CN102884311B - 对垂直轴风力涡轮机（vawt）的流控制 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于对垂直轴风力涡轮机VAWT的操作进行控制的控制系统，垂直轴风力涡轮机用于从到来的流体流中生成能量。所述控制系统包括与VAWT的至少一片叶片相关联的至少一个流影响装置以及连接至所述流影响装置的控制单元，所述流影响装置包括以在所述叶片前缘处的方式分别位于叶片的相对两侧中的两个流影响单元，每个流影响单元可操作以在叶片的相应一侧处产生吹射流由此引起流体流动量的增加，所述控制单元被配置并且可操作以根据预定的时间模式以交替的方式选择性地激活流影响单元从而是吹射流在叶片的相对侧处振荡。

Description

对垂直轴风力涡轮机（VAWT）的流控制

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，并且更具体地是涉及为了提高垂直轴风力涡轮机（VAWT）在电力产生上的效率而控制垂直轴风力涡轮机上的流的技术。

背景技术

对环境可持续的住房和城市的需要是驱动用于建筑环境的风能转换系统的主要因素。这种情况的一个结果是侧风轴机器的再度出现，所述侧风轴机器最常见是沿垂直方向方位并称为垂直轴风力涡轮机（VAWT）。

对这些机器进行了许多研究直到20世纪80年代，但是随着水平轴风力涡轮机（HAWT）的日益成功，上述研究基本上不再继续。不过，对于建筑环境而言，VAWT有几个超过HAWT的优势，即：低的声音排放（由于较低的叶尖速比）、相对于VAWT的三个维度有更好的美学、对偏航不灵敏以及在歪斜方面提高的性能（见FerreiraSM.,vanBusselG.,ScaranoF.,KuikG.,“2DPIVVisulizationofDynamicStallonaVerticalAxisWindTurbine（垂直轴风力涡轮机的动态失速的二维PIV显示）”,AIAA论文2007-1366，第45届AIAAAerospaceSciencesMeetingandExhibit（AIAA航空宇宙科学技术会议暨展览），2007年1月8号至11号，内华达州，里诺市）。

国际专利公开WO2009/053984公开了同一发明人的早期技术，该技术涉及风扇或水平轴风力涡轮机，该风扇或水平轴风力涡轮机包括至少一片叶片以及安装在所述叶片上的至少一个等离子体致动器。该技术为用于下述应用的风扇提供了性能改进或能源节约，所述应用例如个人、工业和汽车冷却、通风、抽真空和除尘、充气、电脑元件冷却、无人和载人飞行器的推进器、汽船推进器、气垫交通工具、飞艇以及模型飞机。此外，该发明提供更高的性能，比如为小型飞行器提供更高的提升和更高的提升效率。这些优势通过利用等离子体致动器给薄叶片和翼中（wing）提供激活的流控制效应器（activeflowcontroleffector）来实现。

同一发明人的美国专利第7,537,182号公开了控制流体动态体的剪切层的方法。根据该方法，第一周期性扰动在第一流分离位置处被引入流体介质，并且第二周期性扰动在第二流分离位置处被引入流体介质。在流体介质在流体动态体上移动时，第一周期性扰动和第二周期性扰动之间的相位差被调整以控制剪切层的流分离。

同一发明人的美国专利第6,267,331号公开了用于通过使流体从机翼上的至少一个位置流出从而阻止机翼的动态失速的方法。该位置可以是机翼上的任何地方；但如果该位置是在离前缘四分之一翼弦内并且流体流具有非零净质量通量，那么以大于一的斯特劳哈尔（Strouhal）比所描述的频率来调制流体流。

美国专利4,504,192号公开了用于达里厄型（Darrieus-type）垂直轴风力涡轮机的空气射流阻流板装置。空气通过空心涡轮机叶片末端处的进气口被吸入空心涡轮机叶片中并以空气射流的形式通过沿叶片长度设置的小孔或开口喷射出来。空气射流在涡轮机叶片表面造成流分离，从而引起失速状况并减少输出功率。反馈控制单元感测涡轮机的输出功率并相应地控制吸入进气口的空气量。

在同一发明人的下列出版物中描述了与流分离相关联的一些问题以及用于减少相同问题的解决方案：“Thecontrolofflowseparationbyperiodicexcitation”，Greenblatt,D.和Wygnanski,I.，ProgressinAerospaceSciences，第36卷，第7号，2000年10月，487-545（59）页；“Effectofleading-edgecurvatureonseparationcontrol：AcomparisonoftwoNACAairfoils”，Greenblatt,D.和Wygnanski,I.，40thAIAAAerospaceSciencesMeetingandExhibitReno,Nevada，2002年1月；“Effectofleading-edgecurvatureonairfoilseparationcontrol”，Greenblatt,D.和Wygnanski,I.，AIAAJournalofAircraft，第40卷，第3号，2003年，473-481页。

发明内容

现有技术中，需要一种以改进的性能尤其是旨在减少涡轮机的动态失速从而增加功率生产为特征的新颖的垂直轴风力涡轮机（VAWT）。

动态失速是表征涡轮机性能的重要参数并且描述了当涡轮机叶片快速改变迎角时出现的非线性不稳定空气动力效应。传统的VAWT面对的问题之一与动态失速相关联。这是因为动态失速现象的存在导致功率的显著下降并增加潜在破坏性的振荡载荷。这是用于在建筑环境中的应用的主要问题，在建筑环境中往往要求VAWT运行在低的叶尖速与风速比（tsr）处（主要在3<TSR<4处）以减少噪音，因此在失速状态花费了许多时间。

更具体地，应了解下列情况。在流从叶片的前缘流过叶片的表面流到叶片的后缘的情况下，认为叶片上的流处于附着状态。然而，当流的迎角超过某一临界角度时，流不会到达后缘，而是在下述分离线处离开表面，超出分离线后流方向反向，即流从后缘流回至分离线。这是流分离状况。在涡轮机旋转期间，当流分离时叶片从流体流中转化较少的能量。

因此，应尽可能减少流分离（或动态失速）以提高涡轮机的效率。本发明提供了一种新颖的VAWT配置，该配置可操作以在最临近叶片的前缘的时候可控地引起流体流动量的增加。本发明的技术用于预期低的动态失速而提供，特别但不仅是用于以低tsr运行的VAWT而提供。通过给流增加由叶片产生的吹射流（blowingjet）所引起的额外的动量来增加流体流的动量。更具体地，叶片被构造成具有一个或更多个流影响单元，所述流影响单元位于叶片的至少一侧上优选地基本在叶片的前缘处并且被构造成以可控的方式被操作以在所述叶片的至少一侧处选择性地引起吹射流（也就是按照某一时间模式产生吹射流）即所谓的振荡或脉冲喷吹模式。

应当注意的是流影响单元在叶片的前缘处的位置是在叶片的基本不超过弦长的20%的区域内。还应当注意，根据本发明，吹射流是从叶片的表面中的槽排出的流体射流；或者是由电极在叶片上的排列所产生的电场引起的等离子体射流。

应当理解，涡轮机叶片具有相对于叶片的弦彼此相对的两侧，在这两侧之间限定了空间（可以是空心的或填充有某种介质）。考虑到叶片安装在涡轮机上，叶片的两侧中的一侧是内侧，该侧更接近涡轮机的中心，而另一侧是外侧。考虑到涡轮机叶片暴露于流体流（如风），叶片的两侧中的一侧是上风向方位的侧，上风向方位的侧是叶片借助于其面向到来的流体流的侧，而另一侧是下风向方位的侧。在涡轮机沿某一方向旋转并且被暴露于朝某一流方向流动的流体期间，叶片的内侧改变其相对于流方向的位置，由此选择性地成为上风向方位的侧或下风向方位的侧。随着叶片在涡轮机旋转（涡轮盘旋转）期间沿圆形路径移动，叶片交替地位于盘/路径的相对于流体流方向的上风向部分（半部分）中和下风向部分（半部分）中。对于在叶片位于盘的上风向半部分中的情况下，叶片的外侧是上风向方位的（因为外侧面向到来的流体流），而叶片的内侧是下风向方位的；对于在叶片位于盘的下风向半部分中的情况下，叶片的外侧是下风向方位的，而叶片的内侧是上风向方位的。

