CN111550367B - 一种带集风体的垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带集风体的垂直轴风力发电机，该发电机包含由底座、旋转轴、叶片和机架构成的达里厄斯垂直轴风力发电机。其中，底座用于固定风力发电机的机架，使机架在受风时保持稳定，叶片围绕旋转轴在竖直平面内旋转，还包含由扩散器和自适应柔性法兰构成的集风体，置于风力发电机外。该扩散器的形状为平滑过渡的曲面，用来提高流过集风体内的风速，柔性法兰为双悬臂梁结构，一端与机架连接，另一端与扩散器贴合。本发明利用集风体出口处的法兰形成的强烈的涡旋，产生低压区域，随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大，因此，通过引进集风体结构可以提高通过风力发电机的风速，极大地提高垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率。
Description
技术领域
本发明属于风力发动机技术领域，涉及垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率的提高，具体涉及一种带集风体的垂直轴风力发电机。
背景技术
当今世界正面临着严重的能源短缺危机和环境污染、温室气体排放等危机。人们对能源消费问题和全球气候变化的问题日益关注，世界各国对清洁可持续能源的发展越来越重视。
近年来，风能作为清洁环保并且可持续利用的能源得到了迅速而广泛的发展，而风力发电已成为风能利用的主要形式。在过去几年中，发电的成本一直在下降，并且在风力发电技术方面，传统的风力发电技术已经占据了最好的风资源位置市场。在技术快速变革的背景下，预计传统风力发电技术的发展很快就会遇到瓶颈。需要通过提出更有效的风力发电技术尽快取代现有的风力发电技术，这些风力发电机要么具有更大的发电功率，要么具有更高的风能利用效率，从而使得发电量持续增加。
在较低风能密度的地区(可能在城市场地中)发展新型风力发电技术是未来的一种趋势，也能引导风力发电机行业开发新型配置以适应不同的环境，提高效率并降低成本。因此，研究人员已经提出了不同的概念，尝试在风能密度较小的区域中提高风力发电机的发电效率。这些提高效率的方法之一就是扩散器增强风力发电机(DAWT，DiffuserAugmented Wind Turbine)，它通过增加通过转子部分的质量流量和风速，从而提高了风力发电机的风能利用率。除了我们常见的水平轴风力发电机以外，还有一类垂直轴风力发电机VAWT(Vertical Axis Wind Turbine)，由叶片、主轴、发电机组成，是一种将流动空气中的动能转化为电能的一种装置，它具有噪音小，气动风速低、结构稳定、疲劳寿命长，无需偏航对风等特点，因此受到了广泛的关注。垂直轴风力发电机主要有两种。一种是阻力型，利用阻力旋转使风力机发电，典型的有Savonius型，这类装置有较大的启动力矩，尖速比低，同等尺寸下发电输出功率低(<15％)。另一种是达里厄斯型，其在风向改变的时候无需对风，从而简化结构设计，也减少了风轮对风时的陀螺力矩。达里厄斯风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，结构简单且同等尺寸下有较高的功率输出(30％-40％)。现在风电行业主流机型都是水平轴三叶片式风力发电机，主要是因为水平轴风力发电机的发电效率较垂直轴风力发电机要高的多(40％-50％)。因此虽然达里厄斯风力机具有诸多优点，但是由于其发电效率较水平轴低于25％左右，制约了其进一步的发展。
集风体结构对水平轴风力机和垂直轴风力机都能够大幅提高其输出功率，但于此同时，其庞大的附加结构也造成了更大的风阻效应，使整个结构的风载相比之前增大2-3倍。在大风速时，对结构设计安全带来了困难。因此如果有一种简易结构，既能保证集风体结构的原有增速特性，同时又能在大风速时降低风载，那么对于推广这类风力机的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种带有柔性法兰的集风体结构，使其在保持原有优点的同时，显著提高风力发电效率，同时能够在风速较大时通过柔性结构自适应变形降低风载。
