CN101560956A - 可调叶片形状升力型立轴风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调叶片形状升力型立轴风力发电装置。它包括叶片、尾翼和风轮驱动的电机主轴。叶片为弯曲可变形状的叶片，其形状的改变是通过一个改变叶片形状装置来实现的，该改变叶片形状装置的结构是：尾翼带动一个凸轮，凸轮驱动一个连杆机构，连杆机构驱动叶片随转动相位的改变而弯曲改变形状，实现叶片在转动到圆周各个位置时改变形状以有效的提高风能利用率。

Description

可调叶片形状升力型立轴风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置，特别是一种适合于任意风向的可调叶片形状以提高风能利用率的升力型立轴风力发电装置。
技术背景
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。近十几年来，世界风力发电以超过30％的速度增长。伴随着世界风电产业的快速发展，我国也越来越重视风电产业的发展。2005年2月《可再生能源法》的颁布标志着我国能源策略进入新的时期，同时国家发改委也提出了大功率风力发电产业化的布局，我国丰富的风能资源也为风电产业提供了发展条件。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。
经统计，2005年底，我国风电装机容量126万千瓦，相对于2004年增长64％，2007年中国除台湾省外新增加风电机组3155台装机容量，装机总量330.4万千瓦。与2006年当年新增装机133.7万千瓦相比，2007年当年新增装机增长率为147.1％。到2007年底累计装机容量为590.6千瓦，上网电量估计约52亿千瓦时。2008年我国的装机总量为12152MW比之前的总量翻了一番，位居世界第3位。
已有的立轴风力机，如图1所示，在风速和转动速度合成作用下，叶片在AB、CD段所受到的相对气流分别为W1、W3所对应的升力分别为F1、F3，因此叶片在AB段做正功，而在CD段做负功。而当叶片转动到BC、DA段时，相对气流方向分别为W2、W4，叶片此时不做功或者做负功。
发明内容
本发明目的在于针对上述根本性的问题而提供一种可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，提高风力机的风能利用率。
为了达到上述目的，本发明的构思是：通过将风力机叶片在垂直于翼型的方向上分成2~N段，通过利用凸轮连杆机构控制叶片各段，使叶片在转动到圆周的各个位置上时改变为预期的形状(如图3所示)，图3中给出了叶片转动特殊位置(位置I、II、III、IV)的叶片形状图，其他位置为这些特殊位置间的均匀过渡。其具体机构原理如图2、图4、图5、图6和图7所示，风向改变时，尾翼上方的风向标由于力矩的作用将与风向保持一致，同时调整凸轮的方向。中空的悬臂与驱动发电机的法兰盘固联在一起，当法兰盘在电机主轴上转动时，与悬臂内部的顶杆联在一起的滚珠在凸轮表面滚动，滚珠驱动顶杆在悬臂内腔中滑动，与顶杆联在一起的连杆就会驱动叶片前段围绕旋转中心转动，从而改变叶片的形状。风向一定时，凸轮位置一定，法兰盘围绕电机主轴和凸轮转动，其叶片形状变化如图3所示。
为保证叶片的连续性，将叶片分成2~N段，各段之间相接之处做成配合的弧面，如图10所示，分段叶片21、22、23之间采用弧面配合，在设计转动范围内，弧面配合能够很好的维持叶片表面的自然过渡。
亦可在转接部分内设柔性夹层，利用夹层中弹性修补片实现变形叶片的过渡转接。如图10所示，计算出叶片4分段后极限位置时的分段叶片之间的最大间隙Nmax，设计叶片9上的槽深为L，则弹性修补片11长M与L与Nmax的关系为2L＞M＞L+Nmax，弹性修补片在叶片结合时能完全收于槽中，在叶片两段分离到最大时也不至于甩出。
上述的风轮将2～30个叶片中心轴绕着风轮旋转中心轴对称安置。
