這項研究的主要目标是針對環保、低風噪音、安裝成本低、禽類死亡率低以及安全考慮等方面的優勢，研發一種适合于城市區域或屋頂附近操作的中等速度抖動風力渦輪機。作者們專注于在小攻角幅度内進行升力型（LB）緩慢抖動風力渦輪機的操作，而以往的研究則使用升力和阻力型（LDB）抖動渦輪機。這裡，作者們通過使用Chebyshev dyad關聯機構以及以往的報告，設計了一種獨特的翅膀運動軌迹。
可再生能源風能的運用
面對未來能源需求的挑戰，可再生能源被視為可持續能源的主要來源。
由于成本競争力、能源安全性、環境問題、開發中國家和新興經濟體對現代能源的需求增長等多種因素的推動，利用可再生能源的興趣正在迅速增長。
2015年，新增的可再生能源容量達到了約147吉瓦，是曆史上最大的數量。
風能被認為是可持續環境的可行的綠色可再生能源，風力發電的自然能量被轉換成電能，而且不會産生任何二氧化碳排放。
此外，發電所産生的能量可以輕易地注入到建築物的電網中，進而減少了外部能源需求。
一項新的碳信托研究表明，小型風力渦輪機每年可以産生高達1.5兆瓦的電力，這可以每年減少大量的二氧化碳排放。
是以，全球環境問題是研究者們關注的主要問題，并且預計在未來會繼續擴大。
将風能轉換成電力的傳統概念是基于水準軸風力渦輪機（HAWT）和垂直軸風力渦輪機（VAWT）。
盡管VAWT為偏遠地區提供了能源解決方案，但它并不像HAWT那樣具有經濟吸引力。
VAWT相較于HAWT具有優勢，因為這些機械不會因頻繁的風向變化而受到影響，并且适用于結構和美學方面的原因。
VAWT在典型的建築環境中表現出了在湍流流中增強功率的特點，微型風力渦輪機的開發作為備用能源正在快速增長，并且将被用于靠近居住區或屋頂的場所。
水準軸風力渦輪機
在靠近居民區附近操作風力渦輪機的安全非常重要，但風力渦輪機提供了清潔的可再生能源，但它也有一些複雜的問題。
解決風力渦輪機産生的噪音困擾是開發風力渦輪機用于靠近居住區等場所的重要技術問題之一，減少由渦輪機引起的鳥類和蝙蝠死亡是需要改進的研究領域。
此外，為了利用山丘效應在住宅領域中産生的效果，研究人員現在正在專注于屋頂風力渦輪機的開發和利用。
另一方面，安裝風力渦輪機靠近居住區或屋頂時，安全考慮下確定結構穩定性、噪音困擾和緩慢的旋轉速度總是一個重要問題。
緩慢拍動式垂直軸風力渦輪機是一個創新的想法來解決這些不希望的問題，因為它可以提供可預測的能量産出。
考慮到這些事實，我們提出了這樣一種緩慢拍動式垂直軸風力渦輪機。
拍動葉片的運動通過各種幾何參數控制來産生翼型的非穩定升力和阻力力，進而有效地産生旋轉力矩。
在我們目前的研究中，我們優化了渦輪機的設計，建立了一條适合飛行速度的拍動運動軌迹。
為了優化設計，我們強調使用所有參數的組合，如連杆長度，三角形角度，安裝角度，所産生的扭矩量和渦輪機的工作能力。
在拍動運動中，氣動剖面的攻角不斷變化，進而導緻氣動剖面周圍環流的變化。
動态失速是削弱渦輪機效率的關鍵參數之一。
當渦輪機葉片改變位置時，具有大攻角時發生流動分離，一旦發生這種情況，葉片的升力受到影響，導緻總體能量提取效率顯著下降。
為了克服氣動力學的這種行為，我們在目前的拍擺風力渦輪機設計中考慮了小攻角振幅。
本文進行了數值研究，旨在設計和開發一種采用Chebyshev-dyad杆機構制造的升力優先的振動渦輪機來提取風能。
