CN101709688B - 一种垂直轴风力发电机的叶片 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括叶片壳体单元、叶片支撑单元以及叶片猎风单元，该叶片猎风单元与该叶片支撑单元以及该叶片壳体单元固定连接，借助该猎风单元的若干猎风口使该叶片于风的作用下时，风自若干该猎风口进入叶片的腔体内，使风作用于猎风单元外表面的同时可以作用于猎风单元的内表面上，从而增加叶片的扫风面积，而且当有横向扫掠而来的风时，风于叶片上做湍流运动，进一步地提升了叶片转动速度，提高了风轮的能量转化效率，在不改变原有叶片外部形状的前提下提升了风轮的效率。

Description

一种垂直轴风力发电机的叶片

技术领域

本发明涉及一种风力发电机的叶片，特别是指一种垂直轴风力发电机的叶片。

背景技术

风力发电就是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置，风力发电最初是为了解决应急电源以及边远地区的供电而开发出来的一种环保型发电装置，然而随着科学技术的飞速发展以及人口的不断增长给全球带来能源危机，因此世界各国都将风力发电作为补充能源进行发展。

而最初的风力发电机其启动风速要求较高，发电噪音大，所以只能将风力发电机放在人迹罕至或风力较大的地方。设备也往大型机构的方向发展，而且还建设有大型风力发电场。

而现在的风力发电机既要考虑结构和重量的需要，也要考虑到视觉的需求。其利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放影、通讯设备和电动工具的用电。而垂直轴风力发电机风轮又可分为H 型、Ф 型。目前应用的叶片为封闭式翼型，叶片截面是流线型，以水平线上下对称，阻力大，启动速度慢，风动效率低。

综上所述，现有的垂直风力发电机在使用时还存在着一定的缺点，由于现有的垂直风力发电机的叶片为封闭式翼型叶片，因此当叶片在受风时，其封闭式翼型叶片与扫风面积小，从而影响与其相连接的风轮的启动风速，以及转化风能的效率，此为现有垂直风力发电机叶片的一大缺点。

而且由于现有的垂直风力发电机叶片为封闭式翼型结构，因此当有横向风作用于封闭式翼型叶片上时，风于该封闭式翼型叶片上做层流运动，导致封闭式翼型结构的叶片对风的阻力很小，降低了风作用于该封闭式翼型叶片上的作用力，降低封闭式翼型叶片对风轮的作用力，从而降低风轮的工作效率，此为现有叶片的又一缺点。

发明内容

本发明提供一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括叶片壳体单元、叶片支撑单元以及叶片猎风单元，该叶片壳体单元包括保护壳体以及卡接槽体，该叶片猎风单元与该叶片支撑单元以及该叶片壳体单元固定连接，该叶片猎风单元包括第一挡风板、第二挡风板以及端口挡风板，该端口挡风板固设于该叶片猎风单元的两端，并固设于该叶片壳体单元的两端，该第一挡风板的一边与该第二挡风板的一边相卡接，该第一挡风板以及该第二挡风板与该叶片支撑单元固定连接并形成腔体，又于该第二挡风板上设置有若干猎风口，借助若干该猎风口使该叶片于风的作用下时，风自若干该猎风口进入该腔体内，并作用于该第一挡风板以及该第二挡风板的外表面以及内表面上增加了该叶片的扫风面积，从而在不改变原有叶片外部形状的前提下提升了风轮的效率，此为本发明的主要目的。

而且由于该猎风单元的第二挡风板上设置有若干该猎风口挡板，使得横向扫掠而来的风以湍流流动方式作用于叶片，进一步地提升了叶片转动速度，提高了风轮的能量转化效率，使本发明的叶片在不改变现有叶片的外形尺寸时，可以增加其叶片扫风面积，提高风轮的工作效率，此为本发明的又一目的。

为了解决以上的技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括叶片壳体单元、叶片支撑单元以及叶片猎风单元，该叶片猎风单元与该叶片支撑单元以及该叶片壳体单元固定连接。

该叶片壳体单元包括保护壳体以及卡接槽体，该保护壳体包括第一壳体挡板、第二壳体挡板以及加强挡板，该第一壳体挡板的一边与该第二壳体挡板的一边固定连接，而该加强挡板固定连接于该第一壳体挡板与该第二壳体挡板之间，而该卡接槽体设置于该加强挡板的另一边，该卡接槽体一侧的槽壁上开设有若干叶片连接口，且该叶片壳体单元还包括连接板，两块该连接板分别固定连接于该卡接槽体的槽口两边。

