CN100406719C - 垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法和调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种通过调节叶片攻角从而有效降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置。包括垂直方向的旋转轴、固定在旋转轴上的可旋转悬臂支持翼、安装在悬臂支持翼上的复数个叶片组成的风轮，沿上述旋转轴轴向设置至少一个凸轮，凸轮的轴向与旋转轴平行，该凸轮轮廓线上的任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α；各个叶片相对于其连接的悬臂支持翼可做旋转运动；以传动装置连接凸轮与叶片。本发明装置与现有采用叶片固定转角的风轮机相比，可以有效的降低垂直轴风力发电机的启动风速和提高风能利用率。

Description

垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法和调节装置

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种通过调节叶片攻角从而有效降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置。

技术背景

为了更好的利用风能，长期以来，人们设计了多种结构形式的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。

一般而言，垂直轴风力发电机的风轮采用具有一定翼形的直叶片构成，叶片的轴线和垂直轴平行。叶片的翼形可根据现有空气动力学原理设计得到。根据空气动力学原理，叶片前、后缘的连线被称为弦线，叶片的弦线与圆周上某一位置切线的转角设为转角α。这些叶片一般被固定安装在绕垂直轴旋转的悬臂支持翼(悬臂支架)或环型支架上，并且不能相对于悬臂支持翼转动，也即叶片转角α是固定不变的，如图1所示。当一定强度的风吹在这些具有一定翼形，并和旋转轴的切线形成一定角度的直叶片上时，就在这些叶片上产生绕垂直轴转动的力矩使整个风轮转动。

根据空气动力学原理，叶片前缘与后缘中心所连接形成的弦线与风向间的转角称为攻角，设攻角为δ，如图4所示。在旋转过程中，由于叶片相对圆周的位置不断变化，叶片的攻角是不断改变的。当叶片在旋转过程中处于不同位置时，由于叶片攻角的变化，使叶片产生驱动力矩的大小和方向也是不断发生变化的，即产生的转动力矩是不同的。在有的位置产生较大的驱动力矩，在有些位置产生较小的驱动力矩，而在有些位置，其产生的是或大或小的阻力矩。采用现有的技术，叶片在旋转过程处于不同位置时，其叶片转角α均是固定不变的，而叶片产生驱动力矩大小和方向的不断变化，因此对于现有的叶片固定安装于悬臂支持翼的风轮是无法避免的，这是影响垂直轴风力发电机风能利用效率的最重要因素。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，克服现有垂直轴风力发电机设计上的缺陷，提出一种通过调节叶片攻角从而有效降低垂直轴风力发电机启动风速及提高其风能利用率的叶片攻角调节装置。

根据空气动力学原理，如图4所示，叶片前、后缘的连线被称为弦线，叶片的弦线与圆周上某一位置切线的转角设为转角α，当叶片的弦线与切线平行时转角α为零度，当叶片按其回转中心向顺时针方向旋转时转角α设为正，当叶片按其回转中心向逆时针方向旋转时转角α设为负。弦线与风向间的转角称为攻角δ。如图4所示，对于具有一定翼形的叶片，在圆周上的任意一个相对位置，设定方位角为β，即β的范围为0～360度。根据空气动力学原理，要使叶片产生驱动力矩，叶片与风向都存在一个最佳的攻角角度，在这个角度上，叶片能产生最大的驱动力矩。通过风洞实验，可获得这个最佳攻角的角度。因此，通过调整叶片在绕垂直轴转动过程中，叶片在圆周上不同方位角β时的转角α，就能使叶片的攻角δ在绕垂直轴转动的过程中始终处于最佳攻角，就能最大限度的提高垂直轴风力发电机的风能利用率。

本发明的具体技术方案如下：

一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节装置，包括垂直方向的旋转轴、固定在旋转轴上的可旋转悬臂支持翼、安装在悬臂支持翼上的复数个叶片组成的风轮，其特征在于：

沿上述旋转轴轴向设置至少一个凸轮，凸轮的轴向与旋转轴平行，该凸轮轮廓线上的任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α；

