CN102359433A

CN102359433A - 垂直轴风力发电机风轮

Info

Publication number: CN102359433A
Application number: CN2011102804193A
Authority: CN
Inventors: 赵楠; 唐焜璞; 李玉兰; 陆波; 王建新; 梁旭; 张红磊; 崔亨; 刘红娟; 郝景章; 王世芹; 柴凤飞
Original assignee: BEIJING JINGCHENG ZEYU ENERGY ENVIRONMENTAL PROTECTION ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd; Zhongye Jingcheng Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: BEIJING JINGCHENG ZEYU ENERGY ENVIRONMENTAL PROTECTION ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd; MCC Capital Engineering and Research Incorporation Ltd; Zhongye Jingcheng Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机风轮，其包括转轴，所述转轴上沿圆周方向均匀设有两个以上叶片，所述叶片为圆弧筒形，各所述叶片的圆弧内侧边缘分别与所述转轴相连，所述叶片的上边缘与下边缘相扭转，扭转夹角为60～180度。本发明的垂直轴风力发电机风轮的受风面积大，整体风载小，且风能利用系数大。

Description

垂直轴风力发电机风轮

技术领域

本发明有关于一种风轮，尤其有关于一种应用于风力发电技术中的垂直轴风力发电机风轮。

背景技术

目前，各个国家都在大力发展新能源产业，因风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，其已成为新能源商业化的首选。现有的风力发电机按风轮转轴的放置位置，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类，水平轴风力发电机的风轮旋转轴与风向平行，而垂直轴风力发电机的风轮旋转轴垂直于地面或者气流方向。垂直轴风力发电机，在风向改变的时候无需对风，在这点上其相对于水平轴风力发电机是一大优势，它因具有结构设计简化、体积小、减少了叶片对风时的陀螺力等优势而广泛应用在风力发电系统中。

如图1所示，为现有应用在垂直轴风力发电机上的萨沃尼斯(Savonius)风轮立体图，萨沃尼斯风轮是一种阻力型风轮，其最开始主要为帆船提供动力，随着风力发电技术的发展这种风轮逐渐在垂直轴风力发电机上应用。该风轮主要由两个半圆筒形叶片1’组成，两个叶片1’的半圆形凹面相对设置，且各自的中心轴错开一段距离，两个叶片1’的两端分别连接有端盖板2’。它的工作原理是：当气流流过两叶片1’后，叶片1’凹凸两面上的风的压力有一个差值，而气流通过叶片1’时要转折180度，两个叶片1’受到的压力差形成了一对气动力偶，叶片1’随之转动。另外，如图2所示，两个叶片1’之间还留有一定的缝隙3’，自其中一个叶片1’的凹面流过的气流会自该缝隙3’流到另一个叶片1’的凹面上(如图2中的箭头所示)，流过该缝隙3’的旋转气流增加了叶片1’的表面压力差，从而提高了风能利用率。

但是，由于该风轮的叶片1’呈竖直的半圆筒形，气流仅垂直作用在叶片1’的凹面表面上，其不会产生沿风轮轴向方向上的力，因此，该种风轮的风载较大，其旋转速度不会大于风速，叶片1’几乎是与风速同样的速度在旋转，这就导致使用该种风轮的风力机在风速较低时无法产生足够的电能；另外，由于施加在两叶片1’上的阻力不同，因而该种风轮在动力学性能上表现不良，其风能利用系数很低，已不能满足日益发展的技术需求。若通过增大迎风面面积来增加风能利用效率，例如，将风轮的叶片1’宽度制作的较宽，这就导致风轮的旋转轴直径增大、以及固定该风轮的支架尺寸增加，显然，这种做法既不经济也不实用。

