CN1924351A - 立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，包括机体、风叶驱动总成、发电机及控制装置，其中风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，所述风轮中心轴为垂直立轴，风叶驱动总成位于机体的上部，其特征在于：风叶驱动总成中的风轮由叶片架和若干叶片组成，其中，所述叶片架安装在风轮中心轴上，所述叶片以立轴方向在中部外鼓的形式分布在叶片架上，使风轮呈中部鼓凸的多叶环围立体结构。本发明能全方位有效地利用风能，提高风能效率。

Description

立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机组，特别是涉及一种立轴多叶风轮能在低微风状态下发电的万向式低微风力发电机组。

背景技术

风力发电已有一百五十多年的历史，科学家在分析了大气环流模型之后发现，大气低层的对流气团所包含的风能是非常巨大的，是人类可利用的取之不尽、用之不竭的再生能源之一，因此，在人类面临的逐渐加剧的能源危机的情况下，对于风力发电的研究就越来越具有重大和深远的现实意义了。在一些发达的国家，如美国、荷兰、丹麦、法国、德国、意大利，风力发电在其国内的电力结构中已起到举足轻重的作用了。我国只有少数地区，如新疆达坂城、广东南澳岛及汕尾红海湾、福建漳州的东山岛等地，靠进口设备，总装机容量还不到50万KW，在我国的电力结构中所占的比率还不到1％。

现有技术中，现有运行的风力发电机的驱动机构——风叶驱动总成通常采用二/三叶式螺旋桨风叶结构的风轮，其不足之处在于：

(1)其风能效率低：由于风叶少的风轮对风力的接收效率低，导致输出扭矩小，即对风能的利用率低，二叶风轮的风能效率仅为13～18％，三叶风轮的风能效率则仅为21～24％；

(2)风轮必须在4级风以上才能发电，低、微风力无法利用，因此风力发电机必须建造在风力充足的地点，这给风力发电机的广泛推广带来了局限性；

(3)风叶重量大、工艺要求复杂：为了提高风轮的风能效率，通常采用加长风叶长度的办法，大功率的风力发电机，风叶长度可达50～70米之长；

(4)风叶抗强能力差，强风突变时，容易折断叶片；

(5)噪音大，不能离生活区太近；

(6)需要偏航装置，来跟踪风向，小型机要靠尾舵来跟踪方向；

(7)需要解缆装置；

(8)必须与电网并网使用。

(9)前述风叶的缺陷大大增加了制造、运输和安装的成本，使风轮成本高昂。

另外，实际使用的风力发电机绝大部分是水平轴螺旋桨风叶风力发电机，即风叶驱动总成采用水平轴结构，风轮的中心轴为卧式，其中心轴和水平面问存在大约15度的仰角，水平放置，风叶固定在卧式轴前端的一个垂直立面上，其不足之处是：

(1)不能全方位有效地利用风能：自然界的风可能从任何一个方向吹来，由于水平轴风轮的叶片仅位于一个垂直扫风面上，这导致风流与该扫风面的角度不同时，风能效率就会有所不同，风流正对于该扫风面时风能效率最大，风流平行于该扫风面时风能效率最小；

(2)所述水平轴结构使风力发电机必须具有一个支撑风叶驱动总成的支撑塔，塔高必须高于风叶的长度，达到最小安全高度，由于大功率的风叶长度可达几十米，所以其塔高一般都要高达几十米甚至上百米，支撑塔必须坚固稳定地支撑塔顶的风叶驱动总成，因此就必须使高塔具有良好的结构设计和足够高的强度才行；

(3)水平轴结构风力发电机占地空间较大，不但导致使用场地受到极大的限制，也使土地利用率过低；

(4)前述的缺陷，导致风力发电机综合成本高昂。

在现有技术中已公开了一些垂直轴风力发电机的技术，即风叶驱动总成采用垂直轴结构，风轮的中心轴为垂直的立轴，但通常是以中小功率的风力发电机为应用目标，风轮的叶片结构形式有些改进，但仍以少量风叶为基础进行改进，因此，风能效率仍不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能全方位有效地利用风能，提高风能效率的具有多叶风轮的能在低微风状态下发电的立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组。

