CN101451499B - 恒向四象限全升力垂直轴风力发电机 - Google Patents

恒向四象限全升力垂直轴风力发电机 Download PDF

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Abstract

本发明利用空气动力学原理结合科学试验方法创新了一种恒向四象限全升力垂直轴风力发电机，该风力发电机安装、运行、维修方便。该风电机包括由上、下风盘及撑杆构成的桁架式风轮，以及增速装置和发电机，其中风轮和增速装置套装于中心轴上，多组叶片通过各自的转轴垂直装置在风轮的直径顶端，风轮和叶片设置于设备的上端，发电机、增速器、控制器设置于设备的底部，并可落地安装。其风叶不需支撑自身重量，只将作用风力推动风轮，不是悬臂梁结构，制作轻便。同时对于控制器、风叶、金属构架的技术要求降低，制造成本减少，安装、运行、维护方便。

Description

恒向四象限全升力垂直轴风力发电机
技术领域
本发明涉及一种新能源领域的垂直轴风力发电机，具体讲为一种恒向四象限全升力垂直轴风力发电机。
背景技术
众所周知，基于空气动力学原理，垂直轴风力发电机的风叶在转轴一侧产生驱动力，当其转到转轴的另一侧时必然产生阻力，因此发电效率不高。长期以来研究人员在风叶形状上下功夫，如萨伏钮斯(Savoninc)风叶使动力大于阻力来发挥垂直轴风机的其他优点，目前垂直轴风力发电机的设计专利有上百种。但是发电的效力始终没有能够赶超水平轴风力发电机，只有法国达里厄(Darrieus)其垂直轴风力发电机例外，但是它不会自起动，小风时会停转。
发明内容
本发明的目的是针对现有垂直轴风力发电机存在的不足，充分利用空气动力学原理结合科学试验方法创新了一种发电效率高的垂直轴风力发电机，该风力发电机安装、运行、维修方便，性能稳定可靠。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
恒向四象限全升力垂直轴风力发电机，它包括由上、下风盘及撑杆构成的桁架式风轮，以及增速装置和发电机，其中风轮和增速装置套装于中心轴上，其特征在于多组叶片通过各自的转轴垂直装置在风轮的直径顶端，风轮和叶片设置于设备的上端，发电机、增速器、控制器设置于设备的底部，并可落地安装。
叶片的外形整体呈机翼形，截面相等，高度与风轮高度相当，截面形状为：头部圆弧半径为叶片弦长的1/18-1/22，外表面弧形半径为弦长的3/8，内表面弧形半径为弦长的3/16，整体圆弧部分的中心夹角为40-50度；外表面圆弧的弓高为弦长的1/5-1/7，内表面圆弦的弓高为弦长的1/10-1/14；叶片的后部为外表层与内表层的直线相交；叶片的转轴位于离头部弦长1/7-1/6位置。
叶片数量为三片或三的整数倍，风轮为相应的正多边形结构，各叶片垂直装置于风轮的相应的顶角位置。叶片为空心结构，内撑有框架。风轮上风侧可设置一弧形集风挡板，增大叶片受风量，增加输出功率。叶片的材质采用轻质、耐气候、耐腐蚀材料制成。
叶片转轴的顶部和/或底部设有限位机构，相应地转轴的顶部和/或底部套装有与其相适配的带有扇形限位缺口的圆盘，缺口的中心角为65-75度，限位机构轴向或径向设置并与该扇形缺口相配合，控制叶片上风向时最大攻角为25-30度，下风向时最大攻角为40-45度。由此叶片在此位置变化，在风力作用下，由于空气动力学原理，四个象限全部为升力。
限位机构采用机械式或电气式，通过滑动杆插入与退入扇形限位缺口进行限位。所述机械式限位机构包括限位组件、滑动杆，滑动杆的两侧设有导向轮，前端连有一滑轮，后端经钢丝与风轮上部的迎风挡板相连；所述电气式限位机构包括测风仪与电动机构。
当遇大风时，迎风挡板或测风仪通过电气或机械的传动使滑动杆退出扇形限位缺口，风叶转动自动顺风，至受风力最小位置，避免损坏，大风过后自动恢复。为增加整机的抗风强度，中、大型机组顶端加斜拉钢丝索固定。为了增加发电能力，风轮可以积木式叠加扩展。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本发明根据空气动力学原理和科学实验相结合研制的风力发电机结构，风轮在转动过程中，叶片始终位置在产生升力状态，其切向分力驱动风轮朝恒定向连续不断的旋转。
本发明的发电效率高于现在大量使用水平轴风力发电机，并且不需迎风机构，不需要将重达几十吨的包括发电机增速齿轮箱在内的机舱吊装到几十米的塔顶，控制器、发电机增速器都可以比较简单和不受重量限制。风叶不需支撑自身重量，只将作用风力推动风轮，不是悬臂梁结构，制作轻便。同时对于控制器、风叶、金属构架的技术要求降低，制造成本减少，安装、运行、维护方便，从而发挥了垂直轴风力发电机的优势，推动风力发电机行业的发展。
除此之处，本发明还有灵巧的大风切出保护机构，大风时叶片顺风排列，叶片受力减到最小，大风过后自动恢复，此对风力发电机的安全可靠至关重要。
本发明机舱着地安装，稳定性、可靠性、安装、运行、维护性能大大改善，对机组、构架强度要求降低。风轮可以积木式叠加，增大功率，便于组件标准化。
本发明整体造价可以降低到现在大量使用的水平轴风力发电机的70％以下，并且更为安全可靠，有望将风力发电上网电价下降至可以和煤发电相近，将大大推进风电行业的发展，加快我国风电场建设，节能减排，对提高经济效益和社会效益具有影响的深远。
叶片截面在全长中等截面不变，符合伯努利定理，即风力吹过叶片时，产生升力，本发明所用叶片的截面形状也是通过空气动力学试验决定，该种叶片截面形状和风轮结构相结合，发电效率较高。
本发明为了克服现有垂直轴风力发电机发电效率不高的难题，发明了一种恒向四象限全升力垂直轴发电机，并且最后通过按国家标准，在国家授权试验室—中国船舶重工集团中国船舶科学研究中心，进行了风力发电机功率输出特性在风洞中的测试，具体检测内容请见附件1—《中国国防科学技术报告》。该次试验依据国标《离网型风力发电机组—第3部分：风洞试验方法》(GB/T19068.3-2003)，测试样机包括本发明研制的ZXVWG风力发电机(200W和300W两种型号)和传统的三叶片水平轴发电机型号FD-400(400W)，测试内容包括启动风速及其功率输出特性两个方面。
