CN101832225B - 升力型垂直轴风力发电机风轮结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种通过对叶片支持翼的结构改进，使得风轮在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定转速，从而确保垂直轴风力发电机恒定功率输出的升力型垂直轴风力发电机风轮结构。本发明由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮，所述支持翼包括与垂直轴连接的固定支持翼(1)，与叶片连接的转动支持翼(2)，所述转动支持翼的一端(21)与固定支持翼的一端(12)连接并可绕该固定支持翼的一端(12)转动，其安装角(α)的范围是-12～12度；叶片弦线与转动支持翼的夹角(G)的范围是7～100度；转动支持翼与固定支持翼延长线的夹角(A)的范围是20～90度。

Description

升力型垂直轴风力发电机风轮结构

技术领域

本发明涉及升力型垂直轴风力发电机，尤指一种可通过调节叶片支持翼角度的结构，使得风轮在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定的转速，从而确保垂直轴风力发电机恒定的功率输出。

技术背景

对于风力发电机技术领域，首先需明确如下常用的技术术语及定义：

风速，所谓风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。

有效风速，因风速的随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行，所谓有效风速，是指使风力发电机风轮安全运转的风速，亦称可利用风速。

有效风速范围，把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称为有效风速范围。在设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围，亦称可利用风速范围。例如6～20m/s。

起始风速，使风力发电机风轮开始转动作功时的风速称为起始风速。

额定风速，风力发电机发出额定功率的电力时的风速称为额定风速。

停机风速，当风速大到某一风速以上时，风力发电机应停止运行以避免风力发电机遭到破坏，此时的风速称为停机风速，停机风速视当地风速情况而定。

调速装置，因风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化，为了使风轮运转在所需要的额定转速附近的装置称为调速装置，当风速超过额定风速时，调速装置开始起动调速功能，调速装置只在额定风速以上时进行调速。

垂直轴风力发电机，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。

风轮，垂直轴风力发电机由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮。

垂直轴风力发电机可分为阻力型和升力型，他们的原理和结构都是不相同的，阻力型风轮的叶片可采用类似风碗、半球型、半圆型桶体、甚至于一块平板，例如如图1所示，是一种阻力型垂直轴风轮的示意图。当该风轮中的叶片为半圆形的桶体时，风力作用于风轮，叶片在处于D1位置所受的压力是处于D2位置的2倍，在该风轮中由于D1和D2位置的压力不同，风力便推动风轮按顺时针围绕回转中心旋转，因此阻力型风轮最显著的特点是风力推动叶片从高压向低压方向运动，即风轮的旋转方向始终是从高压向低压方向旋转。

为了提高阻力型风轮的效率，也即提高D1、D2位置之间叶片的压力差，人们想过多种办法，比如增加叶片数量、改变叶片形状等，最明显的办法是叶片在D2位置时改变叶片在风轮下半区的角度，如果假设D1位置为零度，则在D2位置时改变到90度，如图2所示。而改变角度的办法也有许多种，比如中国专利公开号CN85103919A，但无论采用什么方式，阻力型风轮的最大风能利用率不超过2/27，下面是阻力型风轮在完全忽略叶片在下半周所受阻力情况下，通过推导得到的结论：

假设风轮的高度为H，叶片宽度为R，风轮旋转的角速度为ω，风轮的回转半径等于叶片宽度R，风速为V，密度为ρ。假设气流对平板的压力取得最大值，并忽略迎风面积最小时叶片的阻力，此时迎风面积最大的平板可以等效为宽R，高H的平板。

风轮迎风面积总的风能为： $E=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^{3}S=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^{3}2\mathrm{RH}=\mathrm{\ρ}{V}^3\mathrm{RH}$

空气相对于平板的速度为：v＝V-ωR

气流作用于平板上的压力为： $p=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{(V-\mathrm{\ω}R)}^2\mathrm{RH}$

产生的功率为： $P\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{T\ω}\≤\mathrm{pR\ω}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{(V-\mathrm{\ωR})}^2\mathrm{RHR\ω}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{(V-\mathrm{\ωR})}^2{R}^2\mathrm{H\ω}$

对上式求极值可得，当ωR＝0＝V时P取得最小值，当ωR＝1/3V时P取得最大值，即阻力型风轮的最大功率出现在风轮转动的线速度是风速的1/3时，将ωR＝1/3V代入，可得功率的最大值为

