[實用新型]葉片自動調控的升阻結合型垂直軸風力發電機

有效

• 申請號: 201220609240.8
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN202991352U
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 張寶貴
• 申請（專利權）人: 張寶貴
• 主分類號: F03D9/00
• 分類號: F03D9/00;F03D3/06;F03D7/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

所屬技術領域

本實用新型涉及一種風力發電裝置，尤指葉片工作狀態自動調節控制的升阻結合型垂直軸風力發電機。

背景技術

目前的風力發電機主要分為水平軸和垂直軸兩種類型。

水平軸風力發電機出現較早，技術成熟，得到了廣泛應用。相較大型水平軸風力發電機技術要求高，制造、運輸、安裝和維護難度大等形成的高成本，垂直軸風力發電機具有結構簡單、穩定性好、維護方便、適用范圍廣、成本低等特點，分為阻力型和升力型。阻力型風力發電機主要是利用氣流通過葉片產生的阻力作為驅動力，啟動力矩大，尖速比低，風能利用率低。升力型風力發電機主要是利用氣流通過葉片產生的升力作為驅動力，啟動力矩小，尖速比高，風能利用率高。

由于垂直軸風力發電機旋轉過程中，通過其葉片氣流的大小和方向是不斷變化的，固定葉片風力發電機的葉片不能始終運行在產生驅動力的特定攻角狀態，運行至某些位置還會產生阻力矩，制約了風能利用率的提高。對此，人們設計了各種活動葉片的隨動調控裝置，以期將不同風場條件、運行在不同圓周位置的葉片，實時調節控制在具有較大驅動力的特定攻角狀態，達到提高風能利用率的目的。

相似專利以中國專利申請號200610023892.2、名稱為“垂直軸風力發電機葉片攻角調節裝置”的發明專利最具代表性：葉片轉軸齒輪與齒條連接，在一定強度的風力作用下，齒條一端的滾子沿靜止的凸輪輪廓線運動，帶動齒條作往復運動。在圓周上的不同位置，使葉片與風向的夾角保持在各個設定范圍；當風向發生變化后?，由電機帶動凹槽凸輪轉動相應的角度，使風向與凹槽凸輪的相對方位保持不變，保證風向變化后的葉片與風向夾角仍然能保持在各個設定值范圍。此方法雖然一定程度上優化了葉片的工作狀態，但其存在明顯不足：一是需要測風對風裝置，摒棄了垂直軸風力發電機無方向性的優點。二是凸輪機構具有傳動效率低、低速性、結構復雜等缺點，難以應用在高尖速比、大型化的風力發電機上。三是只能在某一固定風速、固定風力機轉速的情況下，才能保持葉片的最佳工作狀態，難以適應復雜的風場環境。而采用測風儀、中央處理器、集電環、編碼器和伺服電機等有功調控裝置的中國申請專利號200610027384.1、名稱為“垂直軸風力發電機葉片轉角自動控制系統”的發明專利所采用的葉片自動控制系統，雖能及時對風場的變化做出反應，但結構過于復雜，而且在風力機的運行過程中，必須通過伺服電機對葉片狀態進行不間斷有功調控，成本高，能耗大。

發明內容

針對現有垂直軸風力發電機存在的不足，本實用新型提供了一種葉片狀態自動調控的升阻結合型垂直軸風力發電機，使處于順風區的葉片被限位器阻擋并保持在與旋臂同一平面的位置，利用葉片風阻做功。處于逆風區的葉片，被彈力曲柄連桿機構的控制轉矩實時地控制在具有較大升阻比的特定攻角狀態，利用葉片升力做功。并能將風力發電機由葉尖速比λ＜1時的升力阻力混合工作狀態，自動轉變為葉尖速比λ≥1時的全升力工作狀態。該實用新型結構簡單、無方向性、制造成本低廉，實現了垂直軸風力發電機葉片狀態的無功自動調控，具有啟動風速低、風能利用率高、環境適應能力強和輸出功率穩定等特點。

技術方案

本實用新型主要包括基礎底座、垂直主軸、旋臂、帶轉軸的翼形葉片、葉片限位器和彈力曲柄連桿機構等部件。其中彈力曲柄連桿機構由曲柄、連桿、導桿、彈性件、彈性件定位環和線性軸承等組成。

圖1、圖2中，安裝在基礎底座（4）上的垂直主軸（1），其底座內部分通過變速器連接發電機或其它動力裝置，底座上部分等夾角安裝兩組以上的旋臂（2）；翼形葉片（7）通過轉軸（6）安裝在旋臂（2）外端，轉軸（6）靠近翼形葉片（7）前緣且與垂直主軸（1）平行，重心位于轉軸（6）上；彈力曲柄連桿機構（8）通過線性軸承（12）安裝在旋臂（2）上，導桿（11）與旋臂（2）平行且位于同一垂直平面，曲柄（9）與轉軸（6）連接且與翼形葉片弦線平行；葉片限位器（5）分別安裝在上下旋臂（2）的內側和外端。

為便于說明本實用新型所采用的技術方案，特做如下定義：

V：通過葉片的相對氣流。

V₁：風速。

V₂：葉片線速度產生的相對氣流。

α：葉片弦線（曲柄）與V夾角。

β：旋臂與V夾角。

δ：旋臂與葉片弦線（曲柄）夾角。

通過葉片的相對氣流V的切向速度與葉片線速度方向一致的區域為順風區，方向相反的區域為逆風區。再通過風力機的垂直主軸O做一條風速V₂的垂線，進一步把順風區和逆風區劃分為上、下順風區和上、下逆風區。