该报告给出了上述风力发电机在风洞中的检测结果，并对测试结构进行了分析，以及在12m/s风速下的功率输出进行对比。经试验可见，启动风速：ZXVWG为2.8m/s；FD-400为3.3m/s。在12m/s风速下，ZXVWG-200风力发电机可得到与FD-400传统型风力发电机档当的输出功率，尽管前者扫掠面积比后者少约26％；而ZXVWG-300风力发电机在12m/s风速下输出功率达到了187.4W，比FD-400传统型风力发电机高出约26％。三型风电机输出特性曲线还可见图5，由曲线趋势可以预期，随着风速提高，ZXVWG-300风力发电机可能还会有更大输出功率产生。其对比结果见表1。
表1  12m/s风速下测试结果对比表
发电机型号 发电机额定功率(W)     扫掠面积(m2) 12m/s风速下发电机输出功率
  ZXVWG-300     300     1.68     187.4
  ZXVWG-200     200     1.68     148.6
  FD-400     400     2.27     148.8
附图说明
图1为风力发电机的结构示意图。
图2为风力发电机的工作原理图。
图3为叶片的结构示意图。
图4为限位机构结构示意图。
图5为三种风力发电机功率输出特性曲线比较图。
图中：1、支架，2、中心轴，3、下风盘，4、支杆，5、上风盘，6、大风切出保护装置，7、叶片，7-1、叶片一，7-2、叶片二，7-3、叶片三，7-4、叶片四，7-4、叶片五，7-6、叶片六，8、增速装置，9、发电机，10、转轴，11、撑杆，12、限位组件，13、顶端滑轮，14、滑动杆，15、滑轮，16、圆盘。R1为头部圆弧半径，R2内表面圆弧半径，R3为外表面圆弧半径，L为弦长，h1为外弧弓高，h2为内弧弓高，α1为上风向攻角，α2为下风向攻角，β为扇形限位缺口，γ为圆弧部分的中心角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的风力发电机底部是支架，支架1中部高度位置有一平台，上面安装发电机增速器，支架中央装一根中心轴2，风轮套在中心轴上，下部装有向心推力轴承，顶部装有颈轴承，保证风轮套在中心轴2上能够灵活的转动。发电机9、增速装置8、控制器也可落地安装。风轮旋转时带动下部增速装置8旋转，再带动发电机9发电。叶片7在风力作用下，在各种不同象限自动变位的位置受限位机构限制。顶部为大风切出保护装置6的挡风板或测风仪，当风力超过预定值时，挡风板倒下，限位机构退出，叶片7在大风中自动顺风取向，处于受力最小状态，以保护叶片7免受损坏。
如图2所示，本发明的风力发电机叶片7数量选用六片，分别为叶片一7-1、叶片二7-2、叶片三7-3、叶片四7-4、叶片五7-5、叶片六7-6。上风盘5、下风盘3均为正六边形结构，上、下风盘与撑杆11组成衍架式风轮，各叶片7垂直装置于上、下风盘的相应的顶角位置。叶片的转轴11均装有轴承。
如图3所示，本发明的叶片7的外形整体呈机翼形，空心结构，内撑有框架。叶片7为等截面设计，高度与风轮高度相当，截面形状具体为：头部圆弧半径R1为叶片弦长L的1/18-1/22，外表面弧形半径R3为弦长L的3/8，内表面弧形半径R2为弦长的3/16，叶片截面中，整体圆弧部分的中心夹角γ为40-50度；外表面圆弧的弓高(即外弧弓h1)高为弦长的1/5-1/7，内表面圆弦的弓高(即内弧弓高h2)为弦长的1/10-1/14；叶片的后部为外表层与内表层的直线相交；叶片的转轴10位于离头部弦长1/7-1/6位置。叶片7的材质采用轻质、耐气候、耐腐蚀材料制成，对叶片7材质机械强度要求低。
本发明还可在风轮上风向可增设一弧形集风挡板，以聚合来风，增大叶片受风，可增加输出的功率。
如图4所示，叶片转轴11的底部设有限位机构，相应地转轴10的底部套装有与其相适配的带有扇形限位缺口β的圆盘16，缺口的中心角为65-75度，限位机构轴向或径向设置并与该扇形限位缺口β相配合，控制叶片7上风向时最大攻角为25-30度，下风向时最大攻角为40-45度。如图中所示，机械式限位机构包括限位组件12、限位滑动杆14，滑动杆14的两侧设有顶端滑轮13，前端连有一滑轮15，后端经钢丝与风轮上部的迎风挡板相连。正常情况下，滑动杆14插入圆盘16的带缺口内，对叶片转角进行限位，当遇大风时，迎风挡板驱动使限位滑动杆14退出，叶片7转动自动顺风，至受风力最小位置，避免损坏，大风过后自动恢复。本发明叶片7在图示位置变化，在风力作用下，由于空气动力学原理，四个象限全部为升力。
限位机构同样可以设置在叶片转轴11的顶部，也可以在转轴的顶部或底部同时设置限位机。
限位机除采用上述机械式结构外，还可以采用电气式结构，电气式限位机构可以通过测风仪与电动机构，自动检测与控制限位滑杆的退出与插入叶片转轴的扇形限位缺口，控制叶片的攻角。当遇大风，测风仪通过电气驱动使限位滑动杆14退出，叶片7转动自动顺风，至受风力最小位置，避免损坏，大风过后自动恢复。
为了增加发电能力，风轮可以积木式叠加扩展。为增加整机的抗风强度，中、大型机组顶端加斜拉钢丝索固定。
本发明的风力发电机叶片数量也可以选用三片或三的整倍数片，风轮的上、下风盘可以采用相应的正多边形结构，各叶片垂直装置于风轮的相应的顶角位置。
如图5所示，ZXVWG-300为本发明设计的300瓦发电机输出特性曲线，ZXVWG-200为本发明设计的200瓦发电机输出特性曲线，FD-400为400瓦传统水平轴风力发电机输出特性曲线，经与传统风力发电机做了对比试验，在扫掠面积少于水平轴发电机26％，发电机容量小25％的情况下，当12m/s风速下，本发明设计的风力发电机发电功率高出传统风力发电机26％左右，并且还有按风速的三次方曲线上升趋势。