因此，有必要提供一种风能利用效率更高，转矩更大的垂直轴风力发电机风轮，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直轴风力发电机风轮，该垂直轴风力发电机风轮的受风面积大，整体风载小，且风能利用系数大。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种垂直轴风力发电机风轮，其包括转轴，所述转轴上沿圆周方向均匀设有两个以上叶片，所述叶片为圆弧筒形，各所述叶片的圆弧内侧边缘分别与所述转轴相连，所述叶片的上边缘与下边缘相扭转，扭转夹角为60～180度。

在优选的实施方式中，所述叶片的横截面为圆弧形，其圆心角为90～180度。

在优选的实施方式中，所述叶片为三个，所述扭转夹角为120度。

在优选的实施方式中，每个所述叶片在靠近所述转轴的位置处，沿轴向方向开设有多个风孔。

在优选的实施方式中，所述转轴由Q235钢制成。

在优选的实施方式中，所述叶片由玻璃钢材料制成。

在优选的实施方式中，所述叶片的圆弧内侧边缘的厚度大于所述叶片的圆弧外侧边缘的厚度。

本发明的垂直轴风力发电机风轮的特点及优点是：

一、本发明的垂直轴风力发电机风轮，由两个以上的圆弧筒形叶片组成，该圆弧筒形叶片的上边缘相对于下边缘扭转一定的角度，当气流沿垂直转轴的方向作用在叶片上时，一方面，因叶片相对传统的萨沃尼斯风轮的竖直半圆筒形叶片来说，进行了扭转，因此对于同样高度与宽度的叶片来说，本发明的叶片在竖直方向上的受风面积有所增加，风能利用效率有所增高，另外，风轮在进行旋转的过程中，至少有两个以上的叶片与气流相对，气流瞬时推动两个以上的叶片进行旋转，该风轮的风能利用系数大；另一方面，因气流所产生的力不但可使叶片进行旋转，而且也可使叶片进行倾倒，上边缘与下边缘进行弯扭后的叶片，使叶片能够发生倾倒的可能性降低，再有，气流在碰触叶片的凹面表面后，会自然的沿着凹面表面向叶片的上边缘的方向进行旋流流动，其进一步推动了叶片的旋转，提高了风能利用效率。另外，本发明的垂直轴风力发电机风轮，在高风速下，还具有一定的卸荷能力。

二、本发明的垂直轴风力发电机风轮，在各叶片靠近转轴的位置处沿轴向方向开设有多个风孔，当气流作用在叶片的表面上时，由于靠近转轴位置处的气流对使叶片产生旋转的作用力几乎为零，该些未充分利用的气流可通过风孔被传输至下一叶片表面上，进而增大了下一叶片凹面表面上的气流推动力，进一步提高了风能利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有垂直轴风力发电机风轮的立体图。

图2为现有垂直轴风力发电机风轮的俯视截面图。

图3为本发明的垂直轴风力发电机风轮的立体图。

图4为本发明的垂直轴风力发电机风轮的主视图。

图5为本发明的垂直轴风力发电机风轮的俯视图。

图6为图4的A-A向剖视图。

图7为图5中的B部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3、4所示，本发明提供一种垂直轴风力发电机风轮，其包括转轴1，所述转轴1上沿圆周方向均匀设有两个以上叶片2，所述叶片2为圆弧筒形，各所述叶片2的圆弧内侧边缘21分别与所述转轴1相连，所述叶片2的上边缘22与下边缘23相扭转，扭转夹角θ为60～180度。

具体是，转轴1大体呈圆柱体形，其由Q235钢或20号钢制成。叶片2为圆弧筒形，以其圆弧内侧边缘21固定连接在转轴1的外周壁上，其由玻璃钢材料制成，如图5所示，叶片2的上边缘22朝向叶片2的凹面表面一侧相对其下边缘23扭转一角度θ，角度θ的范围在60～180度之间，如图6所示，扭转的叶片2在各个水平面上的横截面形状均呈圆弧形，该圆弧的圆心角φ为90～180度。在本发明中，因叶片2为圆弧筒形，且其上边缘22相对下边缘23进行了扭转，因此，连接在转轴1上的叶片2的圆弧内侧边缘21与转轴1的竖直轴线之间自然形成一夹角，该圆弧内侧边缘21并不与转轴1的竖直轴线平行。