目前的渦輪機設計被視為替代方案，即基于升力的(LB型)，相對于我們之前設計的渦輪機，它是基于升力和阻力的(LDB型)。
此外，我們展示了一種更慢的拍動風力渦輪機的實際使用，重點放在使用在住宅區附近或屋頂上，由于噪音幹擾較小，提取功率數量可觀。
至筆者所知，将拍動翼概念應用于提取風能是一個新的待開發領域，尚未進行實質性的研究。
撲翼風力發電機的機理
振動式風力渦輪機是一種高貴的渦輪機類型，其葉片由可動振翅制成。
在本報告中，我們考慮通過采用振動機制來提取風能的相對較新的想法，其中通過各種幾何參數控制葉片振動以适應特定的風速。
在我們提出的基于Chebyshev-dyad連杆機構的振動風力渦輪機中，對稱翼NACA0012通過獨特的運動将風能傳遞到機械旋轉中。
如圖所示，翼葉通過Chebyshev-dyad連杆與轉子相連，風力通過這種連杆機構轉化為旋轉運動。
拍打風力渦輪機的軌迹和幾何形狀
是以，連接配接機構在機械領域中發揮了重要作用，既可以驅動産生的力，也可以在不同的輸出運動中傳遞力 。
為了确認其性能穩定，高速操作和高承載能力的适用性，确認這些連杆幾何參數的合适組合至關重要 。
長度比，L1:L2:L3:L4，葉片安裝角度，以及菱形角度，是振動風力渦輪機運動的重要控制參數。
一般來說，Chebyshev-dyad連杆機構具有将對稱曲線的機械力轉換為另一個對稱曲線的優勢。
例如，使用Chebyshev-dyad連杆機構，可以輕松地将對稱的4連杆的曲線轉化為圓形路徑。
在我們目前的系統中，一個獨特的“八字形”軌迹被考慮為Chebyshev-dyad的輸入曲線，輸出曲線被确定為圓形曲線。
下圖顯示了振動風力渦輪機的示意圖，對于目前的系統，一組兩個連杆支撐一個單翼，NACA0012 正常安裝在流動方向上。
拍打風力渦輪機示意圖
在振動設計中，葉片固定在預定點上，具有恒定的安裝角度，翼葉通過獨特的軌迹運動，即在周期内固定于K點的翼葉沿八字形軌迹運動。
點A繞圓周運動，點B伴随翼葉的運動畫折線，是以随着翼葉沿軌迹的運動，攻擊角會不斷變化。
在靜态風速下，不同翼位的攻擊角變化直接影響翼葉産生的氣動力。
一旦振動渦輪開始運動，由翼葉産生的氣動力将通過Chebyshev-dyad連杆轉化為轉子旋轉運動。
不同三角翼角度下的翼刀軌迹變化
由于風力渦輪的周期性運動，即使流動是均勻的，翼葉和流向之間的相對速度在每個周期中都會發生變化。
由于大的攻角，攻角的快速變化超過了失速條件和流動分離的發生。
盡管大的攻角不可避免地出現在某個區域，但在這種情況下，翼進入失速狀态但保持大的升阻系數，通過為渦輪設計合适的軌迹，我們可以獲得有效的驅動力。
失速是一種不穩定現象，很難在失速條件下準确地近似計算渦輪性能。
在我們目前的渦輪設計中，我們忽略了由于攻角過大而引起的失速現象，而是專注于慢速上下擺動的基于升力的風力渦輪，該渦輪在小攻角幅度内運作。
風向角度被認為為90度，目前系統中轉子的旋轉方向是逆時針方向。
目前的研究中，翼型弦長和翼展分别選擇為0.2米和0.3米，如圖所示。
合力與葉片軌迹的内積
機械分析
在現有的振動風力渦輪中，具有NACA0012空氣動力剖面的單片翼葉依靠攻擊角将動能轉化為氣動力。
與傳統的旋轉風力渦輪相比，振動翼葉通過不斷變化的位置和方向引起了一種獨特的氣動流動機理，由于風力渦輪的周期性運動，即使流動是均勻的，翼葉和流向之間的相對速度在每個周期中也會發生變化。