上述的风轮的半径为0.001m～1000m，垂直高度为0.001m～1000m。
上述的风轮的叶片可根据设计的转动速度和风速矢量关系使翼型几何弦与转动切线方向成-30°～30°夹角。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，包括叶片、尾翼和风轮驱动的电机主轴，其特征在于所述叶片为可弯曲改变形状的叶片，其形状的改变是通过一个改变叶片形状装置来实现的，所述改变形状装置的结构是：所述尾翼带动一个凸轮，所述凸轮驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片随转动相位的变化而弯曲改变形状，实现风能的高效利用。
上述叶片分成2~N段，所述尾翼是一个转轴上端固定连接的风向标，尾翼上的风向标由于力矩的作用将与风向保持一致，尾翼的转轴通过键与所述凸轮连接，凸轮随尾翼的转动而转动；中空的悬臂与所述发电机主轴上端法兰盘固联在一起，各悬臂内有一根顶杆，顶杆内端通过一个滚珠顶靠着所述凸轮的轮廓，所述连杆机构是：顶杆外端与一根连杆铰联，连杆与叶片弯曲段铰链，使叶片弯曲段绕旋转中心转动，当法兰盘在电机主轴上转动时，与悬臂内部的顶杆联在一起的滚珠在凸轮表面滚动，滚珠驱动顶杆在悬臂内腔中滑动，与顶杆连在一起的连杆就会驱动叶片弯曲段围绕叶片旋转中心转动，从而改变叶片的形状达到预期。
上述叶片的各弯曲段连接处设置柔性夹层，夹层内插有弹性修补片；叶片弯曲段连接处端面有深槽，其槽深为L，则弹性修补片长M与L与Nmax的关系为：2L＞M＞L+Nmax，Nmax为分段叶片之间最大间隙。
上述叶片的各弯曲段之间相接之处做成相配合的弧面，在设计转动范围内，弧面配合能够很好的维持叶片表面的自然过渡。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著的优点：本发明提供的风力发电装置，采用改变叶片形状装置来改变叶片形状，适用于任意来流风向，所涉及机构简单易于实现，能有效的提高叶片转动过程中的升力减小其转动阻力，有效的提高风能利用率。
附图说明
图1是已有技术的升力型风力机原理示意图
图2是本发明一个实施例的结构示意图
图3是本发明可变叶片形状升力型立轴风力发电装置叶片在各个位置形状变化示意图
图4是图2示例局部放大图
图5是图2示例尾翼和凸轮结构示意图
图6是图2示例改变叶片形状装置的结构示意图
图7是图2示例的装配结构示意图
图8是凸轮设计示意图
图9是可调形状叶片内部连杆构件的示意图
图10是叶片形状变化示意图
图11是可调形状叶片内部连杆机构原理图
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图2，本可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，包括叶片4、尾翼2和风轮驱动的电机主轴1，所述叶片4为可弯曲改变形状的叶片，其形状的改变是通过一个改变叶片形状装置3来实现的，所述改变形状装置3的结构是：所述尾翼2带动一个凸轮5，所述凸轮5驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片4随转动相位的变化而弯曲改变形状。三个叶片4均布在直径4m的圆周上，叶片4通过悬臂6固联于法兰盘9上。法兰盘9通过电机主轴1连接下方的发电机。尾翼2通过凸轮5调整叶片迎风面。
叶片翼型采用NACA2412翼型，如图6、图7所示，翼弦长0.8m。在翼弦40％处即最大弯度处将叶片分成前后两段(叶片后段15及悬臂6和叶片前段14)，将叶片前段14设计为向右摆动12°(即向右摆动6°改变为近似的NACA0012翼型，再向右摆动改变为反向的近似NACA2412翼型)。叶片前段14的旋转中心设置在翼型几何弦与叶片分段线交点上方0.003m处，将叶片背部旋转半径±6°范围内的部分切除(使叶片前段具有旋转空间)并内设夹层，夹层内部含有一段弹性修补片11，其长度为0.035m，厚度为0.002m，分段叶片槽深0.020m。如图4、图5和图6所示，分段叶片前段14和后段15在极限位置时最大间隙为0.010m。于翼型另一侧同样设置夹层弹性修补叶片11。叶片前段14旋转中心到连杆10的距离为0.04m，连杆10长度为0.04m。顶杆7穿于中空的悬臂6中，一端与连杆10铰联，另一端用销12联接滚珠13，并通过弹簧8将滚珠13压在凸轮5的表面上。