本发明是一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，包括机体、风叶驱动总成、发电机及控制装置，其中风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，所述风轮中心轴为垂直立轴，风叶驱动总成位于机体的上部，其特征在于风叶驱动总成中的风轮由叶片架和若干叶片组成，其中，所述叶片架安装在风轮中心轴上，所述叶片以立轴方向在中部外鼓的形式分布在叶片架上，使风轮呈中部鼓凸的多叶环围立体结构。

本发明所述的叶片架由横向安装在风轮中心轴上端的上架和安装在风叶中心轴上并位于上架下方的下架组成。

本发明的风轮的工作原理参见图2，假定一个水平的风流吹向风轮时，风轮所受的风流力可按1/4圆分为A、B、C、D四个不同的受力区，其中：

(1)A区为直接推动力之风力区

在A区的风叶因叶片以弧形凹面迎风，受到风力的直接推动作用，与此同时，风流进入风叶内腔形成内腔涡流高压区，加速了内腔涡流气流的形成和流动。

(2)B区为外涡流二次推动力之风力区

风流在B区顺风轮外轮廓流动，同时转动到B区的叶片由于惯性力作用产生外层涡流区，由于B区风叶仍然以弧形凹面迎接风流，外层涡流对B区风叶又起到二次推动作用。

(3)C区为内腔涡流的辅助推动力之风力区

位于C区的叶片由于其外层风流很弱，而内腔涡流气流压力也逐渐减弱，因此它受叶片离心力的作用，气流从叶片的间隙中排出，排出的气流又对叶片起到最后的辅助推动力作用。

(4)D区为阻力之风力区

吹向风轮D区的直接风力因产生与A区的力矩方向相反的力矩而成为风轮转动的阻力，但由于D区大部分的叶片是以弧形凸面迎风，其风的阻力被弧形凸面分解而大部分被卸掉，因此，D区所产生的风阻力远远小于A区风的直接推动力。

由于本发明的风轮所受的风流推动力远远大于阻力，且风叶受力均匀，因此，所述风轮转动的连续性好，运转平稳，启动风力小，转动惯量大。再加上风轮是中部鼓凸的环围立体结构，无论从哪个立体方向吹来的风流对它都有推动力的作用，实现风轮对风能的全方位利用，能进一步提高风轮风能效率。

本发明可以做以下的改进：所述的叶片架的上架、下架均具有圆形的周边，风轮叶片的上、下两端分别固定在叶片架的上架、下架的圆形周边上，所述的轴向外鼓形为轴向弧形，从而使风轮呈球形。

本发明所述的若干个叶片是8片或者8片以上，并均匀地分布在叶片架的周边上。

本发明还可以进一步做改进：所述叶片的横截面为圆弧形，并以叶片的圆弧凸面向外，圆弧凹面向内安装在叶片架上。叶片的这种设置方式，一方面有利于风流顺风叶进入风轮内部时形成涡流，另一方面也能提高叶片的强度。

本发明所述叶片在沿叶片的纵向边缘设置横截面为圆弧形的圆弧边，以加强叶片强度，并起到二次涡流增益作用。

本发明可以作如下改进：本发明所述的叶片横截面与该横截面所在的风轮横截面上的径向方向呈夹角α，所述的夹角α是不为0°和90°角的任意角度，即0°＜α＜90°，以10°～80°之间的任何角度为宜，最佳的角度范围在15°～75°之间。

本发明还可以做进一步的改进：所述下架为轮状支架，由圆环架和若干径向轮辐杆构成，所述的轴流风叶为6～12片，并且均匀分布于下架上，其一端固定在风轮中心轴上，另一端固定在下架的圆形周边上，与下架的轮辐杆合为一体。

轴流风叶所产生的垂直方向的轴流风可起到增大内腔涡流气流压力的作用，从而增大上述C区风叶的辅助推动力，另外轴流风对机体上的发电机起到很好的冷却散热作用，解决传统风力发电因结构限制而导致的发电机散热差的问题。

