CN103696912A

CN103696912A - 一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法

Info

Publication number: CN103696912A
Application number: CN201310733652.1A
Authority: CN
Inventors: 吴杰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN103696912B

Abstract

本发明提供了一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法，通过在现有拍动翼风力机的拍动翼下方增加了一块平板产生地面效应，提高了拍动翼风力机的效率。拍动翼的沉降运动采用正弦变化模式，俯仰运动采用类正弦变化模式，在一个周期运动的某几段时间内，瞬时转动角度保持在正的或负的最大转动角度上，而其余时间段内仍采用正弦变化模式，达到了提升拍动翼升力的目的，进一步提高了拍动翼风力机的效率，并有益于该类风力机的推广和应用。

Description

一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，具体是一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法。

背景技术

随着现代社会的不断发展，全球对能源的需求呈现出了爆炸式的增长，这极大促进了对可再生能源系统的研究。其中，风力机是近年来国内外研究的热点之一。

当前，传统的风力机通过旋转叶片来采集风能。但是，叶片的旋转会给周边环境带来噪音污染。同时，也可能对当地的野生动物造成危害。这已成为限制风力机进一步发展的瓶颈。

作为一种有别于传统风力机的系统，拍动翼风力机能有效地克服传统风力机存在的不足。如图1所示，拍动翼1在自由来流中同时做垂直于来流的上下沉降运动和绕转动轴3的俯仰运动，其中转动轴3由支架4支撑。在连杆2的辅助下，拍动翼把机械能收集到装置5中，最后通过机械能/电能转化装置获得所需的电能。但是，现有的拍动翼风力机沉降和俯仰运动通常采用正弦变化模式，且没能有效地利用地面效应，因此其效率比较低，仍有待进一步提高。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法，提高了拍动翼风力机的效率，并有益于该类风力机的推广和应用。

本发明包括拍动翼、机械能收集装置和机械能电能转化装置，拍动翼通过转动轴连接在两侧支架上，拍动翼通过连杆与机械能收集装置连接，机械能收集装置与机械能电能转化装置连接，拍动翼下方放置有平板。

拍动翼和平板之间的平均距离h_m等于拍动翼的弦长。

本发明还提供了一种基于地面效应的拍动翼风力机的工作方法，拍动翼在自由来流中同时做垂直于来流的上下沉降运动和绕转动轴的俯仰运动，拍动翼的沉降运动采用正弦变化模式，俯仰运动采用类正弦变化模式，在一个周期运动的某几段时间内，瞬时转动角度保持在正的或负的最大转动角度上，而其余时间段内仍采用正弦变化模式,定义沉降位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉降和俯仰运动的数学表达式为：

h(t)＝h_m+h₀sin(2πft+π/2)

θ (t) = \{\begin{matrix} θ_{0} \sin (2 πβft) & 0 < t \leq \frac{T}{4 β} \\ θ_{0} & \frac{T}{4 β} < t \leq \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + π (1 - β)) & \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) \\ - θ_{0} & \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + 2 π (1 - β)) & \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) < t \leq T \end{matrix}

其中h₀和θ₀分别是沉降和俯仰运动的幅值，h_m是转动轴离平板的平均距离，f是拍动翼的运动频率，β是俯仰运动的调整参数，T是拍动翼的运动周期，t是时间。

进一步改进，所述的拍动翼沉降运动和俯仰运动之间的相位差保持在90°。

本发明有益效果在于：

1、在拍动翼下方置入平板产生地面效应，提高了拍动翼风力机的效率。

2、改变俯仰运动的正弦工作方法、固定拍动翼沉降运动和俯仰运动的相位差，达到了提升拍动翼升力的目的，进一步提高了拍动翼风力机的效率，并有益于该类风力机的推广和应用。

3.拍动翼沉降运动和俯仰运动之间的相位差保持在90°可以提高拍动翼的瞬时升力。

附图说明

图1为传统拍动翼风力机的示意图。

图2为本发明基于地面效应的拍动翼风力机的运动示意图。

图3是本发明拍动翼俯仰运动正弦和非正弦变化工作方法下的瞬时转动角度和瞬时角速度。

图4是本发明基于地面效应的拍动翼风力机与传统拍动翼风力机的捕获能量系数比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

