CN109695536A - 带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机及控制方法 - Google Patents

带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机及控制方法，升力型垂直轴风力机包括翼型叶片，翼型叶片的尾缘上下表面设置有开槽，开槽处设置有格尼襟翼，翼型叶片内设驱动格尼襟翼移至翼型叶片上表面或者下表面的驱动机构。当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面；当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面，本发明的格尼襟翼组件采用主动控制的方式，通过压电悬臂梁驱动格尼襟翼产生位移，使得格尼襟翼在风轮旋转过程中始终保持在翼型压力面上，优化翼型后缘处的流场，增加环量以提高升力，在最大程度上提高这种风力机的风能利用率。

Description

带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机及控制方法
技术领域
本发明涉及风力机领域，尤其涉及带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机及控制方法。
背景技术
近年来，随着环境污染的加剧、化石燃料的枯竭以及对能源需求的日益增长，人们对可再生能源利用技术的关注与日俱增。在各种可再生能源发电技术中，风力发电是目前最为成熟、最具大规模开发价值和最具有商业化前景的发电方式之一。按照风力发电机风轮轴位置，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，相对于水平轴风力机，垂直轴风力机具有单位发电成本低、易检修、地面维护简单、不存在“对风损失”等优点。垂直轴风力机根据叶片做功原理的不同，又可分为升力型与阻力型两类，其中升力型(达里厄式)垂直轴风力机叶尖速比可达6，风能利用率远高于阻力型风力机。
迄今改善升力型垂直轴风力机性能的方法多集中在提高其叶片翼型的升阻比，进而提高风力机机组的输出功率。这些方法中，被动式控制不需要外部的能量输入，但需要在叶片上安装附加的机械结构，例如在翼型边界层内加肋、开槽等。主动式控制则需要从外部输入能量，通过控制能量输入实现改善叶片周边流场结构，提高叶片性能的目的，例如在翼型表面施加射流、等离子体激励等。主动控制方法可以在不同工况下使叶片的做功性能都能得到有效改善，但目前采用的方法普遍需要较大的能量输入，且控制机构复杂，因此探索耗能低、易操作的主动控制方法将具有非常重要的意义。
格尼襟翼是一种结构简单的增升设计，即在翼型压力面尾缘附件安装一块与翼型弦线垂直的小尺寸边条，其高度与气流通过在翼型表面产生的边界层的最大厚度相当。格尼襟翼通过改变翼型的弯度，从而改变翼型后缘的流场，使接近后缘的气流向下偏转，增加了环量，从而有效提高在不同来流攻角下尤其是大攻角时的叶片升力。
现有的风力机加装格尼襟翼的技术，大多为被动控制的方法，即在叶片尾部的压力面处加装固定式的格尼襟翼，以改善翼型后缘的流场，提高风力机的功率输出。但对于垂直轴风力机而言，其叶片在旋转过程中，压力面和吸力面为交替变化，固定式格尼襟翼位置无法进行调整，因此在叶片旋转的半个周期内都将位于其吸力面上，反而增加了阻力，降低了叶片的做功性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其使得格尼襟翼在风轮旋转过程中始终保持在翼型压力面上，优化翼型后缘处的流场，增加环量以提高升力，在最大程度上提高这种风力机的风能利用率。
本发明的另一目的在于提供一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机的控制方法，其最大程度上提高这种风力机的风能利用率。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其包括翼型叶片(6)，所述翼型叶片(6)的尾缘上下表面设置有开槽(5)，所述开槽处设置有格尼襟翼(4)，所述翼型叶片(6)内设驱动格尼襟翼(4)移至翼型叶片上表面或者下表面的驱动机构。
与现有技术相比，本发明提供的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中格尼襟翼组件采用主动控制的方式，通过压电悬臂梁驱动格尼襟翼产生位移，使得格尼襟翼在风轮旋转过程中始终保持在翼型压力面上，优化翼型后缘处的流场，增加环量以提高升力，在最大程度上提高这种风力机的风能利用率
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中，所述翼型叶片上边表面所开槽位于翼型叶片弦长90％处，使格尼襟翼可以通过槽缝处从翼型叶片内部伸出。
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中，所述格尼襟翼(4)的襟翼高度为1％-2％翼型叶片弦长，格尼襟翼是一种结构简单的增升设计，通过有效地改变翼型后缘的流场，不仅可以增加翼型的弯度效应，同时使接近后缘的气流向下偏转，改变了翼型尾缘库塔条件，增加了环量，从而提高了不同攻角下翼型升力。
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中，所述驱动机构包括：安装于翼型叶片(6)内的悬臂梁(2)，其自由端连接于格尼襟翼(4)；设置于翼型叶片(6)内的铰支座(3)，所述悬臂梁的悬臂安装于铰支座；设置于翼型叶片(6)的压电陶瓷晶片(1)，其安装于铰支座与悬臂梁固定端之间的悬臂梁上下表面；所述翼型叶片设置有周期性电场。压电悬臂梁是压电材料应用中最常见的结构形式，具有低功耗、结构简单、无电磁干扰和变形量可观的优点。