各个叶片相对于其连接的悬臂支持翼可做旋转运动；

以传动装置连接凸轮与叶片。

为了使叶片在圆周的每一个位置都能获得驱动力矩，凸轮的轮廓曲线，是按照空气动力学原理，依据凸轮轮廓线上任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α来设定凸轮的轮廓线，即根据叶片在不同方位角β时设定不同的攻角δ来设计凸轮的轮廓线。

上述方位角β、转角α和攻角δ的关系如下表所示：

上述各个叶片转轴相对于其连接的悬臂支持翼可做水平旋转。

上述叶片转角α的较佳范围是±60度。

为使叶片在旋转过程中降低能耗，上述叶片转轴中心可设定在弦线的中心点。

上述凸轮中心轴可与旋转轴重合，凸轮套设在旋转轴外部。

上述凸轮中心轴可与旋转轴重合，凸轮嵌设在旋转轴内部。

上述凸轮可沿圆周开设凹槽。

上述传动装置包括导杆机构、曲柄滑块机构。

上述传动装置包括导杆机构、曲柄滑块机构，其导杆和曲柄可通过连杆相连接。

上述叶片的转轴固定连接在曲柄上并和悬臂支持翼相连，在风轮的悬臂支持翼上安装轴承，凸轮机构的导杆可随轴承沿凸轮轮廓曲线的运动下实现往复运动，使得与导杆相连的曲柄滑块机构实现叶片在随悬臂支持翼转动的过程中始终保持所设定的攻角范围。

上述轴承可为线形轴承。

上述轴承可为球形轴承。

上述凸轮为凹槽凸轮，凹槽的形状是凸轮轮廓线的形状。

上述凸轮机构的导杆可随轴承沿凸轮轮廓曲线的运动下实现往复运动，通过与导杆相连的连杆，使得与连杆相连的曲柄滑块机构实现叶片在随悬臂支持翼转动的过程中始终保持所设定的攻角范围。

上述叶片的弦线和曲柄的转角间设定一合理角度，以避免叶片弦线和曲柄共线。

上述传动装置包括齿轮、齿条装置，齿轮、齿条装置连接凸轮与叶片。利用凹槽凸轮机构配合齿轮、齿条实现对叶片攻角的调节，其攻角δ优化范围值同凹槽凸轮机构配合曲柄滑块机构设定值范围。

在一定强度的风力作用下，凹槽凸轮机构的导杆随悬臂支持翼转动，导杆一端的滚子沿静止的凸轮轮廓线运动，从而可以带动导杆做往复运动。导杆的另一端同曲柄滑块机构固连在一起，实际上导杆就是曲柄滑块机构的滑块，而叶片又是同曲柄固接在一起，导杆的运动带动曲柄的转动，实现叶片相对于支架的转动，从而实现了在圆周上不同位置时，使叶片的攻角保持在各个设定值范围内。当风向发生变化后，由电机带动凹槽凸轮转动相应的角度，使风向同凹槽凸轮的相对方位保持不变，因而当风向变化后叶片的攻角仍然能和风向保持为各个设定值范围。

本发明提出的装置，可以对叶片攻角进行调节，使得叶片能够相对于悬臂支持翼作受控转动，如图2所示，可调节转角α，从而使叶片相对于风向的攻角δ始终能够保持在设定值范围内，这样当叶片处在圆周上任何一个位置时，也即方位角β在0～360度范围内，都不产生阻力矩，而几乎都可以产生转动力矩，从而提高风力垂直轴风力发电机的风能利用率。

当风速大于上述设定值时，可以通过转动凹槽凸轮，改变攻角δ，以保持风轮以恒定转速输出功率。

本发明装置在风向没有变化时，根据叶片在风轮旋转过程中的不同位置来自动调节叶片与弦线的转角α，即调节叶片与风向的攻角δ，使叶片攻角δ调整为设定的优化角度范围；当风向发生变化后，根据风向的变化，通过调整风轮，即凸轮的方位角β，使本发明装置同风向的相对方向保持不变，仍能使叶片的攻角保持在设定的优化值范围内。

本发明装置与现有技术采用的叶片固定转角的风轮机相比，能够使叶片的攻角在圆周上的不同位置时保持为各个设定的优化值范围，使叶片在不同位置时都能产生驱动力矩，从而提高风能利用率。

