CN104675620B - 一种拍动翼风力机及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种拍动翼风力机，包括拍动翼（1）、第一支架（4）、第一转动轴（3）、辅助小翼（5）和第二转动轴（7），所述辅助小翼（5）安装在拍动翼（1）下方。第一转动轴（3）从所述拍动翼（1）的侧面贯穿拍动翼（1），第二转动轴（7）从所述辅助小翼（5）的侧面贯穿辅助小翼（5）；第一转动轴（3）由第一支架（4）支撑，第一支架（4）可伸缩。本发明的拍动翼风力机及其工作方法，有效地提高了拍动翼风力机的效率，在最优参数条件下，本发明所述的带有辅助小翼的拍动翼风力机效率最高可达到46%，而传统的拍动翼风力机效率最高为34%，效率大大提高，有益于该类风力机的推广和应用。

Description

一种拍动翼风力机及其工作方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，具体是一种拍动翼风力机及其工作方法。
背景技术
伴随着现代科技的日新月异，近年来全球人口出现了爆炸式的增长，随之而来的便是能源消耗的不断提升。由于诸如石油、天然气等不可再生能源正在逐步减少，人类对可再生能源系统的研究变得尤为迫切。其中，风力机是当前国内外研究的热点之一。
传统风力机是通过旋转叶片来采集风能的。由于叶片的尺寸较大，它的旋转运动会产生噪音污染，同时还可能对当地的野生动物造成危害。正是因为这些缺陷，使得风力机的发展和推广遇到了一定的制约。
而拍动翼式风力机可以有效克服旋转叶片式风力机存在的上述不足。但是，现有的拍动翼风力机的翼型叶片通常是单片翼型，即只有拍动翼，其能量采集效率比较低。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种拍动翼风力机及其工作方法，该拍动翼风力机具有辅助小翼，再加上特定的工作方法，提高拍动翼的升力，能大大提高风力机的能量采集效率。
本发明公开的一种拍动翼风力机，包括拍动翼，在所述拍动翼下方安装辅助小翼。通过拍动翼的拍动式运动，风能被转化成机械能。辅助小翼使得拍动翼与辅助小翼产生的前缘漩涡相互作用，从而优化拍动翼表面的压力分布状况
作为上述技术方案的进一步改进，所述拍动翼风力机还包括第一支架、第一转动轴和第二转动轴；第一转动轴从所述拍动翼的侧面贯穿拍动翼，第二转动轴从所述辅助小翼的侧面贯穿辅助小翼；第一转动轴由第一支架支撑。拍动翼在自由来流中作垂直于来流方向的上下沉降运动，同时，它还绕第一转动轴作俯仰运动。辅助小翼在自由来流中绕轴作俯仰运动。
作为上述技术方案的再进一步改进，所述第一转动轴位于拍动翼/弦长处，所述第二转动轴位于辅助小翼/弦长处。
作为上述技术方案的另一种改进，所述拍动翼风力机还包括第一连杆、机械能收集装置和机械能/电能转化装置；所述第一连杆一端连接到拍动翼，另一端连接到机械能收集装置，所述机械能收集装置连接到机械能/电能转化装置。在第一连杆辅助下，拍动翼产生的机械能被收集到装置中，最后通过机械能/电能转化装置获得所需的电能。
上述技术方案述的拍动翼风力机的工作方法，过程为：
拍动翼进行沉降运动和俯仰运动，所述沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式；辅助小翼进行俯仰运动，所述俯仰运动采用正弦变化模式。
所述工作方法中，所述拍动翼的沉降运动和俯仰运动之间的相位差φ＝90°。
所述工作方法中，所述拍动翼的俯仰运动与辅助小翼的俯仰运动之间的相位差经过一系列数值实验发现，拍动翼与辅助小翼俯仰运动之间的相位差是最优的相位差取值。此时风力机能力采集效率最高。
本发明的拍动翼风力机及其工作方法，在拍动翼下方安装一个尺寸相比主翼(即拍动翼)较小的辅助小翼、调整固定拍动翼与小翼之间俯仰运动的相位差，达到了提升拍动翼升力的目的，从而有效地提高了拍动翼风力机的效率，在最优参数条件下，本发明所述的带有辅助小翼的拍动翼风力机效率最高可达到46％，而传统的拍动翼风力机效率最高为34％(参考AIAA Journal，46卷，6期，1318页)，可见效率大大提高，并有益于该类风力机的推广和应用。
附图说明
图1是本发明拍动翼风力机的结构示意图；
图2是本发明拍动翼风力机的拍动翼和辅助小翼运动过程示意图；
图3是本发明带小翼的拍动翼风力机与传统的无辅助小翼拍动翼风力机的捕获能量系数比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种拍动翼风力机及其工作方法行详细说明。
如图1所示，本发明的拍动翼风力机，包括拍动翼1，第一连杆2、第一转动轴3、第一支架4、辅助小翼5、第二转动轴7、第二支架8、机械能收集装置9和机械能/电能转化装置10。
所述辅助小翼5安装在拍动翼1下方，优选安装在拍动翼1尾部下方。辅助小翼5连接有第二连杆6。第二连杆6可以帮助控制辅助小翼5按照设定的运动形式运动。
第一转动轴3从所述拍动翼1的侧面贯穿拍动翼1，优选第一转动轴3位于拍动翼11/3弦长处。第二转动轴7从所述辅助小翼5的侧面贯穿辅助小翼5，优选第二转动轴7位于辅助小翼51/2弦长处。第一转动轴3由第一支架4支撑，第一支架4可伸缩。第二转动轴7由第二支架8支撑。
所述第一连杆2一端连接到拍动翼1，另一端连接到机械能收集装置9，所述机械能收集装置9连接到机械能/电能转化装置10。机械能收集装置9包括弹簧或者机械能整流器(MMR)等特殊储能装置，装置9将收集起来的机械能通过装置10转化为电能，机械能/电能转化装置10优选发电机，从而实现把风能转换为电能的目的。
上述技术方案所述的拍动翼风力机的工作方法，步骤为：
拍动翼1进行沉降运动和俯仰运动，所述沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式；辅助小翼5进行俯仰运动，所述俯仰运动采用正弦变化模式。定义拍动翼1沉降和俯仰运动方程分别为h(t)和θ(t)以及辅助小翼5俯仰运动方程为α(t)，则拍动翼1沉降和俯仰运动的数学表达式分别为：
h(t)＝h0sin(2πft+φ)+D，θ(t)＝θ0sin(2πft)
辅助小翼5俯仰运动的数学表达式为：
其中，h0和θ0分别是拍动翼1沉降运动和俯仰运动的幅值，D是拍动翼1沉降到平衡位置时与辅助小翼之间的距离，α0是辅助小翼5俯仰运动的幅值，f是拍动翼1和辅助小翼5的俯仰运动频率，T是拍动翼1和辅助小翼5的俯仰运动的周期，t是时间，φ是拍动翼沉降运动和俯仰运动之间的相位差，即第一相位差，是拍动翼1的俯仰运动与辅助小翼5的俯仰运动之间的相位差，即第二相位差。固定第一相位差φ的值，使其保持为90°不变，以提高拍动翼的瞬时升力。
改变第二相位差的值，使其以45°的步长从0°增加到180°并计算相应状态下的能量采集效率。经过一系列数值实验发现，拍动翼与辅助小翼俯仰运动之间的相位差是最优的相位差取值。如图3所示，采用了带辅助小翼的拍动翼风力机相较于传统的无辅助小翼的拍动翼风力机可以捕获更多的能量。
如图2所示，当t/T＝0和1时拍动翼1都位于h0+D位置(即沉降的最高位置)且转动角度为0°，即t/T＝0时，拍动翼1处于初始位置，俯仰角度为t/T＝1时，拍动翼1完成一个周期运动回到初始位置；t/T＝0时，辅助小翼5处于初始位置，俯仰角度为t/T＝1时，辅助小翼5完成一个周期运动回到初始位置，俯仰角度为当t/T＝0.25时拍动翼1位于高度D处且转动角度为θ0，即在沉降的中间位置且转动角度为正的最大值；此时，辅助小翼在俯仰角度为0°的位置。当t/T＝0.5时拍动翼1位于D-h0且转动角度为0°，即在沉降的最低位置且转动角度为0°；此时，辅助小翼5在俯仰角度为负的最大值的位置。当t/T＝0.75时拍动翼17位于D位置且转动角度为-θ0，即在沉降的中间位置且转动角度为负的最大值；此时，辅助小翼5在俯仰角为正的最大值的位置。
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 (3)

