CN103912446B - 垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构 - 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垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构。其包括固定支持翼（1），还包括转动支持翼（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。本发明的叶片支持翼结构克服现有垂直轴风力发电机设计上的缺陷，不但可以解决了几到几十、甚至数百千瓦垂直轴风力发电机的功率恒定输出问题，也以在几百瓦的小型垂直轴风力发电机上得到应用，应用十分广泛。

Description

垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构

本申请是申请号为200780036359.2，申请日为2007年6月25日（优先权号200610117017.0，优先权日2006年10月11日），名称为垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构的发明分案申请。

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种可通过调节叶片支持翼的结构，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

如图1，是现有的叶片支持翼结构图，现有的垂直轴风力发电机的风轮采用具有一定翼形的直叶片6，叶片的轴线和回转中心的轴线平行，这些叶片一般被固定在绕垂直轴7旋转的叶片支持翼1上。当一定强度的风吹在这些具有一定翼形，并和旋转轴的切线形成一定角度的直叶片上时，就在这些叶片上产生了升力和阻力。当升力大于阻力时，就产生了绕垂直轴转动的力矩，使整个风轮转动。

图2所示，是现有的叶片固定安装的示意图。对于垂直轴风力发电机，叶片前、后缘的连线被称为“弦线”，叶片的弦线与叶片旋转过程中圆周上某一位置的切线夹角称为叶片“转角”，并设为α。当叶片的弦线与切线平行时α为零度，当叶片按其回转中心顺时针方向旋转时，α设为正；当叶片按其回转中心逆时针方向旋转时，α设为负。

上述叶片一般被固定安装在绕垂直轴旋转的悬臂支持翼（或称为悬臂支架、叶片支持翼）或环型支架上，且不能相对于叶片支持翼转动，也即叶片转角α是固定不变的固定支持翼结构，叶片支持翼的一端与叶片固定连接，另一端与垂直轴固定连接。

对于垂直轴风力发电机风轮的转速受叶片转角α大小的影响情况，可参看本发明人申请的中国专利公开号CN1831330A和另案申请的中国专利申请号200610028267.7。

当叶片转角α较小时，风轮可以获得较高的转速和风能利用率。对于叶片转角α固定的垂直轴风力发电机，其风轮的转速和环境风速成正比，在一定的叶片转角α条件下，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。因此垂直轴风力发电机就需要有较大功率的发电机与风轮匹配，使垂直轴风力发电机可以在较高的环境风速下保持工作状态，那样就必须将垂直轴风力发电机的额定风速设计得很高。但从发电机的特性上考虑，额定风速高，在低风速时效率就很低，而自然状态下绝大多数情况都是低风速，因此降低了垂直轴风力发电机的效率，为了使垂直轴风力发电机能够在比较宽的风速范围内保持额定输出功率，就必须使风轮在环境风速超过额定风速后仍然保持较恒定的转速和输出功率，达到垂直轴风力发电机在比较宽的风速范围内保持工作状态，提高垂直轴风力发电机的应用价值。

现有的克服上述技术缺陷的方案是对于几百瓦的小型风力发电机采用增加负载电阻的方法，大型的水平轴风力发电机采用“偏航和变浆距”的方法，大型的垂直轴风力发电机采用改变攻角的方法，请参看本发明人申请的中国专利公开号CN1831330A和另案申请的中国专利申请号200610028267.7。但上述方案从成本上考虑不适合几千瓦到几十千瓦的垂直轴风力发电机。

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，提出一种垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，不但解决了几到几十、甚至数百千瓦垂直轴风力发电机的功率恒定输出问题，也可以在几百瓦的小型垂直轴风力发电机上得到应用，取代目前使用的负载电阻这种粗糙的卸荷方式，应用广泛。

本发明的具体技术方案如下：

一种垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，包括固定支持翼1，还包括转动支持翼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。

上述转动支持翼的一端21与所述固定支持翼的一端12连接处设有回转中心轴3，所述转动支持翼2可绕该回转中心轴3旋转。

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β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。

在上述固定支持翼的一端12设有控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β的控制部件4。

在上述转动支持翼的一端21上设有控制该转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β的控制部件4。

上述控制部件的一端41和另一端42分别控制转动支持翼的一端21和固定支持翼的一端12，控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β。

上述控制部件4是弹性部件、液压部件、电气部件的一种或多种。

上述固定支持翼的一端12设有限制转动支持翼2旋转角度β的限位槽或限位销。

上述转动支持翼2与固定支持翼1的长度比是1：9～9：1。

上述转动支持翼2与固定支持翼1的长度比是1：1。

上述固定支持翼的另一端11与垂直轴7固定连接。

上述固定支持翼的另一端11与垂直轴7上的法兰固定连接。

上述转动支持翼的另一端22与叶片6连接。

上述转动支持翼的另一端22与叶片6是固定连接。

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是现有技术中叶片支持翼结构图。

图2是现有技术中叶片固定安装的示意图。

图3是本发明叶片支持翼结构示意图。

图4是本发明叶片支持翼结构的受力示意图。

图5是本发明叶片支持翼初始角度β1和转角α1的位置示意图。

图6是本发明叶片支持翼初始角度β2和转角α2的位置示意图。

图7是本发明叶片支持翼连接部放大示意图。

图8是本发明叶片支持翼连接部放大示意图。

图9是本发明又一叶片支持翼结构示意图。

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：

本发明垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，如图3所示，固定支持翼1的另一端11与垂直轴上的法兰固定连接，转动支持翼2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。转动支持翼的另一端22与叶片是固定连接。上述转动支持翼的一端21与所述固定支持翼的一端12连接处设有回转中心轴3，所述转动支持翼2可绕该回转中心轴3旋转。在上述固定支持翼的一端12设有控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β的控制部件4。所述控制部件的一端41和另一端42分别控制转动支持翼的一端21和固定支持翼的一端12，控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β。所述控制部件4是弹性部件（也可以液压部件或电气部件替代，只需控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β的角度变化即可）。上述固定支持翼的一端12设有限制转动支持翼2旋转角度β的限位槽5（也可以限位销替代），可在一定角度范围内控制旋转角度β的角度变化，进一步对本发明叶片支持翼结构起到稳定，安全运行的作用。如图7、8所示本发明叶片支持翼连接部放大示意图。