是以，氣動力系數直接取決于攻擊角和相對流體速度。
考慮到5 m/s到12 m/s的流速時，雷諾數在6.6×104到2.0×105的範圍内變化。
在目前系統中，風速為10 m/s時的雷諾數接近之前科研中考慮的值1.6×105。
風速10 m/s時角速度與時間的比較
在目前的系統中，合成力沿旋轉方向作用，通過一個八字形軌迹作為主要驅動力。
通過連杆機構，空氣流動轉化為旋轉運動，旋轉軸上連接配接的發電機進行發電。
升力和阻力的計算如下：
為了進行數值分析，考慮對連結機構的綜合平衡，即每個連杆OA、BC和菱形ABK的力和力矩與我們先前的振動風力渦輪類似，以評估旋轉運動産生的扭矩。
旋轉運動所産生的扭矩是通過解決所有平衡方程并以下述方程式所述的升力和阻力來确定的。
通過使用顯式四階 Runge-Kutta 方法解決剛體運動方程，計算轉子的旋轉角速度如下所示：
式中，I代表具有半徑（r）的旋轉盤的慣性矩，該慣性矩通過将預測的品質（M），例如發電機和軸等進行求和，使其成為适用于不同負載條件的更實用的應用。
當渦輪運動時，相對速度根據翼的速度計算如下所示：
在我們目前的系統中，轉子速度是可變的，是以翼速度按照下面的方程式計算：
相對入口角度計算如下，這裡，數字I代表計算的節點數。
優化程式
在現有系統中，存在許多參數，由于不同設計問題中目标和限制的變化，使用單一的公式程式難以适用于所有工程設計問題。
在優化方法中，我們必須關注優化的主要目标，我們需要研究影響優化問題的變量。
由于需要某種形式的參數化，是以首先我們需要尋找一組輸入參數，以完全描述問題。
如果參數的變化可以顯著影響問題的性能度量，那麼這些參數就被認為是設計的重要因素。
此外，必須記住，随着參數數量的增加，優化的複雜性呈指數級增長，是以需要盡可能減少變量的數量。
在機械設計中，通過優化過程進行設計時，設計師始終考慮諸如強度、重量、輸出度量、壽命等特定目标。
然而，對于完整的機械組裝設計，設計優化會産生一個包含許多設計變量的複雜目标函數。
是以，将優化技術應用于單個元件或中間設計始終是一種良好的實踐方式。
在實際設計問題中，設計參數的數量通常非常大，由于非線性特性，它們對目标函數的影響可能很複雜。
然而，目标函數可能具有許多局部極值，但是設計師始終對某個區域内的全局極值感興趣。
回到目前的優化問題，上下擺風力渦輪的設計直接取決于幾個參數，例如内部耦合器角度、安裝角度、連接配接長度屬性、攻角振幅和風向。
每個參數都與其他參數互相關聯，這意味着一個參數的變化将直接影響其他參數，是以這些參數的讨論共同展示了渦輪的整體性能和軌迹的顯著變化。
對于在渦輪運動中移動小攻角幅度的平穩上下擺動運動，并實作我們目标，我們需要優化所有的設計參數。
為了達到我們目标，我們通過維持疊代過程進行了優化，詳見下圖。
對于優化設計參數，我們強調維持機械平衡、獨特軌迹、小攻角幅度、渦輪整體工作能力、發生的轉矩量和緩慢的上下擺動運動。
為了評估設計的渦輪性能，我們使用自己開發的MATLAB代碼進行了模拟。
最佳設計程式的參數優化流程圖
靜态模拟
與其他位置相比，肩峰角度的變化并保持翼的小攻角振幅在運動中。
安裝角度是籽片風力渦輪機設計的另一個重要參數，盡管它不影響軌迹形狀，但它仍對風力渦輪機的整體性能起着重要作用。