为解决上述垂直轴风力机能源利用效率低的技术问题，本发明所采用的技术方案为带集风体的垂直轴风力发电机。该发电机包含由底座、旋转轴、叶片和机架构成的达里厄斯垂直轴风力发电机。其中，底座用于固定风力发电机的机架，使机架在受风时保持稳定，叶片围绕旋转轴在竖直平面内旋转，叶片为双叶片，还包含由扩散器和自适应柔性法兰构成的集风体，置于风力发电机外。该扩散器的形状为平滑过渡的曲面，用来提高流过集风体内的风速，柔性法兰为双悬臂梁结构，一端与机架连接，另一端与扩散器贴合，所述柔性法兰在额定风速前不打开，即使前板发生轻微变形后板几乎没有变形，以确保集风体的聚风效应，当风速超过额定风速时可使气流从柔性法兰与扩散器贴合的开口处大量流出，降低了通过叶片的气体流量，同时还减少了作用在叶片上的风载，所述集风体的结构变化具有连续性。
作为优选，上述垂直轴风力机采用H型三叶片达里厄斯垂直轴风力发电机。
作为优选，上述的叶片采用双叶片。
集风体的柔性法兰在额定风速前不打开，以确保集风体的聚风效应。
集风体的结构变化在保证集风体结构完整性的前提下具有连续性。
与现有技术相比，本发明所具如下的有益技术效果：
(1)本发明利用在集风体出口处的柔性法兰形成的强烈的涡旋，产生低压区域，随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大，因此，通过引进集风体结构可以提高通过风力发电机的风速，极大地提高垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率；
(2)采用的垂直轴风力机为H型达里厄斯垂直轴风力发电机，因此保留了垂直轴风力发电机结构简单、启动风速低等特点；
(3)集风体结构的柔性法兰具备自适应变形性能，当风速超过额定风速时可使气流从开口处大量流出，降低了通过叶片的气体流量，同时还减少了作用在叶片上的风载。
附图说明
图1为本发明带集风体的垂直轴风力发电机的俯视图；
图2为集风体结构垂直轴风力机的ANSYS三维模型图；
图3为自适应柔性法兰原理示意图；
图4为集风体结构及原理示意图；
图5为带集风体结构风力机与传统三叶片水平轴风力机发电的输出功率对比图；
图6a为集风体结构的平面俯视图，图6b为集风体结构对垂直轴达里厄斯风力机输出功率影响的实验装置；
图7、8为不同结构参数下集风体对垂直轴达里厄斯风力机输出功率的影响的实测数据；
图9为二叶片达里厄斯风力机的输出功率模拟分析示意图；
图10为集风体结构对二叶片达里厄斯风力机输出功率的改善效果图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出的一种带集风体的垂直轴风力发电机，它由传统垂直轴风力发电机、集风体组合而成；所述集风体由扩散器和自适应柔性法兰构成，扩散器用来提高流过集风体内的风速，柔性法兰为双悬臂梁结构，一端与机架连接，另一端与扩散器贴合机架，从而达到固定集风体的作用,如图1所示，上述集风体置于风力发电机外。集风体结构垂直轴风力机的转矩系数比传统垂直轴风力机的转矩系数大，这说明添加了集风体结构的垂直轴风力机转矩大于传统垂直轴风力机转矩，也就意味着集风体结构可以有效提高发电效率。
由于风力机从风能中获取的机械能与风速的三次方成正比，因此通过来流风速略微增长可以实现发电量的大幅增加。利用这一理论，本发明采用的风力机系统由扩散器、在出口外围安装的柔性法兰和风轮机组成。集风体出口处的柔性法兰会形成强烈的涡旋，产生低压区域，根据伯努利方程可知，低压区域的形成会增加流体流动速度。随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大。因此，增加集风体结构可以极大地提高输出功率。
如图1和图2所示，本发明提供一种带集风体的垂直轴风力发电机,由传统垂直轴风力发电机、集风体组合而成,集风体结构包括扩散器和自适应柔性法兰。底座1用于固定整个机架，双叶片4围绕旋转轴3在竖直平面内旋转，集风体2置于风力发电机外，由扩散器和自适应柔性法兰组成。本发明可以有效地提高通过集风体的风速,从而提高风能利用率,通过结构设计有效地增大了垂直轴风力发电机的发电效率。
上述发电机的工作原理：在流场中由于集风体出口处的柔性法兰会形成强烈的涡旋，产生低压区域。随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大。因此，增加集风体结构可以极大地提高垂直轴风力发电机的输出功率。