如将在下面进一步说明的那样，根据本发明，优选地，只有当叶片的带有所述流影响单元的相应一侧是下风向方位时才激活叶片的流影响单元。一般来说，不论叶片位于涡轮机的上风向半部分还是下风向半部分，都可以将在所述叶片的下风向方位的侧上的流影响单元的激活。然而优选地，当相应的叶片位于涡轮机的上风向半部分时，激活这样的下风向侧流影响单元。

优选地，叶片与位于叶片的（相对于叶片的轴或弦的）相对两侧上的流影响单元对以及被配置并且可操作以产生从一侧到另一侧的振荡喷吹效果的开关机构相关联。优选地，在确定迎角满足某一预定条件时开关机构的可控操作被致动。迎角的理想条件可以由迎角和失速角之间的关系或可以由tsr和对应失速条件的参考tsr值之间的关系来确定。

在优选实施方式中，流影响单元是电气单元。例如，每个这样的电气单元由电极对形成，该电极对包括与流体流屏蔽并且位于叶片的相应一侧处的电极和暴露于流体流并且位于叶片的前缘处的电极，其中，暴露的电极对两对电极来说是共同的。在这种情况下，开关机构利用按照某一时间模式以可控制的方式可操作以选择性地即以交替的方式激活两个电极对中之一的电压供给来在与叶片的相应一侧临近的流体流中产生等离子体射流。在另一个示例中，电气单元由流相互作用元件形成，通过电磁场该元件在该元件的激活位置和非激活位置之间可移动，其中，在激活位置处该元件与临近叶片的流体流相互作用，在非激活位置处该元件基本不影响流体流/与流体流相互作用。该元件可以是涡流发生器或压电元件等。

在另一个实施方式中，流影响单元可以表现为位于叶片的相对两侧的两个槽或是涡流发生器。优选地，槽相对于叶片的弦是对称相同的，每个槽分别与弦形成一定的锐角，例如不超过或优选地小于45度。在该实施方式中，开关机构可以利用借助于泵组件穿过叶片在流体入口和槽之间的可控流体流通。可替代地，在该实施方式中，开关机构可以利用朝向槽的压力波的可控生成。

通常，动量的增加仅可以实施在叶片的一侧上，即系统可以包括在叶片的一侧处的单个的以可控制的方式可操作的流影响单元。在其上实施动量增加的该侧在这里限定为“激活侧”。这样的单个流影响单元可以是槽的形式（优选地如上述那样方位）或者是流相互作用元件的形式（如涡流发生器或压电元件）。在这种情况下，开关机构（水力的、声学的、电磁的或光电的）以可控制的方式可操作以根据叶片相对于到来的流体流的方向（即激活侧是下风向方位的）并且在确定迎角是否满足预定条件时激活流影响单元，如上所述的那样。

如上所指出的那样，优选地，（无论是在单个单元的实施方式中还是在双单元的实施方式中）只有当叶片的相应一侧相对于到来的流体流是下风向方位时才激活流影响单元。如上所指出的那样，优选地，（无论是在单个单元的实施方式中还是在双单元的实施方式中）只有在一定迎角条件下才激活流影响单元。

因此，根据本发明的一个广泛的方面，提供有一种用于对垂直轴风力涡轮机（VAWT）的操作进行控制的控制系统，其中垂直轴风力涡轮机用于从到来的流体流中生成能量，所述控制系统包括与VAWT的至少一片叶片相关联的至少一个流影响装置以及连接至所述流影响装置的控制单元，所述流影响装置包括以在所述叶片的前缘处的方式分别位于叶片的相对两侧中的两个流影响单元，每个流影响单元可操作以在叶片的相应一侧处产生吹射流由此引起流体流动量的增加，所述控制单元被配置并且可操作以根据预定的时间模式以交替的方式选择性地激活流影响单元从而使吹射流在叶片的相对侧处振荡。

流影响装置可以包括与叶片的相对侧相关联的两对电极限定的电极装置。控制单元被配置并且可操作以选择性地激活电极对以在叶片的相应一侧附近产生等离子体射流形式的所述吹射流。电极装置包括位于叶片的相对侧处且与流体流屏蔽的两个电极以及位于叶片的在所述两个电极之间并且间隔开这两个电极的前缘处的并且暴露于流体流的一个电极，被屏蔽的电极中的每一个电极与暴露的电极分别形成所述两对电极中的相应一对电极。

优选地，时间模式使得当迎角满足预定条件时流影响单元中的至少一个是激活的。预定的条件可以限定迎角与失速角之间的关系。在这种情况下，当控制单元确定在旋转的VAWT中叶片的速度和位置符合迎角大于失速角的条件时控制单元操作流影响单元中的至少一个，并且当控制单元确定迎角变得小于失速角时控制单元停止所述流影响单元。

流影响单元可以例如是下述槽的形式，所述槽以基本在所述叶片的所述前缘处的方式制成在叶片的相应一侧上。控制单元对经由在叶片的一侧中制成的入口和槽、流经空心的叶片的流体流的流通进行操作。在另一个示例中，控制单元包括振荡阀，该振荡阀以可控制的方式可操作以将槽中的每个槽在其闭合位置与其开放位置之间选择性地进行转换。在另一个示例中，流影响单元是下述涡流发生器的形式，该涡流发生器可相对于所述叶片的相应一侧在所述涡流发生器的第一位置与第二位置之间转换，所述涡流发生器在第一位置时对于流体流不起作用，然而所述涡流发生器在第二位置时起作用从而与流体流相互作用并引起流体流动量的增加。

优选地，控制单元包括：位置检测器（或叶片检测器），该位置检测器可操作以检测叶片在涡轮机旋转时沿圆形路径的速度和位置并产生分别表示所述叶片速度和叶片位置的速度数据和位置数据；以及流检测器，该流检测器用于检测流体流相对于叶片的速度和方向并且用于分别产生表示所述流速度和所述流方向的流速度数据和流方向数据。控制系统还包括对处理器应用，该处理器应用响应于所述叶片速度数据、所述叶片位置数据、所述流速度数据以及所述流方向数据以监测迎角的状况，并且当识别所述预定条件时为流影响单元中的至少一个生成控制信号。

根据本发明的另一个广泛的方面，提供有一种用于对垂直轴风力涡轮机（VAWT）的操作进行控制的控制系统，其中，垂直轴风力涡轮机用于从到来的流体流中生成能量，所述控制系统包括与VAWT的至少一片叶片相关联的至少一个流影响装置以及连接至所述流影响装置的控制单元，所述流影响装置包括以在所述叶片的前缘处的方式位于叶片的至少一侧上的至少一个流影响单元，所述流影响单元可操作以在叶片的相应一侧上产生吹射流由此引起流体流动量的增加，所述控制单元被配置并且可操作以根据预定的时间模式选择性地激活至少一个流影响单元从而使吹射流振荡。

如上所述的那样，所述时间模式优选地使得当迎角满足预定条件时所述至少一个流影响单元是激活的。此外，如上所述的那样，预定条件可以限定迎角与失速角之间的关系。当所述控制单元确定在旋转的VAWT中叶片的速度和位置符合迎角大于失速角的条件时所述控制单元操作所述至少一个流影响单元，并且当控制单元确定迎角变得小于失速角时所述控制单元停止所述流影响单元。

所述时间模式优选地被选择为使得当叶片的相应一侧相对于流体流是下风向方位时所述至少一个流影响单元是激活的。

所述流影响单元可以是下述槽的形式，所述槽基本在所述叶片的所述前缘处的方式制成在叶片的相应一侧上，在这种情况下，控制单元进行操作以使流体流经由叶片的一侧中制成的入口和所述槽、流经空心叶片进行流通；或利用以可控制的方式可操作的振荡阀以在振荡阀闭合位置与开放位置之间选择性地进行转换。所述流影响单元可替换地可以是涡流发生器的形式，该涡流发生器可相对于叶片的相应一侧在所述涡流发生器的第一位置与第二位置间转换，所述涡流发生器在第一位置时对于流体流不起作用，而所述涡流发生器在第二位置时起作用从而与流体流相互作用并引起流体流动量的增加。

根据本发明的一些实施方式，提供了一种用于从到来的流体流中生成能量的垂直轴风力涡轮机（VAWT），所述VAWT包括被安装以沿圆形路径旋转的至少一片叶片以及根据上述实施方式所配置的控制系统。

