CN117536772A - 一种垂直轴风力发电机及其叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机及其叶片，叶片为横截面为翼型的叶片，叶片在叶片的前缘与尾缘之间分割为第一主体和第二主体，第一主体和第二主体可沿叶片的高度方向相对运动；横截面与高度方向垂直。将叶片分割为第一主体和第二主体，且第一主体和第二主体能够沿翼型的叶片的高度方向相对运动，叶片的转速过高时，可通过第一主体和第二主体的相对运动，使叶片截面的气动外形发生变化，在第一主体的尾部和第二主体的前端均发生大的流动分离，截面升力大大下降，截面阻力大大增加，从而急速减小叶片的旋转力矩，起到气动刹车的作用，有效缓解了垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题。

Description

一种垂直轴风力发电机及其叶片

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种垂直轴风力发电机及其叶片。

背景技术

H型垂直轴风力发电机是采用空气动力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用飞机翼形形状，在风轮旋转时，叶片不会变形而改变效率，因此，H型垂直轴风力机在小型风力机中应用广泛。

目前的H型垂直轴风力发电机由叶片、固定叶片的轮毂以及连接叶片的连杆组成风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

其中，叶片具有等截面，且无扭角的特点，电机及支撑结构需要承受较大载荷，尤其是高风速下，风轮因为转速过快，不易刹车，导致电机功率过大或机组载荷过大，造成机组部件损坏甚至机组倒塔。

通常H型垂直轴风力机采用电磁刹车或机械刹车。其中，电磁刹车和机械刹车对于机组在大风速运行时，可以起到一定的减速作用，但由于刹车力矩有限，如果气动转矩超过刹车力矩，则会出现机组飞、电机烧毁或倒塔。

因此，如何实现风轮的稳定刹车，以避免机组部件损坏，是本领技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种垂直轴风力发电机的叶片，实现风轮的稳定刹车，以避免机组部件损坏。此外，本发明还提供了一种具有上述叶片的垂直轴风力发电机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种垂直轴风力发电机的叶片，其所述叶片为横截面为翼型的叶片，所述叶片在所述叶片的前缘与尾缘之间分割为第一主体和第二主体，且所述第一主体和所述第二主体可沿所述叶片的高度方向相对运动；

所述横截面与所述高度方向垂直。

优选的，上述的垂直轴风力发电机的叶片中，所述第二主体与驱动组件连接，驱动所述第二主体相对于所述第一主体沿所述叶片的高度方向移动；

所述第一主体与所述第二主体通过凹凸结构导向连接，所述凹凸结构的凹槽沿所述叶片的高度方向延伸。

优选的，上述的垂直轴风力发电机的叶片中，其特征在于，所述第二主体至少分割为两段，并且所述第二主体中相邻两段的运动方向相反；

所述驱动组件与所述第二主体的分段一一对应连接。

优选的，上述的垂直轴风力发电机的叶片中，所述第一主体为所述叶片的前缘到所述叶片最大宽度处的部分，所述第二主体为所述叶片最大宽度处到所述叶片的尾缘处的部分；

所述叶片的宽度方向垂直于所述叶片的前缘与尾缘的连线方向。

优选的，上述的垂直轴风力发电机的叶片中，所述第二主体包括：

第一分体，所述第一分体为所述叶片最大宽度处到所述叶片的前缘与尾缘连线的中心处的部分；

第二分体，所述第二分体为所述叶片的前缘与尾缘连线的中心处到所述叶片的尾缘处的部分。

优选的，上述的垂直轴风力发电机的叶片中，所述第一主体与所述第一分体、以及所述第一分体与所述第二分体均通过所述凹凸结构导向连接。

一种垂直轴风力发电机，其中，包括塔筒、安装于所述塔筒上的电机以及通过连接杆与所述电机连接的叶片，所述电机驱动所述叶片绕所述塔筒转动，所述叶片为上述任一项所述的垂直轴风力发电机的叶片。