凸轮5表面分为四段，如图8所示，在I，K段为椭圆弧，短轴分别设置为0.0558m，0.06412m。H，J段设置为半径为0.06m的圆弧。顶杆设置长为1.9012m。叶片分两段封住端面。尾翼2和凸轮5联接如图5所示。
实施例二：本实施例基本上与实施例一相同，不同之处是：如图6所示，用滚针16代替优选实施例一中滚珠13并在凸轮上开一个T型槽(凸轮17)以代替实例一中的弹簧8的作用。其装配图如图6所示。其他与实施实例1相同。
实施例三：基本上与实施例一相同，区别之处在于：如图9和图11所示，将叶片4分为三段，前段21、中段22、后段23，分段叶片以配合弧面处理，叶片前段21、中段22之间的弧面以旋转中心为圆心，半径为0.042m，叶片后段23的旋转中心选于翼弦55％处，弧面半径为0.039m。叶片前段21的摆动角度为0~12°，叶片后段23的摆动角度为0~6°，连杆24、25长为0.04m，同铰联在顶杆7外端上。

Claims (4)

1、一种可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，包括叶片(4)、尾翼(2)和风轮驱动的电机主轴(1)，其特征在于所述叶片(4)为可弯曲改变形状的叶片，其形状的改变是通过一个改变叶片形状装置(3)来实现的，所述改变形状装置(3)的结构是：所述尾翼(2)带动一个凸轮(5)，所述凸轮(5)驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片(4)随转动相位的变化而弯曲改变形状，实现风能的高效利用。
2、根据权利要求1所述的可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，其特征在于将所述叶片(4)分成2~N段，所述尾翼(2)是一个转轴(19)上端固定连接的风向标，尾翼(2)上的风向标由于力矩的作用将与风向保持一致，尾翼(2)的转轴(19)通过键(18)与所述凸轮(5)连接，凸轮(5)随尾翼(2)的转动而转动；中空的悬臂(6)与所述发电机主轴(1)上端法兰盘(9)固联在一起，各悬臂(6)内有一根顶杆(7)，顶杆(7)内端通过一个滚珠(13)顶靠着所述凸轮(5)的轮廓，所述连杆机构是：顶杆(7)外端与一根连杆(10)铰联，连杆(10)与叶片弯曲段铰链，使叶片弯曲段绕旋转中心转动，当法兰盘(9)在电机主轴(1)上转动时，与悬臂(6)内部的顶杆(7)联在一起的滚珠(13)在凸轮(5)表面滚动，滚珠(13)驱动顶杆(7)在悬臂(6)内腔中滑动，与顶杆(7)连在一起的连杆(10)就会驱动叶片弯曲段围绕叶片旋转中心转动，从而改变叶片的形状达到预期。
3、根据权利要求1所述的可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，其特征在于在所述叶片(4)的各弯曲段连接处设置柔性夹层，夹层内插有弹性修补片(11)；叶片(4)弯曲段连接处端面有深槽，其槽深为L，则弹性修补片(11)长M与L与Nmax的关系为：2L＞M＞L+Nmax，Nmax为分段叶片之间最大间隙。
4、根据权利要求1所述的可调叶片形状升力型立轴风力发电装置，其特征在于将所述叶片(4)的各弯曲段之间相接之处做成相配合的弧面，在设计转动范围内，弧面配合能够很好的维持叶片表面的自然过渡。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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