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中，所述悬臂梁为金属板，金属板一端固定于翼型叶片前半部分、另一端通过铰支座连接到翼型叶片尾缘处的格尼襟翼上。在周期性电场作用下，悬臂梁弯曲运动也具有周期性，故可通过交替施加相反电场以控制格尼襟翼的位移。
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机还包括：安装于翼型叶片的角度传感器，其连接于周期性电场控制部分。利用角度传感器，监测叶片转过的角度：当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面(压力面)。当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面(压力面)。
本发明的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中，所述悬臂梁(2)自由端设置的格尼襟翼(4)呈T型分布。
本发明还提供了一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机的控制方法，该方法为：当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面；当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面。由于格尼襟翼组件采用主动控制的方式，通过压电悬臂梁驱动格尼襟翼产生位移，使得格尼襟翼在风轮旋转过程中始终保持在翼型压力面上，优化翼型后缘处的流场，增加环量以提高升力，在最大程度上提高这种风力机的风能利用率。
附图说明
图1为带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机叶轮截面图。
图2为格尼襟翼驱动机构示意图。
图3为压电悬臂梁模型示意图。
图4为带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机中PLC组件控制原理图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。
本发明的第一实施方式提供了一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，如图1，其包括翼型叶片6，所述翼型叶片6的尾缘上下表面设置有开槽5。参见图2，所述开槽处设置有格尼襟翼4，所述翼型叶片6内设驱动格尼襟翼4移至翼型叶片上表面或者下表面的驱动机构，该驱动机构通过压电悬臂梁操控格尼襟翼发生位移，保证格尼襟翼在风轮旋转过程中始终处于叶片压力面，达到增加叶片升力，提高风力机风能利用率的目的。
参见图2，布置于翼型叶片内而驱动格尼襟翼的驱动机构包括安装于翼型叶片6内的悬臂梁2，悬臂梁为金属板，金属板一端固定于翼型叶片前半部分、另一端通过铰支座连接到翼型叶片尾缘处的格尼襟翼4上。在周期性电场作用下，悬臂梁弯曲运动也具有周期性，故可通过交替施加相反电场以控制格尼襟翼的位移。由于在翼型叶片6的上下表面设置有压电陶瓷晶片1，该压电陶瓷晶片1安装于铰支座与悬臂梁固定端之间的悬臂梁上下表面，从而构成驱动格尼襟翼的压电悬臂梁，压电悬臂梁是压电材料应用中最常见的结构形式，具有低功耗、结构简单、无电磁干扰和变形量可观的优点。图2中，铰轴垂直穿过悬臂梁，利用杠杆原理使左端悬臂梁发生形变从而撬动右边悬臂梁驱动格尼襟翼，铰支座可安装在1/2悬臂梁位置处。由于压电悬臂梁会根据需要产生相应形变，而为便于将格尼襟翼4根据需要移动至翼型叶片的上表面或者下表面，翼型叶片内部增设铰支座3，铰支座3的铰轴垂直穿过悬臂梁2，从而对压电悬臂梁在翼型叶片内部的运动形成一定约束，在根据产生形变的同时不会再翼型叶片内产生过大的位移而影响格尼襟翼的位置调节，值得一提的是，铰支座3的轴尺寸需要小于悬臂梁的尺寸，以便于铰支座的轴穿过悬臂梁而可以产生杠杆作用。电场采用PLC控制，PLC组件7布置在翼型叶片前缘处(翼型叶片内腔体中)，结构如图2所示，该图示出了PLC组件7，此处的PLC等组件布置于翼型叶片左侧内腔体，由于翼型叶片内部氛围左侧内腔体和右侧内腔体，两个腔体之间的隔断则用于固定压电悬臂梁一端，隔断开口/开孔走线而让左右两个腔体的电性元器件实现电性连接。PLC组件包括PLC、与PLC相连的信号发生器、与信号发生器相连的功率放大器，通过PLC控制信号发生器产生交替电压信号，并经功率放大器放大后施加到悬臂式压电晶片上，从而让压电悬臂梁实现正向或者反向弯曲。
需要指出的是，由于在翼型叶片设置有周期性电场，当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面(压力面)。当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面(压力面)。
针对压电悬臂梁而言，压电双晶片振子由2个PZT片和1个金属基板组成：将PZT片(压电陶瓷晶片)对称粘贴在金属基板的上下表面，上下两层为压电层，中间为基体层。将金属基板的一端固定在翼型前半部分，另一端通过铰支架结构连接到翼型尾缘处的格尼襟翼上。在周期性电场作用下，悬臂梁弯曲运动也具有周期性，故可通过交替施加相反电场以控制格尼襟翼的位移。压电悬臂梁运动模型如附图3所示，悬臂梁在弯曲运动过程中，位置A为平衡位置，位置B和位置C为端部最大位置，X为端部位移幅值。