优选的，上述的垂直轴风力发电机中，所述连接杆包括：

第一连接杆，所述第一连接杆连接所述叶片的所述第一主体和所述电机；

第二连接杆，所述第二连接杆连接所述叶片的所述第二主体和驱动组件，所述驱动组件与所述电机连接，并驱动所述第二连接杆相对于所述第一连接杆移动。

优选的，上述的垂直轴风力发电机中，所述第二主体至少分割为两段时，所述第二连接杆与所述第二主体的分段一一对应连接。

优选的，上述的垂直轴风力发电机中，还包括：

转速传感器，所述转速传感器用于检测所述叶片的转速；

控制器，所述控制器与所述转速传感器连接，且所述转速传感器检测到所述叶片的转速超过预设值时，所述控制器控制所述第二主体相对于所述第一主体沿所述叶片的高度方向运动。

本发明公开了一种垂直轴风力发电机的叶片，通过将叶片分割为第一主体和第二主体，并且第一主体和第二主体能够沿翼型的叶片的高度方向相对运动，在叶片的转速过高时，则可通过第一主体和第二主体的相对运动，使得叶片截面的气动外形发生变化，在第一主体的尾部发生大的流动分离，同时在第二主体的前端发生大的流动分离，截面升力大大下降，截面阻力大大增加，从而急速减小叶片的旋转力矩，起到气动刹车的作用，有效缓解了垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题。

此外，本发明实施例中还公开了一种具有上述叶片的垂直轴风力发电机，也具有上述技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本申请实施例中公开的叶片的第一种结构的俯视图；

图2为本申请实施例中公开的叶片的第一种结构的主视方向移动示意图；

图3为本申请实施例中公开的叶片的第二种结构的俯视图；

图4为本申请实施例中公开的叶片的第二种结构的主视方向移动示意图；

图5为本申请实施例中公开的垂直轴风力发电机的第一种结构正常使用时的主视图；

图6为本申请实施例中公开的垂直轴风力发电机的第二种结构正常使用时的主视图；

图7为本申请实施例中公开的垂直轴风力发电机的第二种结构刹车时的主视图；

其中，1为叶片、2为塔筒、3为电机、4为连接杆、5为驱动组件；

11为第一主体、12为第二主体、121为第一分体、122为第二分体；

41为第一连接杆、42为第二连接杆。

具体实施方式

本发明公开了一种垂直轴风力发电机的叶片，实现风轮的稳定刹车，以避免机组部件损坏。此外，本发明还公开了一种具有上述叶片的垂直轴风力发电机。

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做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。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

如图1所示，本申请中公开了一种垂直轴风力发电机的叶片，具体的，叶片1为横截面为翼型的叶片，翼型的叶片1在叶片1的前缘与尾缘之间分割为第一主体11和第二主体12，且第一主体11和第二主体12可沿叶片1的高度方向相对运动；其中，横截面与高度方向垂直。

本申请中通过将叶片分割为第一主体11和第二主体12，并且第一主体11和第二主体12能够沿翼型的叶片1的高度方向相对运动，在叶片的转速过高时，则可通过第一主体11和第二主体12的相对运动，使得叶片截面的气动外形发生变化，在第一主体的尾部发生大的流动分离，同时在第二主体的前端发生大的流动分离，截面升力大大下降，截面阻力大大增加，从而急速减小叶片的旋转力矩，起到气动刹车的作用，有效缓解了垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题。

一些实施例中，将第一主体11设置为固定不动的部分，并将第二主体12与驱动组件连接，在驱动组件的驱动作用下驱动第二主体12相对于第一主体11沿翼型叶片1的高度方向移动。

在第一主体11和第二主体12相对移动过程中，为了保证两者运动的稳定性，并且保证翼型的叶片1正常使用时的完整性，一些实施例中，将第一主体11和第二主体12通过凹凸结构连接，通过凹凸结构的配合，实现第二主体12相对于第一主体11运动时的导向作用。

需要说明的是，本文中的凹凸结构的凹槽沿翼型的叶片1的高度方向延伸。

对于第一主体11和第二主体12的连接方式保护但不限于采用凹凸结构连接，还可采用丝杠螺母的方式连接。对于凹凸结构的凹槽的形状本文中包括但不限于为燕尾槽。

一些实施例中，还可将第一主体11和第二主体12均设置为移动的部分。

如图3所示，为了进一步增大叶片的阻力，一些实施例中，还将第二主体12至少分割为两段，并且第二主体12中相邻两段的运动方向相反；驱动组件与第二主体12的分段一一对应连接。

第二主体12分为多段，并且第二主体12中相邻的两段的运动方向相反，可进一步恶化叶片的气动外形，进一步增大叶片的阻力，减小叶片的升力，从而急剧减小叶片的旋转力矩，使得气动刹车的效果更明显，更加有利于防止垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题的出现。

