[发明专利]提高垂直轴风力机性能的被动喷气方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过被动喷气方法提高其性能的垂直轴风力机，确切地说 是在垂直轴风力机的某部件或叶片上的适当位置和方向产生喷气推力以提高风 力机的气动性能的方法，属于风力机设计、制造和应用领域。

背景技术

风能是洁净的可再生能源中最有前途、最现实、发展最快且相对成熟的一 个。作为利用风能的风力机，制约其发展的主要因素是风电的成本和售价居高 不下。因此，就风能利用的出路而言，显著提高风力机的功率系数是大幅度降 低风力发电成本的最根本、最有效的措施。

一直以来，市场上风力机的主导机型为水平轴风力机(HAWT)，其技术已经 相当成熟，要在此基础上再进一步显著提高风力机的性能是十分困难的。一般 来说，水平轴风力机的功率系数Cp值只能达到贝兹极限(0.593)的80％，即 0.45～0.50左右，而目前报道的垂直轴风力机的Cp值一般还要低10～15％， 这也许就是人们更青睐水平轴风力机的原因。垂直轴风力机的主要缺点是自启 动性能差及空气动力学性能较低。至于改善垂直轴风力机的自启动性能问题， 人们进行了大量研究，如采用变桨距技术、采用带弯度的翼型或采用可变叶片 形状，如襟翼技术等，已经基本解决了这个问题；而提高其性能的问题人们也 已经进行了许多研究，但比起水平轴风力机的研究要少得多。1992年报道Sandia 34m垂直轴风力机的实验Cp值达到0.409，这已经与水平轴风力机的性能相差 不多了。而只是在近几年，由于垂直轴风力机(VAWT)本身相对于水平轴的诸多 优势，人们开始对其进行较深入的研究，特别是在西欧和美国，目前生产的垂 直轴风力机主要是中、小机型。

尽管水平轴风力机仍是目前市场上的主流机型，占有市场95％的份额，但 是垂直轴风力机与其相比，有着突出的优势，主要是由于结构相对简单(如没 有对风机构等)及叶片制造和维修等比较容易而带来的低成本优势。可以预料， 垂直轴风力机在性能上且不说超越，只要可以与水平轴风力机性能相当，则可 能拥有与水平轴风力机争夺市场的竞争力！因此是否能够显著提高垂直轴风力 机的性能就成为这种可能能否实现的关键。

近年来，改善垂直轴风力机性能的新技术不断出现。由于垂直轴风力机在 一周的旋转中，翼型的攻角随时在变化，时大时小，时正时负，故而当初人们 就认定了对称翼型，并逐渐发展成为一种习惯，且一直沿用至今。但是所有对 称翼型的空气动力学性能(升阻比)都很低，因此极大限制了垂直轴风力机的 气动性能的提高，这也许就是垂直轴风力机性能所以较低的重要原因。近年来 人们开始关注具有良好性能的带弯度翼型在垂直轴风力机中的应用；有人对 NACA0018和同等厚度的NACA-4位数翼型，如NACA2418，NACA4418和NACA6418 以及同等厚度的NACA6-系列翼型进行了比较研究，发现带弯度的翼型都明显提 高了风力机的气动性能，其提高幅度在10％以上。

另外，1980年，Migliore等提出了虚拟弯度的概念，即垂直轴风力机的叶 片在圆形轨迹上运行，因为叶片旋转产生的“头风(headwind)”是在圆弧轨迹 的切线方向，而不是传统假设的与翼型弦线平行的方向。一项美国专利 (US20080256795A1)指出，翼型的中弧线应该与其旋转时转过的圆形轨迹重合， 这样才能体现它的真实攻角，性能才会更好。该专利还给出了其研究结果，指 出按照这种概念进行翼型改造的风力机比对应的NACA0021翼型原型风力机的输 出功率最大提高57.1％，而在整个工作风速范围内平均提高31.9％！

也有如水平轴风力机一样，在垂直轴风力机外面加上先收缩而后扩张的扩 散器而明显提高风力机的输出功率，这实际上是提高了流过风力机的风速；但 是这增加了整个系统的复杂性和重量，而且很难调整风力机使其对风，因而对 于大型风力机使用价值不大。当然，在翼型的吸力面适当位置加漩涡发生器 (V.G.)也可以提高风力机的性能。