一种水平轴尾流扩散式风力机技术制造技术

本发明专利技术提供了“一种水平轴尾流扩散式风力机技术”的相关原理以及技术解决方案；贝茨定律（Betz' Law）是风力发电领域的基础理论，但在公知文献中，只有贝兹理论的推导过程，没有任何实验验证过贝兹理论假定的“理想风轮”在现实环境中的具体数据；贝兹理论极限值为59.3%，但是通过具体实验发现，现实环境中实际测量的数据结果与贝兹理论不符；如附图所示，理想风轮在贝茨定律中假定的流场与现实环境中气流流场的表现截然不同；为了降低风力机的启动风速，为了提高风力机的风能利用率，基于牛顿第二定律完成了本发明专利技术；通过具体实验发现，本发明专利技术极大的降低了风力机的启动风速，提高了风力机的风能利用率。

A horizontal axial-wake diffusion wind turbine technology

【技术实现步骤摘要】
一种水平轴尾流扩散式风力机技术
本专利技术属于风能利用领域，具体的说是一种利用特殊设计的阻力式风力机叶轮结构生成扩散式尾流流场，利用叶轮前方与叶轮后方的气压压差加速气流流动，进而驱动叶轮旋转后带动设备做功的技术。风力机是指包含风力发电、风力提水、风力研磨、风力驱动水体增氧、风力驱动压缩机等诸多直接或间接利用风能的相关技术。
技术介绍
风力发电技术是一种绿色环保可再生的新能源技术。在当今世界上，只要提到风力发电，几乎所有人的脑中都会浮现出由3个细长叶片组成的风力发电机结构。这种由3个细长叶片组成的风力发电机被称之为水平轴升力式风力发电机，他的设计理论基础源自贝兹理论（Betz'Law）。贝兹理论是由若干条贝兹假设推导而来，但在研究中发现，贝兹假设中的多项假设并不符合现实环境中的客观自然规律，甚至与事实相悖。在贝兹理论中，叶轮范围内被视为一个拥有边界的流管，而现实中的风力机叶轮处于一个开放式的环境。贝兹理论仅注意到叶轮范围内的气流，而忽略了叶轮范围外的气流对风力机的影响。在贝兹理论中假设，风力发电机的理想叶轮是由无限多的叶片组成的。那么在现实环境中就代表贝兹理论假设的风力发电机叶轮（理想风轮）实际上是一个实心圆盘。在贝兹理论中假定，这个实心圆盘不会对风力（气流）产生阻力，气流会穿过这个实心圆盘，然后把一部分动能留在圆盘上用来驱动圆盘旋转。但是，现实环境中，如果叶轮是实心圆盘，那么必然会阻挡气流的前进方向，导致风向和风力发生变化。参考附图01与附图02；附图01是贝兹理论中假想的风力发电机“理想风轮”气流流场图；附图02是在现实环境中模拟“理想风轮”结构制成的风力发电机叶轮气流流场图。通过附图01与附图02的对比可以发现，贝兹理论假设的理想风轮与现实环境中的“理想风轮”在自然环境下会表现出截然不同的结果，因此可以证明贝兹理论不符合现实环境客观自然规律。贝兹理论最主要的谬误就是忽略了风力发电机叶片对气流产生的阻力，以及阻力对气流所造成的影响。如果风力发电机叶轮结构符合贝兹理论中提出的理想风轮结构，那么气流流场必然如附图02中所示，从叶轮外侧绕行。在后续实验中发现，错误的假定了气流流场后，会使风力发电机叶轮在后续表现中的计算结果会产生巨大的误差。尤其是在现实环境中复原了贝兹理论假设的理想风轮后，通过实验测得数据与贝兹理论推导的数据存在巨大差异。贝兹理论是基于贝兹假设推导而来，但是当贝兹假设并不符合客观自然规律时，或者说不符合现实环境时，由不符合客观自然规律的假设推导出来的结论必然无法得出符合客观现实规律的正确结果。