[發明專利]基于等離子體流動控制的垂直軸風力機

在審

• 申請號: 201710239428.5
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN107061153A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 陳建;董青山;徐洪濤
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06;F03D7/06
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根,王晶

技術領域

本發明涉及一種風力發電機，尤其是一種垂直軸風力發電機，屬于垂直軸風力發電機技術領域。

背景技術

隨著經濟的飛速發展，人類對于能源的需求逐年上升。而目前我國主要使用的依舊是傳統的化石能源，化石能源的利用所帶來的環境問題也越來越嚴重，同時化石能源也在不斷減少。因此，清潔的可再生能源則成為我國日后發展的關鍵。

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視，世界上許多國家對風能的開發和利用采取了激勵機制，以減緩本國的環境污染問題。在我國，風能是我國能源戰略中的關鍵一環，風能的發展有利于解決我國的環境污染問題。我國的風能資源十分豐富，在內蒙古、甘肅以及東北三省等省份都存在的豐富的風能資源，其可開發利用的風能儲量約為２億ＫＷ，這些地區地形平坦、交通便利，有利于大規模開發風電場。我國也早在上個世紀就開始使用風能，近年來我國的風電產業發展勢頭也特別強勁，裝機容量已超過美國。目前所使用的風力發電機主要分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機兩種。在風電場中，風力機則是將風能轉化為電能的重要裝置。風力機主要分為水平軸和垂直軸風力機，相比于水平軸風力發電機，垂直軸風力發電機對來流方向沒有要求，不需要任何的導流裝置；它結構簡單、易于安裝；小型垂直軸風力發電機還適用于多建筑地區，能夠有效利用建筑風能，減少一次能源的消耗；同時，其最大的一個優點是與水平軸風力發電機的成本相比，垂直軸風力發電機的成本普遍較低。然而，由流體力學邊界層知識所知，氣體流過固體表面都會發生邊界層分離，這樣不利于氣體和固體表面的相互作用，導致垂直軸風力發電機的自動啟動性能下降，同時其輸出功率也隨之降低。

針對上訴垂直軸風力發電機的缺點，本發明人受到流體力學邊界層知識的啟發，基于流體力學中對如何改善邊界層分離的知識對垂直軸風力發電機翼型葉片進行改進創新，在其葉片上表面尾部加裝等離子體以削弱其尾部邊界層分離效應。葉片和等離子體共同作用能有效提高垂直軸風力發電機的自動啟動性能與輸出功率。

發明內容

本發明為了克服上述所存在的缺點，提供一種基于等離子體流動控制的垂直軸風力機，從垂直軸風力發電機葉片結構入手，考慮現代空氣動力學理論和流體力學邊界層知識，采用在葉片上表面的尾部加裝等離子體，利用尾部的等離子體所產生的空氣動力學效應來提高垂直軸風力發電機性能。

本發明的技術方案是：一種基于等離子體流動控制的垂直軸風力機，包括葉片、葉輪轉軸、底座、葉輪轉臂，所述葉片上表面的尾部加裝等離子體，利用葉片尾部的等離子體所產生的空氣動力學效應來提高垂直軸風力發電機性能。

所述等離子體的厚度與葉片尾部的厚度相等。

所述等離子體位置為葉片后緣到距離后緣的1/4到1/3距離處。

所述葉片通過葉輪轉臂連接葉輪轉軸，葉輪轉軸安裝在底座上。

本發明的有益效果是：

本發明的將等離子體流動控制應用到垂直軸風力機上，不僅保證了垂直軸風力機結構簡單、易于安裝維護等優點，同時又改善了垂直軸風力機自動啟動性能的不足，提高了風力機的功率輸出。

附圖說明

圖1 為本發明的基于等離子體流動控制的垂直軸風力機結構立體示意圖；

圖2為本發明的基于等離子體流動控制的垂直軸風力機結構俯視示意圖。

具體實施方式

下面以NACA0015翼型為原型進行改進后的葉片（等離子的厚度與葉片尾部的厚度相等，等離子體的位置為葉片后緣到距離后緣的1/4到1/3距離處）為例結合附圖對本發明做更詳細的描述：

如圖1，2所示，本發明的基于等離子體流動控制的垂直軸風力機，包括葉片1、等離子體2、葉輪轉軸3、底座4、葉輪轉臂5。葉片1上表面的尾部加裝等離子體2，利用葉片1尾部的等離子體2所產生的空氣動力學效應來提高垂直軸風力發電機性能。葉片1通過葉輪轉臂5連接葉輪轉軸3，葉輪轉軸3安裝在底座4上。

本發明的基于等離子體流動控制的垂直軸風力發電機，其翼型的葉片是由傳統NACA系列翼型改進獲得，在尾部加裝等離子體重新組裝成新式翼型，等離子體的位置可以改變，合適的位置有利于改善葉片表面的流動特性，從而使風力機輸出功率得到明顯的增大，位置過大或是過小，其靜態扭矩會有所減小，相對自動啟動性能也越差。但是，相比于傳統翼型垂直軸風力發電機，自動啟動性能還是有較大的提升。

當風吹向此風力機葉片時，由于葉片上表面后方添加等離子體，使得葉片的表面的氣體沿著表面流到尾部時發生了很大的變化，使葉片表面的氣體邊界層在葉片尾部不發生邊界層分離，這樣能夠增加風力機的靜態扭矩，從而能夠很大程度上提升風力機的功率輸出；與此同時也給風力機帶來自動啟動加速的功能。