CN101798988A - 提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，属于风力机设计、制造和应用领域，用以显著提高阻力型风力机的气动性能；在现有阻力型风力机的逆风侧加装了一个可随风旋转的附加装置，实为一个收缩-扩张管道，在其喉道处内侧有一个吸气口，当风吹过时，产生的文特利效应在吸气口处形成负压区，造成了风力机逆风侧的低压，从而大大减小其运转的阻力；这既增加风力机转速，又提高其扭矩，因而显著提高了风力机的功率系数。本发明结构简单，制造成本低，实施方便；既能在低风速区更高效地工作，又能在更高的截止风速条件下安全工作，在强风中则显示更大的优势，因而使得年发电量显著提高。同时结合本发明的风力机也可在海洋洋流和潮汐环境中应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻力型垂直轴风力机，确切地说是在通常的阻力型垂直轴风力机的逆风侧，通过安装适当的装置，使得减小在转子叶片的逆风侧产生的阻力，以提高风力机的气动性能，属于风力机设计、制造和应用领域。
背景技术
风能是新能源中最有前途、发展最快且相对成熟的一个，但制约风能开发利用的关键因素是风电的成本和售价居高不下。降低风电成本的主要方法一是显著提高风力机的功率系数，从而提高风力机的年发电量；一是千方百计地降低风力机(整机和零部件)的制造和维护成本。
目前风力机的主导机型是水平轴风力机，约占95％以上的市场，其技术已经相当成熟，一般来说，目前水平轴风力机的功率系数Cp值可达到理想情况下贝兹极限(0.593)的80％，即0.45～0.50左右，要在此基础上再进一步提高风力机的性能是十分困难的。与贝兹极限类似，已经有人研究了垂直轴风力机功率系数的理论极限，称其为0.64，因为其叶片在上风区和下风区分别与风有二次相互作用的机会，从而超过了贝兹极限的0.593！然而目前报道的垂直轴风力机的Cp值一般比水平轴要低，这主要是因为垂直轴风力机的空气动力学比水平轴要复杂得多，因此人们对于垂直轴风力机的研究相对也要少得多的缘故。不过与水平轴风力机相比，垂直轴风力机却有着突出的优势，主要是结构简单、成本低，垂直轴风力机无需对风装置，因而制造和维护成本将进一步大幅度下降。
垂直轴风力机有两大类，一是升力型风力机，如Darrieus风力机，另一个就是阻力型风力机，如Savonius型风力机。然而升力型垂直轴风力机有两大缺点限制了其应用，一是其空气动力性能较低，再一个“致命”的缺点就是没有“自启动能力”了。但是阻力型风力机天然具有良好的“自启动能力”；如果采用这种阻力型风力机，就只需解决空气动力性能低的一个问题就行了。但是遗憾的是，已经有理论证明，传统的风杯式S型风力机的理论最大Cp值只有0.19，比水平轴风力机的贝兹极限0.593要低得多！
阻力型风力机的Cp值如此低的主要原因是：风力机运行时在逆风侧遭遇了巨大的阻力；为了减小这个阻力，人们在逆风侧的上游装上挡风装置或挡风板，产生了很好的效果；后来TMA公司又在风力机转子的外围安装了“导向叶片”，不仅在一定程度上加大了顺风侧的风速，又遮挡了逆风侧的气流，而且使其在逆风侧的叶片背部产生了一定的负压，这明显减少了风力机的阻力，大大提高了其功率系数，资料说其Cp值实验达到了0.50！并且声称对于1MW这种型式的风力机比同样功率的水平轴风力机的尺寸几乎可望减少一半！
实际上，升力型风力机所以有较高的效率，在于它利用的是叶片的升力，即叶片压力面与吸力面上的压力差，或压力能；而阻力型则是直接利用风的动能。从伯努利方程，例如利用速度为6.7m/s的气流滞止所能产生的压力升只不过30pa，而将叶片逆风侧的气流加速到13m/s产生的负压即可达到100pa！这一点，有着操纵船帆经验的海员都有深刻的体会。利用压力能比起直接利用动能的潜力要大得多，充分利用风的压力差产生升力是提高阻力型风力机效率的根本途径！
另外，升力型垂直轴风力机一般仍有较高的尖速比(3～5)，其叶片的切线速度一般可达40～50m/s；而阻力型的尖速比则最大为1，这就是说，阻力型风力机的叶片最大切线速度不可能超过风速，所以它可以在强风中工作，这正是阻力型风力机的最大优点，同时由此产生的低噪声也带来其另一大优点。一般来说，尽管各种风力机的启动风速各不相同，但截止风速却一般都是25m/s；而风能大小与风速的3次方成正比，这就是说，我们仅仅利用了较低风速的能量，而不得不放弃高风时的可观的风能，这对于如甘肃、新疆等大风区和海上的多风区来说无疑是一种极大的浪费！因此如果能有效地提高其功率系数，则毫无疑问，在大风区采用阻力型垂直轴风力机将是未来市场的唯一明智的选择！
