CN102758730A - 活页型垂直轴流体发电机组 - Google Patents

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Abstract

新型垂直轴流体发电机组，包括活页叶片1、活页转轴2、框架3、活页轴环4和垂直转轴5；活页页片1可以绕活页转轴转动；两个大叶片6、7绕着垂直轴转5转动。整个垂直轴风力发电机组在与垂直轴垂直的风力作用下形成正向挡风叶片6与反向挡风叶片7。正向挡风时活页页片1在风力的作用下向框架靠拢，反向挡风时则摆离框架。通过这样增大正向挡风面积和减小反向挡风面积，从而获得使垂直轴转轴不断旋转的动力。

Description

活页型垂直轴流体发电机组
技术领域
本发明涉及流体发电，本说明主要以风力发电为主，当然本发明也适用于流水发电。
背景技术
风力发电机组是从风中提取能量的装置，风力发电机组主要分垂直轴风力发电机组和水平风力发电机组。垂直轴风力发电机组因其风轮旋转面一般与安装面垂直而得名。其代表机型主要有达里厄型，直线翼型和萨渥纽斯型等。垂直轴风力发电机组的主要特征是不论风向如何变化，其受风面积不变，因此不需要进行方向控制。正因为如此垂直轴风力发电机组不需要像水平轴风力发电机组那样要根据风向来转动，否则风叶轮转速变慢或者停止转动，然而自然界中风的方向时刻在变化，而水平风力发电机组不可能随时的改变方向，时刻与风向对应。但今天风力发电厂中依然大量的使用着水平轴风力发电，是因为我们在空气动力学以及构造力学方向的技术积累较少，造成现有垂直轴风力发电的风力利用率太低新型实用机型研发相对滞后。
发明专利内容
发明专利技术解决的问题是：克服现有垂直轴风力发电技术不足，如何增大正向档风面积和减小反向档风面积，从而增大垂直轴转动矩提高风能转换率。
发明专利解决的是：利用风力作用，在正面风力作用下把活页吹的和框架叠合就像门一样的关着，档风面积为整个叶片，当整个叶片旋转半周之后反面成为迎风面活页与框架被吹开就像门一样被打开，这样就减少了档风面积，档风面积为框架。
发明专利应用原理
放置在速度为Vr的气流中物体所受阻力可表示为：
F＝1/2CDPAVr2
阻力系数CD、空气密度P为常数，A(m2)为物体相对于来流的投影面积。在风速V1作用下风力发电机组叶片以速度V被推向后方运动(如图1)，相对风速Vr可表示为Vr＝V1-V则式可写成：
F正＝1/2CDPA正(V1-V)2
设叶片旋转半周后仍以相同的速度V旋转(如图2)
相对风速Vr可表示为Vr＝V1+V则式可写成：
F支＝1/2CDPA反(V1+V)2
垂直轴转轮上的叶片在正向档风时为其提供转动的动力，反向档风时则阻档其继续旋转。叶片在正向档风和旋转半周后所受两个力进行比较(设叶片旋转的V相同)。
F总＝F正-F反
＝1/2CDP(V1-V)2(A正-A反)-2CDPV1VA反
对于图1和图2，叶片的投影面积|S实COSa |＝|S实COS(II+a)|叶片半周前与旋转半周后的相对来流的投影面积相等即A正＝A反，F总＝-2CDPA反VV1 2为负数，进一步说明在均匀风速的作用下单个叶片是不能做圆周运动的，而是作半周左右往反的阻尼振荡。而当我将叶片如sd本发明那样改进后如图5、6，正面档风面积与反面档风面积都发生了变化。本发明使A正-A反为正，还能不断的增大。像图7这样的垂直轴风力发电机组不停的转动需F总为正。
令A正＝nA反
F总＝1/2CDPA正(V1-V)2-1/2CDPA反(V1+V)2
＝1/2CDPA反[n(V1-V)2-(V1+V)2]
当F总＞0时，要求n＞[1+2V/(V1-V)]2而叶片转速V为有限值。
L im(V1-V)→+∞[1+2V/(V1-V)]2＝1，而n＞1理论上只要A正＞A反，本垂直轴风力发电组中A正时刻都大于A反。即在风速V1的不断增加下叶片6、7就可以绕着转轴做圆周转动。
当V1为具体的值时如V1＝1.5V，1+2V/(V1-V)＝5即只要A正＞5A反时，F总＞0垂直轴风力发电组的叶片就能做圆周转动。
风力发电机组功率P(w)(N·m/s)等于阻力F总(N)与风力发电机组叶片受推力产生的速度V(m/s)之积，因此P可以写成：
