CN108131243A - 低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，包括固定叶片和活动叶片，固定叶片包括主叶片和副叶片，主叶片和所述副叶片之间具有间距，活动叶片可转动的设置在主叶片和副叶片之间，活动叶片在主叶片和副叶片之间转动从而使叶片具有以下两种状态：一种状态是活动叶片压紧在副叶片上使得活动叶片和固定叶片构成密封的非对称翼型叶片整体，另一种状态是活动叶片转动远离副叶片并与副叶片之间具有最大气流通道。本发明通过将发电机叶片设置成固定叶片和活动叶片的组合结构，使得活动叶片在风场中相对于风向处于不同位置时发挥不同作用，不仅使得风力发电机适用于低风速风场，并且提高了传统低风速风力发电机的风能利用率和发电效率。

Description

低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片。

背景技术

风力发电机组是将风的动能转换成电能的机械装置，这个转化过程的第一步就是由叶片将风能转化为机械能，第二步通过连接传递装置把机械能传递给发电机，第三步由发电机将机械能转化成电能输出。因此能源转换的首要研究对象之一就是叶片，叶片气动性能的好坏决定了它的捕风能力的强弱，决定了风电机组的风能利用效率。

垂直轴风力发电机组通常是指旋转轴垂直于地面的风力发电机组。垂直轴风力发电机组无需对风，在风向利用上具有天然的优势，随着风能产业高速发展，低风速地区的风电开发方兴未艾，低风速启动的高效风力发电机组的市场潜力很大。

水平轴风电机组因其风叶密度低，无法提高风叶密度，故其风能利用率无法继续明显提高；垂直轴风力发电机型发展缓慢的主要原因是结构复杂，启动风速较高；在低风速地区，风速小、风的动能小、风叶在风的作用下捩转慢，很难达到高的捩转速度，难以从提高转速上来获取更多的能量，要想提高风能利用系数，打破低风速启动的困局，使垂直轴风力发电机组适用于年平均风速在3m/s～8m/s的低风速风场，并提高低风速垂直轴风力发电机组的发电效率和风能利用率，就必须对叶片做出革命性的创新。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，以解决现有技术中低风速风力发电机发电效率低、风能利用率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：包括固定叶片和活动叶片，所述固定叶片包括主叶片和副叶片，所述主叶片和所述副叶片之间具有间距，所述活动叶片可转动的设置在所述主叶片和副叶片之间，所述活动叶片在主叶片和副叶片之间转动从而使叶片具有以下两种状态：一种状态是活动叶片压紧在副叶片上使得活动叶片和固定叶片构成密封的非对称翼型叶片整体，另一种状态是所述活动叶片转动后远离副叶片并与副叶片之间具有最大气流通道。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，本发明通过将风力发电机叶片设置成固定叶片与活动叶片的组合形式，使得活动叶片在风场中相对于风向处于不同位置时，发挥不同的作用，不仅使得风力发电机能够在更低的风速条件下启动发电，并且提高了传统低风速风力发电机的风能利用率和发电效率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图(图中省略上连接机构)；

图3为图2中A部放大图(图中省略上连接机构)；

图4为本发明中主叶片的结构示意图；

图5为本发明中副叶片的结构示意图；

图6为本发明中活动叶片的结构示意图；

图7为本发明中连接板的结构示意图；

图8为本发明中连接板与活动叶片的装配示意图(图中省略上连接机构)；

图9为叶片在转动过程中的仿真模拟图；

图10为图9中叶片处于a区位置时的气流压力分析示意图；

图11为图9中叶片处于b区位置时的气流压力分析示意图；

图12为图9中叶片处于c区位置时的气流压力分析示意图；

图13为图9中叶片处于d区位置时的气流压力分析示意图；

图14为图9中叶片处于e区位置时的气流压力分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

如图1-图8所示，作为本发明的一种优选实施例，本发明提供一种低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，包括固定叶片10和活动叶片20，所述固定叶片10包括主叶片11和与主叶片成直线布置的副叶片12，所述副叶片12远离主叶片11的一端向内弯曲，所述主叶片11和副叶片12之间具有间距，所述活动叶片20在主叶片和副叶片之间转动从而使叶片具有以上两种状态：一种状态是活动叶片20压紧在副叶片上使得固定叶片10和活动叶片20构成密封的非对称翼型叶片整体，另一种状态是当所述活动叶片20转动转动远离副叶片12并与所述副叶片12之间具有最大气流通道。