阻力型垂直轴风力机提高性能后，作为小型机，即低噪声产品，将成为城市楼顶及其它离网型应用的最佳选择；由于整机重心很低，更适于放大成多兆瓦大型机，则将在多风区及海上风场成为性价比更高的优选机型；而在大风区(特别是在风速25m/s以上多发的大风区)，例如新疆、甘肃的百里风区等，该机种将是能够高效、可靠工作的唯一选择！可以预料，垂直轴风力机在性能上且不说超越，只要能与水平轴风力机性能相当，则可能拥有与水平轴风力机争夺市场的竞争力！
发明内容
本发明的目的是通过一种方法和装置将升力型风力机的工作机理引入阻力型垂直轴风力机中，从而减小运转阻力，提高其转动力矩，以显著提高阻力型垂直轴风力机的功率系数或输出功率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：在阻力型风力机转子100的逆风侧，装有一个附加装置200，由进口3、出口9、外侧壁4、收缩段内侧壁14、扩张段内侧壁15、上端壁11、下端壁12、收缩通道5、喉道6、扩张通道8以及吸气口7组成，当风2吹入进口3并从出口9流出时，在喉道6及吸气口7处形成负压，显著降低了风力机的转动阻力，从而大大提高了风力机的功率系数和输出功率。更具体些就是，所说附加装置的进口3刚好覆盖风力机转子的整个逆风侧，其最大宽度与风力机转子的半径之比为1.03～1.30；附加装置的喉道6的宽度与风力机转子的半径之比为0.02～0.25。附加装置的气动进口宽度与喉道6的宽度之比，即收缩比为1.5～20；吸气口7关于喉道6截面为对称，其宽度与风力机转子的半径之比为0.02～0.15，其高度与风力机转子的高度之比为0.50～1.10；附加装置的扩张通道8的扩张角为0°～25°；附加装置的高度与转子的高度之比为1.0～1.3；附加装置的收缩段内侧壁是圆弧形的，并可与风力机转子同轴旋转，以保证随时对准风向，其半径与风力机转子的半径之比为1.01～1.10；风力机转子的结构可以是单层的、多层的或螺旋形的；附加装置的扩张通道8的外侧壁与扩张段内侧壁可以是直的，也可以是向风力机转子一侧弯曲的，其纵向宽度与风力机转子的半径之比为0.7～1.3。
本发明与现有技术相比根本的区别是，本发明将升力型和阻力型风力机各自的优点有效地结合起来，既降低了阻力型风力机的启动风速，又显著提高了其空气动力性能；既能适合于在低风速区更有效地工作，又能在更高的截止风速下高效率的工作，从而在强风中显示无可比拟的优势。本发明结构简单，制造成本低，实施更方便，效果更稳定，因而使得发电成本明显降低。
下面将结合具体实施例及附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为结合本发明的风力机的典型三维结构示意图。
图2为本发明的附加装置的三维结构示意图。
图3为结合本发明的风力机横剖面的典型结构示意图。
图4为本发明的一个实施例横剖面的结构示意图。
图5为本发明的另一个实施例横剖面的结构示意图。
具体实施方式
参照图1，为结合本发明的风力机的典型三维结构示意图。可见，结合了本发明的风力机由转子100和附加装置200组成。风力机转子100为通常的阻力型风力机，包括二个或多个叶片，对转子的型式没有限制，其结构可以是单层的、多层的或螺旋形的。转子叶片可以各自相互错开，之间留有间隙，也可以没有间隙而相互连接。附加装置200的高度是转子100高度的1.1～1.3倍，主要是一个上下封闭的收缩-扩张管道，可以随风与风力机转子100同轴旋转(未示出)，以保证其始终对准风向，使得风2从其进口流入，并在出口流出气流10；当风2吹过时，在收缩-扩张管道的喉道处的吸气口7附近形成负压区，造成了转子100的逆风侧的低压，从而减小了其运转的阻力，增加了转子的转速，提高了其扭矩，因而显著提高风力机的功率系数。升力型和阻力型风力机各自的优点有效地结合，既降低了阻力型风力机的启动风速，又显著提高了其空气动力性能；既能适合于在低风速区更有效地工作，又能在更高的截止风速下高效率的工作，从而在强风中显示无可比拟的优势。具体细节见M-M剖视图，即图3。