如果忽略风轮半边的阻力作用，根据风能利用率的定义可得：

为了克服阻力型垂直轴风轮的低效率，人们又发明了升力型垂直轴风轮，图3为一种升力型垂直轴风轮。升力型风轮是利用叶片二面不同的形状，当风吹在叶片表面，由于叶片二面形状和叶片安装角的缘故，叶片外表面和内表面的风速是不同的，这样就在叶片的外表面和内表面形成了风速差，从流体力学可以知道，当内、外表面流体速度不一致时，在二个表面之间形成了压力差，也就是升力，当选择一定的叶片安装角时，由于压力差所产生的升力的分力就将产生绕风轮回转中心的驱动力矩，使风轮旋转。

如图4所示，是升力型垂直轴风轮叶片的受力分析示意图。由于风轮在旋转中，空气相对与叶片的实际速度和方向是V2(图4中，V0表示风的速度，V1表示空气相对于叶片运动方向的速度)，在这个风速和方向下，叶片会产生平行于气流的阻力D和垂直于气流的升力L，当风速大于一定值后，由于翼型的升力L要远远大于阻力D，因此叶片主要靠升力L在切线方向上的分力L1产生的力矩驱动旋转。因此升力型风轮最显著的特点是叶片必须具有一定的翼型和叶片安装角较小，参见中国专利公开号CN1831330A。翼型通常是现有公开翼型库中的翼型，或利用这些公开翼型库中的二种不同翼型的二个不同曲面组成的新翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成的翼型。

由于风轮的叶片在做圆周运动中产生的气动阻力大小跟叶片的安装角有关，安装角越大，产生的阻力越大。因此升力型风轮为了能够获得较高的效率，叶片的安装角都较小。为了表明升力型风轮中叶片安装角对风轮效率的重要性，为了方便描述，如图5给出了一些相关叶片参数的定义：

叶片翼的前缘：翼的圆头。

叶片翼的后缘：翼的尖尾。

叶片弦线：翼的前缘与翼的后缘的连线，亦称翼弦。

安装角α：叶片弦线与过叶片中心切线的夹角，顺时针方向为正，逆时针方向为负。

方位角β：叶片中心与旋转中心的连线与y轴正半轴的夹角。

另外，由于升力型风轮的叶片在不同方位角时，叶片所产生力矩的大小和方向始终都在变化中，在有些方位角力矩方向甚至相反，因此为了提高升力型垂直轴风轮的效率，人们也采用了许多方法，除了必须选择合适的翼型、叶片安装角、叶片的弦宽和叶片数量外(参见中国专利公开号CN1873220A)，更有效的方法是在叶片处于不同方位角时，改变叶片不同的安装角α，使叶片在任何一个方位角时都获得最大升力，例如中国专利公开号CN1916397A，美国专利号US6379115B1，法国专利公开号FR2548740A1。这些专利中所采用的方法都是在风轮旋转一周内调整叶片在不同方位角时的安装角α，使叶片获得最佳的安装角α，其特点是叶片在旋转一周内有无数个不同的较小角度的安装角α，而安装角α的变化是从风轮开始旋转时就开始的，从而使升力型垂直轴风轮在低风速对应的低转速时获得足够大的扭矩，目的都是为了提高升力型风轮的自启动性能，以及提高升力型风轮在较高风速下的效率。

从上述可见，阻力型垂直轴风轮和升力型垂直轴风轮是完全不同的，提高他们效率的方法也是不同的。

对于叶片转角α固定的垂直轴风力发电机，在一定的风速范围内，其风轮的转速和环境风速成正比，环境风速越高，风轮的转速也越高。而风能与环境风速的立方成正比，当环境风速从10米/秒增加到25米/秒时，则风能增加了近16倍。由于自然界风速的变化无常，因此无论何种风力发电机，都设有一个额定风速，即在该风速下风机达到最大功率，因此当风速超过额定风速后都要求风机的功率能够稳定在额定功率附近，以保护发电机和系统不会因为功率太大而毁坏，水平轴风机可以通过偏航的方式，即减小风机的迎风面积解决这个问题。

由于阻力型垂直轴风轮的叶片安装角可以不受限制的在一个大角度范围内任意变化，因此阻力型垂直风机也是通过减小风轮的迎风面积达到相同的目的，在通过改变迎风面积达到降低风轮功率的方法中，都不改变风轮的效率。如德国专利公开号DE2717379A1，披露了通过转速提高后收缩风轮直径达到稳定功率的目的，极限情况是风轮收缩成一个圆桶。