根据本发明的再一的方面，提供有一种用于对用于从到来的流体流中生成能量的垂直轴风力涡轮机（VAWT）的操作进行控制的方法，所述VAWT包括至少一片叶片，该至少一片叶片具有与至少一个可控的流影响装置相关联的至少一个激活侧。所述方法包括：监测到来的流体的速度和方位；监测旋转的VAWT的所述至少一片叶片的速度和方位；对表示到来的流体的速度和方位的数据以及表示所述至少一片叶片的速度和方向的数据进行分析，并确定所述叶片相对于到来的流体的的方位以及迎角；以及当确定所述激活侧面向到来的流体并且所述迎角满足预定条件时，选择性地操作所述至少一个可控的流影响装置以增加所述流体流的在所述激活侧上的第一部分的动量。

附图说明

为了理解本发明并了解本发明是如何在实践中执行，现将参考附图以仅作为非限制性示例的方式对实施方式进行描述，在附图中：

图1A和图1B是示出了分别根据本发明的两个实施方式的用于VAWT的控制系统的框图；

图2A至图2D示出了形成本发明基础的与叶片周围流体流关联的一般原理；

图2E示例出了本发明的用于实现选择性生成吹射流的一个特征；

图3A和3B用曲线示出了在给定的迎角的情况下功率系数对tsr的依从关系（图3A）、以及在不同的迎角的情况下功率系数对tsr的依从关系；

图4示出了利用由两个电极对形成的流影响装置的本发明的示例，所述流影响装置与叶片的两侧相关联并且可操作以在叶片的两侧处产生等离子体射流；

图5A示出了利用由单个流影响单元形成的流影响装置的本发明的示例，所述单个流影响单元是在叶片的一侧中制成的槽的形式并且以可控制的方式可操作以选择性地引起吹射流的产生；

图5B示出了利用由两个流影响单元形成的流影响装置的本发明的示例，所述两个流影响单元是在叶片的相对的两侧中制成的两个槽的形式并且每个流影响单元以可控制的方式可操作以在相应一侧处选择性地引起吹射流的产生；

图6A至图6C分别示出了利用由两个流影响单元形成的流影响装置的本发明的三个示例，所述流影响单元是在叶片的相对的两侧中制成的两个槽的形式并且是可通过振荡阀操作的；

图7A至图7B、图8和图9分别示例利用由涡流发生器形成的一对流影响单元的本发明的不同构造，每个所述流影响单元可在相对于流体流的生效位置和无效位置间转换，其中，图7A至图7B示出了本发明的下述实施方式，在所述实施方式中叶片包括朝向或背离叶片可伸缩的涡流发生器；图8示出了本发明的下述实施方式，在所述实施方式中涡流发生器可通过围绕铰链旋转而展开；图9示出了本发明的下述实施方式，在所述实施方式中涡流发生器经由电磁场的施加而改变其形状；

图10是示例了用于控制在VAWT的叶片处的选择性的吹射流的产生的本发明的VAWT系统的示意图；

图11是示出了用于减少VAWT叶片的动态失速的本发明的方法的示例的流程图；

图12是不同的功率与tsr曲线的图示，每条曲线对应于传给在双槽叶片周围流的空气的恒定动量；

图13是当将动量传给在双槽叶片周围流的空气时不同的功率与tsr曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗；

图14是当将变化的动量传给在单槽叶片周围流的空气时不同的功率与风速曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗；

图15是当振荡动量传给在双槽叶片周围流的空气时不同的功率与风速曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗；以及

图16是占不同系统功率损耗的由单槽叶片和双槽叶片按年计所产生的功率的图示。

具体实施方式

参照图1A和图1B，图1A和图1B分别示意性地示出了根据本发明的两个实施方式构造VAWT系统的一般原理。为了便于理解，使用相同的附图标记用于标识本文描述的所有示例中共有的部件。示出了VAWT的典型叶片10。叶片10具有前缘12A和后缘12B，在前缘12A和后缘12B之间限定了叶片弦，并且叶片10具有相对的两侧14A和14B，这两侧14A和14B限定了静压箱（plenumchamber）。根据本发明，叶片10与流控制系统相关联以用于通过增加流体流的动量来控制叶片10附近的流体流（如空气或水）以便按照期望来影响流体流从而减少流分离进而控制VAWT的动态失速，流控制系统总体由20表示。

控制系统20包括与叶片侧14A和14B中任何一个或二者相关联的流体流影响装置22并且包括控制器24。流体流影响装置22位于靠近涡轮机叶片10的前缘12A的区域内。控制器24被配置为并且可操作以实现下述开关机构，该开关机构产生流影响单元的操作的某种时间轮廓，导致在所述流影响单元附近产生吹射流。

在图1A的示例中，流影响装置22包括位于叶片10的前缘12A处并可通过控制器24进行操作的单个流影响单元。在图1B的示例中，流影响装置22包括分别与叶片侧14A和14B相关联的第一流体流影响单元22A和第二流体流影响单元22B。控制器24实现开关机构以选择性地操作流影响单元22A和22B中的一个流影响单元，从而产生从一侧到另一侧的振荡喷吹。如本图所示，控制器24选择性地链接在流影响单元22A与22B之间以按照交替的方式来操作流影响单元22A与22B。

因此，在图1A和图1B这两个示例中，吹射流的产生的控制基本施加在叶片的前缘处，例如在叶片弦的从前缘开始并且基本上不超过弦长的20%的区域内。该控制借助于稳定的或振荡的扰动来进行。扰动可以是内部的、外部的、机械的、机电的、气动的、液压的、基于等离子体的、基于洛仑兹力的等。振荡扰动可以是单频或双频扰动。

如下面将进一步说明的，流影响单元以及控制器可以有不同的配置。例如，第一流影响单元22A和第二流影响单元22B中的每个流影响单元可以由一对电极形成。每对电极包括暴露于流体流的电极和与流体流屏蔽的电极，暴露的电极被两对电极共用而被屏蔽的电极位于叶片的相对的两侧14A和14B。在一些其他的示例中，流影响单元可以是在叶片的各侧中制成的孔或槽的形式，例如，其可以是分别在叶片相对侧14A和14B中制成的两个槽22A和22B；或在可其生效位置和无效位置间转换的其他元件，在所述生效位置处所述元件与流体流相互作用。

参照图2A至图2D，图2A至图2D示出了形成本发明基础的主要原理。图2A示出了叶片处的流分离的影响。如同所示，叶片10具有在其前缘12A和后缘12B间延伸的弦以及相对的两侧14A和14B。叶片暴露于具有总的流方向108的流体流（风）中。在叶片10的相对于总的流方向108的这种位置的情况下，这两侧14A及14B分别是上风向侧（叶片的面向到来的流体流的一侧）和下风向侧（叶片的背向到来的流体流的一侧）。流动的流116和118在叶片的下风向侧14A处在该下风侧14A的基本在叶片的前缘处的部分内被分离，在叶片的所述侧部分产生低压区域。

在不具有流影响装置的叶片的传统配置的情况下，在上风向侧14B和下风向侧14A之间产生压力差，引发动态失速，该动态失速减慢叶片10的运动并可能会引起作用于叶片10上的不期望的振荡力，因此减少VAWT的能量输出（功率输出）。如图进一步所示，如果当流体流在靠近叶片10的在叶片10的前缘附近的下风向侧14A时将动量120加入流体流中以便增加流体流动量，那么流体流116改变其轨迹以沿路径116’流，路径116’至少部分地沿叶片10的下风向侧14A延伸。以这种方式，流分离被减弱，从而减少动态失速及其带来的不良影响。动量的增加通过至少在叶片的所述下风向方位的一侧处以适当的方式产生吹射流来实现。

图2B示出了装有三个叶片的VAWT的俯视图，该VAWT总体由30表示，被称作涡轮盘。涡轮机（盘）30如箭头ω所示逆时针旋转，风（流体流）沿着方向D以风速V_∞流向涡轮机。当涡轮机以角速度ω旋转时，涡轮机叶片10A、10B和10C中的每片涡轮机叶片的特征在于各自的线速度矢量，而风的特征在于相对于叶片的特定速度W。风的运动以相对于叶片弦的“迎角”α进行。角度θ表示叶片沿涡轮盘30的角位置。

