CN108343545A - 一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机及其使用方法，包括风叶、自驱动装置和对风控制器。风叶包括第一风叶和第二风叶，第二风叶铰接于第一风叶的叶尖处；自驱动装置包括有驱动电机、液压缸和刻度弹簧，液压缸和刻度弹簧均连接第一风叶和第二风叶。本发明的风叶转动时，对风控制器根据风叶转动角度控制自驱动装置，在驱动电机的作用下使液压缸动作，在风叶压力侧使第二风叶的受风面积最大，而在吸力侧使第二风叶的受风面积最小，同时刻度弹簧记录第二风叶相对于第一风叶的旋转角度，并将其回传至对风控制器以实现角度的实时矫正。本发明采用上述结构可使风叶回程风阻最小，进程风阻最大，显著提高垂直轴风力发电机的风能利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，尤其是涉及一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机及其使用方法。
背景技术
现有的垂直轴风力发电机，其风叶大多呈一体式固定安装于底座上，导致在风力的作用下一部分风叶作正功，而另一部分风叶作负功，最终使风能未得到充分利用，降低了风能的利用效率。
现有的垂直轴风力发电机风叶通常采用NACA系列的对称性风叶，这是因为垂直轴风力发电机在运行时风叶会交替性的成为正压侧和负压侧，这样能够得到较为稳固的风力发电机结构，但同时也存在如下的问题：
1、风能利用率不高，在风叶交替成为正压侧和负压侧的同时，正压侧风叶作正功，而负压侧风叶则作负功，因而在风叶旋转的过程中，需要一定程度克服负压侧给转轴带来的负扭矩，从而使风能的利用效率降低。
2、现有技术的垂直轴风力发电机也有将风叶分段的情况，但大多止于此，没有对分段后的多段风叶进行实时角度控制，使在正压侧和负压侧的受风面积未达到最优。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，运行平稳且风能的利用率高的垂直轴风力发电机及其使用方法。
本发明采用的技术方案如下：包括转轴、风叶、风向仪、自驱动装置、对风控制器、底座和顶座。风叶包括第一风叶和第二风叶，第二风叶的叶根铰接于第一风叶的叶尖处，两者可实现相对转动。风向仪固定安装于垂直轴风力发电机顶座上，自动记录风向并将风向数据实时传递给对风控制器。自驱动装置包括有驱动电机、液压缸和刻度弹簧，其中，液压缸和刻度弹簧均固定连接第一风叶和第二风叶；液压缸由对风控制器控制，实现直线方向的伸缩，液压缸伸缩的同时，第二风叶与第一风叶实现相对转动，并且第二风叶在其成为正压侧时，受风面积始终最大，而在第二风叶成为负压侧时，受风面积始终最小；所述正压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为锐角、作正功的一侧风叶，所述负压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为钝角、作负功的一侧风叶。
所述液压缸在直线方向伸缩的同时，刻度弹簧记录第一风叶和第二风叶的相对转角，并将该相对转角值实时传递给对风控制器，实现风叶角度的实时矫正；所述对风控制器在接收到所述相对转角值和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小。
所述刻度弹簧为盘形刻度弹簧，并且带有盘形刻度盘。
本发明的风叶转动时，对风控制器根据风叶转动角度控制自驱动装置，在驱动电机的作用下使液压缸伸缩动作，在风叶正压侧使第二风叶的受风面积始终最大，而在负压侧使第二风叶的受风面积始终最小，同时刻度弹簧记录第二风叶相对于第一风叶的旋转角度，并将其回传至对风控制器以实现角度的实时矫正。
所述风叶位于正压侧时，风叶平面基本垂直于风速方向，使风叶的受风面积始终最大，所述风叶位于负压侧时，风叶平面基本平行于风速方向，使风叶的受风面积始终最小。
本发明还提供一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：在垂直轴风力发电机运转时，风向仪测量实时风向，并将风向数据传递给对风控制器；
步骤2：当风叶到达正压侧或负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，根据风向数据具体控制液压缸直线推进速度和直线推进加速度，使风叶平面与风速方向保持特定角度；所述正压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为锐角、作正功的一侧风叶，所述负压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为钝角、作负功的一侧风叶；
步骤3：刻度弹簧记录第一风叶与第二风叶的相对转角，并将其传递给对风控制器；
步骤4： 所述对风控制器在接收到所述相对转角和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小。
所述风叶位于正压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，使风叶平面基本垂直于风速方向，此时风叶的受风面积始终最大，所述风叶位于负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，使风叶平面基本平行于风速方向，此时风叶的受风面积始终最小。
所述步骤1-步骤4同时进行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将风机风叶进行分段，在传统的固定风叶的基础上，增加可绕第一风叶转动的第二风叶，通过对风控制器控制第二风叶的对风面积，使风叶回程风阻达到最小，进程风阻达到最大，显著提高了垂直轴风力发电机的风能利用率。
附图说明
图1是本发明的结构的俯视示意图；
图2为本发明运动过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明包括转轴、风叶、风向仪、自驱动装置、对风控制器、底座、顶座。风叶包括第一风叶1和第二风叶2，第二风叶2铰接于第一风叶1的叶尖处，两者可实现相对转动。
所述风向仪固定安装于垂直轴风力发电机顶座上，自动记录风向并将风向数据实时传递给所述对风控制器。
所述自驱动装置包括有驱动电机、液压缸3和刻度弹簧4，其中，液压缸3和刻度弹簧4均固定连接第一风叶1和第二风叶2；液压缸3由对风控制器控制，实现直线方向的伸缩，液压缸3伸缩的同时，第二风叶2与第一风叶1实现相对转动，并且第二风叶2在其成为正压侧时，受风面积始终最大，而在第二风叶2成为负压侧时，受风面积始终最小；所述正压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为锐角、作正功的一侧风叶，所述负压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为钝角、作负功的一侧风叶。