P＝F总V
＝1/2CDP(V1-V)2V(A正-A反)-2CDPA正V1V2
本发明专利与现有技术相比具有如下优点：
1.与水平轴相比不需要进行方向控制，这样减少调向电路和机械的设计，
使风能转换装置更简单、实用，降低整套装置的成本。
2.本发明垂直轴风力发电组与现有的任何一款垂直轴风力发电机组相比都大大提高转换效率，使风力发电机组能下低风速下运动，大大扩大了适应风力发电区域。从而使风力发电能得到更广泛的运用。
3.本发明为100KW级以上的单个垂直轴风力发电机组出现提供了可能，可作为独立的电源为偏远山区和牧民供电。
4.垂直轴风力发电机组装在下面，与水平轴风力发电相比安装和维修都比较容易。
5.在飓风灾害来临的时候，可以使活页全开固定减小正向阻风面积或取下所有活页叶片来防范。
附图说明：
图1为单叶片在顺风时的受力示意图
图2为单叶片在逆风时的受力示意图
图3本发明活页的结构图
图4本发明中的组成部分框架的结构图
图5本发明由活页与框架组成的单叶片正向阻档风的示意图
图6本发明由活页与框架组成的单叶片反向阻档风的示意图
图7拥有两个本发明专利叶片的转轴在风中工作的示意图。
图中，1-活页页片，2-活页转轴，3-框架，4-活页轴环，5-垂直转轴，6-正向阻风叶片，7-反向阻风叶片。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的实施例进行说明。
实施例一：如图5所示，活页页片1通过活页轴环4与框架3连接在一起，活页页片1可以在框架上自由的转动但转动的角度限制在最大为90度角即活页页片与框架垂直。
工作时，风正向吹到叶片时，活页页片1会在风力的作用下向框架摆动，使之与框架3形成的门闭合，这时框架3的阻风面积是框架的整个面积在风向垂直面上的投影A正(骨架与活页页片的面积之和)
当页片转到反向的位置时，如图6，活页页片1在风力的作用下，摆离框架，这时活页页片1与框架形成的门被打开，框架的阻风面积只是骨架在风向垂直面上的投影A反，这样就缩小了反向的阻风面积。
实施例二：图7所示，这是拥有两个叶片的垂直轴风能转换装置在风力作用下的示意图，和一般垂直轴风力发电机组一样，叶片负责从风中获取能量，支架主要负责将叶片产生的旋转力传递给转轴。叶片在风中获取能量的方式是：当有一个叶片6为风力作用的正时，另一个叶片一定为风力作用的反向(如叶片7)。总有正向活页页片1紧靠框架3形成关闭的门从而保持正向阻风面积为整个叶片面积在垂直风向面的投影，反向活页页片1摆离框架3形成一个个打开的门(如叶片7)从而使反向阻风面积只是框架在垂直风向面的投影。正向叶片6旋转半周后变成反向叶片7；反向叶片7则变成正向叶片6。这样不断的交替着，保证F总总是大于零从而使垂直转轴4不停的转动。只要风向与垂直轴垂直或有垂直分量，无论风向怎样变化垂直轴都只会朝设计的一个方向转动。
本发明专利说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员公知技术。
本发明专利不局限于权利要求和具体实施例所述及的保护内容，只要是根据本发明的构思所创作出来的任何发明，都应归属于本发明专利保护范围之内。

Claims (5)

1.新型垂直轴流体发电机组，其特征在于，包括活页页片(1)，活页转轴(2)，框架(3)，活页轴环(4)和垂直转轴(5)，活页页片通过活页转轴(2)装在框架(3)上。
2.根据权利要求1所述的新型垂直轴的流体发电机组，其特征在于，活页页片(1)可以绕活页轴环(2)在框架(3)上转动。
3.根据权利要求1所述的新型垂直轴的流体发电机组，其特征在于，叶片正向档风时，活页页片(1)在风力的作用下向框架(3)靠拢，反向档风时活页页片(1)在风力的作用下摆离框架(3)。
4.根据权利要求1所述的新型垂直轴流体发电机组，其特征在于，活页页片(1)的长度要大于框架(3)的宽度以保证框架(3)与活页页片(1)形成闭合的门。
5.根据权利要求1所述的垂直轴流体发电机组，其特征在于：叶片(6)、(7)可以绕垂直轴转动转动。
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