本发明更进一步的改进是：所述的轴流风叶为6～12片，并且均匀分布于下架上，其一端固定在风轮中心轴上，另一端固定在下架的圆形周边上，使轴流风叶的安装更为稳固可靠，可避免悬臂式的风叶带来的振颤。

本发明可以作如下进一步的改进：所述的发电机组还设置有安全稳定装置，该安全稳定装置包括固定圆盘、加强筋板和稳定钢珠，固定圆盘固定安装在风轮中心轴和下架之间，其中部与风轮中心轴连接并同轴心，其圆周边则与下架的轮辐杆固定连接，加强筋板具有两个直角边，一个直角边与风轮中心轴相连，另一个直角边固定在固定圆盘上，所述的固定圆盘、加强筋板和风轮中心轴三者形成刚性的中心轴座；所述的稳定钢珠安装在机体顶面上并且与固定圆盘的下表面之间留有2-3毫米的间隙。

正常风力时，转动的风轮中心轴上的固定圆盘与机体上的稳定钢珠之间留有间隙，不会碰到。当风力增大到一定程度时，风轮中心轴会在水平力的作用下摆动，这时，固定圆盘便与稳定钢珠碰到，并在摩擦中旋转，稳定钢珠对固定圆盘的支撑力就限制了风轮中心轴加大摆动的倾向，这样就起到整个风轮结构的安全稳定作用。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1.本发明能有效地提高风叶驱动总成的风能效率：由于本发明风叶驱动总成的结构特点，即采用垂直轴多叶构成的中部鼓凸的环围立体风轮，一方面使得风轮所受的风流推动力远远大于阻力，风叶受力均匀，另一方面使得任何一个方向吹来的风流对风轮都能产生推动力，从而实现风轮对风能的全方位的有效利用，因此能明显有效地提高风轮的风能效率，它的风能效率比其它风叶结构风轮的风能效率高50％以上。

2.本发明风轮的结构特点还带来启动风力小、可在低微风状态下发电的特点，本发明的风轮在风力为0.8m/s时即可启动旋转，在风力为2.0m/s以上即2级风力时即可以发电，不但能利用低微风力发电，进一步提高风能利用率，而且还打破了使用地点的局限性，实现在地球上任何地方都可以使用风力发电机的目的，甚至可以配置在行驶的汽车及航海的轮船上，直接带动其发电机。

3.本发明风轮的结构特点使所述风轮结构紧凑、转动的连续性好，运转平稳，转动惯量大、无噪音、抗强好、

4.本发明风轮的结构特点还可以派生出多种多样的用途：风轮的整体外形可以以垂直轴多叶构成的中部鼓凸的环围立体为基础派生出如球形、扁球形、长球形及组合式等多样化形状，不但具有实用效果，还可具有景观效果，如安装在建筑物顶上使用，既是带避雷装置的风力发电机，又是一个景观，两全其美；又如将此发电机组安装在工厂的单层厂房顶部时，不但起到发电作用，同时还可以兼具通风排气的作用。

5.本发明适用于各种需要用电的地方，作为主电源或补充电源之用，不受使用地点风力状况的限制，还可以与太阳能发电结合使用。

附图说明

图1为本发明实施例之一的构成示意图；

图2为本发明实施例之一的风轮在某一方向水平风流作用下的工作原理仰视图；

图3为实施例之一的结构示意图；

图4为本发明的实施例之一的风轮结构的主视剖面图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为本发明的实施例之一的风叶的横截面剖面图；

