一种全阻流式微风风力机技术制造技术

贝茨定律（Betz' Law），是近代风力发电领域的基础理论，但贝茨定律在推导过程中存在一些谬误；谬误1：贝茨定律假设了“理想风轮”结构，但在理论推导过程中只考虑了气流对理想风轮的作用力，而未考虑理想风轮对气流的反作用力，这导致推导结果与客观事实不符；谬误2：基于伯努利定理可知，流管直径变小则流体流速增加，风力机叶片面积扩大等同于气流流管直径变小，因此风力机叶片面积越大则受叶轮影响的气流流速越快，而贝茨定律在推导过程中并未考虑到理想风轮对气流的流速、流向等造成的影响，因而推导出的结果与客观事实不符；因为上述谬误，本发明专利技术跳出贝茨定律范畴，基于“理想风轮”概念重新设计了一种全阻流式微风风力机技术。概念重新设计了一种全阻流式微风风力机技术。概念重新设计了一种全阻流式微风风力机技术。

【技术实现步骤摘要】
一种全阻流式微风风力机技术


[0001]本专利技术属于流体力学学科，风能利用领域，具体的说是基于贝茨理论中提出的理想风轮概念设计出的一种全阻流式微风风力机技术；本专利技术为一种应用伯努利定理与杠杆效应，利用叶轮迎风面与叶轮背风面的压差阻力加速气流流动，并在理想风轮后方生成扩散式尾流流场，从而带动叶轮旋转并驱动设备做功的技术；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

