CN1873220A - 垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法。以支持翼连接垂直轴，复数个叶片安装于支持翼上组成风轮，所述叶片的翼型是带弯度的非对称翼型，叶片的凸表面面向垂直轴安装；其特点在于，所述的风轮旋转半径和叶片弦长的比值范围是1.8～3。

Description

垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法
技术领域
本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法。
技术背景
为了更好的利用风能，长期以来，人们设计了多种结构形式的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。
如图2所示，是本发明叶片结构示意图。根据空气动力学，叶片弦线和风轮回转圆的切线之间的夹角为叶片转角α。对于具有一定翼形的叶片，在圆周上的任意一个相对位置，设定为方位角β。叶片前缘与后缘的长度称为叶片弦长L，叶片组成的风轮围绕垂直轴旋转的半径称为风轮的旋转半径R，风轮旋转半径与叶片弦长的比值定义为径弦比，径弦比是垂直轴风力发电机叶片与风轮安装过程中非常重要的参数。
在现有升力型垂直轴风力发电机的研究方法中，对于叶片与风轮的安装方法，尤其是对安装过程中，对于径弦比这个参数的设定关系并没有具体的限定。现有的方法通常都按照水平轴风力发电机的方法将叶片的尺寸设定的较窄，即将径弦比参数值设定的很大，其结果是要么使风轮在空转时可以获得较高的转速，但启动却很困难，即风轮提供的扭矩很小；要么将径弦比参数设定的很小，其结果是虽然风轮启动容易，但风轮在较高风速下旋转时，叶片产生较大的阻力，使风轮无法获得较高的转速。
由于发电机的功率等于角速度乘以扭矩，因此上述两种方法或使发电机要么无法获得足够大的扭矩、要么无法获得足够高的转速，均影响了垂直轴风力发电机的风能利用率，也使垂直轴风力发电机缺乏商业价值。
本发明是本发明人在前案中国专利申请号200610025202.7，名称为垂直轴风力发电机叶片安装方法的基础上，对叶片与风轮的安装方法进一步的改进，进一步增强了垂直轴风力发电机的商业开发价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，即是克服现有技术中对径弦比参数的认识不足，提出一种垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法。
本发明具体的技术方案如下：
一种垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，以支持翼连接垂直轴，复数个叶片安装于支持翼上组成风轮，所述叶片的翼型是带弯度的非对称翼型，叶片的凸表面面向垂直轴安装；其特征在于，所述的风轮旋转半径和叶片弦长的比值范围是1.8～3之间。
上述风轮旋转半径和叶片弦长的比值更佳的范围是2～3之间。
上述叶片安装过程中更佳的叶片转角范围是0～10度之间。
上述叶片安装过程中最佳的叶片转角范围是2～8度之间。
上述组成风轮叶片的数量是3～6个。
上述组成风轮叶片的数量最佳的是5个。
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是本发明叶片与风轮安装示意图；
图2是本发明叶片结构示意图。
图3是本发明实施例1的示意图。
图4是本发明实施例2的示意图。
图5是本发明实施例3的示意图。
图6是本发明实施例5的示意图。
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。
通过大量计算机模拟计算(CFD)和风洞对比试验，我们发现，带有弯度的翼型(Camber airfoil)凸表面面向垂直轴安装，在叶片安装角0～10度之间时，在使用相同的叶片、相同叶片数量和相同叶片固定安装角的情况下，当风轮旋转半径和叶片弦长的比值，即径弦比在1.8～3之间时，风轮可以获得很高的风能/机械能转换效率，使垂直轴风力发电机具有可开发的商业价值。
实施例1：不同径弦比下通过计算机模拟计算的转速与功率。
如图1、2所示，分别是本发明叶片与风轮安装示意图和叶片结构示意图。本发明垂直轴风力发电机包括垂直轴1、连接垂直轴1的上、下支持翼21、22和复数个安装于支持翼2上组成的风轮，叶片3通过上、下支持翼21、22和法兰4连接在轴套5上，所述叶片3的翼型是带弯度的非对称翼型，叶片的凸表面31面向垂直轴1安装。
如图3所示，是本实施例1通过计算机模拟计算(CFD)不同径弦比下的风轮转速与输出功率的曲线示意图。选取风轮半径0.68米，翼型为带弯度的叶片Goe63，凸表面面向垂直轴安装，叶片转角在0～10度之间，叶片数5个，风速10米/秒时对于不同径弦比条件下，以计算机模拟计算得到的风轮转速与输出功率值。
从图3中可以得知，垂直轴风力发电机风轮与叶片的径弦比在1.8～3之间时可以获得较大的输出功率，径弦比在2～3之间时，风轮不仅可以获得较大的输出功率，而且可以在较宽的转速范围内获得较大的输出功率，而径弦比小于2时虽然可以获得较大的输出功率，但适应的转速变化范围较窄。