参照图2，为本发明的附加装置的三维结构示意图。该实施例中，附加装置200本身是一个收缩-扩张管道，由外侧壁4、收缩段内侧壁14、扩张段内侧壁15、上端壁11、下端壁12、进口3、出口9和吸气口7组成，其高度是转子高度的1.1～1.3倍；吸气口7位于收缩段内侧壁14与扩张段内侧壁15的交接处，其宽度与风力机转子的半径之比为0.02～0.15，其高度与风力机转子的高度之比为0.50～1.10。当进口3对准风向时，风2从进口3进入附加装置的收缩-扩张管道，并从出口9流出为气流10。由于气流流过收缩-扩张管道时产生的文特利效应，在吸气口7处产生负压，于是便有风力机转子叶片逆风侧的“高压”气流从吸气口7进入收缩-扩张管道，从而降低了风力机的转动阻力。
参照图3，为结合本发明的风力机横剖面的典型结构示意图，即图1中的M-M剖视图。图中，过轴心o点并与风2方向垂直的直径的上游称上风区，下游称下风区；过顺着风2方向的直径(一定过轴心o点)的平面为转子100的纵向对称平面；风2从上方右侧吹向风力机转子叶片1，推动叶片1顺时针旋转；风2从左侧流入附加装置200。附加装置200的进口3，即B-A(K)，其中B-K即几何进口，K点位于转子100的纵向对称平面上，以保证刚好完全覆盖转子100的逆风侧，确保附加装置起到曾经为阻力型风力机加装的挡风装置或挡风板的作用，其最大宽度与风力机转子100的半径之比为1.03～1.30；而B-A为气动进口，即实际的气体入口，通常B-A的面积小于或等于B-K的面积，这里二者相等，故标示A(K)。风2通过附加装置200的进口3进入由外侧壁4和收缩段内侧壁14(即A-G)构成的收缩通道5，再经过位于转子100的上风区和下风区的分界面上的喉道6(即C-C)，以及由外侧壁4与扩张段内侧壁(即F-E)15构成的扩张通道8，从出口9(即D-E)流出，形成气流10。当风2吹过喉道6时，在收缩段内侧壁14和扩张段内侧壁15交接处的吸气口7(即G-F)产生负压，从而减少了叶片1的逆风侧的阻力。附加装置200的收缩段内侧壁14是圆弧形的，使其可与风力机转子100同轴旋转，以保证随时对准风向，其半径与风力机转子100的半径之比为1.01～1.10；但是，对于风向相对比较稳定的风场，附加装置也可以不需转动，结构会更简单，例如对于海洋中的洋流。风力机转子100的结构可以是单层的、多层的或螺旋形的。附加装置200的扩张通道8的外侧壁4与扩张段内侧壁15可以是直的，也可以是向风力机转子100一侧弯曲的，其纵向宽度与风力机转子100的半径之比为0.7～1.3。
参照图4，为本发明的一个实施例横剖面的结构示意图。图中，风2从上方左侧流入附加装置200。风2通过附加装置200的进口3，进入由外侧壁4和收缩段内侧壁14(即A-G)构成的收缩通道5，再经过位于上风区和下风区分界面上的喉道6(即C-C)，以及由外侧壁4与扩张段内侧壁(即F-E)15构成的扩张通道8，从出口9(即D-E)流出，形成气流10。当风2吹过喉道6时，在收缩段内侧壁14和扩张段内侧壁15交接处的吸气口7(即G-F)产生负压，从而减少了风力机逆风侧的阻力。附加装置200的收缩段内侧壁14是圆弧形的，使其可与风力机转子同轴(即过o点的轴)旋转。附加装置200的进口3，即B-A(K)，其中B-K即几何进口，K点位于转子100的纵向对称平面上，其最大宽度与风力机转子的半径之比为1.03～1.30；而B-A为气动进口，即实际的气体入口，通常B-A的面积小于或等于B-K的面积，这里二者相等，故标示A(K)。喉道6的宽度32与风力机转子的半径之比为0.02～0.25；吸气口7的宽度33与风力机转子的半径之比为0.02～0.15；附加装置200的扩张通道8的扩张角34为0°～25°；附加装置200的扩张通道8的外侧壁4与扩张段内侧壁15可以是直的，也可以是向风力机转子一侧弯曲的，其纵向宽度与风力机转子的半径之比为0.7～1.3。
