CN202140253U - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于风力发电机领域，提供了一种垂直轴风力发电机，包括一纵向中心轴以及至少两个沿中心轴轴向设置且弯折为螺旋形的风叶，中心轴上同轴设有一发电机，风叶与中心轴之间通过横梁连接，各风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮。本实用新型采用螺旋形风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮，保证了风轮360°迎风，从而使得风轮旋转时，风叶始终都有最佳攻角，便于风轮在低风速时的启动，避免了风轮在同样的条件下的停止转动的可能，保证了发电机能在低风速时发电，解决了现有的直片式风叶在低风速时风轮旋转造成的攻角的改变而带来的输出功率降低和在低风速下容易停止转动的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于风力发电机领域，尤其涉及一种垂直轴风力发电机。
背景技术
如图1和图2所示，现有的垂直轴风力发电机包括一纵向中心轴91以及至少两个沿中心轴91轴向设置的平直状的风叶92，中心轴91上同轴设有一发电机(未示出)，风叶92和中心轴91之间通过多个横梁93连接，并组成一个风轮。风叶92在垂直轴风力发电机中的作用为：风叶92是将风能通过旋转机构(轮毂，连杆等)产生发电机转子和定子之间的旋转运动，从而产生输出的电能，是整个发电机系统中核心部件，风叶92的气动性能直接影响了风力发电机的输出功率(发电量)的效率。
如图1～图4所示，目前的垂直轴风力发电机的风叶92是直的，风叶92在风力的驱动下，会出现如图3所示的不同风叶92在同一时刻位置上的变化，图3和图4结合起来看，我们就会发现图4中的α角对于不同的风叶92，在同一时刻和不同的时刻都是不一样的。这个α角，在航空动力学中定义为攻角(AngleofAttack)，是风叶92的弦长与入流速度方向的夹角；这个角度，在飞机中是飞机或机翼与水平面的夹角，机翼的前缘和后缘的连线称作为弦线，而相对气流和弦线的角度就是作战飞机的攻角，飞机增大攻角，达到增加升力快速起飞的目的。而对于垂直轴的风力发电机而言，增大攻角，达到增加升力快速起动和提高发电量的目的。
每种风叶92的翼型都有其最佳攻角，所谓最佳攻角，就是在这个最佳攻角时，风能利用系数Cp最大，这也意味着这时风力发电机的输出功率(也就是发电量)最大。如图5所示，风叶92在的攻角α大约为0度时，风能利用系数Cp最大。
风力发电机的输出功率P(也就是发电量)和风能利用系数(Cp)之间的关系为：P＝0.5ρAV*V*V*Cp*η(等式1)
其中：ρ＝气压(kPa)；A＝风轮的扫风面积；η＝机械传动效率和电子转换效率；V＝风速(m/s)。
从等式1中可以看出，对于同一个垂直轴风力发电机，输出功率P(也就是发电量)和风能利用系数(Cp)是成正比的关系，Cp越大，P也就越大。换就话说，就是说在最佳攻角时，风力发电机的输出功率P(也就是发电量)是最大的。
那么攻角α是怎么影响Cp的呢？我们需要引入升力系数Cl和阻力系数Cd和微积分公式：
dP＝K*Cx*δr*V(等式2)
其中dP＝风力发电机的输出功率P(也就是发电量)；K＝对于一定的结构的风力发电机的结构系数；Cx＝法向系数；r＝风轮半径r的函数；V＝风速；
Cx＝Cl cosψ+Cd sinψ(等式3)
其中：ψ是入流角，Cl是升力系数，Cd是阻力系数。如图4中所示，ψ反映风叶92的入流速度与风轮旋转平面间的夹角。
ψ＝α+β(等式4)
其中：α是攻角，β是安装角。
根据图4，安装角β是指风叶92的弦长(即翼型的前后缘连线)与风轮旋转平面的夹角)，对于垂直轴风力发电机，当风叶92机械固定后，这个安装角β就固定了，为一个恒定值。
结合等式2，等式3，等式4，我们不难看出Cl，Cd和α直接在风叶92的转动中决定了dP＝风力发电机的输出功率P(也就是发电量)。
而Cl，Cd和α之间的关系如图6所示，升力系数Cl和和阻力系数Cd随攻角α变化，在实用范围内的Cl-α基本为线性关系；当攻角α增大到一定程度时，升力系数Cl达到最大值Clmax，风叶获得最大的升力；升力系数Cl达到最大值Clmax时的攻角α就是最佳攻角，在这时的Cp也就是最大的风能利用系数。
根据能量守恒原则，在攻角α就是最佳攻角时，在相同的风速下，此时的风叶产生了最大的推力Fmax和最大的输出功率Pmax，
Pmax＝Fmax*V(等式5)
其中Pmax＝最大的输出功率；Fmax＝最大的推力；V＝风速。
所以，尽量接近和保持最佳攻角，垂直轴风力发电机可以产生较大和最大的输出功率P(也就是较大和最大的发电量)。
总之：具有直片风叶92的垂直轴风力发电机的一个影响发电量问题就是由于攻角α是个动态值，α值将随风轮的旋转而不断改变，在低风速时(此时风轮不能进行连续的360°周期转动)，影响风能利用系数Cp和升力系数Cl，最后降低了输出功率P，甚至风轮直接停止转动，导致不能在低风速时发电。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可在低风速时正常发电且风叶始终具有最佳攻角的垂直轴风力发电机。
本实用新型是这样实现的，一种垂直轴风力发电机，包括一纵向中心轴以及至少两个沿所述中心轴轴向设置且弯折为螺旋形的风叶，所述中心轴上同轴设有一发电机，所述风叶与中心轴之间通过横梁连接，所述各风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮。
优选地，所述风叶为三个。
具体地，所述风叶的螺旋方向为左旋或右旋。
具体地，所述风叶的螺旋角度介于90°～140°之间。
具体地，所述风叶的螺距为0.1米～100米。
