CN110043423A - 一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其包括安装于发电机的主轴组件，所述主轴组件安装有在风力作用下驱动主轴转动的叶片，所述叶片靠近尾缘的部分为可摆动尾缘部，所述可摆动尾缘部铰接安装于叶片，所述叶片内设压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁的摆动端连接于所述可摆动尾缘部，所述压电悬臂梁结构电连接于控制模块，所述控制模块连接于监测叶片旋转角度的角度传感器。该风力机在满足耗能少的前提下使叶片保持一定弯度，将有效改善其气动特性，增加做功能力。

Description

一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及风能利用装置，尤其涉及一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机。
背景技术
风能是世界上最丰富的可再生能源之一，它取之不尽，用之不竭，并且是清洁能源，使用过程中不会对环境造成大的污染。凭借自身优势，风能利用越来越受到人们的重视。风力发电是目前风能应用最为广泛的形式，根据叶片固定轴的方位，风力发电机可分为水平轴式(横轴)和垂直轴式(竖轴)两类。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机结构简单，切入风速小，转速低，适用的风速范围较广。此外，垂直轴风力机无需对风装置，噪音小，适合安装在城市等空间比较密集的地区。垂直轴式风力机可进一步分为升力型与阻力型两种，尽管升力型垂直轴风力机的风能利用率普遍高于阻力型垂直轴风力机，但目前仍远低于水平轴风力机，如何进一步提高风能利用率是这种风力机能否得到广泛应用的关键。
升力型垂直轴风力机叶片的截面形式多为机翼翼型，当有来流时，主要依靠翼型产生的升力而驱动叶轮旋转做功。因此，目前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。
现采用的提高叶片做功性能的主动控制方法普遍需要较大的外部能量输入，因此耗能高，且控制机构复杂，机械加工困难。现有的升力型垂直轴风力机上应用的叶片翼型多为对称式翼型，但有研究表明：与对称翼型相比，带有弯度的翼型可以在更大攻角范围内维持较高的升阻比。
本发明为一种带有尾缘可摆动叶片的升力型垂直轴风力机：当叶片旋转到上风向时，叶片翼型尾缘向其压力面摆动，使翼型中弧线产生一定弯度；当叶片旋转到下风向时，此时叶片翼型的吸力面与压力面位置发生变化，翼型尾缘再次向压力面方向摆动使翼型中弧线产生一定弯度，在旋转过程中保持不变，如图1所示。这种方法仅驱动叶片尾缘在旋转中发生两次摆动，因此耗能少，使叶片保持一定弯度，将有效改善其气动特性，增加了做功能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其在满足耗能少的前提下使叶片保持一定弯度，将有效改善其气动特性，增加做功能力。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其包括安装于发电机的主轴组件，所述主轴组件安装有在风力作用下驱动主轴转动的叶片(1)，所述叶片(1)靠近尾缘的部分为可摆动尾缘部(3)，所述可摆动尾缘部(3)铰接安装于叶片(1)，所述叶片内设压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁的摆动端连接于所述可摆动尾缘部(3)，所述压电悬臂梁结构电连接于控制模块(4)，所述控制模块连接于监测叶片旋转角度的角度传感器。
与现有技术相比，本发明提供的带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，当叶片旋转到上风向时，叶片翼型尾缘向其压力面摆动，使翼型中弧线产生一定弯度；当叶片旋转到下风向时，此时叶片翼型的吸力面与压力面位置发生变化，翼型尾缘再次向压力面方向摆动使翼型中弧线产生一定弯度，翼型弯度方向在上、下风向半周均保持不变。通过这种方法驱动叶片尾缘，在旋转中仅发生两次摆动，因此耗能少，并且使叶片保持一定弯度，将有效改善其气动特性，从而在最大程度上提高其风能利用率。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述可摆动尾缘部(3)的铰接轴(8)设置于翼型弦线3/4处，让可摆动尾缘部可上下对称摆动，摆动幅度角β＝20°，需要注意的是，铰接轴的轴线与压电悬臂梁结构的金属基板悬臂梁轴线相互垂直且处于同一个水平面。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述可摆动尾缘部沿着铰接结构上下摆动的角度为β，β的取值范围为：20°≥β≥-20°。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述控制模块为PLC，所述PLC连接于信号发生器，所述信号发生器连接于功率放大器，所述功率放大器连接于压电悬臂梁结构。