图7是本发明的实施例之一的轴流风叶的横截面剖视图；

图8为本发明的实施例之二的结构示意图；

图9为本发明的实施例之二的风轮的外形图；

图10为本发明的实施例之二的俯视图；

图11为本发明的实施例之二的仰视图；

图12为本发明的实施例之三的风轮结构的主视剖面图。

具体实施方式

实施例1

如图1～7所示的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组是本发明实施例之一，其包括机体1、风叶驱动总成2、离合器3、增速机4、发电机5及控制装置，其中风叶驱动总成2由风轮和风轮中心轴6组成，风轮中心轴6为垂直立轴，风叶驱动总成2位于机体1的上部，风叶驱动总成2中的风轮由8个或者8个以上的叶片7和叶片架组成，叶片架安装在风轮中心轴6上，其中叶片架由横向安装在风轮中心轴6上端的上架10和安装在风叶中心轴6上并位于上架10下方的下架9组成，叶片7以立轴方向在中部外鼓的形式分布在叶片架上，使风轮呈中部鼓凸的多叶环围立体结构。如图1所示，风轮轴向外鼓形为轴向弧形，整个风轮呈球形。风轮也可做成长球形、扁球形或橄榄形结构。如图5所示，叶片7横截面与该横截面所在的风轮横截面的径向方向呈夹角α，该夹角α是不为0°和90°角的任意夹角，即0°＜α＜90°，以10°～80°之间的任何角度为宜，最佳的角度范围在15°～75°之间。

本发明的风轮的工作原理参见图2，假定一个水平的风流吹向风轮时，风轮所受的风流力可按1/4圆分为A、B、C、D四个不同的受力区，其中：

(1)A区为直接推动力之风力区

在A区的风叶因叶片以弧形凹面迎风，受到风力的直接推动作用，与此同时，风流进入风叶内腔形成内腔涡流高压区，加速了内腔涡流气流的形成和流动。

(2)B区为外涡流二次推动力之风力区

风流在B区顺风轮外轮廓流动，同时转动到B区的叶片由于惯性力作用产生外层涡流区，由于B区风叶仍然以弧形凹面迎接风流，外层涡流对B区风叶又起到二次推动作用。

(3)C区为内腔涡流的辅助推动力之风力区

位于C区的叶片由于其外层风流很弱，而内腔涡流气流压力也逐渐减弱，因此它受叶片离心力的作用，气流从叶片的间隙中排出，排出的气流又对叶片起到最后的辅助推动力作用。

(4)D区为阻力之风力区

吹向风轮D区的直接风力因产生与A区的力矩方向相反的力矩而成为风轮转动的阻力，但由于D区大部分的叶片是以弧形凸面迎风，其风的阻力被弧形凸面分解而大部分被卸掉，因此，D区所产生的风阻力远远小于A区的直接推动力。

如图2、图5所示，在风轮内还设置有轴流风叶8，轴流风叶8至少为3片，最好在6～12片之间，并且均匀分布于下架9上，其一端固定在风轮中心轴6上，另一端固定在下架9的圆形周边上，轴流风叶8和风轮中心轴6两者之间可产生联动，所产生的垂直方向的轴流风可起到增大内腔涡流气流压力的作用，从而增大上述C区风叶的辅助推动力，另外轴流风对机体上的发电机起到很好的冷却散热作用，解决了传统风力发电因结构限制而导致的发电机散热差的问题。

如图3、图4所示，叶片架的上架、下架均具有圆形的周边，风轮叶片的上、下两端分别固定在叶片架的上架、下架的圆形周边上，使风轮呈球形。叶片7为8片或8片以上，并均匀地分布在叶片架的周边上，其中每个叶片7的横截面均为圆弧形，并以叶片7的圆弧凸面向外，圆弧凹面向内安装在叶片架上，一方面有利于风流顺风叶进入风轮内部时形成涡流，另一方面也能提高叶片的强度。上架10呈上凸形的圆盘状，下架9为轮状支架，由圆环架和若干径向轮辐杆构成，其中下架9通过轮辐杆与固定圆盘12相连，固定圆盘12固定安装在风轮中心轴6和下架9之间，其中部与风轮中心轴6连接并同轴心，其圆周边则与下架9的轮辐杆固定连接。下架9也可直接通过其轮辐杆与风轮中心轴6固定相连，而无需设置固定圆盘12。如图4所示，轴流风叶8固定安装在下架9的轮辐杆上，且与下架9的轮辐杆合为一体。

如图6所示，叶片7在沿叶片7的两侧面的纵向边缘均设置横截面为圆弧形的圆弧边71，既加强叶片7的强度，又起到二次涡流增益作用。

实施例2

如图8～11所示的立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组是本发明的实施例之二，与上例不同的是，机体1设置在风叶驱动总成2的内部，风叶驱动总成2下端和工作面之间留有可供风叶驱动总成2转动的间隙即可。