本发明的垂直轴风力发电机风轮，当气流沿垂直转轴1的方向作用在叶片2上时，一方面，因叶片2相对传统的萨沃尼斯风轮的竖直半圆筒形叶片来说，进行了扭转，因此对于同样高度与宽度的叶片来说，本发明的叶片2在竖直方向上的受风面积有所增加，风能利用效率有所提高，另外，该风轮在进行旋转的过程中，至少有两个以上的叶片2的迎风面(叶片2的凹面)与气流相对，气流瞬时推动两个以上的叶片2进行旋转，该风轮的风能利用系数大；另一方面，因气流所产生的力不但可使叶片2进行旋转，而且也可使叶片2进行倾倒，上边缘22与下边缘23进行弯扭后的叶片2，使叶片2能够发生倾倒的可能性降低，再有，气流在碰触叶片2的凹面表面后，会自然的沿着凹面表面向叶片2的上边缘22的方向进行旋流流动，其进一步推动了叶片2的旋转，提高了风能利用效率。而且，本发明的垂直轴风力发电机风轮，在高风速下，还具有一定的卸荷能力，因此不会出现转速超电机负荷的情况发生，其安全性能高，且外形美观、大方。

在本发明中，优选的，转轴1上均匀设有三个叶片2，叶片2的上边缘22与下边缘23相扭转的角度θ为120度，圆弧形叶片2的圆心角φ为180度，也即叶片2的横截面呈半圆形。这样设计的好处是，叶片2可以最大限度的发挥作用，叶片2所获得的转矩更高，风能利用系数更大，风能利用率更高。当然，在其它的实施方式中，叶片2的数量也可取例如4片或更多片等，叶片2的上边缘22与下边缘23相扭转的角度θ也可在60～180度之间任意选取，圆弧形叶片2的圆心角φ也可在90～180度之间进行选取，在此不作限制。

请参阅图3和图7所示，根据本发明的一个实施方式，每个所述叶片2在靠近所述转轴1的位置处，沿轴向方向开设有多个风孔24。具体是，在本发明中，在每个叶片2的内侧边缘21沿轴向方向上设置有一列风孔24，多个风孔24均匀分布在叶片2的内侧边缘21上，其数量可根据叶片2的高度进行选择设置，在此不作限制。本发明的垂直轴风力发电机风轮，当气流作用在叶片2的表面上时，由于靠近转轴1位置处的气流对使叶片2产生旋转的作用力几乎为零，该些未充分利用的气流可通过风孔24被传输至下一叶片2的凹面表面上，进而增大了下一叶片2凹面表面上的气流推动力，进一步提高了风能利用效率。

根据本发明的一个实施方式，叶片2的圆弧外侧边缘25的厚度小于圆弧内侧边缘21的厚度，这样可以节省材料，而圆弧内侧边缘21制作的较厚是为了使叶片2具有很好的承载能力。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，其包括转轴，所述转轴上沿圆周方向均匀设有两个以上叶片，所述叶片为圆弧筒形，各所述叶片的圆弧内侧边缘分别与所述转轴相连，所述叶片的上边缘与下边缘相扭转，扭转夹角为60～180度。

2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述叶片的横截面为圆弧形，其圆心角为90～180度。

3.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述叶片为三个，所述扭转夹角为120度。

4.如权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，每个所述叶片在靠近所述转轴的位置处，沿轴向方向开设有多个风孔。

5.如权利要求1-4任一项所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述转轴由Q235钢制成。

6.如权利要求1-4任一项所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述叶片由玻璃钢材料制成。

7.如权利要求1-4任一项所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述叶片的圆弧内侧边缘的厚度大于所述叶片的圆弧外侧边缘的厚度。