参见图1所示，本申请中的第一主体11为翼型的叶片1的前缘到翼型的叶片1最大宽度处的部分，第二主体12为叶片1最大宽度处到叶片1的尾缘处的部分。

其中，叶片1的宽度方向垂直于叶片1的前缘与尾缘的连线方向。

由于叶片1为翼型叶片，而叶片1的前缘到叶片1的最大宽度处的部分的重量会比较大，因此，本申请实施例中的第一主体11为固定不动的部分，而叶片1的最大宽度处到尾缘的部分重量较小，通过驱动组件驱动，可减小驱动组件的功率。

需要说明的是，对于第一主体11和第二主体12的划分位置，主要根据依据翼型截面的质量分布进行分区，以减少活动分区的重量，因此，不论是哪种翼型形状的叶片1均参照此划分依据。

参见图2所示，叶片1分为第一主体11和第二主体12时，叶片1在正常工作时，如图2中a图所示，第一主体11和第二主体12高度相等，且上端面和下端面分别对齐，形成完整的翼型的叶片1，以实现风力发电。

当叶片1的转速达到预设值时，则驱动第二主体12相对于第一主体11移动，如图2中b图所示，第二主体12相对于第一主体11向下移动，使得叶片1的竖直方向的面积增大，使得叶片截面的气动外形发生变化，在第一主体11的尾部发生大的流动分离，同时在第二主体12的前端发生大的流动分离，截面升力大大下降，截面阻力大大增加，从而急速减小叶片的旋转力矩，使得气动刹车的效果更明显，更加有利于防止垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题的出现。

图3中的第二主体12包括第一分体121和第二分体122。其中，第一分体121为叶片1的最大宽度处到叶片1的前缘与尾缘连线的中心处的部分，第二分体122为叶片1的前缘与尾缘连线的中心处到叶片1的尾缘处的部分。

对于第二主体12的划分位置，还可选在翼型的叶片1的外形曲率比较小的位置，以方便第一分体121和第二分体122组合。

如图4所示，叶片1分为第一主体11和第二主体12，而第二主体12分为第一分体121和第二分体122时，叶片1在正常工作时，如图4中a图所示，第一主体11、第一分体121和第二分体122的高度相等，且上端面和下端面分别对齐，形成完整的翼型的叶片1，以实现风力发电。

当叶片1的转速达到预设值时，则驱动第一分体121相对于第一主体11移动，第二分体122相对于第一分体121移动。如图4中b图所示，第一分体121相对于第一主体11向下移动，第二分体122相对于第一分体121向上移动，第二分体122相对于第一主体11向上移动。

第一分体121和第二分体122的移动使得叶片1的气动外形加剧恶化，进一步增大叶片1的阻力，减小叶片1的升力，从而极大减小叶片1的旋转力矩，使得气动刹车的效果更明显，更加有利于防止垂直轴风力发电机的电机功率过大或机组载荷过大，造成的机组部件损坏甚至机组倒塔的问题的出现。

需要说明的是，本文中的第一分体121和第二分体122的运动方向相反，以保证叶片1具有更大的伸展空间。

为了保证第一分体121和第二分体122移动过程中的稳定性，一些实施例中，将第一主体11与第一分体121、以及第一分体121与第二分体122均通过凹凸结构导向连接，以防止第一分体121和第二分体122移动过程中发生偏移，而无法复位的问题。

如图5至图7所示，本申请实施例中还公开了一种垂直轴风力发电机，包括塔筒2、安装于塔筒2上的电机3以及通过连接杆4与电机3连接的叶片1，电机驱动叶片1绕塔筒2转动，其中，叶片1为上述实施例中公开的叶片1，因此，具有该叶片1的垂直轴风力发电机也具有上述所有技术效果，在此不再一一赘述。

图5所示的实施例中，连接杆4仅连接叶片1的第一主体11，而叶片1的第二主体12与第一主体11连接。驱动组件安装于第一主体11上。

而图6和图7所示的实施例中，连接杆4包括第一连接杆41和第二连接杆42，其中，第一连接杆41连接叶片1的第一主体11和电机3；第二连接杆42连接叶片1的第二主体12和驱动组件5，驱动组件5与电机3连接，并驱动第二连接杆42相对于第一连接杆41移动。

一些实施例中，本文中的电机3包括固定部和转动部，其中，固定部与塔筒2固定连接，转动部相对于固定部转动。上述的第一连接杆41与转动部连接；驱动组件5与转动部连接，并能够相对于转动部沿塔筒2的轴向移动，上述的第二连接杆42连接驱动组件5与第二主体12。转动部转动时，带动叶片1绕塔筒2转动。