在涡轮机旋转时，当叶片位于盘30的上风向半部分中时，叶片在叶片的内侧上失速，当叶片在盘30的下风向半部分中时，叶片在叶片的外侧上失速。本发明的控制系统被配置并且可操作以根据某一时间模式/轮廓激活每个流影响单元，从而通过影响局部叶片动量系数来增加在叶片的一部分上流动的流体的动量。

让我们考虑受到的风速V_∞的H转子型VAWT的流速度，如图2C和2D所示。假设叶片的长宽比足够大以致于忽略诱导拖曳力的影响，弦的速度分量V_c和正常的速度分量V_n分别如下：

V_c＝Rω+V_acosθ（1）

V_n＝V_asinθ（2）

其中，V_a是通过转子的轴向流速度（即诱导速度），ω是旋速，R是涡轮机的半径，以及θ是方位角。迎角α可以表示为：

$\mathrm{\&alpha;}={\tan }^{-1}\left[\frac{\sin \mathrm{\&theta;}}{(\mathrm{R\&omega;}/V_{\&infin;})/(V_a/V_{\&infin;})+\cos \mathrm{\&theta;}}\right]---\left(3\right)$

其中Rω/V_∞对应于tsr。

可以得到相对流速(W)为：

$W=\sqrt{V_c^2+V_n^2}---\left(4\right)$

将V_c和V_n的值（等式1和等式2）代入到等式4中，可以得到速度比为：

$\frac{W}{V_{\&infin;}}=\frac{W}{V_a}\&CenterDot;\frac{V_a}{V_{\&infin;}}=\frac{V_a}{V_{\&infin;}}\sqrt{{\left[(\frac{\mathrm{R\&omega;}/V_{\&infin;}}{V_a/V_{\&infin;}}+\cos \mathrm{\&theta;})\right]}^2+{\sin }^2\mathrm{\&theta;}}---\left(5\right)$

切向力系数C_t是升力的切向分量与拖曳力的切向分量之间的差。类似地，法向力系数C_n是升力的法向分量与拖曳力的法向分量之间的差。C_t和C_n的表达式可以写成：

C_t＝C_lsinα-(C_d+C_μ ^*)cosα（6）

C_n＝C_lcosα+(C_d+C_μ ^*)sinα（7）

这里C_l和C_d是二维的升力系数和拖曳力系数：

$C_l=\frac{l}{1/2\mathrm{\&rho;}{W}^2\mathrm{cH}}---\left(8\right)$

$C_d=\frac{d}{1/2{\mathrm{\&rho;W}}^2\mathrm{cH}}---\left(9\right)$

其中c是叶片弦，H是转子的高度，ρ是流体的密度。

考虑在叶片的一侧上的槽的形式的流影响单元，等式6和等式7也包括由槽的吹射流效应引起的局部动量系数：

$C_{\mathrm{\&mu;}}^{*}\&equiv;\frac{J_b}{1/2{\mathrm{\&rho;W}}^2{A}_R}=\frac{{\mathrm{\&rho;A}}_s{U}_j^2}{1/2{\mathrm{\&rho;W}}^2\mathrm{cH}}=\frac{{2h}_s}{c}{\left(\frac{U_j}{W}\right)}^2---\left(10\right)$

其中，A_s是喷吹槽面积，h_s是槽的宽度，U_j是槽喷吹的速度，以及A_R是涡轮机面积，即涡轮机面向流体流的垂直面积，并定义为A_R=2RH。针对叶片上的净切向力和法向力，有：

$F_n=c_n\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;cHW}}^2---\left(12\right)$

平均切向力是：

$F_{\mathrm{ta}}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}}{F}_t\left(\mathrm{\&theta;}\right)\mathrm{d\&theta;}---\left(13\right)$

以类似的方式，可以计算作用在涡轮机F_D上的总拖曳力。基于Rankine-Froude致动器盘理论，有：

$V_a=\frac{V_{\&infin;}+V_w}{2}---\left(14\right)$

其中，V_w是唤醒速度。

当使用用于主动流控制的喷吹系统时，添加了盘的质量。质量的添加影响守恒等式。考虑被控制体积围绕的假想旋转体的涡轮盘，可以计算在涡轮机旋转周期内的不稳定喷吹根据质量守恒等式：

$\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\underset{\mathrm{cv}}{\&Integral;}\mathrm{\&rho;dV}+\underset{\mathrm{cs}}{\&Integral;}\mathrm{\&rho;}\stackrel{\&RightArrow;}{u}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{n}\mathrm{dA}=0---\left(15\right)$

可以忽略第一项，这是因为只对周期质量流积分感兴趣，并假设输入的不稳定喷吹(t)A_s不随周期变化。因此，质量守恒等式可以写成：

$-\mathrm{\&rho;}{V}_{\&infin;}{A}_{\&infin;}-\mathrm{\&rho;}{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_j{A}_s+\mathrm{\&rho;}{V}_w{A}_w=0---\left(16\right)$

其中是周期中平均槽速度。此外，动量等式的积分守恒是：

${-F}_{\mathrm{DR}}=\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t}\underset{\mathrm{cv}}{\&Integral;}\stackrel{\&RightArrow;}{u}\mathrm{\&rho;dV}+\underset{\mathrm{cs}}{\&Integral;}\stackrel{\&RightArrow;}{u}\mathrm{\&rho;}\stackrel{\&RightArrow;}{u}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{n}\mathrm{dA}---\left(17\right)$

(ρU_j(t)²A_s)项随方位角位置θ变化。随着盘的旋转，喷吹对称地布置在盘周围，因此该项的净贡献是零。结合质量等式16和动量等式17得出：

$F_{\mathrm{DR}}=\stackrel{\&CenterDot;}{m}(V_{\&infin;}-V_w)-\mathrm{\&rho;}{V}_w{\stackrel{\&OverBar;}{U}}_j{A}_s---\left(18\right)$

其中是转子面积，即Hx(2R)。

常用的干扰因子可以被定义为：

$a\&equiv;1-\frac{V_a}{V_{\&infin;}}---\left(19\right)$

将等式14和19代入等式18，简化后得到：

其中

C_DR=F_DR/(2ρA_RV² _∞)（21）

是涡轮机拖曳力系数，以及

$C_{\mathrm{Dj}}=(h_s/4R)\&CenterDot;({\stackrel{\&OverBar;}{U}}_j/V_{\&infin;})---\left(22\right)$

是吹射流对动量等式的贡献（无量纲）。

现在考虑用于对引起流体流动量的增加的影响进行控制的各种实施方式。这是主动流量控制，该控制可以通过稳定的或脉冲式吹射流来引起。

局部叶片动量系数可表示为：

$C_{\mathrm{\&mu;}}^{*}\&equiv;\frac{J_b}{1/2{\mathrm{\&rho;W}}^2\mathrm{cH}}=\frac{2h_s}{c}{\left(\frac{U_j}{W}\right)}^2---\left(23\right)$

而涡轮动量系数可表示为：

$C_{\mathrm{\&mu;}}=\frac{J_b}{1/2\mathrm{\&rho;}{V}_{\&infin;}^2\mathrm{cH}}=\frac{2h_s}{c}{\left(\frac{U_j}{V_{\&infin;}}\right)}^2---\left(24\right)$

其中等式23和24以下述关系相关联：

$C_{\mathrm{\&mu;}}^{*}=C_{\mathrm{\&mu;}}{(V_{\&infin;}/W)}^2$

应当指出，在实际情况中涡轮机叶片正经历相对流速度（W），该速度随着方位角位置θ而变化并且是诱导速度和tsr的函数。对迎角α有同样的情况，迎角在失速前的情况与失速后的情况之间有所变化。因此可以引入稳定的喷吹数据作为脉冲的并且变化的动量，或所谓的脉冲式喷吹。可替换地，如果C_μ保持恒定，那么C_μ ^*变化并且使用变化的叶片数据。在所有情况下，气动力系数以准稳态的方式随着变化的C_μ ^*而变化。

VAWT的公知的不足是其无法自启动。使用稳定射流用于流控制的有利副产品是涡轮机能在任何条件下包括零风速条件下进行自启动。通过控制吹射流行为（如下面将进一步示例的那样），具有N片叶片的涡轮机受到下述转矩：