升力型垂直轴风轮通过改变风轮的迎风面积来降低风轮的功率的方法其结构比较复杂，可通过液压装置结合电子控制技术实现，但成本较高，难以在中小型垂直轴风力发电机中应用，在此不做阐述，但更好的方法是通过降低风轮的效率来保持稳定的输出功率，以保护系统不至因风速太高而损坏，而且成本较低。

在中国专利公开号CN1831330A中，为了使风轮能获得较高的效率，叶片较佳的安装角在2-8度之间，叶片安装角在该范围内效率变化不大，低于或高于这个角度范围将迅速降低风轮的效率。在中国专利公开号CN1844662A中，通过限位槽将叶片安装角的变化范围限定在一个小范围内。中国专利公开号CN1945009A中，通过改变叶片安装角的方式来降低升力型风轮在超过额定风速后的效率，以达到当风速超过额定风速后保持较稳定的输出功率，其特点是通过弹性部件使叶片安装角的变化在较小范围内进行，但上述专利文献都未披露安装角的角度变化范围，同时对弹性部件尚有改进的余地。

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，提出一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构，以解决垂直轴风力发电机的功率恒定输出问题，尤其是在中小型垂直轴风力发电机中的应用，即一种垂直轴风力发电机的调速机构。

本发明是针对升力型垂直轴风力发电机风轮结构的创造发明。

本发明的具体技术方案如下：

一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构，由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮，

所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种翼型的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成的翼型，

所述支持翼包括与垂直轴连接的固定支持翼1，与叶片连接的转动支持翼2，

所述转动支持翼的一端21与固定支持翼的一端12连接并可绕该固定支持翼的一端12转动，

所述的转动支持翼的一端21与所述固定支持翼的一端12连接处设有回转中心轴3，

在上述转动支持翼的另一端22连接可控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度的控制部件4，该控制部件4与前述转动支持翼相邻的固定支持翼一端12′连接，以此方法沿风轮单方向依次设置若干个控制部件4，

所述控制部件4是弹性部件、液压部件、电气部件的一种或多种；

其特点在于，

安装角α为叶片弦线与过叶片中心切线的夹角，安装角α的范围是-12～12度；

叶片弦线与转动支持翼的夹角G的范围是7～100度；

转动支持翼与固定支持翼延长线的夹角A的范围是20～90度。

如图5中，当叶片安装角α的角度逐渐变小并向负值变化时，风轮的效率将迅速降低，当α小于负6度时风轮的效率几乎降低10倍以上，此时风轮的迎风面积不变，进一步将安装角向负角度增大，升力在切向方向上的分力L1不仅改变大小也将逐步改变方向，从而改变风轮的旋转方向。基于此，我们将通过弹性部件给予叶片安装角一个初始力，使得叶片安装角变化设定在正8度到负8度之间，这个初始力恰好等于风轮在额定风速旋转时，叶片围绕其回转中心旋转时产生的离心力的分力，使风轮在风速不超过额定风速时叶片的安装角保持不变，当风速超过额定风速后，由于风轮转速的提高使得叶片产生的离心力的分力增加到大于预先设定的弹性部件的初始力，从而使叶片安装角从8度开始逐步降低，在此过程中风轮功率增加不多，当风速继续增加，离心力的分力也相应增大到大于弹性部件的初始力后，叶片安装角将进一步降低到小于2度并向负角度变化，只要风速继续增大，叶片的安装角将逐步降低到负角度，从而迅速降低叶片的扭矩，使风轮的效率快速降低，达到风速迅速增加后保持升力型风轮稳定的功率输出，解决了升力型风轮在超过额定风速后的限速问题，使升力型垂直轴风轮有更广泛的用途。

上述弹性部件是拉伸弹簧。

上述拉伸弹簧的一端连接有可调节长度的张紧装置5。可通过该张紧装置5的调节，预先设置不同的初始力，也就是通过张紧装置5来调节额定风速。

上述张紧装置5是一个可调节长度的螺丝，该张紧装置5的可调节范围为1～50厘米。

上述回转中心轴3处的结构是插槽结构，固定支持翼的一端12与转动支持翼的一端21对应以销连接，成为回转中心轴3；固定支持翼一端12的端部设有凹槽部，对应转动支持翼一端21的端部设有凸出部，当固定支持翼1与转动支持翼2绕回转中心轴3转动时，凹槽部与凸出部的接触面相互配合限位，以控制转动支持翼的旋转，使角度达到设定值。

本发明通过对叶片支持翼的结构改进，使得风轮在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定转速，从而确保垂直轴风力发电机的恒定功率输出。