通过在转动部上安装驱动组件5，而驱动组件5与第二连接杆42固定连接，一方面可以实现第二连接杆42随转动部转动，另一方面驱动组件5可驱动第二连接杆42上下移动，从而实现第二主体12相对于第一主体11移动。

一些实施例中，驱动组件5为驱动气缸、直线电机，或齿轮组件。以驱动组件5为驱动气缸为例，对驱动组件5的安装方式进行说明：

驱动气缸5的伸缩杆与电机3的转动部连接，第二连接杆42的一端与驱动气缸的缸体固定连接，第二连接杆42的另一端与第二主体12固定连接。

需要说明的是，第二连接杆42垂直于伸缩杆布置。

当第二主体12分为多段时，相邻的驱动气缸的伸缩杆的朝向相反。

本申请中的驱动组件的结构和安装方式包括但不限于上述实施例中公开的内容，只要能够实现驱动第二主体12相对于第一主体11移动的方式均在保护范围内。

需要说明的是，第二主体12至少分割为两段时，上述的第二连接杆42与第二主体12的分段一一对应连接，以实现对第二主体12的每一段单独控制，便于调节叶片1的形变。

以第二主体12包括第一分体121和第二分体122时为例，第二连接杆为两个，并且分别与第一分体121和第二分体122连接，分别驱动第一分体121和第二分体122上下移动。

需要说明的是，在驱动第一分体121和第二分体122的运动时，两者的运动方向始终相反。

此外，本申请中公开的垂直轴风力发电机还包括转速传感器和控制器。

其中，转速传感器用于检测叶片1的转速，一些实施例中，转速传感器通过检测电机3的转动部的转速而得到叶片1的转速。

控制器与转速传感器连接，并且控制器与驱动组件连接，当转速传感器检测到叶片1的转速超过预设值时，控制器控制第二主体12相对于第一主体11沿叶片1的高度方向运动。

叶片1的转速的预设值可根据不同的需要设置，在此不具体限定。

具体的，控制器控制与第一分体121连接的驱动组件驱动第一分体121向下移动，控制与第二分体122连接的驱动组件驱动第二分体122向上移动。

如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述叶片为横截面为翼型的叶片，所述叶片在所述叶片的前缘与尾缘之间分割为第一主体和第二主体，且所述第一主体和所述第二主体可沿所述叶片的高度方向相对运动；

所述横截面与所述高度方向垂直。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述第二主体与驱动组件连接，驱动所述第二主体相对于所述第一主体沿所述叶片的高度方向移动；

所述第一主体与所述第二主体通过凹凸结构导向连接，所述凹凸结构的凹槽沿所述叶片的高度方向延伸。

3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述第二主体至少分割为两段，并且所述第二主体中相邻两段的运动方向相反；

所述驱动组件与所述第二主体的分段一一对应连接。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述第一主体为所述叶片的前缘到所述叶片最大宽度处的部分，所述第二主体为所述叶片最大宽度处到所述叶片的尾缘处的部分；

所述叶片的宽度方向垂直于所述叶片的前缘与尾缘的连线方向。

5.根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述第二主体包括：

第一分体，所述第一分体为所述叶片最大宽度处到所述叶片的前缘与尾缘连线的中心处的部分；

第二分体，所述第二分体为所述叶片的前缘与尾缘连线的中心处到所述叶片的尾缘处的部分。

6.根据权利要求5所述的垂直轴风力发电机的叶片，其特征在于，所述第一主体与所述第一分体、以及所述第一分体与所述第二分体均通过所述凹凸结构导向连接。

7.一种垂直轴风力发电机，其特征在于，包括塔筒、安装于所述塔筒上的电机以及通过连接杆与所述电机连接的叶片，所述电机驱动所述叶片绕所述塔筒转动，所述叶片为如权利要求1至6任一项所述的垂直轴风力发电机的叶片。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，所述连接杆包括：

第一连接杆，所述第一连接杆连接所述叶片的所述第一主体和所述电机；

第二连接杆，所述第二连接杆连接所述叶片的所述第二主体和驱动组件，所述驱动组件与所述电机连接，并驱动所述第二连接杆相对于所述第一连接杆移动。

9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，所述第二主体至少分割为两段时，所述第二连接杆与所述第二主体的分段一一对应连接。

10.根据权利要求7至9任一项所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，还包括：

转速传感器，所述转速传感器用于检测所述叶片的转速；

控制器，所述控制器与所述转速传感器连接，且所述转速传感器检测到所述叶片的转速超过预设值时，所述控制器控制所述第二主体相对于所述第一主体沿所述叶片的高度方向运动。