[发明专利]提高阻力型垂直轴风力机性能的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种阻力型垂直轴风力机，确切地说是在通常的阻力型垂直轴风力机的逆风侧，通过安装适当的装置，使得减小在转子叶片的逆风侧产生的阻力，以提高风力机的气动性能，属于风力机设计、制造和应用领域。

背景技术

风能是新能源中最有前途、发展最快且相对成熟的一个，但制约风能开发利用的关键因素是风电的成本和售价居高不下。降低风电成本的主要方法一是显著提高风力机的功率系数，从而提高风力机的年发电量；一是千方百计地降低风力机(整机和零部件)的制造和维护成本。

目前风力机的主导机型是水平轴风力机，约占95％以上的市场，其技术已经相当成熟，一般来说，目前水平轴风力机的功率系数Cp值可达到理想情况下贝兹极限(0.593)的80％，即0.45～0.50左右，要在此基础上再进一步提高风力机的性能是十分困难的。与贝兹极限类似，已经有人研究了垂直轴风力机功率系数的理论极限，称其为0.64，因为其叶片在上风区和下风区分别与风有二次相互作用的机会，从而超过了贝兹极限的0.593！然而目前报道的垂直轴风力机的Cp值一般比水平轴要低，这主要是因为垂直轴风力机的空气动力学比水平轴要复杂得多，因此人们对于垂直轴风力机的研究相对也要少得多的缘故。不过与水平轴风力机相比，垂直轴风力机却有着突出的优势，主要是结构简单、成本低，垂直轴风力机无需对风装置，因而制造和维护成本将进一步大幅度下降。

垂直轴风力机有两大类，一是升力型风力机，如Darrieus风力机，另一个就是阻力型风力机，如Savonius型风力机。然而升力型垂直轴风力机有两大缺点限制了其应用，一是其空气动力性能较低，再一个“致命”的缺点就是没有“自启动能力”了。但是阻力型风力机天然具有良好的“自启动能力”；如果采用这种阻力型风力机，就只需解决空气动力性能低的一个问题就行了。但是遗憾的是，已经有理论证明，传统的风杯式S型风力机的理论最大Cp值只有0.19，比水平轴风力机的贝兹极限0.593要低得多！

阻力型风力机的Cp值如此低的主要原因是：风力机运行时在逆风侧遭遇了巨大的阻力；为了减小这个阻力，人们在逆风侧的上游装上挡风装置或挡风板，产生了很好的效果；后来TMA公司又在风力机转子的外围安装了“导向叶片”，不仅在一定程度上加大了顺风侧的风速，又遮挡了逆风侧的气流，而且使其在逆风侧的叶片背部产生了一定的负压，这明显减少了风力机的阻力，大大提高了其功率系数，资料说其Cp值实验达到了0.50！并且声称对于1MW这种型式的风力机比同样功率的水平轴风力机的尺寸几乎可望减少一半！

实际上，升力型风力机所以有较高的效率，在于它利用的是叶片的升力，即叶片压力面与吸力面上的压力差，或压力能；而阻力型则是直接利用风的动能。从伯努利方程，例如利用速度为6.7m/s的气流滞止所能产生的压力升只不过30pa，而将叶片逆风侧的气流加速到13m/s产生的负压即可达到100pa！这一点，有着操纵船帆经验的海员都有深刻的体会。利用压力能比起直接利用动能的潜力要大得多，充分利用风的压力差产生升力是提高阻力型风力机效率的根本途径！

另外，升力型垂直轴风力机一般仍有较高的尖速比(3～5)，其叶片的切线速度一般可达40～50m/s；而阻力型的尖速比则最大为1，这就是说，阻力型风力机的叶片最大切线速度不可能超过风速，所以它可以在强风中工作，这正是阻力型风力机的最大优点，同时由此产生的低噪声也带来其另一大优点。一般来说，尽管各种风力机的启动风速各不相同，但截止风速却一般都是25m/s；而风能大小与风速的3次方成正比，这就是说，我们仅仅利用了较低风速的能量，而不得不放弃高风时的可观的风能，这对于如甘肃、新疆等大风区和海上的多风区来说无疑是一种极大的浪费！因此如果能有效地提高其功率系数，则毫无疑问，在大风区采用阻力型垂直轴风力机将是未来市场的唯一明智的选择！

阻力型垂直轴风力机提高性能后，作为小型机，即低噪声产品，将成为城市楼顶及其它离网型应用的最佳选择；由于整机重心很低，更适于放大成多兆瓦大型机，则将在多风区及海上风场成为性价比更高的优选机型；而在大风区(特别是在风速25m/s以上多发的大风区)，例如新疆、甘肃的百里风区等，该机种将是能够高效、可靠工作的唯一选择！可以预料，垂直轴风力机在性能上且不说超越，只要能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！

发明内容

本发明的目的是通过一种方法和装置将升力型风力机的工作机理引入阻力型垂直轴风力机中，从而减小运转阻力，提高其转动力矩，以显著提高阻力型垂直轴风力机的功率系数或输出功率。