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述可摆动尾缘部(3)朝向压电悬臂梁结构端设置有凹槽，所述压电悬臂梁结构设置有位于凹槽的连接部。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述连接部为位于凹槽中的榫接棒，所述凹槽的槽宽自槽底朝向槽口逐渐变小，槽口宽度逐渐变小的凹槽能够满足连接部的安装需要，榫接棒采用截面为圆形的棒状体。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述主轴组件安装的三个叶片安装位置相位角为120°。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述可摆动尾缘长度为叶片弦长的1/4～1/3。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述叶片内腔体靠近叶片前缘端设置竖向隔板，所述压电悬臂梁结构安装于所述竖向隔板处。
本发明的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机中，所述竖向隔板左侧的叶片内腔体安装有控制模块(4)，所述竖向隔板设置有走线开孔。
本发明中，通过对翼型应用动尾缘(即前文提到的可摆动尾缘)，当动尾缘上下摆动时，相当于增加了翼型的几何弦长及弯度效应，增大了环量，从而提高了翼型在给定攻角下的升力。
附图说明
图1为带有弯度的可动尾缘翼型应用在垂直轴风力机上的示意图。
图2为可动尾缘驱动机构示意图。
图3为PLC组件控制流程框图。
图4为压电悬臂梁模型示意图。
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。
本发明的实施例提供了一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，参见图1，其包括安装于发电机的主轴组件，所述主轴组件安装有在风力作用下驱动主轴转动的叶片1，所述叶片1靠近尾缘的部分为可摆动尾缘部3，所述可摆动尾缘部3铰接安装于叶片1，所述叶片内设压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁的摆动端连接于所述可摆动尾缘部3，所述压电悬臂梁结构电连接于控制模块4，所述控制模块连接于监测叶片旋转角度的角度传感器，当叶片旋转到180°时，角度传感器信号触发控制模块，使叶片尾部产生向其压力面一侧的摆动，并维持这个摆动角度继续旋转。当旋转到360°时，角度传感器信号再次触发控制模块，使叶片尾部向相反方向摆动，开始另一个旋转周期(如图1所示)。
参见图2，可摆动尾缘部3铰接安装于叶片1，在叶片右侧设置有开口，可摆动尾缘部安装于该开口处，所述可摆动尾缘部3的铰接轴8设置于翼型弦线3/4处，可摆动尾缘部3可上下对称摆动，摆动幅度角β＝20°，可摆动尾缘部初始位置时，可摆动尾缘部的轴线与金属基板悬臂梁6的轴线重合(该两轴线位于翼型弦线上)，本实施例中叶片采用对称翼型。可摆动尾缘部的表面包括但不仅限于图2所示的直线型结构，也可以采用与叶片相同的流线型结构，在图2中，可摆动尾缘部3露出叶片内腔的部分大体上截面为三角形，而可摆动尾缘部位于叶片内腔的部分采用高度(图2的上下方向)逐渐变小的结构，铰接轴则位于截面为三角形的主尾缘部和高度逐渐变小的内安装部的相邻位置，凹槽则位于可摆动尾缘部位于叶片内腔的内安装部上，凹槽的槽宽(图2所示的上下方向)则由槽底朝向槽口逐渐变小，缩口的凹槽结构方便榫接棒的装配好的后期的运动。
参见图3，所述控制模块为可编程逻辑控制器(PLC)组件，所述PLC连接于信号发生器，所述信号发生器连接于功率放大器，所述功率放大器连接于压电悬臂梁结构。PLC系统控制信号发生器使其发出电信号，经功率放大器放大后在悬臂式压电晶片上施加周期性电场，PLC组件的控制流程图如图3所示。在电场作用下，悬臂梁弯曲使得榫接棒下压撬动尾缘向上摆动，施加反向电场则可控制尾缘反向摆动。
压电悬臂梁属于公知现有技术，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。在图4中给出了压电悬臂梁模型，压电悬臂梁中，压电双晶片振子由4个PZT片5和1个金属基板悬臂梁6组成：将PZT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。将金属基板悬臂梁的一端固定在翼型主体前半部分，另一端连接一根榫接棒嵌入到动尾缘前部凹槽中。从图2可以看出，所述可摆动尾缘部3朝向压电悬臂梁结构端设置有凹槽，所述压电悬臂梁结构设置有位于凹槽2的连接部，连接部为位于凹槽中的榫接棒，所述凹槽的槽宽自槽底朝向槽口逐渐变小，槽口宽度逐渐变小的凹槽能够满足连接部的安装需要，榫接棒7采用截面为圆形的棒状体。