对某个特定的翼型而言，当叶片安装角确定后，也即确定了叶片的扭力和阻力的合力，即合力为扭力与阻力之差，而该合力使风轮获得扭矩。
当在低转速时，在叶片弦长较大的情况下，即径弦比较小的情况下，由于叶片的扭力大于阻力，扭力绝对值的增加比阻力绝对值的增加快。例如扭力系数是0.3，阻力系数是0.1时，当叶片弦长增加一倍，扭力绝对值的增加比阻力绝对值的增加要大，其结果使得合力增大，使风轮的扭矩增大；
在叶片弦长较大的情况下，即径弦比较小的情况下，当在高转速时，弦长较大的叶片产生的涡流比弦长较小的叶片产生的涡流要大，因此阻力绝对值的增加比扭力绝对值的增加快，其结果使叶片所受合力减小，风轮的扭矩也随之减小，最终使风轮空转(无负载时)，转速下降。
在叶片弦长较小的情况下，即径弦比较大的情况下，当在低转速时，虽然叶片产生的阻力比弦长较大的叶片产生的要小，但扭力比弦长较大的叶片要小的多，结果是合力减小，使风轮的获得的扭矩也较小；当在高转速时，弦长较小的叶片产生的涡流比弦长较大的叶片产生的涡流要小的多，因此虽然合力也小，但阻力也小的多，结果会使风轮在无负载时获得较高的转速。
实施例2：不同叶片转角条件下，计算机模拟计算的转速与功率。
如图4所示，实施例2是通过计算机模拟计算，在不同叶片转角下的输出功率。选取风轮半径0.68米，翼型为带弯度的叶片Goe63，凸表面面向垂直轴安装，叶片数5个，风速10米/秒时对于不同叶片转角条件下，计算机模拟计算得到的风轮转速与输出功率值。
图4是计算机模拟不同叶片转角下风轮的输出功率的示意图，叶片转角在0～10度之间时风轮可以获得较大功率，尤其叶片转角在2～8度之间时更佳，但叶片转角越小将影响其启动。
当风轮在静止时，此时叶片阻力为零，如果叶片转角较大，叶片获得的扭力也较大，将使风轮较易启动；如果叶片转角较小，叶片获得的扭力也较小，结果是风轮不易启动。
当风轮转动后，随着转速的增加，根据需要通过调节叶片转角的角度，一方面可使得叶片扭力增加的速度高于阻力增加的速度，使得合力增大，从而使风轮获得的扭矩增大；另一方面也可通过调节叶片转角的角度，使得叶片阻力增加的速度高于扭力增加的速度，从而使风轮获得的扭矩减小。
实施例3：不同叶片数量计算机模拟计算的风轮输出功率。
图5为不同叶片数量时，计算机模拟计算的风轮输出功率示意图。选取风轮半径0.68米，翼型为带弯度的叶片Goe63，凸表面面向垂直轴安装，风速10米/秒时对于不同叶片转角条件下的风轮转速和输出功率曲线。
如图5所示，经对比，分别以3、5、6个叶片组成的风轮。当叶片弦长不变，增加叶片数量的情况下，缩短了相邻叶片之间的距离，使得前一个叶片后缘产生的涡流，增加了后一个叶片的气动阻力，从而使得风轮的扭矩减小，但叶片数量过少将使得风轮获得的扭矩也相应减小。经实验可知，5个叶片风轮可以获得最高的输出功率。
实施例4：不同叶片数量对风轮启动的影响。
下表1、2、3是使用Goe63翼型，叶片凸表面面向垂直轴安装，叶片转角在0～10度之间，风速为10米/秒得到的风轮静态受力测量数据。
如表1为六个叶片风轮的静态受力测量数据，表2为四个叶片风轮的静态受力测量数据，表3为三个叶片风轮的静态受力测量数据所示，扭矩越大风轮越容易启动，而在下表中叶片处于扭矩较小数值时风轮都不易启动。例如表1中合力扭矩N.M为4的方位角、表2中合力扭矩N.M为3.5的方位角、表3中合力扭矩N.M为0.8、1的方位角。
                                        表1
  方位角   0   10   20   30   40   50
  扭矩N.M   -0.5   0   4.5   8.5   3.5   2.5
  方位角   60   70   80   90   100   110
  扭矩N.M   4   5   6   7.5   5   5
  方位角   120   130   140   150   160   170
  扭矩N.M   4.5   7   5   5   5   3.5
  方位角   180   190   200   210   220   230
  扭矩N.M   2.5   2.5   0   0.5   0.5   0
  方位角   240   250   260   270   280   290
  扭矩N.M   0   0   -0.25   -0.3   -2.2   -2.8
  方位角   300   310   320   330   340   350
  扭矩N.M   -3.2   -3.8   -4   -4.6   -4.5   -4.2
  合力扭矩N.M   7.3   10.7   11.25   16.6   7.3   4
                                                    表2
  方位角   0   10   20   30   40   50   60   70   80