当今世界上常见的小三叶风力发电机（水平轴升力式风力发电机）实际上是现实风力环境与贝兹理论之间的妥协的结果。或者说，是为了让风力发电机符合贝兹理论，将风力发电机叶轮削足适履，改造成一种能够符合贝兹理论的结构。其主要目的为“保证气流在在通过叶轮过程中不被叶轮阻挡”，防止当叶轮高速旋转时，前方叶片的扰流影响到后方叶片。实践（实验）是检验真理的唯一标准。在知网中，以“贝兹理论实验”为关键字进行检索，希望找到有关贝兹理论的实验佐证贝兹理论的推导过程。但是很遗憾，从贝兹理论提出到如今已经一个世纪了，利用搜索引擎只找到大量的贝兹理论的推导过程，却一直无法找到利用实验证实贝兹理论的记录或文献。也就是说，一个世纪以来，在风力发电领域被奉为圭臬的贝兹理论实际上是一条未经过大量实验进行验证的定理。为了验证贝兹理论的真实性和可靠性，特此设计了一次实验。由于贝兹理论假定的理想风轮在现实中表现为一个实心圆盘，其结构不利于对风能的利用，于是特此设计了如附图03中所示的叶轮结构。附图03是叶轮正面照，附图04、05是叶轮侧面照。本实验所设计的叶轮结构直径1米，由8片大叶片组成（附图03），从正面视图中可以看到，整个叶轮范围内气流会完全被遮挡，假定这个叶轮为贝兹理论中的理想风轮。在贝兹理论中提及，基于牛顿第二定律，叶轮吸收的能量总量为V，叶轮前方的气流流速为进入风速v1，叶轮后方的气流流速为残余风速v2，用进入风速v1减去残余v2得到的结果就是风力发电机叶轮吸收的气流动能V。利用手持式风速计可以直接测量得出进入风速v1和残余风速v2的具体数值。用v1减去v2，可以得出风力发电机叶轮吸收了多少气流动能V的具体数值。用V除以v2能够得出风力发电机叶轮的风能利用率。如下表所示，在不同风级情况下，本实验所采用的大叶片风力发电机（理想风轮）的风速测量结果。自然环境下风速进入风速V1残余风速V2叶轮吸收风能V风能利用率风速1.5米每秒1.5米每秒0.0米每秒1.5米每秒100%风速2.5米每秒2.5米每秒0.1米每秒2.4米每秒96%风速3.5米每秒3.5米每秒0.2米每秒3.3米每秒94%风速4.5米每秒4.5米每秒0.4米每秒4.1米每秒91%注：因为自然风力的不稳定性，具体测量数据存在一定波动，上述数据为多次实测结果的均值。通过上述实验测得实际数据可以计算出，附图03中的大叶片风力发电机的风能利用率高于贝兹理论提出的风能利用率极值59.3%，虽然测量结果可能存在一定误差，但差值大于30%已经不是简单一句误差所能解释的了。因此本实验可得出结论：基于贝兹理论设计的水平轴升力式风力发电机（小三叶风力发电机）叶轮结构与大叶片风力发电机叶轮结构在风能利用率上存在巨大差异。大叶片风力发电机叶轮拥有更大的发展潜力。名词解释叶轮：水平轴风力发电机是一种成熟的风能利用设备，其特征为由若干叶片组成的一轮状结构。本专利技术为水平轴阻力式风力机，风力机由若干叶片组成一叶轮。在本专利技术中，叶轮根据风力机具体情况选择不同设计。具体设计方案有1：由若干固定叶片组合成叶轮结构。2：由一体成型碟型叶片组成叶轮结构。3：由角度可变叶片组合成叶轮结构。叶轮的前方与后方：“对风”功能是风力机的基本功能，当今水平轴风力机技术绝大多数都拥有对风功能。在风力机领域，水平轴风力机在工作时，气流垂直于叶轮旋转平面。此时，风力来向为叶轮的前方。风力穿过或绕过叶轮后，背离叶轮的方向为叶轮后方。