实施例3

如图12所示的立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组是本发明的实施例之三，与实施例1不同的是，本发明还设置有安全稳定装置，该安全稳定装置包括固定圆盘12、加强筋板11和稳定钢珠13，固定圆盘12固定安装在风轮中心轴6和下架9之间，其中部与风轮中心轴6连接并同轴心，其圆周边则与下架9的轮辐杆固定连接。加强筋板11具有两个直角边，一个直角边与风轮中心轴6固定连接，另一直角边固定在固定圆盘12上。加强筋板11可设置若干条，沿风轮中心轴6的外圆边呈发射状均布。固定圆盘12及相应的加强筋板11和风轮中心轴牢固地焊接成一体，形成一个刚性和强度很好的中心轴座。稳定钢珠13有6个，稳定钢珠13安装在机体1的顶面上，6个稳定钢珠均匀分布在相同的圆周上。该稳定钢珠13也可为2个或2个以上即可，其中稳定钢珠13和固定圆盘12的下表面之间留有2-3毫米之间的间隙。

本实施例的安全稳定原理：正常风力时，转动的风轮中心轴6上的固定圆盘12与机体1上的稳定钢珠13之间留有间隙，不会碰到。当风力增大到一定程度时，风轮中心轴6会在水平力的作用下摆动，这时，固定圆盘12便与稳定钢珠13碰到，并在摩擦中旋转，这时稳定钢珠13对固定圆盘12的支撑力就限制了风轮中心轴6加大摆动的倾向，这样就起到整个风轮结构的安全稳定作用。

Claims (10)

1.一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，包括机体、风叶驱动总成、发电机及控制装置，其中风叶驱动总成由风轮和风轮中心轴组成，所述风轮中心轴为垂直立轴，风叶驱动总成位于机体的上部，其特征在于：风叶驱动总成中的风轮由叶片架和若干叶片组成，其中，所述叶片架安装在风轮中心轴上，所述叶片以立轴方向在中部外鼓的形式分布在叶片架上，使风轮呈中部鼓凸的多叶环围立体结构。

2.根据权利要求1所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述的叶片架由横向安装在风轮中心轴上端的上架和安装在风叶中心轴上并位于上架下方的下架组成。

3.根据权利要求2所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述的叶片架的上架、下架均具有圆形的周边，风轮叶片的上、下两端分别固定在叶片架的上架、下架的圆形周边上，所述的轴向外鼓形为轴向弧形，从而使风轮呈球形。

4.根据权利要求3所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述的若干叶片是8片或者8片以上，并均匀地分布在叶片架的周边上。

5.根据权利要求4所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述叶片的横截面为圆弧形，并以叶片的圆弧凸面向外，圆弧凹面向内安装在叶片架上。

6.根据权利要求5所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述叶片在沿叶片的纵向边缘设置横截面为圆弧形的圆弧边。

7.根据权利要求1至6任一所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述的叶片横截面与该横截面所在的风轮横截面上的径向方向呈夹角α，该夹角在15°～75°的范围内。

8.根据权利要求7所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：在风轮内设置轴流风叶，轴流风叶至少有3片，它安装于风轮中心轴上，两者之间产生联动。

9.根据权利要求8所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述下架为轮状支架，由圆环架和若干径向轮辐杆构成，所述的轴流风叶为6～12片，并且均匀分布于下架上，其一端固定在风轮中心轴上，另一端固定在下架的圆形周边上，与下架的轮辐杆合为一体。

10.根据权利要求9所述的一种立轴多叶风轮万向式低微风力发电机组，其特征在于：所述的发电机组还设置有安全稳定装置，该安全稳定装置包括固定圆盘、加强筋板和稳定钢珠，固定圆盘固定安装在风轮中心轴和下架之间，其中部与风轮中心轴连接并同轴心，其圆周边则与下架的轮辐杆固定连接，加强筋板具有两个直角边，一个直角边与风轮中心轴相连，另一个直角边固定在固定圆盘上，所述的固定圆盘、加强筋板和风轮中心轴三者形成刚性的中心轴座；所述的稳定钢珠安装在机体顶面上并且与固定圆盘的下表面之间留有2-3毫米的间隙。

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