$T_p=\mathrm{N\&rho;}{A}_s{U}_j^{2}R---\left(25\right)$

考虑到平均切向力，N片叶片的功率是：

P＝NF_tRω（26）

该功率通常被无量纲化为功率系数C_p：

$C_P=\frac{P}{1/2\mathrm{\&rho;}{V}_{\&infin;}^3{A}_R}---\left(27\right)$

迎角α随着暴露在流体流中的叶片的旋转以及随着tsr的变化而变化。当迎角达到其临界值（称为失速角α_stall）时，产生最大升力系数。发明人发现如果在其间迎角相对于α_stall或tsr满足一定条件即迎角和α_stall或tsr之间存在一定关系的时间间隔中维持适当的吹射模式（即维持流影响进程），则能显著提高涡轮机效率（可以增加即涡轮机功率）。例如，当α≥α_stall时启动吹射模式，当α＜α_stall时停止吹射模式。

图2E示出了作为方位角位置θ和尖速比tsr的函数的任意单位的脉冲式吹射流幅度U_j。区域G1和G2对应于其中喷吹控制被激活的方位角区域（旋转时叶片的θ或相对位置的值），这里α≥α_stall。如图所示，α≥α_stall导致脉冲式喷吹，其中，占空比即周期中的喷吹被激活所占的部分是方位角和尖速比的函数。

图3A和3B示出了本发明原理如何影响涡轮机运行。图3A示出了当α≥11°时恒定动量系数的脉冲式槽吹对涡轮机的净性能的影响的计算结果（使用功率校正方法）。曲线图B1至曲线图B7对应于动量系数的不同值。如图所示，在低tsr运行范围中可以看出功率输出的显着改善，此外，峰输出功率维持在较低的tsr值处。已知针对给定的风速在较低的tsr值处的运行能产生较低的噪音水平和空气动力负荷振荡。因此，脉冲式喷吹提供了VAWT的有效动态失速控制。

启动控制/停止控制所处的迎角对整体涡轮机的性能有显著影响。因此发明人发现可以获得甚至更好的系统性能的结果是在迎角的值略小于α_stall时启动吹射流影响。图3B中示出了这一点，该图示出当C_μ ^＊＝3.66%时在不同迎角α的值的情况下启动/停止吹射流对系统性能的影响。七条曲线L1至L7示出对应于不同迎角值的作为tsr的函数的功率系数。可以看出，迎角为8°时获得最佳结果，该角度值低于α_stall=11°。

以下是VAWT系统配置的一些示例。图4示例了根据本发明的利用图1B的配置（即两个流影响单元在叶片的相对的两侧处）的实施方式所构造系统。在这里，由电极组件形成流影响装置。该图更具体地示出了叶片的与控制系统的流影响元件22A和22B关联的前缘12A。流影响元件22A和22B由包括三个电极42、44A和44B的电极装置表示。电极44A和44B是以分别在叶片的相对的两侧14A和14B处的方式位于该叶片的内表面上的封装电极，因此与周围环境（即与流体流或风）屏蔽，电极42以在电极44A和44B之间并且距44A和44B相同的距离的方式位于叶片的外表面处并暴露于风中。电极42、44A和44B一起限定两个电极对42-44A和42-44B，这两个电极对分别形成流体流影响单元22A和22B。如图所示，叶片有内部材料48，该材料理想是不导电的，比如塑料，并且在叶片前缘处提供有沿电极装置之间延伸的电介质层46。控制器24包括可操作以将电压施加至电极的电压提供单元26。在暴露的电极42和封装电极44A和44B中的至少一个上施加高电压（AC）会产生介质阻挡放电（DBD）等离子体，从而分别在沿叶片侧14B和14A的附近使得能够选择性地产生等离子体射流1和等离子体射流2。DBD等离子体的施加防止流分离并大大提高了涡轮机的性能（能量转换）。

当叶片位于叶片盘上风向半部分时，叶片在盘的内部上失速。在这些条件下，暴露的电极42和封装的电极44B被激活以产生DBD等离子体射流1。当叶片（或多片叶片）位于盘的下风向半部分时，叶片在盘的外部上失速。在这些条件下，暴露的电极42和封装的电极44A被激活以产生DBD等离子体射流2。通过DBD等离子体射流的这种循环施加，失速显著减少，从而导致涡轮机的最理想性能。

如上所指示的，在迎角相对于失速角或tsr处于预定关系的时间间隔期间例如当迎角大于失速角时，电极对中的每个电极对（即每个流影响单元）保持激活。此外，电极对的激活优选地使得等离子体射流的至少一个参数在这个时间间隔期间变化，例如振荡，例如脉冲。以这种方式，流体流的诱导动量增加可以保持恒定（由于叶片的旋转）。

如上参照图1A所描述的，在本发明的一些实施方式中，流体流的动量增加仅在叶片的一侧处产生作用，即流影响装置包括与叶片的一侧相关联的单个流影响单元。根据本发明，根据考虑到叶片相对于流体流的位置的特定时间模式激活动量增加，即仅当叶片的相应的（激活的）侧相对于流体流是下风向方位的时刻增加动量产生作用，当所述激活侧是上风向方位时不激活。在动量增加产生作用的时隙期间，增加的动量可以是恒定的或随时间变化。

通过由于施加在叶片处的一个或更多个刺激产生的吹射流造成的动量增加来实现流体流动量所需的增加。在这方面，应当指出，因为当叶片旋转时施加刺激，所以如果要获得恒定的动量增加，则应施加变化的增加动量的刺激，同时获得变化的动量增加可能需要施加恒定的增加动量的刺激。

发明人发现当流体流动量的增加是通过位于沿圆形路径或涡轮盘300°≤θ≤90°的角度段内的叶片来产生作用时，由流体流动量的增加造成的动态失速的减弱沿涡轮盘30最大（如图2b所示）。因此，在优选实施方式中，如果在给定的时间叶片中仅存在有一个激活侧或只有叶片的一侧是激活的，那么该叶片的所述激活侧是叶片的内侧。这是因为在上面限定的涡轮盘30的段（0°≤θ≤90°）内，叶片的内侧是下风向方位，即叶片的沿着其分离要通过流体动量的增加而被减弱的一侧。

在本发明的一些实施方式中，通过利用图1B的系统配置，根据预定的时间模式以总体交替的方式动量增加对叶片的两侧产生作用，优选地以使得在影响动量增加的时隙期间经由当前是下风向方位的侧施加刺激。

参照图5A和图5B，图5A和图5B分别示出了本发明的利用与单个叶片侧（图5A）相关联的流影响装置以及与叶片相对的两侧（图5B）相关联的流影响装置来增加沿叶片的流体流的动量的技术的两个示例。在这些示例中，流体流影响单元是以在叶片的前缘处的方式制成在叶片的侧上的槽的形式，并且控制器利用流体泵使流体穿过叶片流通。

在图5A中示出了空心叶片10，所述叶片包括在叶片一侧14A上接近叶片前缘的槽22（形成流体流影响单元）以及泵26（形成控制器24）。泵26以可控制的方式可操作以经由入口28将流体流208引入到叶片的空心部分。流体经由槽22流出叶片，从而产生流体射流102。槽22优选地有与叶片弦形成一定锐角γ的几何形状以使得流体射流的沿叶片表面的切线的分量（在槽的开口处）从叶片的前缘指向叶片后缘。角γ优选地是大约45度或更小。当叶片一侧14A是下风向方位的一侧时，沿叶片10的一侧14A流动的流体的动量增加。动量的增加取决于流体射流102的速度、取决于角γ以及取决于叶片相对于到来的流体流的迎角。流体射流102的速度可以是常量或变量。

当叶片一侧14A相对于总的流体流方向是下风向方位（即背离流体流108）时，在叶片一侧14A处动量的增加对于减弱流分离最有效。因此，根据优选实施方式，当叶片一侧14A是上风向方位时，泵26关闭或以降低的功率运转，当叶片一侧14A是下风向方位时泵26，开启或以增加的功率运转。