升力型垂直轴风力机在来流风向恒定的工况下，其翼型的上下表面在旋转过程中会随相位角变化交替作为压力面与吸力面：即上表面在上风区(0°-180°)之间为压力面，在下风区(180°-360°)之间为吸力面；下表面与上表面情况相反。利用角度传感器，可监测叶片转过的角度：当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面，当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面。以此即可满足格尼襟翼始终处于压力面位置，从而增加翼型升力，在最大程度上提高升力型垂直轴风力机的风能利用率。
值得一提的是，翼型叶片上边表面所开槽位于翼型叶片弦长90％处，从而使格尼襟翼可以通过槽缝(开槽5)处从翼型叶片内部伸出，而格尼襟翼4的襟翼高度为1％-2％翼型叶片弦长，格尼襟翼是一种结构简单的增升设计，通过有效地改变翼型后缘的流场，不仅可以增加翼型的弯度效应，同时使接近后缘的气流向下偏转，改变了翼型尾缘库塔条件，增加了环量，从而提高了不同攻角下翼型升力。
由于翼型叶片安装有角度传感器，其连接于周期性电场控制部分，例如PLC等控制模块。利用角度传感器，监测叶片转过的角度：当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面(压力面)。当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面(压力面)。
从图2可以看出，所述悬臂梁2自由端设置的格尼襟翼4大体上呈T型分布，该T型分布的格尼襟翼4与两个开槽5相互配对。
参见图4，该图给出了带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机内的控制原理图，角度传感器连接于PLC，PLC连接于信号发生器，信号发生器连接于功率放大器，功率放大器连接于压电陶瓷晶片。PLC接收来自角度传感器的信号，通过PLC控制信号发生器产生交替电压信号，并经功率放大器放大后施加到悬臂式压电晶片上，当叶片位于上风区时，PLC控制信号发生器产生正向电压信号并经功率放大器放大后施加到压电陶瓷晶片并让悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面(压力面)。当叶片位于下风区时，PLC控制信号发生器产生反向电压信号并经功率放大器放大后施加到压电陶瓷晶片并让悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面(压力面)。
本发明的第二实施方式提供了一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机的控制方法，该方法为：当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面；当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面。由于格尼襟翼组件采用主动控制的方式，通过压电悬臂梁驱动格尼襟翼产生位移，使得格尼襟翼在风轮旋转过程中始终保持在翼型压力面上，优化翼型后缘处的流场，增加环量以提高升力，在最大程度上提高这种风力机的风能利用率。上述控制方法可以借鉴第一实施方式的结构加以实现。
压电悬臂梁是压电材料应用中最常见的结构形式，具有低功耗、结构简单、无电磁干扰和变形量可观的优点，并且结合格尼襟翼这种结构简单的增升设计，通过有效地改变翼型后缘的流场，不仅可以增加翼型的弯度效应，同时使接近后缘的气流向下偏转，改变了翼型尾缘库塔条件，增加了环量，从而提高了不同攻角下翼型升力。
全文略去了对于公知技术的详细描述，例如压电悬臂梁技术。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其包括翼型叶片(6)，其特征在于，所述翼型叶片(6)的尾缘上下表面设置有开槽(5)，所述开槽处设置有格尼襟翼(4)，所述翼型叶片(6)内设驱动格尼襟翼(4)移至翼型叶片上表面或者下表面的驱动机构。
2.根据权利要求1所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，所述翼型叶片上边表面所开槽位于翼型叶片弦长90％处。
3.根据权利要求1或2所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，所述格尼襟翼(4)的襟翼高度为1％-2％翼型叶片弦长。
4.根据权利要求1所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，所述驱动机构包括：
安装于翼型叶片(6)内的悬臂梁(2)，其自由端连接于格尼襟翼(4)；
设置于翼型叶片(6)内的铰支座(3)，所述悬臂梁的悬臂安装于铰支座；
设置于翼型叶片(6)的压电陶瓷晶片(1)，其安装于铰支座与悬臂梁固定端之间的悬臂梁上下表面；
所述翼型叶片设置有周期性电场。
5.根据权利要求4所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，所述悬臂梁为金属板，金属板一端固定于翼型叶片前半部分、另一端通过铰支座连接到翼型叶片尾缘处的格尼襟翼上。
6.根据权利要求4所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，还包括：安装于翼型叶片的角度传感器，其连接于周期性电场控制部分。
7.根据权利要求1所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机，其特征在于，所述悬臂梁(2)自由端设置的格尼襟翼(4)呈T型分布。
8.一种如权利要求1-7任一所述的带摆动式格尼襟翼装置的升力型垂直轴风力机的控制方法，其特征在于，该方法为：
当叶片位于上风区时，施加电场使悬臂梁弯曲控制襟翼移至翼型上表面；
当叶片位于下风区时，施加反向电场使悬臂梁反向弯曲控制襟翼移至翼型下表面。
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