活动叶片的可转动设置，是这样实现的：如图1和图6所示，在所述固定叶片10底部，即所述主叶片11和副叶片12的底部之间设置有下连接机构13，所述固定叶片10的顶部，即所述主叶片11和副叶片12的顶部之间设置有上连接机构14，所述下连接机构13和上连接机构14上均彼此对应的开设有三组活动导槽15，所述活动叶片20的底部和顶部均对应设置有三组分别仅能在所述三组活动导槽内活动的限位柱21，所述三组活动导槽15在平面上成三角形分布，活动叶片20通过设置在活动叶片20上的限位柱21可转动的被主叶片11和副叶片12之间的下连接机构13和上连接机构14上设置的活动导槽15限定在活动导槽的范围内，从而使得活动叶片20可在活动导槽内转动，即活动叶片可在主叶片和副叶片之间转动；所述上连接机构14和所述下连接机构13均为连接板，所述连接板通过螺钉或者销轴固定连接在主叶片11和副叶片12上。

上述方案中，如图2、图3和图8所示，图中给出活动叶片的在不同位置时的状态，活动叶片20通过设置在活动叶片20上的限位柱21可转动的连接在主叶片11和副叶片12之间的下连接机构13和上连接机构14上设置的活动导槽15的范围内，这样活动叶片20在不同转动位置受到不同风力作用时，可以自由转动，从而使主叶片11和副叶片在特定的位置作为一个整体或者分开独立工作，以利用或者消除不利风力对发电效率的影响，具体消除影响的过程及原理见图10-图14及下文分析；由于活动叶片能够压紧在固定叶片上使得固定叶片10和活动叶片20构成密闭的非对称翼型叶片整体，因此在叶片的弦线方向与空气流动方向相同时，叶片的升力不为零，从而驱动叶片围绕转轴继续转动，可以有效克服叶片本身的自重，减小空气做功的阻力，进而提高风能利用效率。

所述叶片整体的翼厚与弦长的比值为0.18:1～0.31:1，控制叶片整体的翼厚与弦长的比值可以提高单位空间内风能利用率，在大量理论分析和试验数据的支持下，得出上述比值范围，叶片整体的翼厚与弦长的比值在0.18:1～0.31:1范围内时，低风速风能利用率最高，其设计方法及过程将另案提出专利申请；叶片整体的弦长是叶片总弦长，即主叶片尖端到副叶片尖端的直线长度，叶片整体的翼厚是叶片的最大厚度。

固定叶片10和活动叶片20由玻璃钢、碳纤维、铝合金中的一种或几种制成。

优选的，主叶片11上连接活动叶片20的一端还设置有翼怀部16，所述翼怀部16朝向活动叶片20的一侧设置有凸部17，所述凸部17使得活动叶片20转动到与所述主叶片具有最大夹角后，活动叶片20压紧在所述凸部17上，且活动叶片20的翼形面切线与副叶片的翼形面切线接近平行。通过设置翼怀部16，以及翼怀部16朝向活动叶片20的一侧设置的凸部17，当活动叶片受到风力作用朝向翼怀部16转动时，活动叶片20可压紧在翼怀部16的凸部17上，这样活动叶片的外侧面起到引导风向流动的作用，并将风力朝向副叶片12的内侧引流，这样导致副叶片12内侧受到风力的压力作用，迫使副叶片受到向外的压力作用，从而以升力形式驱动副叶片12的转动，降低反方向风力对叶片的阻力作用，从而将更多的风能转化为叶片的机械能，提高风能的利用率，详细分析过程见图10-图14及下文。

优选的，副叶片12的横断面为向内弯曲的柳叶形，且副叶片12的弦长与叶片整体的弦长比值为0.33:1～0.41:1，副叶片12的翼厚与叶片整体的弦长比值为0.05:1～0.08:1；在大量理论分析和试验数据的支持下，得出上述比值范围，当副叶片12的弦长与叶片整体的弦长比值在0.33:1～0.41:1范围内，副叶片12的翼厚与叶片整体的弦长比值在0.05:1～0.08:1范围内时，低风速风能利用率最高，其设计方法及过程将另案提出专利申请；在副叶片尾尖部采取向内弯曲的做法，目的是为了充分利用压力区的正压力和在阻力区产生最大的升力；在压力应用区，不管叶片运行到什么角度，在受风的范围内都能形成正对风向的迎风面，产生最大的正风压，捕风能力提高到最大值；叶片整体反向背风面采用较大的曲面形态，吸力系数很小，吸力面的空气流速加大，风叶运转速度反而得到提高。

就上文提出的活动叶片能够消除阻力作用并转化为升力，提高风能利用率和提高发电效率，现分析如下：如图9所示，图中弧形箭头为叶片转动方向，中心处空心箭头表示风向，图9可以理解为单个叶片安装到垂直轴风力发电机上并工作后，在不同转动位置的状态图，也可以理解为同一垂直轴风力发电机上多个不同叶片在某一时刻的状态图，图中假设风向是从左向右水平流动，为便于研究计算，以风向切入点为0°线顺时针将叶片的转动轨迹等分为360°，图中每间隔10°捕捉一个状态，观察图中活动叶片的状态，将不同位置时叶片利用风能的情况划分如下表：