在图5B中示出了具有在叶片两侧14A和14B中制成的第一叶片槽22A和第二叶片槽22B（形成第一和第二流体流影响单元）的叶片10。槽22A和22B优选地有对称相同的几何形状（相对于叶片中心轴或弦），从而与叶片弦形成对角，如45度和135度。被泵26排出的流体分成通过第一槽22A的第一流体射流102A和通过第二槽22B的第二流体射流102B。两个流体射流的速度取决于槽的几何尺寸（长度、宽度、深度）以及取决于槽的方位。由于槽22A和22B对称相同的几何形状以及因此基本相对的角度，流体射流102A与102B几乎等同。泵26可以连续运转从而产生连续的射流102A和102B，以确保凭借下风向流体射流，动量增加一直对叶片下风向侧产生作用。泵26以其运转的功率（以及因此射流的速度）可以是恒定的或可以根据涡轮机旋转时叶片的位置和/或速度而变化。如果泵26运转的功率是恒定的，那么动量的有效增加随叶片10的位置而变化。相对地，如果泵26以脉冲式方式运转，那么动量的有效增加可以保持恒定。在任何情况下，局部叶片动量系数和涡轮机动量系数都经由诱导槽吹速度产生作用。

如上所述，利用两个单元流影响装置22的控制系统20优选地被配置并且可操作以实现下述开关机构，所述开关机构以振荡方式将射流喷吹从一侧移动到另一侧。这可以使用下述流影响单元实现，该流影响单元被配置并且可操作以在其与叶片外部的流体流产生相互作用的生效位置与没有这样的相互作用的无效位置之间转换。这样的转换是按照一定的时间模式来进行的。一般来说，时间模式使得两个流影响单元以交替方式各自在一定的时间间隔维持活跃。如上所述，其间流影响单元是激活的时间间隔优选地根据预定的迎角条件开始和结束。通过控制系统基于流体流的速度和涡轮机的旋速而监测迎角。在流影响单元是激活的时间间隔期间，流影响单元产生吹射流，该吹射流可以是例如脉冲模式的振荡喷吹。吹射流的振荡通常意味着至少射流的参数在所述时间间隔的时间期间变化，这可以是变化的幅度和/或频率。

以下是这种系统配置的几个具体的但非限制性的示例。

图6A至6C示出了：具有前缘12A和后缘12B以及两侧14A和14B的叶片10；以及包括流影响装置22和控制器24的控制系统20。流影响装置位于叶片的前缘12A并且包括以对称相同的方式分别设置在两侧14A和14B中的两个槽22A和22B。控制器24包括下述阀40，该阀通过控制系统（未示出）以振荡模式操作，以根据预定的时间模式选择性地开放和闭合槽22A和22B中之一。如图6A所例示的，阀可以是机械的或液压的等。

如图6B所示，阀在其第一位置与其第二位置之间振荡，第一位置是阀闭合槽22A同时保持槽22B开放的情况，第二位置是阀开放槽22A并且闭合槽22B的情况。在这个示例中，叶片有入口开口28，该入口制成在叶片任一侧中，本示例中是在侧14A中。阀40的操作使流体通过叶片在叶片的入口28与出口槽22A或22B中之一之间流通。

在图6C的示例中，叶片没有入口开口并且阀40在其第一位置和第二位置之间的转换是使用以可控制的方式操作的压力波发生器42来实现的。压力波发生器以适当的振荡模式运转，并且可以是任何合适已知的类型的，如声驱动器、压电振荡器或陶瓷振荡产生器等。压力波发生器42的操作是零净质量通量操作。

图7A至7B示例了带有与适当的控制器24相关联的流影响装置22的叶片10。在这里，由位于叶片的两侧14A和14B的两个涡流发生器22A和22B形成流影响装置22。每个涡流发生器可在其无效缩回位置与其生效伸出位置间转换，在无效缩回位置处涡流发生器基本上不影响流体流，意味着涡流发生器基本上不影响流体流动量，在生效伸出位置处涡流发生器影响流体流。在一个变体中，涡流发生器可以具有一个或更多个中间位置：涡流发生器可以是可控的以部分地从叶片伸出，从而根据VAWT的要求产生更弱或更强的涡流。在一个变体中，涡流的强度随涡轮机旋转时叶片沿圆形路径的位置而变化。如以不需要加以说明的方式在图中所示的那样，控制器24选择性地连接在涡流发生器22A与涡流发生器22B之间以将这些涡流发生器中之一从其无效位置转换到生效位置，在该生效位置处涡流发射器与流体流相互作用/影响流体流。

图8示出了流影响装置22的示例，其中，流影响单元包括可通过围绕铰链44旋转而展开的涡流发生器22A、22B。当涡流发生器处在非展开模式时，该涡流发生器沿叶片延伸以覆盖部分叶片，当涡流发生器处在展开模式时，该涡流发生器通过围绕铰链44旋转从叶片伸出并且与流体流相互作用从而影响流体流的动量。可选择地，涡流发生器有一个或更多个中间模式，从而形成相对于叶片的表面不同的角度。

图9示出了有些不同的示例，其中，涡流发生器可操作以响应于某个场的施加来改变该涡流发生器的形状。所施加的场可以是经由通过接触或以不接触的方式施加的电流和/或电压和/或磁场而导致涡流发生器的形状改变的电磁场。对于这样的涡流发生器来说，合适的材料可以是例如压电陶瓷、磁致伸缩材料、或磁性形状记忆合金（在磁场影响下改变形状的材料）。所施加的场可以是温度场，对于这样的涡流发生器来说，合适的材料可以包括当温度变化时改变形状的形状记忆合金。

图10是本发明的VAWT100的示意图，VAWT100有下述控制系统，该控制系统与涡轮机关联并且被配置且可操作以根据流体流的方向和叶片的位置来控制通过涡轮机的至少一片叶片的吹射流产生。VAWT100包括一片或更多片叶片，总体以10表示。每片叶片10被配备有控制系统20，该控制系统如上所述的那样被设计并且可操作以增加沿叶片的至少一侧流动的流体的动量。流的动量所沿的一侧是可增加的，在此被限定为叶片的激活侧。如上所述的那样，每片叶片可以有一个或两个激活侧。可以按照上述非限制性的示例中的任一个示例配置与叶片一个或多个侧关联的控制系统。控制系统20与叶片处（例如，在每片叶片处）的流影响装置（未示出）关联并且包括叶片检测器52和流体流检测器50。叶片检测器52被设计用于检测叶片沿圆形路径的位置和叶片的速度，并产生表示这些信息的数据。流体流检测器50被设计用于检测到来的流体的大体方向和到来的流体的速度，并产生表示这些信息的数据。通过叶片检测器52和流体流检测器50生成的数据被控制器24接收，该控制器有合适的处理器应用，该处理器应用可操作以确定每片叶片相对于到来的流体流方向的方位从而确定迎角。控制器24被设计用于如上所述的那样基于每片叶片的相对于到来的流体流方向的以及相对于迎角的方位按照一定的时间模式激活在叶片处的所述动量增加。

控制系统20确保对于每片叶片至少当激活的叶片侧是下风向方位时在激活的叶片侧上的流体流动量增加。控制系统可操作以根据每片叶片的方位并按照迎角来开启和闭合增加动量的元件。时间模式可以使得在带有所述流影响单元的叶片侧是下风向方位的而且优选地所述叶片还在旋转涡轮机的上风向半部分内的时间间隔期间流影响单元是生效的；在这些选项中的任意一个选项中，时间模式优选地也考虑迎角。

图11示出了根据本发明的示例减少VAWT系统动态失速的方法流程图500。在502中，监测流体流的方向和速度。在504中，监测叶片的速度和方位。可以例如通过监测叶片的沿叶片的已知路径的位置来确定方位。监测步骤502和504可以是连续的或以预定的频率起作用。在506中，使用流体流的速度和方向以及叶片的速速和方位来确定叶片相对于所述流体流的方向的方位和迎角以及迎角相对于失速角或tsr的关系/条件。在508中，在符合预定迎角条件的时间间隔期间，使流体流的沿至少下风向叶片侧的动量增加。动量增加可以是在时间上是恒定或是变化的，例如可以取决于叶片相对于流体流方向的方位。可选地，在510中，执行检查以确保动量增加不对在上风向方位叶片侧上流动的流体起作用。这是通过控制两个激活侧的操作来完成的，以确保在两个激活侧中的一个激活侧上的流影响装置生效时在相对侧上的流影响装置不起作用。这最后一步可以用来作为节能步，因为流体自然地沿叶片的上风向方位的侧流动。如果叶片仅有唯一的一个激活侧，则步骤510可以通过当叶片的激活侧是上风向方位的侧时闭合增加动量的元件来实现。如果叶片的两侧都是激活侧，那么步骤510可以通过控制开关单元来进行，以使得增加动量的元件的所有能量集中于使流动的流的作用在叶片的下风向侧上动量增加并且没有任何增加动量的元件的能量用于使动量增加对叶片的上风向方位侧上的动量增加产生作用。