  扭矩N.M   -0.5   0   4.5   8.5   3.5   2.5   4   5   6
  方位角   90   100   110   120   130   140   150   160   170
  扭矩N.M   7.5   5   5   4.5   7   5   5   5   3.5
  方位角   180   190   200   210   220   230   240   250   260
  扭矩N.M   2.5   2.5   0   0.5   0.5   0   0   0   -0.25
  方位角   270   280   290   300   310   320   330   340   350
  扭矩N.M   -0.3   -2.2   -2.8   -3.2   -3.8   -4   -4.6   -4.5   -4.2
  合力扭矩N.M   9.2   5.3   6.7   10.3   7.2   3.5   4.4   5.5   5.05
                                                               表3
  方位角   0   10   20   30   40   50   60   70   80   90   100   110
  扭矩N.M   -0.5   0   4.5   8.5   3.5   2.5   4   5   6   7.5   5   5
  方位角   120   130   140   150   160   170   180   190   200   210   220   230
  扭矩N.M   4.5   7   5   5   5   3.5   2.5   2.5   0   0.5   0.5   0
  方位角   240   250   260   270   280   290   300   310   320   330   340   350
  扭矩N.M   0   0   -0.3   -0.3   -2.2   -3   -3.2   -3.8   -4   -4.6   -4.5   -4.2
  合力扭矩N.M   4   7   9.25   13.2   6.3   3.2   3.3   3.7   2   3.4   1   0.8
通过大量的风洞实验得知，叶片数量的不同将影响垂直轴风力发电机在低风速时风轮的启动性能。叶片数量越少，风轮启动的死点位置(叶片在某些位置时难以使风轮转动)也越多，风轮也越难以启动。因此叶片数量增加将明显改善垂直轴风轮的启动性能，但叶片数量越多将使风轮在高转速时的扭矩下降，同样将影响风轮的风能利用率。
综合平衡启动性能和风能利用率的角度，使用5个叶片将获得最佳的效果。
实施例5：不同叶片数量下的对比风洞实验。
如图6所示，实验中风轮旋转半径同样为0.68米，使用相同的翼型Goe63，凸表面面向垂直轴安装，径弦比为3，叶片转角在0～10度之间，叶片数量分别为4、5、6个时的功率曲线示意图。
进一步对图5进行验证，由图5、6可知，使用5个叶片组成风轮，可使本发明垂直轴风力发电机具备较高的风能利用率，尤其使用5个叶片组成的风轮不仅有较高的风能利用率，而且风轮启动的死点位置较少，在低风速时容易启动。
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 (6)

1、一种垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，以支持翼(2)连接垂直轴(1)，复数个叶片(3)安装于支持翼(2)上组成风轮，所述叶片(3)的翼型是带弯度的非对称翼型，叶片(3)的凸表面(31)面向垂直轴(1)安装；其特征在于，所述的风轮旋转半径(R)和叶片弦长(L)的比值范围是1.8～3。
2、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，其特征在于，所述的风轮旋转半径(R)和叶片弦长(L)的比值更佳的范围是2～3。
3、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，其特征在于，所述叶片的安装过程中，更佳的叶片转角(α)范围是0～10度。
4、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，其特征在于，所述叶片的安装过程中，最佳的叶片转角(α)范围是2～8度。
5、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，其特征在于，所述组成风轮叶片(3)的数量是3～6个。
6、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机叶片与风轮的安装方法，其特征在于，所述组成风轮叶片(3)的数量最佳的是5个。
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