垂直轴风力机使用等离子技术提高风能利用的方法
阅读：649发布：2020-11-09
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垂直轴风力机使用等离子技术提高风能利用的方法
[0002] 背景技术：随着环境和能源问题日益突出，可再生能源的开发和利用得到世界各国的重视。风能在可再生能源的利用中占有很大的比例，风力发电作为对风能利用的主要形式受到越来越多的重视。现代用于并网运行的大型风力发电机组，大多为水平轴风力发电机组，并且技术已经很成熟。但风能的最早利用形式就是垂直轴风车，但是垂直轴风力发电机出现较晚。主要是由于人们普遍认为垂直轴风力发电机的风能利用率低于水平轴，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。随着升力型风轮技术的发展，使得垂直轴风力发电机的风能利用率不再低于水平轴，并且与水平轴风力发电机相比，其具有维护方便，叶片设计制造简单，造价低，不需要对风装置等优点。
[0003] 目前风力机叶片阻力有两个来源：一是由于流体与物体表面摩擦所产生的剪应力，另一是物体表面非对称压强分布所产生的压差阻力。如果是无粘流，物体前后受到的压力总的作用是相等的，因此不存在压差阻力。实际中，边界层的作用类似于减小了流动通道(或可理解为增加了物体的等效厚度)，使物体后部压力比无粘流时小，形成压差阻力。当流动发生分离时，分离区速度很小，从分离点开始，压力基本不变。分离将在物体的后部形成分离区和尾流，它们都是低压区，将导致很强的压差阻力(分离阻力)。因此，为了使阻力减小就应把边界层的发展控制在最小的限度内，并设法防止发生分离。流线型的采用和扩压器最适宜的扩散角的选择等，都是建立在这个观点上的，特别是在翼型的设计中更是如此。例如把机翼最厚的位置向后挪动，使机翼吸力面的压力梯度尽可能地变小，这时边界层会更加稳定，且容易保持层流。层流边界层的壁面剪切应力较湍流的小，所以形成了阻力比较小的翼型(层流翼型)。上述方法是通过对边界层以外的主流流动控制来防止边界层发展和分离。与此相反，不改变主流状态而通过直接改变边界层性质来实现流动分离控制是可以实现的。
[0004] 等离子体流动控制是指通过向流场施加等离子体激励，注入能量，形成可控扰动，改变流动状态的技术。等离子体通过诱导近壁面流动向边界层注入能量，增强边界层抵抗失速分离的能力。同时等离子体也改变了边界层流体的热力学特性。通过这两方面的综合作用，能有效地抑制边界层增长和流动分离，减小阻力和流动损失。
[0005] 目前垂直轴风力机有三种利用风能的形式：1)升力型，是目前应用比较广的，因为可以有更高的风能利用系数；2)阻力型，尖速比较小，但容易起动；3)升阻混合型，该种组合是结合了以上两种的弊端，取其优点，但在大的尖速比下，阻力单元会成为整个风机的阻力。因此升力型在垂直轴风力机上的应用发展是很有潜力的。
[0006] 发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种垂直轴风力机使用等离子技术提高风能利用的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：垂直轴风力机使用等离子技术提高风能利用的方法，该方法实现步骤为：在垂直轴风力机叶片上粘贴等离子电极负极，在叶片内部埋藏等离子电极正极；垂直轴风力机叶片与风力机水平连接杆连接，连接杆与旋转轴相连，等离子电极正极和负极通过引电器与外界等离子激励电源连接。
[0008] 本发明采用等离子技术控制风力机叶片气流分离，延迟气流在叶片上的做功时间，增大叶片作正功角度；同时减小了叶片分离阻力，大大提高了叶片升阻比，具有降低风机启动风速，提高风能利用系数等优点。附图说明：
[0009] 图1是本发明的结构示意图。
[0010] 图2是风力机单片叶片的结构示意图。具体实施方式：
[0011] 下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的一个具体实施例。
[0012] 如图1和图2所示，查取翼型手册，选取对称翼型0018为实验翼型，为防止金属与电极放电，叶片1采用木质制成。在叶片1距前缘位置12mm上设计预留埋藏电极凹槽，粘贴等离子电极正极3，在叶片1表面距前缘位置8mm粘接等离子电极负极2。两个电极大小相同、平行设置，间距为4mm，两个电极间的高度差为2mm。粘贴中注意电极边缘与叶片1相切不要扰乱气流，造成气流的提前分离。最好不要改变翼型原有的气动外形。风机实验装置采用四片叶片，周向均匀布置，叶片1上有与连接杆5连接的螺栓孔，使用螺栓4与连接杆5相连，连接杆通过螺栓与安装盘6相连接，组成一个风机框架。风机框架的安装盘6内有通孔，套在旋转轴7上，使用顶丝与轴固定。在轴的凹槽内铺设高压绝缘线8到放电电极，连接到每一个叶片，绝缘线与套在轴上的引电器9连接。等离子电极正极3和负极2通过引电器9与外界等离子激励电源连接。最后连接外部实验仪器进行实验。在所述的风机安装支撑上有线槽以便电极通电放电使用。在旋转轴上利用引电器9作为电源的输入接口，用以在旋转的轴上提供连续不断的电源。
[0013] 工作原理
[0015] 不对称介质阻挡放电可以诱导流体定向流动。因为电极的不对称性造成电场线的弯曲，在电极的边缘处，电场强度是最大，离此区域越远时，电场强度的也就越小。在外加电场的作用下，离子和电子分别朝不同的方向运动。由于电子非常小的质量，电子的速度远大于离子的速度，所以电子的动量转换能力非常小，其主要作用就是与中性粒子发生电离碰撞，产生更多的离子和电子。而与周围流体之间的动量传递则是通过离子与中性粒子的碰撞来完成的。当电子向掩埋电极运动时，由于电极表面介质的影响，限制了电子进入掩埋电极，只能附着在介质表面上。当电流进入下半周期时，电场方向发生变化，附着的电子便又会重新进入电场被加速，再发生碰撞电离，随后进入裸露电极。由于下半周期的附着电子数目较上半周期开始时由电场电离的电子多很多，因此，电离程度更高，离子数目更多，传递动量也就更大。整个周期的总体动量传递效果是朝着掩埋电极的，所以宏观上表现为诱导流体向掩埋电极方向运动。
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