CN105275741A - 一种拍动翼风力机及其运动方法 - Google Patents

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陈永亮
刘琛
吴杰
杨淑超
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Abstract

本发明公开了一种拍动翼风力机，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的上端；所述拍动翼可沿转动轴转动，所述转动轴可沿支架滑动；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；还包括一个导轨滑块机构，所述导轨滑块机构包括滑块和滑轨；所述滑块的上侧与支架的下端连接；滑轨同时垂直于支架和转动轴，滑块与滑轨相适配，沿滑轨方向滑移运动。增加了一个沿滑轨方向运动的拍动翼风力机，相较于传统的拍动翼风力机可以捕获更多的能量。

Description

一种拍动翼风力机及其运动方法
技术领域
本发明涉及可再生能源领域，具体涉及一种拍动翼风力机及其运动方法。
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。
另一方面，作为一种新型的可再生能源系统，拍动翼式风力机可以有效克服旋转叶片式风力机存在的不足。如图1所示，翼型叶片1在自由来流中作垂直于来流方向的上下沉降运动；同时，它还绕转动轴3作俯仰运动，其中转动轴3由支架4支撑。通过翼型叶片的拍动式运动，风能被转化成机械能。在连杆2的辅助下，机械能被收集到装置5中，最后通过机械能/电能转化装置6获得所需的电能。但是，现有的拍动翼风力机的翼型叶片通常只作俯仰和沉降运动，没有充分利用翼型叶片可以在其他方向运动的特点，其能量采集效率比较低。
发明内容
发明目的：
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种拍动翼风力机及其工作方法，通过增加拍动翼的运动方式，提高拍动翼的升力，从而采集更多的能量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，解决了现有技术的不足。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种拍动翼风力机，包括拍动翼、机械能收集装置和机械能电能转化装置，其特征在于：拍动翼通过转动轴连接在两侧支架的上端；所述拍动翼可沿转动轴转动，所述转动轴可沿支架滑动；
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；
还包括一个导轨滑块机构，所述导轨滑块机构包括滑块和滑轨；所述滑块的上侧与支架的下端连接；滑轨同时垂直于支架和转动轴，滑块与滑轨相适配，沿滑轨方向滑移运动。固定拍动翼沉降运动和俯仰运动的相位差，调整滑移运动的幅度、滑移运动和沉降运动的相位差以及滑移运动的频率。这样，拍动翼增加了另一个方向的运动，从而使拍动翼表面的压力分布得到了优化。
进一步的，所述转动轴位于拍动翼的1/3弦长处。
进一步的，拍动翼在自由来流中作垂直于来流方向的沉降运动；同时，绕转动轴作俯仰运动；同时，沿滑轨作滑移运动。
拍动翼的沉降运动、滑移运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，定义拍动翼沉降位置h(t)、滑移位置s(t)和俯仰角θ(t)，则：
沉降运动的数学表达式为：h(t)＝h0cos(2πft)；
滑移运动的数学表达式为：s(t)＝s0cos(ksπft+φ)；
俯仰运动的数学表达式为：θ(t)＝θ0cos(2πft-ψ)；
其中h0、s0和θ0分别是拍动翼沉降运动、滑移运动和俯仰运动的幅值，f是拍动翼的运动频率，t是时间，ks是滑移运动频率的调整参数，φ是滑移运动和沉降运动之间的相位差，ψ是沉降运动和俯仰运动之间的相位差。
该滑移运动沿滑轨方向，通过增加滑移运用，从而使拍动翼表面的压力分布得到了优化，可以提高拍动翼的升力，大大提高了转化效率。
进一步的，沉降运动和俯仰运动之间的相位差ψ，其值固定为90°，可以提高拍动翼的瞬间升力，从而达到最优化的采集效率。
进一步的，设定滑移幅度s0＝0.15h0、滑移和沉降相位差φ＝-90°以及滑移频率调整参数ks＝4，这是效率最高的参数组合，拍动翼风力机效率最高可达47％。
有益效果：
本发明提供了增加了一个沿滑轨方向运动的拍动翼风力机，相较于传统的拍动翼风力机可以捕获更多的能量。增加拍动翼的滑移运动、固定拍动翼沉降运动和俯仰运动的相位差、调整滑移运动的幅度、滑移运动和沉降运动的相位差以及滑移运动的频率，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，本发明所述的拍动翼风力机效率最高可达到47％，而传统的拍动翼风力机效率最高为34％，有益于该类风力机的推广和应用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中拍动翼的运动方式示意图。