图3为自适应柔性法兰原理示意图，此图的意义在于通过一种简单的双悬臂梁结构准确控制柔性法兰的开孔。其中，Vr为额定风速，即风力发电机最适发电风速。V为来流风速，Open gap为开口位移，Ux、Uy分别为x和y方向的位移。通过添加集风体机构，增加单位时间内通过叶片的风流量，提高发电效率。在额定风速前，不希望集风体柔性法兰打开，从而确保集风体的聚风效应，由于结构变化是连续的，因此通过双悬臂梁结构，即使前板发生轻微变形，后板几乎没有变形，从而保证集风体结构的完整性。当风速超过额定风速，会造成叶片失速导致发电效率下降，同时风载也会随着增大，给结构设计和成本预算带来困难。此时通过柔性法兰的自适应变形，使气流从开口处大量流出，降低通过叶片的气体流量同时减少作用在叶片上的风载。
图4为集风体的结构示意图，来风从左侧经由风轮旋转面6进入集风体的扩散器，柔性法兰7与扩散器5连接，在集风体的出口处的柔性法兰会形成强烈的涡旋，产生低压区域8(low-pressure region)。根据伯努利方程可知，低压区域的形成会增加流体流动速度。随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大。因此，增加集风体结构可以极大地提高输出功率。
图5为带集风体结构风力机与传统三叶片水平轴风力机发电的输出功率对比图。由该实验可证实，集风体结构通过改变周围的流场，增大前后进出口的气压差，从而提高流经集风体扩散器内的气流流速，起到一个吸流效应，最终提高风力机发电效率。
图6b为集风体结构对垂直轴达里厄斯风力机输出功率影响的实验装置。图6a为集风体结构的平面俯视图。图中参数的含义：L：集风体的扩散器斜边长度，φ：扩散器斜边角度，D：叶片回转直径，h：集风体柔性法兰高度。
图7、8为不同结构参数下集风体对垂直轴达里厄斯风力机输出功率的影响的实测数据。这里比较了不同尖速比下，两种结构参数的集风体(h＝0.25D，φ＝20)(h＝0.5D，φ＝20)对垂直轴达里厄斯风力机输出功率的影响。表明了集风体结构对提高垂直轴达里厄斯风力机发电效率具有显著作用。
图9为二叶片达里厄斯风力机的输出功率模拟分析示意图。从实验和数值模拟两方面验证传统达里厄斯风力机的输出功率较低。
图10为集风体结构对二叶片达里厄斯风力机输出功率的改善效果图。从实验和数值模拟两方面验证集风体结构对垂直轴达里厄斯风力机在提高发电输出功率方面的作用。
综上所述，本发明利用在集风体出口处的柔性法兰形成的强烈的涡旋产生的低压区域，随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大，因此，通过引进集风体结构可以提高通过风力发电机的风速，极大地提高垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率，实验验证可提高45％，同时还能够在风速较大时通过柔性结构自适应变形降低风载。
需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种带集风体的垂直轴风力发电机,包含由底座(1)、旋转轴(3)、叶片(4)和机架构成的达里厄斯垂直轴风力发电机，底座(1)用于固定风力发电机的机架，使机架在受风时保持稳定，叶片(4)围绕旋转轴(3)在竖直平面内旋转，所述叶片为双叶片，其特征在于：还包含由扩散器和自适应柔性法兰构成的集风体(2)，置于风力发电机外，扩散器的形状为平滑过渡的曲面，用来提高流过集风体内的风速，柔性法兰为双悬臂梁结构，一端与机架连接，另一端与扩散器贴合，所述柔性法兰在额定风速前不打开，即使前板发生轻微变形后板几乎没有变形，以确保集风体的聚风效应，当风速超过额定风速时可使气流从柔性法兰与扩散器贴合的开口处大量流出，降低了通过叶片的气体流量，同时还减少了作用在叶片上的风载，所述集风体的结构变化具有连续性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20200818 Assignee: SUZHOU YIHE YONGLI NEW ENERGY Co.,Ltd. Assignor: Nanjing Tech University Contract record no.: X2023980053999 Denomination of invention: A vertical axis wind turbine with a wind collector Granted publication date: 20210511 License type: Common License Record date: 20231226 |
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