Claims (6)

1.恒向四象限全升力垂直轴风力发电机，它包括由上、下风盘及撑杆构成的桁架式风轮，以及增速装置和发电机，其中风轮和增速装置套装于中心轴上，其特征在于多组叶片通过各自的转轴垂直装置在风轮的直径顶端，风轮和叶片设置于设备的上端，发电机、增速器、控制器设置于设备的底部；叶片数量为三片或三的整倍数片，风轮为相应的正多边形结构，各叶片垂直装置于风轮相应的顶角位置；所述叶片的外形整体呈飞机翼形，截面相等，高度与风轮高度相当，截面形状为：头部圆弧半径为叶片弦长的1/18-1/22，外表面弧形半径为弦长的3/8，内表面弧形半径为弦长的3/16，整体圆弧部分的中心夹角为40-50度；外表面圆弧的弓高为弦长的1/5-1/7，内表面圆弦的弓高为弦长的1/10-1/14；叶片的后部为外表层与内表层的直线相交；叶片的转轴位于离头部弦长1/7-1/6位置。
2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于还设有大风切出保护机构，该机构由迎风挡板或测风仪与叶片的限位机构组成。
3.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于叶片转轴的顶部和/或底部设有限位机构，相应地转轴的顶部和/或底部套装有与其相适配的带有扇形限位缺口的圆盘，缺口的中心角为65-75度，限位机构轴向或径向设置并与该扇形缺口相配合，控制叶片上风向时最大攻角为25-30度，下风向时最大攻角为40-45度。
4.根据权利要求3所述的风力发电机，其特征在于所述限位机构采用机械式或电气式，通过插入与退入扇形限位缺口对叶片进行限位。
5.根据权利要求4所述的风力发电机，其特征在于所述机械式限位机构包括限位组件、滑动杆，滑动杆的两侧设有顶端滑轮，前端连有一滑轮，后端经钢丝与风轮上部的迎风挡板相连；所述电气式限位机构包括测风仪与电动机构。
6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于风轮采用积木式叠加扩展。
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