示例

现在参考下面的示例，这些示例与上述描述一起以非限制的方式说明本发明的一些实施方式。以下是基于试验数据由发明人进行的一些计算，以将本发明的VAWT中的叶片产生的功率与典型的VAWT叶片产生的功率进行比较，典型的VAWT叶片没有向在其上流动的空气给予任何动量。

完成了对具有9英寸弦（c）和24英寸跨度（203mm×610mm）的NACA0012机翼的实验，该机翼配备有五十个表面压力端口和宽度为h_s=0.6mm的二维前缘主动流控制槽。机翼肋骨部分被除去以呈现用作为静压箱基本空心的内部。用于在边界层产生激流丝的粗糙带（粒度＃100）固定在前缘并在顶部表面和底部表面两者上延长至4％弦。通过上表面边界层中的热线测量，扩充了表面压力数据，而表面安装的丝丛用于基本的流可视化。因此，机翼是单槽机翼，如图3A所示。

测试在610mm×1500mm测试段风洞中进行。表面测量借助于压力传感器阵列（AA实验室系统）完成。在后缘下游大约四弦长处使用一耙总头探针进行总拖曳力测量。研究中所考虑的雷诺数范围为100,000≤Re≤480,000。

机翼安装在低速（U_∞<75m/s）、低湍流、闭环的风孔中。两个法兰连接的并且有角的管段栓接至机翼的对应于1/4弦的位置的两侧。管段安装在风洞外的轴承上并用于双重目的：利于机翼俯仰和向机翼增压室引入稳定喷吹。借助于稳定的槽吹实现边界层控制。为了实现这个控制，一个法兰连接的段连接到50kPa鼓风机，其中，分别借助于转子流量计和热电偶来测量流量Q和温度T。通过基本的质量守恒定律来计算槽射流速度(U_j)。样品的升力系数和拖曳力系数被测量以计算不同的动量系数[C_μ（风洞）]和不同的迎角，其中

C_μ(风洞)=(h_s/c)(U_j/U_∞)²

动量系数表示添加到沿叶片一侧流动的流体的动量。测量到的升力系数和拖曳力系数用在用于计算涡轮机的功率系数（C_P）的涡轮机分析中，功率系数表示涡轮机的功率输出。

在涡轮机分析中，叶片的局部动量系数（C^* _μ）定义为：

C^＊ _μ=(h_s/c)(U_j/W)²

其中，W是相对流速，该相对流速取决于风速并且取决于叶片的迎角。

涡轮机的动量系数（C_μ）是：

C_μ=(h_s/c)(U_j/V_∞)²

其中，V_∞是风速。叶尖速与风速比（tsr）定义为：

tsr=ωR/V_∞

其中，ω是VAWT中的叶片的旋速，R是VAWT的半径（即叶片离VAWT中心的距离）。

分析了两种增加动量的方法：（i）保持C^* _μ恒定，以及（ii）保持C_μ恒定。通过保持C^* _μ恒定，射流的速度（U_j）根据叶片的位置改变，并且给予流体流恒定的动量。这称为脉冲式喷吹。相对地，通过保持C_μ恒定，射流的速度保持恒定，但给予流体流的动量随叶片位置而改变。

图12是不同功率与tsr曲线的图示，每条曲线对应于通过根据图6B的叶片给予叶片周围流动的空气的恒定动量。为了计算VAWT的功率系数，试验数据的结果被引入涡轮机分析模型中，其中，脉冲式喷吹产生作用（U_j是变化的）以保持在叶片的下风向方位的侧上的动量增加恒定。为了进行该计算，建立下述理论：阀被操作以防止射流通过上风向方位的槽离开。示出了：当穿过槽的射流高于零并且动量系数保持恒定时，用于的VAWT所得到的功率系数高于在低的tsr时由基线条件所提供的功率系数。在高tsr时，计算的功率系数对应于基线功率系数。术语“基线”是指没有喷吹并因此没有穿过槽的流体射流的条件。

图13是当恒定的动量被传授给叶片周围流动的空气时不同的功率与tsr曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗。为了计算功率系数，引入系统损耗因数Φ。图13所示的是：即使当系统损耗因数Φ是0.75（75％）时，在低tsr处，由具有产生脉冲式射流的双槽叶片的VAWT所提供的功率系数高于基线功率系数。通常，更好的系统设计是具有相对低的Φ的设计。因数Φ单独取决于设计构思。作为一般规则，涡轮机设计的目的是要保持Φ<<1。

图14是当变化的动量通过单槽叶片配置被给予叶片周围流的空气时不同的功率与风速曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗。为了计算VAWT的功率系数，试验数据的结果被引入涡轮机分析模型中，其中，恒定的喷吹产生作用（U_j是恒定的）以在叶片的下风向方位的侧上提供变化的动量增加。为了进行该计算，建立下述理论：仅当激活的叶片侧是下风向方位时，喷射才继续进行。图14示出了：对于高于约5m/s的风速，甚至当Φ=0.75时，上述VAWT的输出功率高于基线输出功率。速度历时曲线示出：即使超过5m/s的风速不太常见，但是这样的风依然存在并且可以被这样的VAWT使用。尽管事实上在一年的大部分时间风速类似于基线情况，但是当一年中风速高的那部分时间在受控的情况下（即在动量加入到在叶片上的流体流的情况下）产生很大程度增加的功率，然而未受控的（基线）涡轮机不产生显著大的功率。

图15是当α≥8°时当振荡的动量通过双槽叶片配置被给予叶片周围流动的空气时不同的功率与风速曲线的图示，每条曲线对应于不同的系统功率损耗。为了计算VAWT的功率系数，试验数据的结果被引入涡轮机分析模型中，其中，脉冲式的喷吹产生作用以在叶片的下风向方位的侧上提供恒定的动量增加。为了进行该计算，建立下述理论：控制器被操作以防止射流通过上风向方位的槽喷出。图15示出了：对于高于约5m/s的风速，甚至当Φ=0.75时，上述VAWT的输出功率高于基线输出功率。速度历时曲线示出：即使超过5m/s的风速不太常见，但是这样的风依然存在并且可以被这样的VAWT使用。尽管事实上在一年的大部分时间风速类似于基线情况，但是当一年中风速高的那部分时间在受控的情况下（即在动量加入到叶片上的流体流中的情况下）产生很大程度增加的功率，然而未受控的（基线）涡轮机不产生显著大的功率。

图16是占不同系统功率损耗的由两槽叶片配置和单槽叶片配置在一年中生成的功率的图示。使用图14和15中出现的风持续时间曲线，该曲线示出了未受控的（基线）VAWT一年产生大约44.5MWh。相比之下，即使对于0.75的系统损耗，特征为单槽叶片、产生恒定的射流并且C_μ=60％的VAWT一年提供55.8MWh。此外，即使占0.75的系统损耗，具有产生可变的射流以使得C^* _μ保持在3.66％恒定的振荡阀并在α≥8°时操作的两槽叶片一年中产生119MWh——超过未受控的VAWT的年功率的2.5倍。

因此，本发明提出了一种使VAWT的性能能够显著提高的简单而有效的技术。

本领域的普通技术人员容易理解到，各种各样的修改和变化可以应用于在所附权利要求中限定的并被所附权利要求限定的本发明的实施方式。

Claims (28)

