[发明专利]导流式风力机叶片结构

说明书

本发明公开了一种导流式风力机叶片结构，它由叶片、桁架、导风罩、导流槽、喷气口组成。本发明能够利用导流槽、喷气口使来风导流、转向，继而利用气流在风力机叶片尾部建立特定尾流，用以替代扩压式风轮机的扩散器结构，高效利用风力。本发明通过导流槽引导空气湍流的方式提高风能利用系数，具有低转速、低噪音、对鸟类无危害，能够大型化，高风能利用系数等特点。

技术领域

本发明属于风力机领域，涉及一种阻力式风力机叶片结构。具体的说是一种基于流体力学设计的带有导流槽结构的阻力式风力机叶片。其优势在于这种设计的风力机叶片虽然只能获得较低的叶尖速比，但其对风能的利用率相对较高。导流式风力机叶片结构能应用于水平轴风力机或是应用于垂直轴风力机。当其应用于水平轴风力机时，能够在较低叶尖速比前提下获得较高的风能利用率。当其应用于垂直轴风力机时，叶片的正面和反面均设有导流槽结构，能有效解决垂直轴风力机叶轮旋转至下游区域时，叶片在翻转180度角后做负功的问题。

背景技术

风力机设备按照转轴相对位置的不同可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。按照对风力的利用方面进行分类可大致分为阻力式风力机和升力式风力机。

传统风力机领域主要研发方向为水平轴升力式风力机结构。其特征为高叶尖速比，高转速，高风能利用系数。但是，升力式风力机存在一些问题导致他们并不像水力发电、太阳能之类的其他绿色可再生能源那样被所有人接受。升力式风力机对风力环境要求较为苛刻，如果风况不理想，建设风力机很可能入不敷出。而适合安装风力机的地区相对较少，这些区域被称为“风场”。对于“风场”之外的大多数环境，目前主流思想是不宜发展风力机。

同时，高叶尖速比风力机并不像低叶尖速比风力机那样对环境友好。高叶尖速比风力机在运行过程中会产生一定程度的噪音(包含高频噪音和低频噪音)，这导致很多人拒绝在生活区附近安装风力机。并且因为叶轮转速较高，鸟类（尤其是候鸟）在经过这些风力机的叶轮范围时会被叶片杀死。从大量有关风能利用的社会调查文献中可以看到，高转速风力机存在着产生噪音(包含高频噪音和低频噪音)、伤害鸟类、影响生态环境等问题。甚至有一定数量的风力机因此而被停用或拆除^[1][2]。

升力型风力机叶尖速比一般为3至8，而阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至0.6^[3]。也就是说阻力型风力机叶轮转速相对较低。这代表阻力型风机拥有较低的转速、对材料强度要求更低、几乎没有噪音（阻力型风力机运行时产生的声音并不会比等高的树木被风吹时产生的声音分贝数更高）、不会伤害鸟类（低转速风力机叶轮转速较慢，鸟类能够从容躲避风力机叶片）等优势。在风力机领域，阻力型风力机才是真正意义上的绿色环保无污染新能源（噪声污染是国际承认的主要污染之一）。

传统的阻力型风力机主要有平板式阻力型风力机、风杯式阻力型风力机和扩压式风轮机（Diffuser Augmented Wind Turbines简称DAWT）。其中，扩压式风轮机也称为扩散放大器风力机、浓缩风能型风力机、聚能型风力发电装置等。其主要特征为在传统风力机外部安装扩散器（又称导流罩）。它能使风轮下游区域产生负压,形成抽吸作用，由浓缩后的风能驱动叶轮，继而驱动动力装置^[4][5][6][7]。

有资料显示，平板式阻力型垂直轴风力机对风能的利用率约为25%，水平轴风力机（10-100kw）对风能的利用率约为30%-45%。浓缩型风力机能够达到52%（贝兹极限约为59.3%）。贝兹（Betz）理论是当今人类发展风力机技术的基石。贝兹理论认为，当气流通过风轮（理想的风轮）时，因为速度下降，流线必须扩散。利用动量理论，风轮上游和下游的压力不同，但在整个风轮区间上是一个常量。

在贝兹（Betz）理论中，空气被视连续的，不可压缩的理想流体。叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。但实际情况是：空气不但可以被压缩，而且易于被压缩。同时，大部分情况下空气不但不会垂直于叶片扫掠面，而且在大多数自然环境中会产生湍流。