图3是本发明拍动翼风力机与传统拍动翼风力机的捕获能量系数比较。
图中标记含义：1-拍动翼，2-连杆，3-转动轴，4-支架，5-机械能收集装置，6-机械能/电能转化装置，7-滑块，8-滑轨，9-拍动翼在沉降的最高位置、滑移的最前位置且转动角度为0°，10-拍动翼在沉降和滑移的中间位置且转动角度为正的最大值，11-拍动翼在沉降的最低位置、滑移的最后位置且转动角度为0°，12-拍动翼在沉降和滑移的中间位置且转动角度为负的最大值，13-拍动翼完成一个周期运动回到初始位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
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，其特征在于：拍动翼1通过转动轴3连接在两侧支架4的上端；所述拍动翼1可沿转动轴3转动，所述转动轴3可沿支架4滑动；
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；
还包括一个导轨滑块机构，所述导轨滑块机构包括滑块7和滑轨8；所述滑块的上侧与支架4的下端连接；滑轨8同时垂直于支架4和转动轴3，滑块7与滑轨8相适配，沿滑轨方向滑移运动。
所述转动轴3位于拍动翼1的1/3弦长处。拍动翼带动连杆运动，将机械能收集到收集装置中，再通过机械能电能转化装置，实现了把风能转化为电能的目的。
上述拍动翼1在自由来流中作垂直于来流方向的沉降运动；同时，绕转动轴3作俯仰运动；同时，通过支架4沿滑轨8作滑移运动；
拍动翼的沉降运动、滑移运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，定义拍动翼沉降位置h(t)、滑移位置s(t)和俯仰角θ(t)，则：
沉降运动的数学表达式为：h(t)＝h0cos(2πft)；
滑移运动的数学表达式为：s(t)＝s0cos(ksπft+φ)；
俯仰运动的数学表达式为：θ(t)＝θ0cos(2πft-ψ)；
其中h0、s0和θ0分别是拍动翼沉降运动、滑移运动和俯仰运动的幅值，f是拍动翼的运动频率，t是时间，ks是滑移运动频率的调整参数，φ是滑移运动和沉降运动之间的相位差，ψ是沉降运动和俯仰运动之间的相位差。通过调整s0，ks、φ和ψ的值，得到能量采集效率最高的参数组合。
实施例：
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：如图1所示，在拍动翼1转动轴3支架的下端安装一个滑块7，而滑块7放置在滑轨8上并作前后滑移运动；固定拍动翼1沉降运动和俯仰运动的相位差ψ；调整滑移运动的幅度、滑移运动和沉降运动的相位差以及滑移运动的频率。从而实现最优化的能量采集效率。
拍动翼的沉降运动和俯仰运动均采用正弦变化模式。定义沉降位置和俯仰角分别为：h(t)和θ(t)，则：
沉降运动的数学表达式为：h(t)＝h0cos(2πft)，
俯仰运动的数学表达式为：θ(t)＝θ0cos(2πft-ψ)；
其中，h0和θ0分别是拍动翼沉降运动和俯仰运动的幅值；
f是拍动翼的运动频率；
t是时间；
ψ是沉降运动和俯仰运动之间的相位差。
经过一系列实验，沉降运动和俯仰运动之间的相位差ψ，其值固定为90°时，可以提高拍动翼的瞬间升力，从而达到最优化的能量采集效率。
拍动翼的滑移运动也采用正弦变化模式，定义滑移位置为s(t)，则其数学表达式为：
s(t)＝s0cos(ksπft+φ)
其中s0是拍动翼滑移运动的幅值，ks是滑移运动频率的调整参数，φ是滑移运动和沉降运动之间的相位差。该方法中，拍动翼增加了另一个方向的运动，从而使拍动翼表面的压力分布得到了优化。经过一系列实验发现，调整滑移幅度s0＝0.15h0、滑移和沉降相位差φ＝-90°以及滑移频率调整参数ks＝4时，达到效率最高的参数组合，拍动翼风力机效率最高可达47％。
如图2所示，横轴t/T表示时间/周期，纵轴y表示位置。
当t/T＝0和1时拍动翼9和13都位于沉降的最高位置、滑移的最前位置(s0，h0)，且转动角度为0°；当t/T＝0.25时拍动翼10位于沉降和滑移的中间位置且转动角度为正的最大值(0，0)，且转动角度为θ0；当t/T＝0.5时拍动翼11位于沉降的最低位置、滑移的最后位置(-s0，-h0)，且转动角度为0°；当t/T＝0.75时拍动翼12位于沉降和滑移的中间位置(0，0)，且转动角度为-θ0。
如图3所示，present所示曲线为现有技术的拍动风翼随时间/周期变化所采集能量的均值，traditional所示曲线为增加了一个运动方向的拍动风翼随时间/周期变化所采集能量的均值，对比可知增加了一个运动方向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，本发明所述的拍动翼风力机效率最高可达到47％，而传统的拍动翼风力机效率最高为34％。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种拍动翼风力机，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)，其特征在于：拍动翼(1)通过转动轴(3)连接在两侧支架(4)的上端；所述拍动翼(1)可沿转动轴(3)转动，所述转动轴(3)可沿支架(4)滑动；