参照图5，为本发明的另一个实施例横剖面的结构示意图。图中，风2从上方左侧流入附加装置200。风2通过附加装置200的气动进口B-A，进入由外侧壁4和内壁A-G构成的收缩通道5，再经过位于上风区和下风区分界面上的喉道6(即C-C)，以及由外侧壁4与扩张段内侧壁(即F-E)15构成的扩张通道8，从出口9(即D-E)流出，形成气流10。当风2吹过喉道6时，在收缩段内侧壁14和扩张段内侧壁15交接处的吸气口7(即G-F)产生负压，从而减少了风力机逆风侧的阻力。附加装置200的收缩段内侧壁14是圆弧形的，使其可与风力机转子同轴(即过o点的轴)旋转。附加装置200的进口3，即B-A(K)，其中B-K即几何进口，K点位于转子100的纵向对称平面上，其最大宽度与风力机转子的半径之比为1.03～1.30；而B-A为气动进口，即实际的气体入口，在该实施例中，B-A的宽度(或面积)小于B-K的宽度(或面积)，用以根据风场的风速条件及设计风速的大小，在设计气动进口的尺寸时对其进行调整，即设计B-A在附加装置200的进口3，即B-K宽度中的比例；这一点对在弱风环境或强风地区工作的风力机设计至关重要。喉道6的宽度32与风力机转子的半径之比为0.02～0.25；吸气口7的宽度33与风力机转子的半径之比为0.02～0.15；附加装置200的扩张通道8的扩张角34为0°～25°；附加装置200的扩张通道8的外侧壁4与扩张段内侧壁15可以是直的，也可以是向风力机转子一侧弯曲的，其纵向宽度与风力机转子的半径之比为0.7～1.3。
经风洞实验已证明，采用了本发明的风力机模型不仅降低了阻力型风力机的起动风速，而且显著提高了其输出功率。尽管本发明是针对风环境中的风杯式垂直轴风力机而提出的，但是它的设计方案同样适用于其它阻力型垂直轴风力机，不论其工作在风环境还是海洋的洋流或潮汐环境中。
Claims (10)
1.一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，阻力型垂直轴风力机的逆风侧装有一个挡风装置，其特征在于：在阻力型风力机转子(100)的逆风侧，装有一个附加装置(200)，由进口(3)、出口(9)、外侧壁(4)、收缩段内侧壁(14)、扩张段内侧壁(15)、上端壁(11)、下端壁(12)、收缩通道(5)、喉道(6)、扩张通道(8)以及吸气口(7)组成，当风(2)吹入进口(3)并从出口(9)流出时，在喉道(6)及吸气口(7)处形成负压。
2.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的进口(3)刚好覆盖风力机转子(100)的整个逆风侧，其最大宽度与风力机转子(100)的半径之比为1.03～1.30。
3.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的喉道(6)的宽度(32)与风力机转子(100)的半径之比为0.02～0.25。
4.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的气动进口宽度与喉道(6)的宽度(32)之比为1.5～20。
5.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的吸气口(7)关于喉道(6)截面为对称，其宽度(33)与风力机转子(100)的半径之比为0.02～0.15，其高度与风力机转子(100)的高度之比为0.50～1.10。
6.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的扩张通道(8)的扩张角(34)为0°～25°。
7.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的高度与转子(100)的高度之比为1.0～1.3。
8.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的收缩段内侧壁(14)是圆弧形的，并可与风力机转子(100)同轴旋转，其半径与风力机转子(100)的半径之比为1.01～1.10。
9.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：附加装置(200)的扩张通道(8)的外侧壁(4)与扩张段内侧壁(15)可以是直的，也可以是向风力机转子(100)一侧弯曲的，其纵向宽度与风力机转子(100)的半径之比为0.7～1.3。
10.根据权利要求1所述的一种提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置，其特征在于：风力机转子(100)的结构可以是单层的、多层的或螺旋形的。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20100811 |