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是一种的阻力型垂直轴风轮示意图。

图2是另一阻力型垂直轴风轮示意图。

图3是一种升力型垂直轴风轮示意图。

图4是升力型垂直轴风轮的受力分析示意图。

图5是升力型垂直轴风轮的角度示意图。

图6是实施例1的升力型垂直轴风轮示意图。

图7是实施例2的升力型垂直轴风轮示意图。

图8是实施例3的升力型垂直轴风轮示意图。

图9是图8局部放大示意图。

图10是叶片支持翼的受力分析图。

图11是回转中心轴3处的结构示意图(剖面侧视图)。

图12是回转中心轴3处的结构示意图(俯视图)。

图13是回转中心轴3处的结构示意图(立体图)。

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：

本发明升力型垂直轴风力发电机风轮结构，如图6所示，由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮，所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种翼型的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成的翼型，所述支持翼包括与垂直轴连接的固定支持翼1，与叶片连接的转动支持翼2，所述转动支持翼的一端21与固定支持翼的一端12连接并可绕该固定支持翼的一端12转动，所述的转动支持翼的一端21与所述固定支持翼的一端12连接处设有回转中心轴3，在上述转动支持翼的另一端22连接可控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度的控制部件4，该控制部件4与前述转动支持翼相邻的固定支持翼一端12′连接，以此方法沿风轮单方向依次设置若干个控制部件4，所述弹性部件是拉伸弹簧。如图10所示，是叶片支持翼的受力分析图：

其中，ab表示固定支持翼，ac表示转动支持翼，a点表示回转中心轴3的位置，b点表示风轮中心，fe表示叶片弦线，其中f点表示叶片前缘，e点表示叶片后缘，d点表示与转动支持翼相邻的固定支持翼一端12′连接的位置。

安装角α为叶片弦线与过叶片中心切线的夹角，安装角α的范围是-12～12度；

叶片弦线与转动支持翼的夹角G的范围是7～100度；

转动支持翼与固定支持翼延长线的夹角A的范围是20～90度。

如下表，是以安装角α分别为12、9、6、3、0、-3、-6、-9、-12度时，对应选择夹角G，夹角A的角度范围。

安装角α	夹角G	夹角A
			12度	22～100度	90～20度
9度	19～97度	90～20度
			6度	16～94度	90～20度
3度	13～91度	90～20度
			0度	10～88度	90～20度
-3度	7～85度	90～20度
			-6度	7～85度	90～20度
-9度	7～85度	90～20度
			-12度	7～85度	90～20度

以上述实施例1的叶片支持翼结构，选取Goe63翼型的叶片组成风轮，风轮直径1.36米，固定支持翼和转动支持翼长度比为1∶1，设定额定风速为10米/秒，即该装置的风速从10米/秒以后开始对垂直轴风力发电机发生作用，通过CFD的计算，当风速从10米/秒增加到15米秒时、20米/秒和25米/秒时，输出功率从170瓦分别增加到210瓦、220瓦和230瓦，而如果不使用本发明的叶片支持翼结构，输出功率将从170瓦增加到约2660瓦。

CFD计算表

仍以上述实施例1叶片支持翼结构，同样使用以上风轮和参数进行风洞实验，固定支持翼和转动支持翼长度比为1∶1，当风速从10米/秒分别增加15米/秒、20米/秒和25米秒时，发电机输出功率从158瓦分别增加到193瓦198瓦和202瓦，而如果不使用该装置，发电机的输出功率将达到2600瓦左右。

风洞实验表

由上述可知，采用本实施例所选用的叶片支持翼结构，经风洞实验，达到本发明解决功率恒定输出的问题。

实施例2：

如图7所示，与实施例1结构基本相同，所不同的是，控制部件4未与转动支持翼相邻的固定支持翼一端12′连接，而是与固定支持翼上的固定部固定连接，其余与实施例1相同。同样可以达到本发明解决功率恒定输出的问题。

实施例3：

如图8，图9所示，结合实施例1的结构，弹性部件是一个拉伸弹簧，弹簧的一端固定在连接叶片的转动支持翼上，另一端连接调节长度的张紧装置5。通过该张紧装置5的调节，可预先设置不同的初始力，也就是通过张紧装置5来调节额定风速。初始力通过预紧装置设定，预紧装置可以是个简单的可调节长度的螺丝、也可以是其它可调节长度的元件，以获得初始力。由于初始力有诸多因素确定，通过多次实验得知，改变叶片重量、风轮直径、和在不同额定风速下，初始力的变化很大，但都可以在确定弹簧的参数后通过调节预紧装置的预紧量获得，通过多次实践，预紧量在1-50厘米之间可以获得较好的效果。如下表，当风机额定功率设定为1、3、5、10、50、100、200、300KW时，与该弹簧预紧装置调整的长度对应关系。