该叶片支撑单元包括若干叶片骨架以及若干连接块，若干该叶片骨架卡设于该叶片壳体单元的卡接槽体内，且其中两个该叶片骨架分别卡设于该卡接槽体的两端，若干该连接块中每一个该连接块均包括叶片骨架连接部以及杆体连接部，该叶片骨架连接部与该叶片骨架固定连接，并且该连接块的该叶片骨架连接部两侧分别固定连接有该叶片骨架固定连接。又该连接块还连接一叶片连接杆。

而该叶片猎风单元包括第一挡风板、第二挡风板以及端口挡风板，该端口挡风板固设于该叶片猎风单元的两端，并固设于该叶片壳体单元的两端，该叶片猎风单元的该第一挡板的一边与该叶片壳体单元的该连接板固定连接，且于该第一挡板的另一边设置有挡板卡接槽。该第一挡风板的一边与该第二挡风板的一边相卡接，该第一挡风板以及该第二挡风板与该叶片支撑单元固定连接并形成腔体，又于该第二挡风板上设置有若干猎风口，借助若干该猎风口使该叶片于风的作用下时，风自若干该猎风口进入该腔体内，并作用于该第一挡风板以及该第二挡风板的外表面以及内表面上增加了该叶片的扫风面积。

该第二挡板的一边与该叶片壳体单元的另块该连接板固定连接，该第二挡板包括若干猎风口挡板以及若干猎风口，于若干该猎风口挡板的同一侧的边上设置有卡接凸台，若干该猎风口挡板对称设置于该第二挡板上，每两个相邻的该猎风口挡板之间具有一定的距离，每一块该猎风口挡板借助该卡接凸台卡设置于该第一挡板的该挡板卡接槽内，并形成若干该猎风口，当受横向风的作用时，做用于该第二挡板上的风，一部分受若干该猎风口挡板的阻挡而作用于该第二挡板的外表面上，而另一部分的风则自若干该猎风口进入该腔体，改变横向风的方向，使横向风于该第二挡板上做湍流运动。

进一步，该叶片壳体单元、该叶片支撑单元以及该叶片猎风单元组成的该叶片呈翼叶形状。

本发明的有益效果为：一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括叶片壳体单元、叶片支撑单元以及叶片猎风单元，该叶片壳体单元包括保护壳体以及卡接槽体，该叶片猎风单元与该叶片支撑单元以及该叶片壳体单元固定连接，该叶片猎风单元包括第一挡风板、第二挡风板以及端口挡风板，该端口挡风板固设于该叶片猎风单元的两端，并固设于该叶片壳体单元的两端，该第一挡风板的一边与该第二挡风板的一边相卡接，该第一挡风板以及该第二挡风板与该叶片支撑单元固定连接并形成腔体，又于该第二挡风板上设置有若干猎风口，借助若干该猎风口使该叶片于风的作用下时，风自若干该猎风口进入该腔体内，并作用于该第一挡风板以及该第二挡风板的外表面以及内表面上，增加了叶片的扫风面积，从而在不改变原有叶片外部形状的前提下提升了风轮的效率。

而且由于该猎风单元的第二挡风板上设置有若干该猎风口挡板，使得横向扫掠而来的风以湍流流动方式作用于叶片，进一步地提升了叶片转动速度，提高了风轮的能量转化效率，使本发明的叶片在不改变现有叶片的外形尺寸时，可以增加其叶片扫风面积，提高风轮的工作效率。

附图说明

图1 为本发明的叶片立体图；

图2 为本发明的叶片壳体立体图；

图3 为本发明的叶片支撑单元立体图；

图4 为本发明的叶片骨架主视图；

图5 为本发明的连接块立体图；

图6 为本发明的猎风单元第一挡板立体；

图7 为本发明的猎风单元第二挡板立体；

图8 为本发明的猎风口挡板立体；

图9 为图一B 处放大图；

图10 为本发明叶片工作状态模拟图。

具体实施方式

如图1-9 所示：一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括壳体单元10、叶片支撑单元20 以及猎风单元30，其中该壳体单元10 包括第一壳体挡板11、第二壳体挡板12 以及加强挡板13。