静态时，在相同的叶片条件下，可变攻角风轮是固定攻角风轮扭矩值的2.4-5.4倍，即可以有效的降低垂直轴风力发电机的启动风速。

当风轮转动时，在叶片相同条件下，经实验测试和计算，可变攻角是固定攻角垂直轴风能利用率的1.14-3.1倍。

本发明叶片攻角调节装置，除在风向发生变化后，为适应风向的变化而启动电机进行相应的风轮位置调节需要消耗一些能量外，工作过程不需要额外消耗能量。

本发明将在下面结合附图及具体实施方式进行描述。

附图说明

图1是现有技术中叶片固定安装的示意图。

图2是本发明装置中叶片固定安装的示意图。

图3是本发明实施例1剖面示意图。

图4是本发明方位角、叶片转角和攻角的示意图。

图5是本发明风轮旋转示意图。

图6是本发明风轮旋转示意图。

图7是本发明实施例1曲柄滑块结构示意图。

图8是本发明实施例2齿轮、齿条结构示意图。

图9是本发明装置凸轮的结构示意图。

具体实施方式

通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。

实施例1：

如图3所示，以支撑架5支撑垂直轴风力发电机2的风轮，内部设有支撑轴1，支撑轴1外部套设有主轴套筒3，并设有风向仪、步进电机4、以及步进电机的控制装置。风向仪用来检测风向的变化，它向步进电机的控制装置提供风向信号。由于本装置的风向仪、步进电机的控制装置是风力发电机控制装置中的一部分，图中简化未示。步进电机4选用中空的步进电机4直接调整，其转子做成中空的形式，支撑风轮的主轴套筒3从其中穿过，步进电机4固定在步进电机下面的固定支架上，其转子上的法兰同凹槽凸轮6连接在一起，可以带动凹槽凸轮6转动。

本实施例中叶片攻角调节装置包括复数个叶片13组成的风轮、凹槽凸轮6、导杆机构、曲柄滑块机构。线性轴承9安装在风轮的悬臂支架7上，凹槽凸轮机构的导杆10一端的线形轴承滚子8可以在凹槽凸轮6轮廓曲线凹槽中滚动。导杆10和曲柄12通过连杆11相连接。叶片的转轴固接在曲柄12上并和悬臂支架7相连。曲柄滑块机构的滑块实际上就是凹槽凸轮6导杆机构的导杆10，导杆在凹槽凸轮6轮廓曲线的作用下做往复运动，即转化为所设定的曲柄12转角，从而使叶片13相对于悬臂支架7做相应的转动，使叶片攻角值为设定值。

在本装置中，各个叶片相对于其连接的悬臂支架可做旋转运动，叶片在悬臂支架上，可以绕叶片转轴转动。当叶片转动到不同位置时，可以自动调节叶片的攻角δ，使叶片在不同位置时的攻角δ，在圆周上任何一个位置时，始终能够保持在所设定角度范围内，下表所示：

叶片在圆周不同位置上攻角的调整是本发明的核心。利用凹槽凸轮机构，如图9所示，实现对叶片攻角的调整。凹槽凸轮机构由凹槽凸轮6和导杆10组成，如图5、6所示，凹槽凸轮机构的凸轮是一个平面凹槽形凸轮，凹槽的形状是凸轮轮廓线的形状，按照空气动力学原理，依据凸轮轮廓线上任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α来设定凸轮的轮廓线，即根据叶片在不同方位角β时设定不同的攻角δ来设计凸轮的轮廓线。凹槽凸轮6与步进电机4的转子连接在一起，当风向不变时凹槽凸轮6静止不动，在风向有较大变化时(即对风能利用率有影响或影响风力发电机输出功率等情况下)，由步进电机4对凹槽凸轮6的方位角β进行调整。凹槽凸轮机构的导杆10安装在悬臂支架7的线性轴承9中，导杆10的一端装有一个滚子8，另一端同连杆11连接在一起如图3、7所示，凹槽凸轮机构的导杆10实际上也是曲柄滑块机构的滑块，导杆10的滚子8嵌在凹槽凸轮6的凹槽中，可以沿凹槽运动，凹槽两侧的凸轮轮廓曲线使导杆10按设定角度规律运动。

