新型垂直轴风力机：技术展望

本章结合TRIZ矛盾解决方法介绍了一些垂直轴风力机的创新设计，这仅仅是整个垂直轴风力机领域创新的冰山一角。可以通过现有的技术创新探寻今后垂直轴风力机创新的一些方向。

（1）基于现有的风力机对其外形进行改进和优化，提升风能利用率，这本身也是一种创新设计。

例如河海大学蔡新、潘盼等^[10]提出的翼型弯度线与风轮运行轨迹重合的垂直轴风力机，如图6-6所示。该发明公开了一种直叶片翼型弯度线与风轮运行轨迹重合的垂直轴风力机，叶片翼型的弧形弯度线与风轮运行圆形轨迹重合，叶片上下叶梢处翼型弦长逐渐减少：每根叶片与风力机主轴之间由两根支撑杆连接，使叶片与主轴平行并可围绕主轴转动。该垂直轴风力机叶片与传统直叶片相比，扭矩峰值和风能利用率高，顺风向气动推力减少。该类型风力机的应用和推广，有利于提升单位风力机的电能输出并延长使用寿命。

图6-6　翼型弯度线与风轮运行轨迹重合的垂直轴风力机

（2）为现有风力机加入新的系统，提升其风能利用率。

例如河海大学蔡新、潘盼等^[11]提出将一套导气系统融入到垂直轴风力机中，提升风力机功率输出，叶片失速延迟控制的垂直轴风力机如图6-7所示。

图6-7　叶片失速延迟控制的垂直轴风力机

该发明公开了一种叶片带失速延迟控制装置的垂直轴风力机，包括叶片、支撑叶片的支撑杆，在垂直轴风力机塔筒顶端安装涡轮吸气装置，涡轮吸气装置底部与行星齿轮的太阳轮连接，行星齿轮的星轮转轴固定，与行星轮啮合的外齿圈与支撑杆固定连接，支撑杆内、叶片内设置有贯通的导气管，支撑杆内的导气管贯通至外齿圈内部空间，叶片内的导气管与叶片外侧面喷管贯通相连。叶片旋转时，涡轮吸气装置被带动高速旋转，吸入空气，气流由安装在支撑杆中的导气管传入叶片的外侧喷管，在离心力作用下，气流沿叶片表面被甩出。在喷射气流作用下，叶片层流分离被延迟，翼型升力增加，进而在相同工况下，风力机功率输出增加。

图6-8　智能型磁悬浮垂直涡轮发电机LED路灯

1—风力机；2—LED灯具；3—灯杆；4—广告灯箱

（3）将已有的垂直轴风力机创新设计与其他资源整合，扩展风力机应用场景。

例如智能型磁悬浮垂直涡轮发电机LED路灯（南通大学吴国庆、倪红军等^[12]提出），如图6-8所示，将风力机与路灯、磁悬浮技术多方面进行整合。

该路灯主要包括灯杆3，灯杆上装风力机1、LED灯具2、广告灯箱4，灯杆上装风力机、LED灯具、广告灯箱，风力机装于灯杆顶部，LED灯具设置在发电机下方，广告灯箱设置在LED灯具下方，风力机为磁悬浮垂直涡轮风力发电机，风力机的径向和轴向支承采用磁悬浮轴承，同时设有辅助机械支承；LED灯具上装有散热板，通风管连接风力机和LED散热板。该发明提供了一种结构合理、支承刚度高、具有制动保护功能、风能利用率高、LED散热效果好的智能型磁悬浮垂直涡轮发电机LED路灯。

（4）设计全新的垂直轴风力机。

随着各种新技术、新材料的出现，可以展望在不远的将来捕获风能的手段不再仅仅只有通过叶片的旋转把风能转换为机械能，再转换为电能这一手段。例如，西班牙新创公司Vortex Bladeless颠覆大多数人对风力发电机的可能想象，设计出一种“无扇叶”的风力发电机，Vortex Bladeless依靠周围空气的运动形成旋涡，然后带动设备前后晃动起来，然后从前后晃动中获取能源。Vortex Bladeless风力机如图6-9所示。另外国外相关机构还开发了一种“风力茎秆”的风力发电方式，每根茎秆都包含着电极和压电材料制成的陶瓷盘交替层，当受到压力时会产生电流，风力茎秆发电场效果图如图6-10所示。这些新型的风力发电机，完全区别于传统的垂直轴风力机，而且相对于传统风力机，噪声更小，避免鸟类意外的撞击死亡，更加环保。(www.xing528.com)

图6-9　Vortex Bladeless风力机

图6-10　风力茎秆发电场效果图

【注释】

[1]已申请中国专利，申请号：201410539793.4

[2]专利号：CN102297079A

[3]已申请中国专利，申请号：201110268632.2

[4]已申请中国专利，申请号：201110225756.2

[5]已申请中国专利，申请号：201310238232

[6]专利号：C N 1-0 1 5-3-2-4-71

[7]专利号：C N 1-0 1-0 3-4-8-61

[8]专利号：C N 1 9 4-8-7-4-6

[9]专利号：CN102878201B

[10]已申请中国专利，申请号：201310215566.1

[11]已申请中国专利，申请号：201310350234.4

[12]已申请中国专利，申请号：200910182794.7