本实用新型采用螺旋形风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮，保证了风轮360°迎风，从而使得风轮旋转时，风叶始终都有最佳攻角，便于风轮在低风速时的启动，避免了风轮在同样的条件下的停止转动的可能，保证了发电机能在低风速时发电，解决了现有的直片式风叶在低风速时风轮旋转造成的攻角的改变而带来的输出功率降低和在低风速下容易停止转动的问题。
附图说明
图1是现有技术提供的具有直片风叶的垂直轴风力发电机的示意图；
图2是图1中的直片风叶的示意图；
图3是图1中的直片风叶在同一时刻、不同位置时的示意图；
图4是图1中的直片风叶的截面与气流速度之间的关系图；
图5是图1中的直片风叶的最大风能利用系数Cp与攻角α之间的关系图；
图6是图1中的直片风叶的升力系数Cl和阻力系数Cd与攻角α之间的关系图；
图7是本实用新型实施例提供的具有螺旋形风叶的垂直轴风力发电机的立体示意图；
图8是图7中的垂直轴风力发电机的主视图；
图9是图7中垂直轴风力发电机的俯视图；
图10是图7中的螺旋形风叶的示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图7～图10所示，本实用新型实施例提供了一种垂直轴风力发电机，包括一纵向中心轴11以及至少两个沿中心轴11轴向设置且弯折为螺旋形的风叶12，中心轴11上同轴设有一发电机13，风叶12与中心轴11之间通过横梁14连接，各风叶12围合成一俯视图为圆形的360°风轮。
其中，中心轴11用于固定风叶12和发电机13的位置，构成旋转机构；风叶12将风能通过旋转机构转换成发电机13的定子和转子之间的旋转动作；发电机13将定子和转子之间的旋转动能转换成电能，从而实现了将风能转换成电能的目的。
与现有的垂直轴风力发电机不同，本实用新型的垂直轴风力发电机采用螺旋形的风叶12，各风叶12围合成一个完整的360°风轮，保证了风轮360°迎风，从而使得风轮旋转时，风叶12始终都有最佳攻角α，便于风轮在低风速时的启动，避免了风轮在同样的条件下的停止转动的可能，保证了发电机13能在低风速时发电，解决了现有的直片式风叶在低风速时风轮旋转造成的攻角的改变而带来的输出功率降低和在低风速下容易停止转动的问题。
优选地，本实施例中，垂直轴风力发电机安装有三个螺旋形风叶12。下面以具有三个螺旋形风叶12的垂直轴风力发电机为例子来说明螺旋形风叶12的作用，但是不局限于三个螺旋形风叶12的垂直轴风力发电机。
由图9可看出，本实用新型的三个螺旋形风叶12组成了一个完整的360°无间隙、完全闭合的风轮，也就是说，在任何时候，无论风从哪个方向来，由螺旋形风叶12组成的风轮，必然有一个风叶12的截面处在最佳攻角位置，从而可以保证风力发电机在低风速时，输出更多的电能和更好地在低风速时启动。而现有的直片式的风叶组成的风轮，是不能形成360°的完全闭合的风轮，其始终是个有间隙的风轮，这就意味着，当风轮转动，风向改变后，攻角会改变，造成了在低风速时输出功率不大甚至风轮停止转动的问题。
以下为本实施例的风叶12的具体技术要求：
(1)风叶12表面处理，要耐腐蚀，耐生锈；
(2)风叶12的任一截面形状为任何适合做风叶的标准翼形，或为根据标准翼形而修改的非标准翼形；
(3)风叶12尺寸公差均为国标5级；
(4)风叶12表面不能破，不能有明显的变形；
(5)风叶12的材料：任何高强度、高刚度、低密度、长寿命的材料，比如玻璃纤维、碳素纤维、铝合金、铜等；
(6)风叶12的螺旋方向为左旋或右旋；
(7)风叶12的螺旋角度介于90°～140°之间；
(8)风叶12的螺距为0.1米～100米；
(9)每一组风轮里的各风叶12的重量偏差不超过+/-50g；
(10)风叶12在250转/分钟的转速下，不能有超过5毫米的抖动；
(11)风叶12所有的连接出不能松；
(12)风叶12的转速-功率曲线特征符合设计的要求；
(13)风叶12的成型的方法：(a)浇铸成型-浇铸机+模具；(b)铆接成型-冲床+压铆机+模具；(c)弯曲成型-弯曲成型机+模具；(d)翻砂成型-模具；(e)采用玻璃纤维钢粘合成型。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种垂直轴风力发电机，包括一纵向中心轴，所述中心轴上同轴设有一发电机，其特征在于：还包括至少两个沿所述中心轴轴向设置且弯折为螺旋形的风叶，所述风叶与中心轴之间通过横梁连接，所述各风叶围合成一俯视图为圆形的360°风轮。
2.如权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风叶为三个。
3.如权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风叶的螺旋方向为左旋或右旋。
4.如权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风叶的螺旋角度介于90°～140°之间。
5.如权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风叶的螺距为0.1米～100米。
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| CN102251931A (zh) * | 2011-06-03 | 2011-11-23 | 易兵 | 一种垂直轴风力发电机 |
| CN103133239A (zh) * | 2013-03-26 | 2013-06-05 | 易兵 | 叶片及使用该叶片的涡轮发电机 |
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- 2011-06-03 CN CN 201120187486 patent/CN202140253U/zh not_active Expired - Fee Related
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