1.一种拍动翼风力机的工作方法，其特征在于：过程为：
拍动翼（1）进行沉降运动和俯仰运动，所述沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式；辅助小翼（5）进行俯仰运动，所述辅助小翼（5）进行的俯仰运动采用正弦变化模式；
所述拍动翼风力机，包括拍动翼（1），在所述拍动翼（1）下方安装辅助小翼（5）；
所述拍动翼风力机还包括第一支架（4）、第一转动轴（3）和第二转动轴（7）；第一转动轴（3）从所述拍动翼（1）的侧面贯穿拍动翼（1），第二转动轴（7）从所述辅助小翼（5）的侧面贯穿辅助小翼（5）；第一转动轴（3）由第一支架（4）支撑；
所述第一转动轴（3）位于拍动翼（1）1/3弦长处，所述第二转动轴（7）位于辅助小翼（5）1/2弦长处；
所述拍动翼风力机，还包括第一连杆（2）、机械能收集装置（9）和机械能转化为电能的转化装置（10）；所述第一连杆（2）一端连接到拍动翼（1），另一端连接到机械能收集装置（9），所述机械能收集装置（9）连接到机械能转化为电能的转化装置（10）。
2.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述拍动翼（1）的沉降运动和俯仰运动之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的工作方法，其特征在于：所述拍动翼（1）的俯仰运动与辅助小翼（5）的俯仰运动之间的相位差。
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