风机额定功率	弹簧预紧长度
		1kw	1～10cm
3kw	3～12cm
		5kw	3～15cm
10kw	3～15cm
		50kw	10～40cm
100kw	15～50cm
		200kw	15～50cm
300kw	15～50cm

实施例4

如图11～13，分别是回转中心轴3处的结构示意图的侧视图、剖面俯视图和立体图。回转中心轴3处的结构是插槽结构，固定支持翼的一端12与转动支持翼的一端21对应以销连接，成为回转中心轴3；固定支持翼一端12的端部设有凹槽部，对应转动支持翼一端21的端部设有凸出部，当固定支持翼1与转动支持翼2绕回转中心轴3转动时，凹槽部与凸出部的接触面相互配合限位，以控制转动支持翼的旋转，使角度达到设定值。同理，可以将两端部的凹槽部和凸出部进行互换，例如，将固定支持翼一端12的端部设为凸出部，对应转动支持翼一端21的端部设为凹槽部，同样可以通过接触面的相互配合限位，以控制转动支持翼的旋转，使角度达到设定值。

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 (6)

1.一种升力型垂直轴风力发电机风轮结构，由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮，

所述叶片，其翼型是现有公开翼型库中的翼型，或利用现有公开翼型库中的两种翼型的二个不同曲面组成的翼型，或由多个至少满足二阶连续可导函数曲线组成的翼型，或由样条曲线组成的翼型，

所述支持翼包括与垂直轴连接的固定支持翼(1)，与叶片连接的转动支持翼(2)，

所述转动支持翼的一端(21)与固定支持翼的一端(12)连接并可绕该固定支持翼的一端(12)转动，

所述的转动支持翼的一端(21)与所述固定支持翼的一端(12)连接处设有回转中心轴(3)，

在上述转动支持翼的另一端(22)连接可控制转动支持翼(2)绕回转中心轴(3)旋转的旋转角度的控制部件(4)，该控制部件(4)与前述转动支持翼相邻的固定支持翼一端(12′)连接，以此方法沿风轮单方向依次设置若干个控制部件(4)，

所述控制部件(4)是弹性部件、液压部件、电气部件的一种或多种；

其特征在于，

安装角α为叶片弦线与过叶片中心切线的夹角，安装角α的范围是-12～12度；

叶片弦线与转动支持翼的夹角G的范围是7～100度；

转动支持翼与固定支持翼延长线的夹角A的范围是0～90度；

所述回转中心轴(3)处的结构是插槽结构，固定支持翼的一端(12)与转动支持翼的一端(21)对应以销连接，成为回转中心轴(3)；固定支持翼一端(12)的端部设有凹槽部，对应转动支持翼一端(21)的端部设有凸出部，当固定支持翼(1)与转动支持翼(2)绕回转中心轴(3)转动时，凹槽部与凸出部的接触面相互配合限位，以控制转动支持翼的旋转，使角度达到设定值。

2.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，以安装角α分别为12、9、6、3、0、-3、-6、-9、-12度时，对应选择夹角G，夹角A的角度范围如下：

安装角α 夹角G 夹角A 12度 22～100度 90～20度 9度 19～97度 90～20度 6度 16～94度 90～20度 3度 13～91度 90～20度 0度 10～88度 90～20度 -3度 7～85度 90～20度 -6度 7～85度 90～20度 -9度 7～85度 90～20度 -12度 7～85度 90～20度 。

3.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，所述弹性部件是拉伸弹簧。

4.根据权利要求3所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，所述拉伸弹簧的一端连接有可调节长度的张紧装置(5)。

5.根据权利要求4所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，所述张紧装置(5)是一个可调节长度的螺丝，该张紧装置的可调节范围为1～50厘米。

6.根据权利要求5所述的升力型垂直轴风力发电机风轮结构，其特征在于，当风机额定功率设定为1、3、5、10、50、100、200、300KW时，与该张紧装置(5)调整的长度对应关系如下：

风机额定功率 弹簧预紧长度 1kw 1～10cm 3kw 3～12cm 5kw 3～15cm 10kw 3～15cm 50kw 10～40cm 100kw 15～50cm 200kw 15～50cm 300kw 15～50cm 。

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