1.一种用于对垂直轴风力涡轮机VAWT的操作进行控制的控制系统，所述垂直轴风力涡轮机用于从到来的流体流中生成能量，所述控制系统包括与所述VAWT的至少一片叶片相关联的至少一个流影响装置以及连接至所述流影响装置的控制单元，所述流影响装置包括两个流影响单元，所述两个流影响单元在所述叶片的前缘处分别位于所述叶片的相对两侧，每个所述流影响单元能够操作以在所述叶片的相应一侧产生吹射流，由此引起流体流动量的增加，所述控制单元被配置并且能够操作以根据预定的时间模式以交替方式选择性地激活所述流影响单元，从而使所述吹射流在所述叶片的所述相对两侧振荡。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述流影响装置包括电极装置，所述电极装置限定了与所述叶片的所述相对两侧相关联的两对电极，所述控制单元被配置并且能够操作以选择性地激活所述两对电极，以在所述叶片的相应一侧附近产生等离子体射流形式的所述吹射流。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述电极装置包括：位于所述叶片的所述相对两侧且与所述流体流屏蔽开的两个电极，以及在所述两个电极之间且间隔开所述两个电极的位于所述叶片的前缘处的电极，所述叶片的前缘处的电极暴露于所述流体流，所述被屏蔽的两个电极中的每一个电极与所述暴露的电极分别形成所述两对电极中的相应一对电极。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述时间模式使得当迎角满足预定条件时所述流影响单元中的至少一个是激活的。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述预定条件限定了所述迎角与失速角之间的关系。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中，当所述控制单元确定在旋转的VAWT中所述叶片的位置符合所述迎角大于所述失速角的条件时，所述控制单元操作所述流影响单元中的至少一个，并且当所述控制单元确定所述迎角变得小于所述失速角时，所述控制单元停止该流影响单元。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述槽的形式，所述槽基本在所述叶片的所述前缘处，制成在所述叶片的相应一侧上，所述控制单元被配置并且能够操作以使所述流体流经由在所述叶片的一侧中制成的入口和所述槽而流经空心的所述叶片。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述槽的形式，所述槽基本在所述叶片的所述前缘处，制成在所述叶片的相应一侧上，所述控制单元包括振荡阀，所述振荡阀能够以能够控制的方式操作，以将所述槽中的每个槽在其闭合位置与其开放位置之间选择性地进行转换。

9.根据权利要求4至6中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述涡流发生器的形式，所述涡流发生器能够相对于所述叶片的相应一侧在所述涡流发生器的第一位置与第二位置之间转换，所述涡流发生器在所述第一位置时对所述流体流不起作用，而所述涡流发生器在所述第二位置时起作用从而与所述流体流相互作用并引起所述流体流动量的增加。

10.根据权利要求4至6中任一项所述的控制系统，包括：位置检测器，所述位置检测器能够操作以检测所述叶片在所述涡轮机旋转时沿圆形路径的速度和位置，并产生分别表示所述叶片速度和所述叶片位置的速度数据和位置数据；流检测器，所述流检测器用于检测所述流体流相对于所述叶片的速度和方向，并且用于产生分别表示流速度和流方向的流速度数据和流方向数据；以及处理器应用，其响应于所述叶片速度数据、所述叶片位置数据、所述流速度数据以及所述流方向数据以监测所述迎角的状况，并且当识别所述预定条件时，为所述流影响单元中的至少一个生成控制信号。

11.一种用于对垂直轴风力涡轮机VAWT的操作进行控制的控制系统，所述垂直轴风力涡轮机用于从到来的流体流中生成能量，所述控制系统包括与所述VAWT的至少一片叶片相关联的至少一个流影响装置以及连接至所述流影响装置的控制单元，所述流影响装置包括在所述叶片的前缘处位于所述叶片的至少一侧上的至少一个流影响单元，所述流影响单元能够操作以在所述叶片的相应一侧产生吹射流，由此引起流体流动量的增加，所述控制单元被配置并且能够操作以根据预定的时间模式选择性地激活所述至少一个流影响单元从而使所述吹射流振荡。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中，所述时间模式使得当迎角满足预定条件时，所述至少一个流影响单元是激活的。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其中，所述预定条件限定了所述迎角与失速角之间的关系。

14.根据权利要求13所述的控制系统，其中，当所述控制单元确定在旋转的VAWT中所述叶片的位置符合所述迎角大于所述失速角的条件时，所述控制单元操作所述至少一个流影响单元，并且当所述控制单元确定所述迎角变得小于所述失速角时，所述控制单元停止该流影响单元。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中，所述时间模式使得当所述叶片的相应一侧相对于所述流体流是下风向方位时所述至少一个流影响单元是激活的。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述槽的形式，所述槽基本在所述叶片的所述前缘处，制成在所述叶片的相应一侧上，所述控制单元被配置并且能够操作以使所述流体流经由在所述叶片的一侧中制成的入口和所述槽而流经空心的所述叶片。

17.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述槽的形式，所述槽基本在所述叶片的所述前缘处，制成在所述叶片的相应一侧上，所述控制单元包括振荡阀，所述振荡阀能够以能够控制的方式操作以将所述槽在其闭合位置与其开放位置之间选择性地进行转换。

18.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中，所述流影响单元为下述涡流发生器的形式，所述涡流发生器能够相对于所述叶片的相应一侧在所述涡流发生器的第一位置与第二位置之间转换，所述涡流发生器在所述第一位置时对所述流体流不起作用，而所述涡流发生器在所述第二位置时起作用从而与所述流体流相互作用并引起所述流体流动量的增加。

19.根据权利要求12至14中任一项所述的控制系统，包括：叶片检测器，所述叶片检测器能够操作以检测所述叶片在所述涡轮机旋转时沿圆形路径的速度和位置并产生分别表示所述叶片速度和所述叶片位置的叶片速度数据和叶片位置数据；流检测器，所述流检测器用于检测所述到来的流体流相对于所述叶片的速度和方向并且用于产生分别表示流速度和流方向的流速度数据和流方向数据；以及处理器应用，其响应于所述叶片速度数据、所述叶片位置数据、所述流速度数据以及所述流方向数据以监测所述迎角的状况，并当识别所述预定条件时给所述流影响单元中的至少一个生成控制信号。

20.根据权利要求19所述的控制系统，其中，所述处理器应用响应于所述叶片速度数据、所述叶片位置数据、所述流速度数据以及所述流方向数据，以确定与所述叶片的带有所述流影响单元的一侧的下风向方位对应的所述叶片位置，并且在所述叶片的一侧的所述下风向方位期间激活所述流影响单元。

21.根据权利要求11至14中任一项所述的控制系统，其中，所述时间模式限定了用于所述至少一个流影响单元的操作的时间间隔，所述时间间隔对应于具有所述流影响单元的叶片侧向下风向定向。

22.根据权利要求21所述的控制系统，其中，所述时间间隔对应于所述叶片的下述位置：所述位置为在所述VAWT的圆形路径的相对于流体流方向的上风向部分中。

23.一种用于从到来的流体流中生成能量的垂直轴风力涡轮机VAWT，所述VAWT包括被安装以沿圆形路径旋转的至少一片叶片以及根据前述权利要求中任一项所配置的控制系统。

24.一种用于对从到来的流体流中生成能量的垂直轴风力涡轮机VAWT的操作进行控制的方法，其中，所述VAWT包括至少一片叶片，所述至少一片叶片具有与至少一个能够控制的流影响装置相关联的至少一个激活侧，所述方法包括：

监测所述到来的流体的速度和方位；

监测旋转的所述VAWT的所述至少一片叶片的速度和方位；

对表示所述到来的流体的速度和方位的数据以及表示所述至少一片叶片的速度和方位的数据进行分析，并且确定所述叶片相对于所述到来的流体的方位以及迎角；以及

当确定所述激活侧相对于所述到来的流体流是下风向方位并且所述迎角满足预定条件时，选择性地操作所述至少一个能够控制的流影响装置以增加所述流体流的在所述激活侧上的第一部分的动量。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述叶片包括相对于所述叶片的弦彼此相对的两个激活侧。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：控制所述两个激活侧的操作以确保当在所述激活侧之一上的所述流影响装置起作用时，在相对侧上的流影响装置不起作用，由此确保在所述流体流的沿所述相对的激活侧的第二部分上的动量不增加。

27.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，其中，所述条件限定了所述迎角与失速角之间的关系。

28.根据权利要求24至26中任一项所述的方法，包括：当确定相应的叶片位于所述VAWT的圆形路径的相对于流体流方向的上风向部分中时操作所述流影响装置。