在叶片的弦线和曲柄的转角间设定一合理角度，以避免叶片弦线和曲柄共线。即为避免曲柄12和连杆11共线的情况，避免曲柄滑块机构可能产生的死点，在叶片13弦线和曲柄12的转角设定一个合理的角度，例如可以设定为20度，叶片13的转动范围在±60度之间。

当风轮在风力作用下绕垂直轴转动时，一方面导杆10在悬臂支架7的带动下绕垂直轴转动；另一方面，导杆10上的滚子8在凹槽凸轮4的凹槽中沿凸轮的轮廓曲线运动，凹槽凸轮4的轮廓曲线决定了导杆在线性轴承9中往复运动的行程大小。这个往复运动的驱动力是由悬臂支架7带动导杆10转动时，导杆10端部的滚子8同凹槽凸轮的轮廓相挤压产生的。由于凸轮机构的导杆10就是滑块机构的滑块。导杆10的来回移动驱动曲柄12作转动，而曲柄12是与叶片13固定连接的，因此可使叶片在不同位置时的攻角δ始终保持为所设定角度范围。

步进电机的控制装置根据风向仪的信号判断是否需要转动。当风向不变时，步进电机4并不转动；当风向有较大变化时(取决于风向仪的精度，通常是3～5度)，需要根据风向的变化对凸轮的方位角进行调整，此时步进电机带动凹槽凸轮6转动，实现凹槽凸轮方向的调整，使得风向改变前后，风向和凹槽凸轮6的相对位置保持不变，然后电机停转，直到风向又发生变化。

从整个实现过程来看，当风向不变时，依靠凹槽凸轮6的轮廓曲线保证在风轮转动过程中，叶片13和风向的攻角δ保持在设定值范围。叶片转动的驱动力来自导杆端部的滚子同槽形凸轮轮廓曲线的挤压，并不需要提供额外的动力。在风向发生变化时，为了抵消这种变化，启动步进电机4带动凹槽凸轮6转动相应的角度，使风向和凹槽凸轮6的相对方向始终保持不变。所以在整个装置中，只有在风向发生较大变化后，即需要调节凹槽凸轮中心线和风向的角度时，才需要消耗电能，在其它时间，叶片13的调整是通过凹槽凸轮轮廓曲线实现的，并不需要消耗电能。当风向的变化很小时(一般在3～5度以内)，该装置是不消耗电能的。

当风速大于某一个设定值后(通常是15米/秒)，可以通过转动凹槽凸轮6，改变攻角δ值，如图5、6，即将图中凹槽凸轮6中A点的位置转动到方位角β大于0度的位置，风速越高，转动的角度可以越大，这样可以继续保持风轮以恒定转速输出功率。

实施例2：

如图8所示，以齿轮、齿条装置连接凸轮与叶片。

其它装置同实施例1，将导杆机构、曲柄滑块机构替换为齿轮、齿条结构作为传动装置，同样利用凹槽凸轮机构配合齿轮、齿条实现对叶片攻角的调节，其攻角δ优化范围值同凹槽凸轮机构配合曲柄滑块机构设定值范围。

尽管对本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (4)

1.一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法，依据叶片攻角δ＝方位角β-转角α的方式调节；其特征在于：所述方位角β、转角α和攻角δ的调节方法如下表所示：

2.一种垂直轴风力发电机叶片攻角调节装置，包括垂直方向的旋转轴、固定在旋转轴上的可旋转悬臂支持翼、安装在悬臂支持翼上的多个叶片组成的风轮，沿上述旋转轴轴向设置至少一个凸轮，凸轮的轴向与旋转轴平行，该凸轮轮廓线上的任意一点的攻角δ＝方位角β-转角α；各个叶片相对于其连接的悬臂支持翼可做旋转运动；以传动装置连接凸轮与叶片；

其特征在于：所述方位角β、转角α和攻角δ的调节关系如下表所示：

3.根据权利要求2所述的叶片攻角调节装置，其特征在于所述叶片转角α的范围是±60度。

4.根据权利要求2所述的叶片攻角调节装置，其特征在于为使叶片在旋转过程中降低能耗，上述叶片转轴中心设定在弦线的中心点。

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