[0002]风能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在学术界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茨理论（Betz' Law）。
[0003]贝茨理论是由若干条贝茨假设推导而来，但在研究中发现，贝茨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。
[0004]在贝茨理论中提出，假定的理想风力发电机的叶轮结构是由无限多叶片组成的叶轮结构，这种叶轮结构被称为“理想风轮”。如果在现实环境中还原贝茨理论假设的，由无数的叶片组成的风力机叶轮，那么制成的叶轮实际上是一个实心圆盘。在贝茨理论中假定，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。这种假设显然不符合现实环境中的客观自然规律。
[0005]根据牛顿第三运动定律所述，相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。如果将理想风轮与风力（气流）视为两个物体，气流对叶轮施加作用力时，叶轮也必然对气流施加一个方向相反，力量相等的反作用力。很显然，贝茨理论的推导过程中只考虑到了气流对叶轮的作用力，而忽略了叶轮对气流的反作用力。
[0006]参考图1与图2；图1是贝茨理论中假想的风力发电机“理想风轮”气流流场图。
[0007]图2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。
[0008]通过图1与图2的对比可以发现，贝茨理论假想的理想风轮流场环境与现实中的“理想风轮”流场环境是截然不同的。其主要区别在于，贝茨理论假想的理想风轮处于一个“以叶轮直径为边界的流管”的范围内，他忽略了叶轮范围外的气流流场。而理想风轮在现实环境中所能影响到的气流范围应当包含“叶轮范围内和叶轮范围外的两部分流场”。
[0009]事实上，近代流体力学领域对类似“理想风轮”结构的研究非常成熟，但相关研究结果未能运用到风力发电领域。例如王洪伟老师所著的《我所理解的流体力学》（ISBN/ISSN:978-7-118-09847-1）一书，第六章6.7.1节粘性剪切流动中（第169页）就对类似理想风轮的结构在气流（风）中的表现有详细论述。
[0010]在现实环境中，理想风轮实质上相当于一个垂直来流的圆形平板。通过分析可以知道，该圆形平板迎着流体面上的中心处压力等于来流总压。流体被滞止后会沿径向加速流动，压力相应降低，绕过这一平板外沿，并受平板范围外主流带动，再次沿流向流动。基于“平行线的流线压力相等”的概念可知，平板后面流体的压力约等于刚绕过平板的流体压力，由于绕过平板的流体速度会比来流速度更大一些，所以这个压力会小于来流的静压。可见，对于这个平板来说，迎面的压力接近来流总压，背面的压力小于来流静压，由此我们可以判断，作用在平板上的阻力应该稍大于来流的动压与平板面积的乘积（实验证明这种流动中平板阻力是这个值的1.1倍左右）。工程上把这种由压差力造成的阻力称为压差阻力或形状阻力。具体流场标注可以参考书中169页附图所示内容。
[0011]图3为贝茨理论中假定的气流流管范围图（气流流场径向截面图）。
[0012]图4为符合现实环境的理想风轮结构对气流影响范围的气流流管范围图（气流流场径向截面图）。其中，数字100所示区域为叶轮范围内区域（理想风轮范围），数字1所示区域为未受叶轮影响到的气流流场范围区域，数字2所示区域为叶轮范围外的，受到叶轮影响的气流流场区域。
[0013]图4中包含了叶轮范围内和叶轮范围外的气流流场，通过实验可以发现，图4所示流场结构更加符合客观自然规律。
[0014]在后续研究中发现，错误的假定了气流流场范围后，会使贝茨理论在后续推导中的计算结果与现实环境产生误差。尤其是在现实环境中复原了贝茨理论假设的理想风轮后，通过实验测得数值与贝茨理论推导的数值存在差异。
[0015]贝茨理论是基于贝茨假设推导而来，当贝茨假设并不符合客观自然规律时，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。
[0016]实践（实验）是检验真理的唯一标准。在相关文献检索过程中，以“贝茨理论 实验”为关键字进行检索，希望找到有关贝茨理论的实验佐证贝茨理论的推导过程。
[0017]但是很遗憾，从贝茨理论提出到如今已经一个多世纪了，利用搜索引擎只找到大量的贝茨理论的推导过程，却一直无法找到利用实验证实贝茨理论提出的理想风轮概念的相关记录或文献。也就是说，一个世纪以来，在风力发电领域被奉为圭臬的贝茨理论实际上是一条未经过大量实验进行验证的理论。
[0018]近年来，随着风能利用技术的发展，叶素（BEM）理论已经成为风力发电领域的主流理论。
[0019]叶素（BEM）理论是指将风轮叶片沿展向分成的许多微段。叶素理论将风力机桨叶简化为有限个叶素，沿径向叠加而成，因而风轮的三维气动特性可以由叶素的气动特性沿径向积分得到。通过上述内容可以看出，近代风力发电机与贝茨理论一脉相承，其核心概念都只注意到气流（风）对叶轮产生的影响，而忽略了叶轮对气流产生的影响，同时也忽略了叶轮范围外的气流对叶轮的影响。
[0020]基于贝茨理论设计的风力发电机最大的缺陷在于，这种设计对风力环境的要求比较高。当今世界上有很大一部分的陆地地区年平均风速不超过5米每秒，甚至很多地区的风速在一年中80%的时间都3米每秒。此类区域被视为不适宜风力发电技术发展的区域。有专家表示，风速3米每秒的风能的能量密度太低，没有利用价值。但是通过计算可以发现，风能与太阳能一样，作为一种低密度能源，如果得到有效的，合理的利用，同样可以带来巨大的
经济效益。
[0021]已知，风力来流的动压与叶轮面积的乘积可以求出叶轮（理想风轮）所承受的压差阻力。已知，在标准大气压下，每立方米空气重约为1.29公斤。假如叶轮表面积为1平方米，当风速为1米每秒时，叶轮范围内每秒钟就会通过约1.29公斤的空气。风速不变的前提下，叶轮面积提高到2平方米时，叶轮范围内每秒钟就会通过2.58公斤空气。以此类推，叶轮表面积越大，风速越快，风力机叶轮可以获得的动能就越高。
[0022]图5的表格为不同风速，不同叶轮直径情况下，每秒钟通过叶轮范围内的空气总质量（在计算过程中取整数）。
[0023]已知流速（风速），已知流体质量（1.29公斤每本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全阻流式微风风力机技术，其特征在于：以贝茨定律提出的理想风轮概念为基础设计出的一种，以能够完全阻挡叶轮范围内气流的圆形薄片为叶轮主体结构，圆形薄片与风向来流相互垂直，迎风面能够完全阻挡叶轮范围内的气流来流，并在叶轮迎风面生成二次流；在叶轮主体结构的迎风面与叶轮外沿设置若干导流翼片，由导流翼片与叶轮主体组成一个中空凹面结构，由凹面结构捕获来流后，将形成的二次流从导流翼片间隙喷出并形成射流，射流会使叶轮受到反作用力，驱动叶轮旋转；由导流翼片间隙喷出的气流的射流在离心力作用下裹挟叶轮外沿的空气远离叶轮范围，形成扩散式尾流流场；叶轮结构相当于一个流管结构，其迎风面为流管入口，导流翼片之间的缝隙为流管出口，流管出口总面积小于流管入口，则基于伯努利定律可知，利用缩窄流管的方式能够提高流管范围内流体的流速，从而获得更高的气流流速推动导流翼片位移，带动叶轮旋转；所述风力机结构包括：叶轮（100）、中轴（101）、桁架（104）、张拉结构（105）、蒙皮（106）、拉绳（107）、导流翼片（206），其中桁架（104）与叶轮（100）整合为一体结构。2.根据权利要求1所述的一种全阻流式微风风力机技术，其特征在于，导流翼片（206）结构为一种角度可变的翼片结构，当自然界风速较低时，翼片与叶轮相垂直，翼片间隙较窄，气流从较窄间隙中挤出，获得较快流速，风能利用率较高；...

【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：