继续参见图2，所述叶片内腔体靠近叶片前缘端设置竖向隔板，所述压电悬臂梁结构安装于所述竖向隔板处，竖向隔板左侧的叶片内腔体安装有控制模块4，所述竖向隔板设置有走线开孔。
结合图1可以看出，所述主轴组件安装的三个叶片安装位置相位角为120°。
作为一种选择，所述可摆动尾缘长度为叶片弦长的1/4～1/3。
参见图4，在电场作用下，悬臂梁弯曲使得榫接棒下压撬动尾缘向上摆动，施加反向电场则可控制尾缘反向摆动。压电悬臂梁运动模型如图4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。
本发明的角度传感器分布在各个叶片左侧内腔体中，作用是监测风力机叶片的转过的角度：当叶片旋转经过0位置时，通过PLC系统发出信号施加电场于悬臂梁，使尾缘向翼型上表面转动；当旋转经过180°位置时，施加反向电场使尾缘向翼型下表面转动。尾缘的上下摆动仅通过交替电场控制，不需要监测其具体摆动角度。
本发明的工作原理如下：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交替作为压力面与吸力面：即上表面在上风向区域(0<θ<180°)为压力面，在下风向区域(180<θ<360°)为吸力面；下表面与上表面情况相反，如图1。利用安装于垂直轴风力机的角度传感器，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尾缘移至翼型上表面，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尾缘移至翼型下表面。以此即可满足动尾缘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。
图1中箭头M为尾缘朝向发生变化的方向，而吸力面界定为S，压力面界定为P。
本发明通过可编程逻辑控制器(PLC)施加周期性电场，产生压电效应使悬臂式压电双晶片振子发生周期性弯曲运动，从而使悬臂梁弯曲间接控制动尾缘(可摆动尾缘)的位置，同时配合角度传感器监测叶片转过的角度，当叶片旋转到上风向时，施加电场使悬臂梁弯曲控制尾缘移至翼型上表面，使翼型中弧线产生一定弯度；当叶片旋转到下风向时，施加反向电场使翼型尾缘再次向压力面方向摆动移至翼型下表面。翼型弯度方向在上、下风向半周均保持不变
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 (10)

1.一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其包括安装于发电机的主轴组件，所述主轴组件安装有在风力作用下驱动主轴转动的叶片(1)，其特征在于，所述叶片(1)靠近尾缘的部分为可摆动尾缘部(3)，所述可摆动尾缘部(3)铰接安装于叶片(1)，所述叶片内设压电悬臂梁结构，所述压电悬臂梁的摆动端连接于所述可摆动尾缘部(3)，所述压电悬臂梁结构电连接于控制模块(4)，所述控制模块连接于监测叶片旋转角度的角度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述可摆动尾缘部(3)的铰接轴(8)设置于翼型弦线3/4处。
3.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述可摆动尾缘部沿着铰接结构上下摆动的角度为β，β的取值范围为：20°≥β≥-20°。
4.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述控制模块为PLC，所述PLC连接于信号发生器，所述信号发生器连接于功率放大器，所述功率放大器连接于压电悬臂梁结构。
5.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述可摆动尾缘部(3)朝向压电悬臂梁结构端设置有凹槽，所述压电悬臂梁结构设置有位于凹槽的连接部。
6.根据权利要求5所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述连接部为位于凹槽中的榫接棒，所述凹槽的槽宽自槽底朝向槽口逐渐变小。
7.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述主轴组件安装的三个叶片安装位置相位角为120°。
8.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述可摆动尾缘长度为叶片弦长的1/4～1/3。
9.根据权利要求1所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述叶片内腔体靠近叶片前缘端设置竖向隔板，所述压电悬臂梁结构安装于所述竖向隔板处。
10.根据权利要求9所述的一种带可动尾缘叶片的新型垂直轴风力机，其特征在于，所述竖向隔板左侧的叶片内腔体安装有控制模块(4)，所述竖向隔板设置有走线开孔。
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