所述液压缸3在直线方向伸缩的同时，刻度弹簧4记录第一风叶1和第二风叶2的相对转角，并将该相对转角值实时传递给对风控制器，实现风叶角度的实时矫正；所述对风控制器在接收到所述相对转角值和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸3的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小。
本发明将风机风叶进行分段，在传统的固定风叶的基础上，增加可绕第一风叶1转动的第二风叶2，通过对风控制器控制第二风叶2的对风面积，使风叶回程风阻达到最小，进程风阻达到最大，同时可将第一风叶1和第二风叶2的相对转角值回传至对风控制器以实现角度的实时矫正，显著提高了垂直轴风力发电机的风能利用率。
本发明还提供一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机的使用方法，包括以下步骤：
步骤1：在垂直轴风力发电机运转时，风向仪测量实时风向，并将风向数据传递给对风控制器；
步骤2：当风叶到达正压侧或负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸3动作，根据风向数据具体控制液压缸3直线推进速度和直线推进加速度，使风叶平面与风速方向保持特定角度；
步骤3：刻度弹簧4记录第一风叶1与第二风叶2的相对转角，并将其传递给对风控制器；
步骤4： 所述对风控制器在接收到所述相对转角和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸3的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小。
所述风叶位于正压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸3动作，使风叶平面基本垂直于风速方向，此时风叶的受风面积始终最大，所述风叶位于负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸3动作，使风叶平面基本平行于风速方向，此时风叶的受风面积始终最小。
所述步骤1-步骤4同时进行。
以上说明是本发明的具体实施例。应当理解，描述该实施例仅用于说明目的，并且本领域技术人员可以作出许多的变化和改进而不脱离本发明的精神和范围。所有的改进和变化都趋向于包括在由权利要求及其等同物限定的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机，其特征在于：包括转轴、风叶、风向仪、自驱动装置、对风控制器、底座、顶座；风叶包括第一风叶和第二风叶，第二风叶的叶根铰接于第一风叶的叶尖处，两者实现相对转动；所述风向仪固定安装于垂直轴风力发电机顶座上，用于自动记录风向，并同时将风向数据实时传递给所述对风控制器；所述自驱动装置包括有驱动电机、液压缸和刻度弹簧，其中，液压缸的两端分别固定连接在第一风叶和第二风叶上；所述驱动电机由对风控制器控制，用以实现液压缸在直线方向的伸缩，在液压缸伸缩的同时，第二风叶与第一风叶实现相对转动，使第二风叶在其成为正压侧时，受风面积始终最大，而在第二风叶成为负压侧时，受风面积始终最小；所述正压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为锐角、作正功的一侧风叶，所述负压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向夹角为钝角、作负功的一侧风叶；所述液压缸在直线方向伸缩的同时，刻度弹簧记录第一风叶和第二风叶的相对转角，并将该相对转角值实时传递给对风控制器，实现风叶角度的实时矫正；所述对风控制器在接收到所述相对转角值和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小；所述刻度弹簧为盘形刻度弹簧，并且带有盘形刻度盘；所述风叶位于正压侧时，风叶平面基本垂直于风速方向，使风叶的受风面积始终最大，所述风叶位于负压侧时，风叶平面基本平行于风速方向，使风叶的受风面积始终最小。
2.一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机的使用方法，包括根据上述权利要求中任一项所述的垂直轴风力发电机，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：在垂直轴风力发电机运转时，风向仪测量实时风向，并将风向数据传递给对风控制器；
步骤2：当风叶到达正压侧或负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，根据风向数据具体控制液压缸伸缩速度，使风叶平面与风速方向保持特定角度；所述正压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为锐角、作正功的一侧风叶，所述负压侧为风叶转动过程中其转速方向与风速方向的夹角为钝角、作负功的一侧风叶；
步骤3：刻度弹簧记录第一风叶与第二风叶的相对转角，并将其传递给对风控制器；
步骤4：所述对风控制器在接收到所述相对转角和所述风向仪的风向数据时，输出控制信号给驱动电机，用以控制所述液压缸的直线推进速度和直线推进加速度，以使第二风叶的受风面积最大或最小。
3.根据权利要求2所述的一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机的使用方法，其特征在于：所述风叶位于正压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，使风叶平面基本垂直于风速方向，此时风叶的受风面积始终最大，所述风叶位于负压侧时，对风控制器控制驱动电机驱动液压缸动作，使风叶平面基本平行于风速方向，此时风叶的受风面积始终最小。
4.根据权利要求2或3所述的一种提高风能利用率的垂直轴风力发电机的使用方法，其特征在于：所述步骤1-步骤4同时进行。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN109681378A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-04-26 | 黄亚辉 | 风轮装置及垂直轴风力发电机 |
| CN109826753A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-05-31 | 陈二东 | 一种抗强风式海上发电装置 |
| CN113883004A (zh) * | 2021-11-03 | 2022-01-04 | 葛文星 | 可变式风力发电风叶 |
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| CN109826753A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-05-31 | 陈二东 | 一种抗强风式海上发电装置 |
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