叶轮旋转方向：在风力发电领域往往采用风力驱动叶轮旋转，再由叶轮驱动发电机进行发电的方式。大多数情况下叶轮采用顺时针（或逆时针）旋转。在叶轮旋转过程中，叶片前进方向为前方，反向则为后方。叶轮内外：在本专利技术中，叶轮是一碟状结构。碟状结构的中心点（圆心）为叶轮中心，叶轮的最大周长线为叶轮外延。叶轮的正面与背面：在本专利技术中，叶轮的迎风面为正面，叶轮的背风面为背面。叶片首端与末端：在本专利技术中，叶轮由若干叶片组成。靠近叶轮中心部分为叶片首端，靠近叶轮外延部分为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平轴尾流扩散式风力机技术，其特征在于：/n一种水平轴阻力式风力机结构，其利用叶轮阻碍自然环境中气流（风力）的正常移动轨迹，使气流本身携带的动能转移到叶轮表面；/n当气流撞击叶轮正面后，根据牛顿第二定律，气流受叶轮影响失去动能，叶轮受气流影响得到动能；/n在开放的自然环境中，当叶轮局部阻碍气流正常前进路径后，叶轮前方（迎风面）气压会上升，叶轮后方（背风面）气压会下降，这会导致叶轮前方与叶轮后方产生气压压差；/n在气压压差作用下，叶轮前方的空气会绕过叶轮或叶片结构，并将自身动能转移到叶轮以及叶片结构上，从而产生二类气流；/n叶轮范围外的气流（一类气流）并未直接受到叶轮影响，正常前行，当这些未受叶轮影响的一类气流接触二类气流时，二类气流会受上述一类气流裹挟并继续前进，形成三类气流；/n为了在叶轮后方形成稳定的负压气流流场，叶轮与风向相垂直；/n未受叶轮影响的叶轮范围外的一类气流与二类气流相接触后产生混流，这些混流裹挟并带走二类气流，叶轮结构以扩大尾流流场范围、增加尾流流速为主要目的；/n所述风力机包括：叶轮（100）、中轴（101）、驱动装置（102）、锁定结构（103）、固定架（104）、叶片（200）、喷气口（201）螺旋形渐开线导流槽（205）。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水平轴尾流扩散式风力机技术，其特征在于：
一种水平轴阻力式风力机结构，其利用叶轮阻碍自然环境中气流（风力）的正常移动轨迹，使气流本身携带的动能转移到叶轮表面；
当气流撞击叶轮正面后，根据牛顿第二定律，气流受叶轮影响失去动能，叶轮受气流影响得到动能；
在开放的自然环境中，当叶轮局部阻碍气流正常前进路径后，叶轮前方（迎风面）气压会上升，叶轮后方（背风面）气压会下降，这会导致叶轮前方与叶轮后方产生气压压差；
在气压压差作用下，叶轮前方的空气会绕过叶轮或叶片结构，并将自身动能转移到叶轮以及叶片结构上，从而产生二类气流；
叶轮范围外的气流（一类气流）并未直接受到叶轮影响，正常前行，当这些未受叶轮影响的一类气流接触二类气流时，二类气流会受上述一类气流裹挟并继续前进，形成三类气流；
为了在叶轮后方形成稳定的负压气流流场，叶轮与风向相垂直；
未受叶轮影响的叶轮范围外的一类气流与二类气流相接触后产生混流，这些混流裹挟并带走二类气流，叶轮结构以扩大尾流流场范围、增加尾流流速为主要目的；
所述风力机包括：叶轮（100）、中轴（101）、驱动装置（102）、锁定结构（103）、固定架（104）、叶片（200）、喷气口（201）螺...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏，
申请(专利权)人：郭鹏，
类型：发明
国别省市：北京;11