在小攻角下操作振動式風力渦輪機時，安裝角度被視為現有系統中的重要參數。
由于安裝角度直接改變了攻角的偏向，不同的安裝角度在渦輪旋轉過程中提供的攻角振幅是不同的。
此外，不同的攻角振幅直接影響氣動力的産生。
下圖顯示在固定風速5 m/s下，不同安裝角度位置在一次旋轉中産生的平均切向力。
風速為5米/秒時不同安裝角度的平均切向力
下圖顯示了在不同安裝角度下一周期的攻角變化情況。
是以，我們認可目前設計的最佳安裝角度為90度，這樣能在渦輪運動中提供最大的切向力，同時保持合适的攻角振幅。
不同安裝角下槳葉迎角的變化
讓我們估算Chebyshev二進制組中的聯杆長度，這對于渦輪機的設計非常重要，因為随着聯杆長度的微小變化，軌迹和輪機性能也會發生變化。
為了從飛振式風力渦輪機中獲得更好的性能并保持聯杆的機械平衡，重要的是要考慮每個聯杆的适當位置和最佳長度。
最初，我們将聯杆長度L1設定為0.05m作為預設參數，必須确定其他适當的聯杆長度以獲得最佳性能，聯杆長度L2和聯杆長度L4相同以允許Chebyshev準則。
通過計算結果，我們發現當L2和L3之間的差異很大時，系統的聯杆平衡會破壞，并且當L2和L3之間的差異很小時，設計的結果變得有利。
基于不同聯杆長度L2、L3和L4的平均扭矩值曲線。
為了保持飛振運動中的小攻角振幅，點C的位置從原點O向外擴充。
考慮一個單獨的聯杆長度L2與其他固定參數的例子：聯杆長度L1等于0.05m，聯杆長度L3等于0.3m，肩峰角度等于60度，風速5m/s。
這給出了下圖中顯示的扭矩曲線的變化，包括平均扭矩值。
L2= 0.28米
L2= 0.30米
L2= 0.32米
L2= 0.34米
下圖顯示了由翼片産生的不同軌迹，分别對應不同的聯杆長度L2。
不同連杆長度L的軌迹變化2(m)
鍊長度L2的微小變化會使得扭矩曲線随軌迹變化，軌迹的變化也會影響攻角曲線以及風力渦輪的整體性能。
下圖顯示了對于不相同的鍊長度L2、L3和L4，通過單獨線性變化來獲得最大扭矩的模拟平均扭矩值的總結。
在每種情況下，一個鍊長度的變化對另一個鍊長度固定為0.3米時的影響。
基于不同聯杆長度L2、L3和L4的平均扭矩值曲線
此外，下圖展示了鍊長度L2、L3和L4的平均餘弦值之間的關系，線性變化遵循相同的标準。
由此可知，在鍊長度L2和L3中的小差異可以被視為設計中有益的相鄰區域，這兩個鍊長度的相同值為一次完整旋轉提供了更好的軌迹形狀、平均扭矩值、平均餘弦值和小攻角幅度。
基于不同聯杆長度L2、L3和L4的平均餘弦值曲線
在這些數值下，下圖展示了不同風速下各種扭矩發展的關系。
由于翼片改變了運動方向，是以會發現小的負扭矩，而慣性卻支配着動态情況下的運動繼續。
完整旋轉中獲得的最大扭矩在轉子旋轉角度的270度左右達到。
靜态扭矩曲線的趨勢也随着風速的增加而相似，并且平均扭矩随着風速的增加而明顯增加。
不同風速下一次旋轉的靜态扭矩發展
動态仿真
為了更準确地估計現有風力渦輪機的近似值，根據靜态分析，進行了動态分析，并使用最佳參數進行了模拟。
在本次模拟中，通過求解方程式并讨論相對速度細節，研究了風力渦輪機的運動情況，其中有關詳細資訊，請參見第三節。
下圖顯示了在三個不同的風速5m/s、7m/s和9m/s下，從動态運動中獲得的所産生扭矩。
動态模拟從θ1 = 0開始，從靜止狀态開始，增量角度被取為0.01度。