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；
还包括一个导轨滑块机构，所述导轨滑块机构包括滑块(7)和滑轨(8)；所述滑块的上侧与支架(4)的下端连接；滑轨(8)同时垂直于支架(4)和转动轴(3)，滑块(7)与滑轨(8)相适配，沿滑轨方向滑移运动。
2.根据权利要求1所述的一种拍动翼风力机，其特征是：所述转动轴(3)位于拍动翼(1)的1/3弦长处。
3.一种拍动翼风力机的运动方法，其特征是，拍动翼(1)在自由来流中作垂直于来流方向的沉降运动；同时，绕转动轴(3)作俯仰运动；同时，通过支架(4)沿滑轨(8)作滑移运动；
拍动翼的沉降运动、滑移运动和俯仰运动均采用正弦变化模式，定义拍动翼沉降位置h(t)、滑移位置s(t)和俯仰角θ(t)，则：
沉降运动的数学表达式为：h(t)＝h0cos(2πft)；
滑移运动的数学表达式为：s(t)＝s0cos(ksπft+φ)；
俯仰运动的数学表达式为：θ(t)＝θ0cos(2πft-ψ)；
其中h0、s0和θ0分别是拍动翼沉降运动、滑移运动和俯仰运动的幅值，f是拍动翼的运动频率，t是时间，ks是滑移运动频率的调整参数，φ是滑移运动和沉降运动之间的相位差，ψ是沉降运动和俯仰运动之间的相位差。
4.根据权利要求3所述的一种拍动翼风力机的运动方法，其特征在于，沉降运动和俯仰运动之间的相位差ψ，其值固定为90°。
5.根据权利要求4所述的一种拍动翼风力机的运动方法，其特征在于，滑移幅度s0＝0.15h0、滑移和沉降相位差φ＝-90°、滑移频率调整参数ks＝4。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105909461A (zh) * 2016-05-30 2016-08-31 西安交通大学 一种双扑翼发电装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040115060A1 (en) * 2000-06-19 2004-06-17 Peter Grabau Wind turbine rotor blade comprising one or more means secured to the blade for changing the profile thereof depending on the atmospheric temperature
US20090108586A1 (en) * 2007-10-25 2009-04-30 Nelson Koury Wind Plant
CN103696912A (zh) * 2013-12-26 2014-04-02 南京航空航天大学 一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法
CN104500334A (zh) * 2014-12-03 2015-04-08 南京航空航天大学 一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机
CN104675620A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 南京航空航天大学 一种拍动翼风力机及其工作方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040115060A1 (en) * 2000-06-19 2004-06-17 Peter Grabau Wind turbine rotor blade comprising one or more means secured to the blade for changing the profile thereof depending on the atmospheric temperature
US20090108586A1 (en) * 2007-10-25 2009-04-30 Nelson Koury Wind Plant
CN103696912A (zh) * 2013-12-26 2014-04-02 南京航空航天大学 一种基于地面效应的拍动翼风力机及工作方法
CN104500334A (zh) * 2014-12-03 2015-04-08 南京航空航天大学 一种带有柔性尾翼的拍动翼风力机
CN104675620A (zh) * 2014-12-26 2015-06-03 南京航空航天大学 一种拍动翼风力机及其工作方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105909461A (zh) * 2016-05-30 2016-08-31 西安交通大学 一种双扑翼发电装置

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