如图1、2 所示：该第一壳体挡板11 的一边与该第二壳体挡板12 的一边固定连接，而该加强挡板13 固定连接于该第一壳体挡板11 与该第二壳体挡板12 之间，并形成腔体14 以及卡接槽体15，该腔体14 设置于靠近该第一壳体挡板11 与该第二壳体挡板12 相连接的一边，且该腔体14 的两端相连通。

该卡接槽体15 设置于该腔体14 的另一边，既该第一壳体挡板11 与该第二壳体挡板12 形成该卡接槽体15 的槽壁，又于该第一壳体挡板11 以及该第二壳体挡板12 所形成的槽壁上还设置有若干凸肋16，且若干该凸肋16 设置于该卡接槽体15 内侧，该第一壳体挡板11 以及该第二壳体挡板12 还连接有连接板17，于该连接板17 以及该卡接槽体15 的两端开设有若干卡接孔，且开设于该卡接槽体15 两端的该卡接孔与该连接板17 两端的该卡接孔于同一直线上。

进一步，于该第一壳体支撑板11 上还开设有若干叶片连接口18，若干该叶片连接口18 的孔口呈多边形，且是内角为直角的四边形，又若干该叶片连接口18 中每一个该叶片连接口18 的两侧均开设有若干该卡接孔。

如图1、3-5 所示：而该叶片支撑单元20 包括若干叶片骨架21 以及若干连接块22，其中两个该叶片骨架21 分别卡设于该壳体单元10 的两侧，若干该叶片骨架21 中每一个该叶片骨架21 包括头部41、中腰部42 以及尾部43，该头部41 与该中腰部42 固定连接，该头部41 与该卡接槽体15 固定连接，且于该头部41 的侧部挡板上开设有若干卡接孔，该头部42 上的若干该卡接孔与该卡接槽体15 两端的该卡接孔相对应，且与该叶片连接口18 两侧的该卡接孔相对应。

而该中腰部42 包括若干叶片骨架定位槽体44、若干连接板45 以及中腰侧部挡板46，其中每一个该叶片骨架定位槽体44 均为通槽，且该叶片骨架定位槽体44 的两端呈圆弧状，该中腰侧部挡板46 上开设有若干该卡接孔，该中腰部挡板46 借助若干该叶片骨架定位槽体44 以及若干该连板45 与该头部41相连接。

该尾部43 与 中腰部42 固定连接，该尾部43 包括侧部挡板47、叶片骨架加强板48 以及若干该叶片骨架定位槽体44，该侧部挡板47 包括第一侧部挡板以及第二侧部挡板，该第一侧部挡板以及该第二侧部挡板均为弧面挡板，且该第二侧部挡板所弯设的弧度略大于该第一侧部挡板所弯的弧度，于该第一侧部挡板以及该第二侧部挡板上还开设有若干该卡接孔，该第一侧部挡板的一端与该第二侧部挡板的一端固定连接，而该第一侧部挡板的另一端以及该第二侧部挡板的另一端与该中腰部42 固定连接。

而该叶片骨架加强板48 包括第一叶片骨架加强板以及第二叶片骨架加强板，该第一叶片骨架加强板以及该第二叶片骨架加强板固定连接于该两块该侧部挡板47 之间，该第一叶片骨架加强板以及该第二叶片骨架加强板与该侧部挡板47 之间的连接处还连接有该叶片骨架定位槽体44，又于该第一叶片骨架加强板两端的该叶片骨架定位槽体44 的槽口方向相反。而于该第一叶片骨架加强板两侧的该叶片骨架定位槽体44 与该卡接槽体15 的凸肋相卡接。

若干该连接块22 中每一个该连接块22 均包括叶片骨架连接部51 以及杆体连接部52，其中该叶片骨架连接部51 与该叶片骨架21 固定连接，于该叶片骨架连接部51 上开设有若干定位孔，若干该定位孔与该叶片骨架21 的中腰部42 相连接，进一步该中腰部42 的若干叶片骨架定位槽体44 与若干该定位孔一一对应，并借助一连接快固定连接，又两个该叶片骨架21 分别固定装设于该连接块22 的叶片骨架连接部51 的两侧。

该杆体连接部52 具有两端面以及若干侧面，其中两个该端面相互平行，两个该端面中任意一个该端面均为内角为直角的四边形，且其中一个该端面固定连接于该叶片骨架连接部51 上，并与该叶片骨架连接部51 形成一整体。而若干该侧面围绕两个该端面并形成该杆体连接部52，若干该侧面中任意一个该侧面均为内角为直角的四边形，又该杆体连接部52 上还开设有若干杆体定位孔。

