[发明专利]一种垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略

说明书

本发明涉及一种基于马格纳斯效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机圆柱转子叶片的变速驱动控制策略。风力机由环形轨道、轨道小车、圆柱转子叶片、发电车轮及相应的配套设施组成。风场中，圆柱转子叶片受可变频控制的电动机驱动旋转，其上产生的马格纳斯效应生成垂直于圆柱转子的升力和与相对风速反向的阻力；转子叶片须在环形轨道上、下风口的两结合点各改变一次转动方向方能使其升力驱动轨道小车沿轨道连续运动；叶片升力与转子转速成正比，但存在升力极限；升力对驱动风力机的效益与叶片方位角有余弦函数关系。据此，对转子叶片提出变速驱动控制策略，采用余弦变频函数延长转子加速区间，减低转子换向驱动的能量消耗，克服叶片自身能耗过大的缺陷。

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种依靠马格纳斯(Magnus)效应力驱动的轮轨式垂直轴风力机，其圆柱转子叶片的变速驱动控制策略。

背景技术

在风力发电技术的发展历史上，出现过一种基于马格纳斯(Magnus)效应的垂直轴升力型风力机(图1所示)，其产生升力的动力叶片是装载在轨道小车上的旋转圆柱(转子叶片)。小车被安放在环形轨道上，当来风吹向圆柱时，旋转圆柱上产生马格纳斯效应，即在圆柱的一侧，风流动的方向与圆柱面的运动方向相同，另一侧则相反，诱发的绕旋转圆柱的环流将产生垂直于风流动方向的升力(以下简称马格纳斯力或升力，方向指向上述风力与圆柱面运动方向相同一侧)，和与来流方向相反的阻力。马格纳斯力驱动车辆在环形轨道上持续运行，车轮连接发电机发电。

该技术方案是美国工程师Julius D.Madaras 1933年构想，并建造了大型实验方案，其中的旋转圆柱被称为马达拉斯(Madaras)转子(以下简称圆柱叶片、转子或转子叶片)。

该风力发电装置并没有取得大规模发电的效果，原因在于其机械的复杂性：首先圆柱叶片需要靠外界输入能量(电动机带动)形成圆柱转子转动才能产生马格纳斯力；为了驱动小车在环形轨道上连续同向圆周运动，垂直于地面的(垂直轴)圆柱转子必须在每一个上风口轨道圆弧与下风口轨道圆弧的结合点改变一次旋转方向，以使其上产生的升力相应换向；要获得有利的空气动力特性，圆柱转子需要有足够大旋转速度，而圆柱转子的转动惯量较大，换向时，圆柱转子需要反向启动，要配置足够大的驱动电动机和变速器以及自动换向机构协同工作，因此其机械结构复杂庞大且机械效率低，转子达到预定转速需要消耗的能量也较大。在当时的技术条件下，改变圆柱转子的转速和转向只能借助复杂的机械系统实现，机械损失过大。同样由于换向困难以及其它配套技术的影响，转子转速的提高受到很大限制，其转子的空气动力特性得不到充分发挥，致使该种风力机的运行效率不如发展迅速的水平轴风力机高，最终被放弃研究。

水平轴风力机技术逐渐成熟，日益向大型化方向发展的同时，也暴露出了不少自身很难克服的固有技术瓶颈，如建造和运营成本难以大幅下降，上网电价在无政府补贴的情况下没有竞争优势等，垂直轴风力机重新受到研究人员的重视。

随后的相关研究发现，流场中旋转圆柱上产生的马格纳斯力不仅取决于转子的转速，还与流场中的风速有关。在外界风速变化后，转子所能产生的最大马格纳斯力所对应的转子转速也发生变化，只要转子转速达到现场风速下能够获得其马格纳斯力最大值后，不必在任何风速情况下都使转子运行在最高转速；

转子上产生的马格纳斯力和转子风阻的反作用力的合力，驱动小车在环形轨道上运行，转子在环形轨道上的方位不同，上述合力对环形轨道中心产生的转矩就不同，也就是说马格纳斯力对驱动环形轨道上车辆的效益是随着车辆在轨道上的实际位置变化而变化的，而在马格纳斯力驱动效益比较低的区域，让转子产生出最大的马格纳斯力意义不大。

可以利用上述这项技术特点，随着驱动效益的提高合理安排转子的加速区间和加速曲线，以达到转子驱动能量消耗、风力机机械能获取的最佳匹配，在提高风能利用率的同时，降低对转子驱动部位的机械系统复杂性要求。