圖中顯示了在運動開始後5秒鐘的動态扭矩，在動态模拟中，渦輪機在某段時間内加速并接近穩态旋轉速度。
不同風速下的瞬時扭矩
考慮到從靜止狀态開始的運動起始條件意味着假設沒有負載條件，以及考慮了轉子加速負載條件的模拟模型。
下圖顯示了V0 = 5、7和9 m/s的角速度發展情況，從圖中可以看出，每條曲線在開始後都顯示大的梯度和波動。
在這個運動中，産生的扭矩被用于産生運動。為了實作準穩态運動，在風速增加時變得更快。
在圖中，我們假設扭矩分布函數Φ = Φ（90％_10％），即在三個不同的風速下，渦輪機的負載為發生的扭矩中的90％，用于平衡發電機産生的負載，其餘的扭矩用于運動的延續。
不同風速下角速度随時間的變化
下圖顯示了在三種不同的負載條件下，風速為5m/s時發展的角速度。
風速為5米/秒時不同扭矩配置設定下角速度随時間的變化
結論
本報告展示了一種小攻角幅度下運作的擺動式風力渦輪機。所提出的風力渦輪機沿着Chebyshev雙聯杆機構制造的“八字”軌迹旋轉。
在此報告中，與之前的“升力-阻力型”（LDB型）相比，我們設計了“升力型”（LB型）擺動渦輪。
擺動風力渦輪機有效地利用單個翼片産生的力來将較多的機械能轉換成較慢的速度。
此外，小攻角操作的擺動風力渦輪機産生的平均功率和平均功率系數，與LDB類型的風力渦輪機相比顯示出顯著的漸變。
此外，通過延長翼片的長度和寬度，LB型渦輪機的發電量可以增加。
根據渦輪機的安裝地區，擺動風力渦輪機的形狀和尺寸可以增加以獲得更多的發電量，而不影響風力渦輪機的目标。
參考文獻
[1]J.L .薩溫、k .塞博斯和f .斯維裡松(2016年)，《2016年可再生能源全球狀況報告》。
[2]Bahaj，A.S .，Myers，l .和James，P.A.B. (2007)城市能源生産:微型風力渦輪機輸出對建築物電力消耗的影響。能源建築，39，154-165。
[3]碳信托(2008)小規模風能政策見解和實用指南目錄。碳信托，1-40。
[4]Aslam Bhutta，M.M .，Hayat，n .，Farooq，A.U .，Ali，z .，Jamil，S.R .和Hussain，Z. (2012)垂直軸風力渦輪機——各種配置和設計技術綜述。可再生和可持續能源評論，16，1926-1939。
[5]van Bussel，G.J.W .和Mertens，S.M. (2005)用于建築環境的小型風力渦輪機。第四屆歐洲和非洲風力工程會議，布拉格，2005年7月11-15日，1-9。
[6]Sasaki，s .，Sakada，r .和鈴木，k ,( 2014)微型風力渦輪機産生的周期性噪聲的氣動聲源的測定。流體動力學開放期刊，4，440-446。
[7]Barrios，l .和Rodríguez，A. (2004年)岸上風力渦輪機飛升鳥死亡率的行為和環境相關性。應用生态學雜志，41，72-81。
[8]Bakker，R.H .，Pedersen，e .，van den Berg，G.P .，Stewart，R.E .，Lok，w .和Bouma，J. (2012)風力渦輪機聲音對煩惱、自我報告的睡眠障礙和心理困擾的影響。整體環境的科學，425，42-51。
[9]彭，z .和朱，Q. (2009)通過翼型流動誘導振動擷取能量。流體實體學，21，1-9。