该杆体连接部52 的一端穿设于该叶片连接口18 上，并且该杆体连接部52 的若干该侧面与该叶片连接口18 的孔壁相配合。若干该杆体连接部52 穿设于该第一壳体挡板11 上开设的若干该叶片连接口18 上，进一步装设于该叶片骨架连接部51 两侧的该叶片骨架21 上开设的若干卡接孔与该叶片连接口18两侧的若干卡接孔相对应。

如图1、2 所示：又该连接块22 还连接一叶片连接杆60，该叶片连接杆60 具有内腔61 以及若干定位孔，若干该定位孔开设于该叶片连接杆60 的两端，且于该内腔61 内还装设有若干杆体加强板62，若干该杆体加强板62 固定装设于该内腔61 内并形成一与该杆体连接部52 相配合的连接腔63，而该杆体连接部52 插设于该连接腔63 内，并且该杆体连接部52 上的若干该杆体定位孔与该叶片连杆60 的若干定位孔相对应。

如图1、6-9 所示：而该猎风单元30 包括第一挡风板31 以及第二挡风板32，该第一挡风板31 具有若干定位孔以及板体33，若干该定位孔开设于该板体33 上，该板体33 与该第二壳体挡板12 上连接的连接板17 以及若干该叶片骨架21 相连接，且是连接于该第二侧部挡板上，并且若干开设于该板体33 上的该定位孔与该连接板17 以及该第二侧部挡板上开的若干该卡接孔相互对应，并借助一定位件固定连接。又该挡风板31 还设置有卡接部34。

而该第二挡风板32 与该第一挡风板31 相卡接，该第二挡风板32 包括猎风口挡板35 以及定位板36，该猎风口挡板35 为弧形板，且与该尾部43 的侧部挡板相配合，该猎风口挡板35 包括板体37 以及若干卡接板38，若干该卡接板38 的一端固定连接与该板体37 上，且每两个相邻的该卡接板38 之间具有一定的距离，并且若干该卡接板38 固定连接与该板体37 上形成若干猎风口39。于该定位板36 上开设有若干该定位孔，该定位板36 借助若干该定位孔与该第一壳体挡板11 上连接的连接板17 固定连接。又相互对称的两块该猎风口挡板35 固定连接于该定位板36 的同一侧，并且于该猎风口挡板35 上的若干该卡接板38 的另一端卡设于该挡风板的该卡接部34 上，而该猎风口挡板35还与该卡接槽体15 上卡设的若干该叶片骨架21 相连接，并且于该猎风口挡板35 上还开设有若干与该连接块22 的若干卡接孔相对应的若干定位孔。

又一种垂直轴风力发电机的叶片还包括侧部挡风板70，两块该侧部挡板70 固定连接于该壳体单元10 的两侧，并且与该壳体单元10 两侧连接的该叶片骨架21 固定连接。

如图1-9 所示：在安装叶片时首先，将该叶片支撑单元20 插入该壳体单元10 内，既将该叶片骨架21 分别插设于若干该叶片连接口18 的两侧以及该卡接槽体15 的两端，而后将若干该连接块22 插设于若干那该叶片连接口18上，并且将该连接块22 与该叶片连接口18 亮侧的该叶片骨架21 固定连接，而后借助若干定位件将若干该叶片骨架21 与该壳体单元10 相固定；

其次，将该猎风单元30 与该壳体单元10 以及该叶片支撑单元20 固定连接，既将该猎风单元30 的第一挡风板31 以及第二挡风板32 固定连接于该壳体单元10 上，并且将该第一挡风板31 以及该第二挡风板32 与该叶片支撑单元20 的该叶片骨架21 固定连接；

最后，将该叶片支撑单元20 的该连接块22 插设于该叶片连接杆60 的连接腔63 内，又由于该连接块22 以及该叶片连接杆体60 上均开设有若干相对应的若干定位孔，因此可以对该叶片连接杆体60 以及该连接块22 之间的位置进行调节，安装完后将该叶片连接杆体60 与一风力发电机A 的转动单元固定连接。

