度，都是用碳纤维增强树脂制造出来的,制造过程复杂，程序繁多，要达到高质量的性能要求，必须有严格的条件控制。而且，保存、运输过程也有极严格的规定和要求，稍有碰撞和损伤，将严重影响性能；万向风车叶片用0．3~1mm的镀锌铁板、铝板、不锈钢板、彩钢、……等材料制造都可以，用金属板制造，其工艺简单，制造容易，运输方便……。万向风车可以很容易地向海上发展，利用海洋风能。 
5、结构紧凑
  由于结构紧凑，给发展小型风力发电机解决偏远地区农牧民用电问题创造了条件 ，使万向风车可以放在狭小的只要有风的地方就可以,并且转轴方向也可以任意放置，无所谓水平轴、垂直轴。多个万向风车还可以串联或者并联使用，从而提高输出功率，并使风车可以向高空发展。F型万向风车还可以制造成风力飞行器，用动力使其升入高空，利用高空风能发电，再用电缆将发出的电输回地面。
四、万向风车的叶片

   风力机依靠叶轮汲取风能，叶轮直接决定风力机的重要性能指标——风能利用系数。叶轮性能的好坏则取决于叶轮上叶片的数量，外形设计以及叶轮结构。现代风轮叶片的平面形状通常是接近矩形的直叶片，尖削度不大而展弦比比较大。这样叶片的展向流动是次要的，叶片的气动特性很大程度上取决于叶片的翼剖面形状及其所处的相对位置，也即翼剖面的气动特性是研究叶片性能的关键。研究绕翼剖面流动比较简单，易于观察、实验、理论推导与分析，同时翼剖面气动特性也是探讨复杂情况的基础。空气动力学提供了对翼剖作深入细致研究的理论基础，提供了丰富的翼剖面气动性能试验数据和理论计算方法，为风力机的气动研究和气动设计提供了依据。（参见linan《新型风力机的设计与开发技术》）
万向风车采用如下图所示的翼型，与NACA的带弯度的机翼型基本相同。
（见附图1）
分析一下作用在翼型上的气动力及其参数，我们知道，在仅有重力作用的二维低速流场中，气体的压力与速度存在下列关系—伯努利公式
    Po  =  P+  ½ρV2  
    式中：P0为总压，P为静压，½ρV2  为动压。ρ为空气密度，V为风速。伯努利公式指出：气体的总能量P0保持定值，等于动压能 ½ρV2  与静压能P之和。
在二维低速流场中，根据流体连续性原理，流场中质量保持连续不断，上翼面突出使流场横截面变小，空气流速加大，即V>V∞ ， 这样P < P∞， 上翼面静压值小于下翼面静压值，上下翼面压差的合力形成了升力。（参见lina 《新型风力机的设计与开发技术》,）
需要指出的是，叶片产生的升力，不是用来使叶片上升的，而是用来推动叶片旋转的，所以，万向风车采用了两个叶片交叉，这样两叶片产生的升力的合力就推动叶片绕转轴旋转。如图所示。
两叶片间的夹角α与叶片的攻角、风轮的截风面积有关，当夹角增大时，风轮截风面积增大，但叶片攻角变小，甚至成为负值，使升力变小；极限情况，两叶片间的夹角α等于180度，风轮变成了直线叶片的阻力型风车。α约等于45~60度较好。
为减少交叉叶片逆风时的阻力，两叶片相交时成圆锥状较好，如照片所示。叶片可用镀锌铁板（0.3_0.5毫米）、铝板、不锈钢板、树脂板等制造。
五、万向风车利用升力引入正反馈提高效率
   万向风车由叶片、支架、转轴等三部分组成。单片叶片为长条形，其横截面为流线型（有弯度的机翼型）。两个单片叶片凹面相向的交叉在一起，形成两两交叉的组合叶片。
   由于万向风车的单个叶片是有弯度的机翼，风车在启动力矩的作用下就产生旋转，启动转矩使风车旋转起来以后，风车叶片与周围空气的相对流速变大，根据空气动力学原理，在每个单个叶片上都会产生升力，且随着风车旋转速度的增加，叶片与周围空气的相对流速也增加，升力也增加。而两个交叉叶片产生升力的合力通过支架的杠杆作用就产生了使转轴旋转的转矩。如果分析一下这个升力转矩的方向，不难发现，是与启动转矩方向一致的，这就是说，升力产生的附加转矩对转轴的旋转起到了推波助澜的作用，从而引入了正反馈。
万向风车正反馈信号流程方框图如下：
（见附图2）
图中β为正反馈系数，与叶片形状、交叉角度、力臂大小、叶片攻角、扫风面积、叶片翼型……等有关。
万向风车引入正反馈提高效率，就好像再生式无线电收音机的再生线圈把经放大的无线电信号引回到输入端再放大一样，从而提高了收音机的效率。
在万向风车正反馈信号流程方框图中，我们设：P1为万向风车的输入；P2为输出；K为不加升力反馈时的放大倍数；β为正反馈系数，那么，可以得出如下的等式：
P2－βP2=（P1+ P2 β）K
…………（1）

（1－β） P2=K P1+ K P2 β
…………（2）

P2/ P1=K/1－（1＋K）β…………（3）
其中P2/ P1即为风车的效率。
由式3可以看到，风车效率与K、β均有关。K为不加升力反馈时的放大倍数；β为正反馈系数。K无论对于螺旋桨风车或万向风车来说，最大都不会超过50%（水平轴风车在叶片倾斜45度时受力最大，此时叶片所受到的旋转力为风力的50%），K无论对于螺旋桨风车或万向风车来说，都将随风车转速的增加而减少，直至转速等于风速时接近于0。
毫无疑问，我们可以用数学方法描绘出风车效率与K、β之间的关系。
为了简单直观的看一下风车效率与K、β之间的关系，我们假设K为0,1、0.3、0.5时，如果让风车效率为100%，那么，反馈系数β应为多少。计算结果如下：
K
0.1（风车转速高）
0.3 （风车转速中）
0.5（风车转速低）
β
0.82
0.55
0.33
以上结果说明，β很小的变化，就能使效率大幅提升。