现有的拍动翼风力机如图1所示，包括拍动翼1、机械能收集装置5和机械能电能转化装置6，拍动翼1通过转动轴3连接在两侧支架4上，拍动翼1通过连杆2与机械能收集装置5连接，机械能收集装置5与机械能电能转化装置6连接。本发明在拍动翼1下方增加平板7，拍动翼1和平板7之间的平均距离h_m等于拍动翼1的弦长，利用平板7产生地面效应，提高了拍动翼风力机的效率。

本发明所述的基于地面效应的拍动翼风力机，拍动翼1在自由来流中同时做垂直于来流的上下沉降运动和绕转动轴3的俯仰运动，沉降运动采用简单的正弦变化模式，而俯仰运动采用类正弦变化模式，其转动轴位于1/3弦长处。两者之间的相位差固定为90°，以提高拍动翼的瞬时升力。同时，在拍动翼下方置入一块平板，以形成地面效应。定义沉降位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉降和俯仰运动的数学表达式为：

h(t)＝h_m+h₀sin(2πft+π/2)

θ (t) = \{\begin{matrix} θ_{0} \sin (2 πβft) & 0 < t \leq \frac{T}{4 β} \\ θ_{0} & \frac{T}{4 β} < t \leq \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + π (1 - β)) & \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) \\ - θ_{0} & \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + 2 π (1 - β)) & \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) < t \leq T \end{matrix}

如图2所示，当t/T=0和1时拍动翼位于h_m+h₀位置且转动角度为0°；当t/T=0.25时拍动翼位于h_m位置且转动角度为θ₀；当t/T=0.5时拍动翼位于h_m-h₀且转动角度为0°；当t/T=0.75时拍动翼位于h_m位置且转动角度为-θ₀。

经过一系列数值实验发现，β＝1.5是最优的参数取值，如图3所示，类正弦俯仰运动相较于正弦运动有更大的转动角速度。

取h₀＝0.5c、h_m＝c、f＝0.2Uc、

其中c为拍动翼的弦长，如图4所示，采用了类正弦俯仰工作方法和地面效应的拍动翼风力机相较于传统的拍动翼风力机可以捕获更多的能量。在最优参数条件下，本发明所述的基于地面效应的拍动翼风力机效率最高可达到52%，而传统的拍动翼风力机效率最高为34%（参考AIAAJournal，46卷，6期，1318页）。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于地面效应的拍动翼风力机，包括拍动翼（1）、机械能收集装置（5）和机械能电能转化装置（6），拍动翼（1）通过转动轴（3）连接在两侧支架（4）上，拍动翼（1）通过连杆（2）与机械能收集装置（5）连接，机械能收集装置（5）与机械能电能转化装置（6）连接，其特征在于：拍动翼（1）下方放置有平板（7）。

2.根据权利要求1所述的基于地面效应的拍动翼风力机，其特征在于：拍动翼（1）和平板（7）之间的平均距离h_m等于拍动翼（1）的弦长。

3.一种权利要求1所述基于地面效应的拍动翼风力机的工作方法，该方法中拍动翼（1）在自由来流中同时做垂直于来流的上下沉降运动和绕转动轴（3）的俯仰运动，其特征在于：拍动翼（1）的沉降运动采用正弦变化模式，俯仰运动采用类正弦变化模式，在一个周期运动的某几段时间内，瞬时转动角度保持在正的或负的最大转动角度上，而其余时间段内仍采用正弦变化模式,定义沉降位置和俯仰角分别为h(t)和θ(t)，则沉降和俯仰运动的数学表达式为：

h(t)＝h_m+h₀sin(2πft+π/2)

θ (t) = \{\begin{matrix} θ_{0} \sin (2 πβft) & 0 < t \leq \frac{T}{4 β} \\ θ_{0} & \frac{T}{4 β} < t \leq \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + π (1 - β)) & \frac{T}{4} (2 - \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) \\ - θ_{0} & \frac{T}{4} (2 + \frac{1}{β}) < t \leq \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) \\ θ_{0} \sin (2 πβft + 2 π (1 - β)) & \frac{T}{4} (4 - \frac{1}{β}) < t \leq T \end{matrix}

4.根据权利要求3所述的基于地面效应的拍动翼风力机的工作方法，其特征在于：所述的拍动翼（1）沉降运动和俯仰运动之间的相位差保持在90°。