进一步，如图1、10 根据贝兹理论我们可以知道通过改变叶片扫风面积，可以改变风轮的效率，而本发明通过该第二挡风板32，使叶片在受风吹时，该猎风单元30 不仅可以在其外表面上可以接收到来自风的能量，而且风还可以自若干该猎风口挡板35 所形成的若干该猎风口39 处作用到该猎风单元30 的内表面上，增加了叶片扫风面积，从而提高了风轮转动时的机械能，进而增加风轮转化效率。

而且由于该猎风单元30 的第二挡风板32 上设置有若干该猎风口挡板35，使得横向扫掠而来的风以湍流的方式作用于叶片上，而不再是层流的方式作用于叶片上，增加叶片对风的阻力，更进一步地提升了叶片转动速度，提高了风轮的能量转化效率，使本发明的叶片在不改变现有叶片的外形尺寸时，可以增加其叶片扫风面积，提高风轮的工作效率，实现本发明的目的。

下列为相关术语的注解：

贝兹理论：

贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论。

贝兹理论：理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27 约为59%：

推导过程如下：

v1 - 进入风速；

v2 - 残余风速；

p - 空气密度；

F - 叶片扫风面积；

P - 转换的动能；

P0 - 风的初始动能；

则叶片处单位时间内通过的风的质量 M = p*F*(v1+v2 )/2 -----式1

根据牛顿第二定律，叶片吸收的动能等于风残余动能与风初始动能之

差，于是得到：

P = (1/2)*M*(v1^2 - v2^2)-----式2；

将式1 带入式2 得到：

P = (p/4)*(v1^2 - v2^2)*(v1+v2)*F；

由风能的基本计算公式可知：

P0 = (p/2)* v1^3*F ；

则有：

P/P0 = (1/2)*(1-(v2/v1)^2)*(1+(v2/v1))；

由此可见 P/P0 为 v2/v1 的二次函数；

当 v2/v1 = 1/3 时 ；

P/P0 为最大值 16/27。

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或片流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流。

Claims (3)

1.一种垂直轴风力发电机的叶片，其包括叶片壳体单元、叶片支撑单元以及叶片猎风单元，该叶片壳体单元包括保护壳体以及卡接槽体，该叶片猎风单元与该叶片支撑单元以及该叶片壳体单元固定连接，其特征在于：于该卡接槽体一侧的槽壁上开设有若干叶片连接口，且该叶片壳体单元还包括第一块和第二块连接板，该第一块和第二块连接板分别固定连接于该卡接槽体的槽口两边，该叶片猎风单元包括第一挡风板、第二挡风板以及端口挡风板，该端口挡风板固设于该叶片猎风单元的两端，并固设于该叶片壳体单元的两端，该第一挡风板的一边与该第二挡风板的一边相卡接，该第一挡风板以及该第二挡风板与该叶片支撑单元固定连接并形成腔体，又于该第二挡风板上设置有若干猎风口，借助若干该猎风口使该叶片于风的作用下时，风自若干该猎风口进入该腔体内，并作用于该第一挡风板以及该第二挡风板的外表面以及内表面上增加了该叶片的扫风面积，该叶片猎风单元的该第一挡风板的一边与该叶片壳体单元的所述第一块连接板固定连接，且于该第一挡风板的另一边设置有挡板卡接槽，该第二挡风板的一边与该叶片壳体单元的该第二块连接板固定连接，该第二挡风板包括若干猎风口挡板以及若干猎风口，于若干该猎风口挡板的同一侧的边上设置有卡接凸台，若干该猎风口挡板对称设置于该第二挡风板上，每两个相邻的该猎风口挡板之间具有一定的距离，每一块该猎风口挡板借助该卡接凸台卡设置于该第一挡风板的该挡板卡接槽内，并形成若干该猎风口，当受横向风的作用时，作用于该第二挡风板上的风，一部分受若干该猎风口挡板的阻挡而作用于该第二挡风板的外表面上，而另一部分的风则自若干该猎风口进入该腔体，改变横向风的方向，使横向风于该第二挡风板上做湍流运动。

2.如权利要求1 所述的一种垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于：该叶片支撑单元包括若干叶片骨架以及若干连接块，若干该叶片骨架卡设于该叶片壳体单元的卡接槽体内，而若干该连接块插设于若干该叶片连接口上，并且该连接块的其中一端还分别与两块该叶片骨架固定连接，又该连接块还连接有叶片连接杆。

3.如权利要求1 所述的一种垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于：由该叶片壳体单元、该叶片支撑单元以及该叶片猎风单元组成的该垂直轴风力发电机的叶片呈翼叶形状。

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