图10-图14依次分别取自于图9中的a、b、c、d、e区间上叶片某一状态的位置，并相应作出当前位置的压力受力分析，对应上表中的a、b、c、d、e区间：

如图10，图中的叶片处于与风向平行的位置，在升力利用区间，风力需克服叶片的自重力才能驱动叶片转动，因此在a区间内，叶片的自身阻力较大，由于副叶片的横断面为向内弯曲的柳叶形，通过受力分析可知，此时活动叶片压紧在主叶片和副叶片上，因此固定叶片和活动叶片形成了非对称翼型的叶片整体，因此此时叶片整体受到的按图中所示向上的升力，从而能够克服叶片的自身阻力并推动叶片围绕顺时针转动。

如图11所示，图中代表叶片在b区间所受压力状况，在压力应用区，不管叶片运行到什么角度，在受风的范围内都能形成正对风向的迎风面，产生最大的正风压，在此区间，活动叶片压紧在主叶片和副叶片上，因此固定叶片和活动叶片形成了非对称翼型的叶片整体，因此此时叶片整体能够最大程度的利用风力做功，且风能利用率也是最高。

如图12所示，图中代表叶片在c区间所受压力状况，c区间与a区间相对，也是升力利用区间。

如图13所示和图14所示，这两个区间均为阻力利用区间，因为在这两个区间内，叶片的转动方向与空气流动方向相反，因此气流做负功，即空气动力为阻力，为了减小空气对叶片转动的产生的阻力，同时还将空气阻力转化为叶片转动的升力，本发明中巧妙的设计了活动叶片，根据这两个区间内活动叶片的受力情况，不难看出，活动叶片会在风力作用下转动，从而主叶片和副叶片之间打开了一个气流通道，因此空气可从该气流通道内直接穿过叶片，从而减小了对叶片的阻力，同时，由于活动叶片的导流作用，从气流通道流过的空气在活动叶片的导流作用下，对副叶片的内侧产生正向压力，并且副叶片12的横断面为向内弯曲的柳叶形，副叶片12的弦长与叶片整体的弦长比值为0.33:1～0.41:1，副叶片12的翼厚与叶片整体的弦长比值为0.05:1～0.08:1，在这一特殊的尺寸配合下，穿过气流通道的空气推动副叶片朝着顺时针方向转动，这一过程即是活动叶片将空气阻力转化为升力做功的过程，正是由于上述过程的存在，使得本发明中的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片相对于现有的低风速垂直轴风力发电机叶片对单位空间内的风能具有更高的利用率和利用效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：包括固定叶片和活动叶片，所述固定叶片包括主叶片和副叶片，所述主叶片和所述副叶片之间具有间距，所述活动叶片可转动的设置在所述主叶片和副叶片之间，所述活动叶片在主叶片和副叶片之间转动从而使叶片具有以下两种状态：一种状态是活动叶片压紧在副叶片上使得活动叶片和固定叶片构成密封的非对称翼型叶片整体，另一种状态是所述活动叶片转动远离副叶片并与副叶片之间具有最大气流通道。

2.根据权利要求1所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：所述固定叶片底部设置有下连接机构，所述固定叶片的顶部设置有上连接机构，所述下连接机构和上连接机构之间对应的开设有三组活动导槽，所述活动叶片的底部和顶部均对应设置有三组分别仅能在所述三组活动导槽内活动的限位柱，所述三组活动导槽在平面上成三角形分布。

3.根据权利要求2所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：所述上连接机构和所述下连接机构均为连接板，所述连接板固定连接在主叶片和副叶片之间。

4.根据权利要求1所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：所述叶片整体的翼厚与弦长的比值为0.18:1～0.31:1。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：固定叶片和活动叶片由玻璃钢、碳纤维、铝合金中的一种或几种制成。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：主叶片连接活动叶片的一端还设置有翼怀部，所述翼怀部朝向活动叶片的一侧设置有凸部，所述凸部使得活动叶片转动到与所述主叶片具有最大夹角后，活动叶片压紧在所述凸部上，且活动叶片的翼形面切线与副叶片的翼形面切线接近平行。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的低风速主阻力型垂直轴风力发电机组叶片，其特征在于：副叶片的横断面为向内弯曲的柳叶形，且副叶片的弦长与叶片整体的弦长比值为0.33:1～0.41:1，副叶片的翼厚与叶片整体的弦长比值为0.05:1～0.08:1。