[發明專利]一種拍動翼風力機及其運動方法

在審

• 申請號: 201510705540.4
• 申請日: 2015-10-27
• 公開（公告）號: CN105275741A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 陳永亮;劉琛;吳杰;楊淑超
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F03D5/06
• 分類號: F03D5/06;F03D9/25
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及可再生能源領域，具體涉及一種拍動翼風力機及其運動方法。

背景技術

伴隨著現代科技的日新月異，近年來全球人口出現了爆炸式的增長，隨之而來的便是能源消耗的不斷提升。由于諸如石油、天然氣等不可再生能源正在逐步減少，人類對可再生能源系統的研究變得尤為迫切。其中，風力機是當前國內外研究的熱點之一。

傳統風力機是通過旋轉葉片來采集風能的。由于葉片的尺寸較大，它的旋轉運動會產生噪音污染，同時還可能對當地的野生動物造成危害。正是因為這些缺陷，使得風力機的發展和推廣遇到了一定的制約。

另一方面，作為一種新型的可再生能源系統，拍動翼式風力機可以有效克服旋轉葉片式風力機存在的不足。如圖1所示，翼型葉片1在自由來流中作垂直于來流方向的上下沉降運動；同時，它還繞轉動軸3作俯仰運動，其中轉動軸3由支架4支撐。通過翼型葉片的拍動式運動，風能被轉化成機械能。在連桿2的輔助下，機械能被收集到裝置5中，最后通過機械能/電能轉化裝置6獲得所需的電能。但是，現有的拍動翼風力機的翼型葉片通常只作俯仰和沉降運動，沒有充分利用翼型葉片可以在其他方向運動的特點，其能量采集效率比較低。

發明內容

發明目的：

為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種拍動翼風力機及其工作方法，通過增加拍動翼的運動方式，提高拍動翼的升力，從而采集更多的能量提高了拍動翼風力機的效率，并有益于該類風力機的推廣和應用，解決了現有技術的不足。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種拍動翼風力機，包括拍動翼、機械能收集裝置和機械能電能轉化裝置，其特征在于：拍動翼通過轉動軸連接在兩側支架的上端；所述拍動翼可沿轉動軸轉動，所述轉動軸可沿支架滑動；

拍動翼通過連桿與機械能收集裝置連接，機械能收集裝置與機械能電能轉化裝置連接；

還包括一個導軌滑塊機構，所述導軌滑塊機構包括滑塊和滑軌；所述滑塊的上側與支架的下端連接；滑軌同時垂直于支架和轉動軸，滑塊與滑軌相適配，沿滑軌方向滑移運動。固定拍動翼沉降運動和俯仰運動的相位差，調整滑移運動的幅度、滑移運動和沉降運動的相位差以及滑移運動的頻率。這樣，拍動翼增加了另一個方向的運動，從而使拍動翼表面的壓力分布得到了優化。

進一步的，所述轉動軸位于拍動翼的1/3弦長處。

進一步的，拍動翼在自由來流中作垂直于來流方向的沉降運動；同時，繞轉動軸作俯仰運動；同時，沿滑軌作滑移運動。

拍動翼的沉降運動、滑移運動和俯仰運動均采用正弦變化模式，定義拍動翼沉降位置h(t)、滑移位置s(t)和俯仰角θ(t)，則：

沉降運動的數學表達式為：h(t)＝h₀cos(2πft)；

滑移運動的數學表達式為：s(t)＝s₀cos(k_sπft+φ)；

俯仰運動的數學表達式為：θ(t)＝θ₀cos(2πft-ψ)；

其中h₀、s₀和θ₀分別是拍動翼沉降運動、滑移運動和俯仰運動的幅值，f是拍動翼的運動頻率，t是時間，k_s是滑移運動頻率的調整參數，φ是滑移運動和沉降運動之間的相位差，ψ是沉降運動和俯仰運動之間的相位差。

該滑移運動沿滑軌方向，通過增加滑移運用，從而使拍動翼表面的壓力分布得到了優化，可以提高拍動翼的升力，大大提高了轉化效率。

進一步的，沉降運動和俯仰運動之間的相位差ψ，其值固定為90°，可以提高拍動翼的瞬間升力，從而達到最優化的采集效率。

進一步的，設定滑移幅度s₀＝0.15h₀、滑移和沉降相位差φ＝-90°以及滑移頻率調整參數k_s＝4，這是效率最高的參數組合，拍動翼風力機效率最高可達47％。

有益效果：

本發明提供了增加了一個沿滑軌方向運動的拍動翼風力機，相較于傳統的拍動翼風力機可以捕獲更多的能量。增加拍動翼的滑移運動、固定拍動翼沉降運動和俯仰運動的相位差、調整滑移運動的幅度、滑移運動和沉降運動的相位差以及滑移運動的頻率，達到了提升拍動翼升力的目的，從而有效地提高了拍動翼風力機的效率，在最優參數條件下，本發明所述的拍動翼風力機效率最高可達到47％，而傳統的拍動翼風力機效率最高為34％，有益于該類風力機的推廣和應用。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。