如图4、5、6所示，转动支持翼初始角度为β1，在限位槽5一端的固定支持翼1上设置一弹性部件4，即压簧组件，由于叶片凹面向外，并在初始位置时叶片具有一个固定的转角α1，所以风轮在受到风的驱动下开始产生绕垂直轴旋转的驱动力。如图4所示，是本发明叶片支持翼结构的受力示意图。当风轮在风速小于额定风速下转动，压簧的复位力矩L1*F1（其中L1是压簧绕回转中心轴3旋转的力臂，F1是压簧的受力）大于叶片所受离心力力矩F2*L2（其中L2是叶片绕回转中心轴3旋转的力臂，F2是叶片的受力）。如图5所示，是本发明叶片支持翼初始角度β1和转角α1的位置示意图。此时，转动支持翼被限位槽5限定在初始位置，即固定支持翼1和转动支持翼2之间的角度β1保持不变，叶片转角 α1保持不变。固定支持翼和转动支持翼的初始角度β1较大，以便使风轮在转动过程中获得较大的离心力；较为理想的固定支持翼1和转动支持翼2的长度比为1：1左右，此时叶片不仅可以获得较大的离心力，而且转角 α1可以和 β1同步变化；当转动支持翼2和固定支持翼1的长度比为1：9时，β角只要变化很小的角度，α角的变化就能达到需要的角度；但当转动支持翼2和固定支持翼1的长度比达到9：1时，β角需发生较大变化时，α角的变化才能达到需要的角度，极限的情况是转动支持翼直接安装在法兰上，而省略固定支持翼，其原理与改变叶片攻角类似。因此，较为理想的固定支持翼1和转动支持翼2的长度比为1：1左右，此时可以兼顾叶片获得较大的离心力，而且转角 α1可以和 β1同步变化。

随着环境风速超过额定风速后，风轮转速随着风速的增加不断增高，当风速超过额定风速后，转速也超过额定转速，此时压簧复位力矩L1*F1小于离心力力矩L2*F2，在离心力力矩的作用下，转动支持翼2绕其回转中心轴3向风轮旋转方向转动，由于叶片与转动支持翼2固定连接，随着风速增加、转速升高和离心力的增大，转动支持翼2和固定支持翼1之间的角度β1逐渐变小为β2，相当于改变了叶片的转角α1，使叶片转角由较小的正向角度向负向角度改变，即叶片转角α1从正向角度改变到负向角度α2，如图6所示。利用叶片转角的变化，参见本发明人申请的中国专利公开号CN1831330A和另案申请的中国专利申请号200610028267.7，对于叶片凹面向外安装的垂直轴风力发电机，当叶片转角小于2度时，风轮的转速和功率输出将降低，通过电脑仿真计算（CFD），当叶片转角由正值变为负值后，风轮的转速和扭矩将快速降低，而且叶片转角负值越小转速下降越快，当负值小于一定值时，风轮扭矩方向改变，风轮逐步减速，而当风轮转速下降后，在压簧复位力矩的作用下，转动支持翼又恢复到初始位置，周而复始，保持了风轮在风速超过额定风速后稳定的转速和功率。

实施例 2

以上述实施例1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

实施例3

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

实施例4

如图9所示，是本发明又一叶片支持翼结构示意图。

即在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β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。该控制部件4是弹性部件（也可以液压部件或电气部件替代，只需控制转动支持翼2绕回转中心轴3旋转的旋转角度β的角度变化即可）。亦可在固定支持翼的一端12设有限制转动支持翼2旋转角度β的限位槽5（也可以限位销替代），可在一定角度范围内控制旋转角度β的角度变化，进一步对本发明叶片支持翼结构起到稳定，安全运行的作用。采用本实施例所选用的叶片支持翼结构，经实施例2、3的风洞实验，达到本发明解决功率恒定输出的问题。

由上述实施例可知，本发明的叶片支持翼结构克服现有垂直轴风力发电机设计上的缺陷，不但可以解决了几到几十、甚至数百千瓦垂直轴风力发电机的功率恒定输出问题，也以在几百瓦的小型垂直轴风力发电机上得到应用，应用十分广泛。

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 (5)

1.一种垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，包括固定支持翼（1），其特征在于，还包括转动支持翼（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），所述转动支持翼（2）可绕该回转中心轴（3）旋转；

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（β）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）是弹性部件压簧，该控制部件的控制方法是：

当风轮在风速小于额定风速下转动，压簧的复位力矩L1*F1大于叶片所受离心力力矩F2*L2；

当风速超过额定风速后，压簧复位力矩L1*F1小于离心力力矩L2*F2；

其中L1是压簧绕回转中心轴（3）旋转的力臂，F1是压簧的受力；其中L2是叶片绕回转中心轴（3）旋转的力臂，F2是叶片的受力。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，其特征在于，所述控制部件（4）是液压部件、电气部件的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，其特征在于，所述固定支持翼的一端（12）设有限制转动支持翼（2）旋转角度（β）的限位槽或限位销。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，其特征在于，所述转动支持翼（2）与固定支持翼（1）的长度比是1：9～9：1。

5.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机的叶片支持翼结构，其特征在于，所述转动支持翼（2）与固定支持翼（1）的长度比是1：1。