种升阻复合型垂直轴风力发电机

技术领域

[0001] 本发明涉及一种升阻复合型垂直轴风力发电机，属于新能源技术领域。

背景技术

[0002] 现有风力发电机，主流技术分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风力发电机，其风轮的旋转平面与气流方向垂直，MW级的水平轴风力发电机，其叶片长度达到50米以上，叶片曲面的制造工艺复杂，加工困难，生产成本高。叶片超长，运输、安装困难。塔架高度上百米，不仅制造成本高，而且运输和安装更具挑战性。其机仓（包括发电机、变速器、控制系统等）重量达几十吨，将如此重量的物体送到百米高空，还要与叶片连接，而且还要能够360度水平旋转，其难度可想而知！其稳定性和可维护性更是令人担忧。

[0003] 垂直轴风力发电机，分为阻力型和升力型。与水平轴风力发电机相比，其具有叶片和塔架结构简单、加工工艺普通，制造成本低的特点。而且配件单件体积相对较小，便于运输和安装。发电机和变速器位于地面，便于安装和维护。

[0004] 综上比较，显然垂直轴风力发电机比水平轴风力发电机更具优势。然而，现有成品中却是水平轴风机占绝对主流。原因在于垂直轴风力发电机长期得不到重视，研发投入偏低。人们认为垂直轴风力机，风能利用率低。不适用于大功率风力发电机。现有技术中，水平轴风力发电机确实比垂直轴风力发电机风能利用率略高。以国内某厂家水平轴系列和垂直轴系列的参数为例：水平轴系列功率300W-100KW，风能利用率20%-41%。垂直轴系列功率100W-20KW，风能利用率10%-31%。而随着人们对垂直轴风力发电机技术研发的持续投入，近年来，垂直轴风力发电机技术已经得到了很快的发展。

发明内容

[0005] 本发明提出的升阻复合型垂直轴风力发电机，在保留了垂直轴风力发电机原有的优点的同时，很好地解决了垂直轴风力机风能利用率偏低的问题。业内研究人员的研究结果证明，垂直轴风力机风能利用率偏低的原因是：叶片绕垂直轴旋转时，如果垂直轴右侧的气流做正功，则垂直轴左侧的气流将做负功。而水平轴风力机则全部气流都做正功。如果能够有效加大右侧做正功的气流与叶片的迎风面积，同时尽量减少左侧做负功的气流与叶片的迎风面积。甚至让左侧的气流同样做正功，将会显著增加垂直轴风力机的风能利用率。

[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：

一种升阻复合型垂直轴风力发电机，包括中心固定轴、套设于中心固定轴上的钢索固定盘、安装在中心固定轴顶部的风向舵、套设于中心固定轴外的旋转轴套、套设于旋转轴套外的旋转框架、安装在旋转框架臂上面的第1风叶和安装在旋转框架臂下面第2风叶，以及套设于旋转轴套外的增速齿轮。

[0007] 优选方案为，所述中心固定轴为圆柱型长轴，其外圆的左侧直径小于右侧直径。圆柱形长轴的端面一端设有六方形凸起，另一端设有六方形凹陷。多个同样的圆柱形长轴可以

优选方案为，所述中心固定轴为圆柱型长轴，其外圆的左侧直径小于右侧直径。圆柱形长轴的端面一端设有六方形凸起，另一端设有六方形凹陷。多个同样的圆柱形长轴可以将六方形凸起插入六方形凹陷内而连接在一起。连接而成的加长中心固定轴垂直固定于地面。

[0008] 优选方案为，风向舵为一平板，板面与地面垂直，安装在中心固定轴的顶部，板面中心线与中心固定轴左右不同直径的半圆分界线平行。

[0009] 优选方案为，所述钢索固定盘为一中心有圆孔的圆盘，其直径等于风叶旋转直径，中心圆孔套装在中心固定轴的顶端，可以绕中心固定轴旋转；圆盘的外边缘相隔120度，固定有三根钢索，钢索的另一端固定于地面，起到稳定中心固定轴的作用。

[0010] 优选方案为，所述旋转轴套为外部为六方形，内部为圆形的管状体。其套设在中心固定轴外，可以围绕中心固定轴旋转，用于传递动力。

[0011] 优选方案为，所述旋转框架为中心开有六方形孔洞的管状体、自管状体中心放射状向外延伸出三条框架臂，三条框架臂相隔120度。三个框架臂的顶端各有一根向上、向下伸出的轴，轴上固定安装有一个偏心凸轮。

[0012] 优选方案为，所述第1风叶和第2风叶，包括：叶片上下横梁、左右叶片支撑轴、叶片围板、安装在左右叶片支撑轴上的旋转抵靠轮。所述叶片围板为具有弹性的金属材质的薄板卷成的环状体，其套设于两个叶片支撑轴外部，处于上下2个上下横梁的中间，在旋转框架旋转时，框架臂上的偏心凸轮会顶住叶片围板的一侧，随着旋转框架的角度变化，偏心凸轮顶叶片围板的位置和力度会发生变化，于是叶片围板的外部轮廓会产生平凸程度和方向的变化，而且偏心凸轮顶住叶片围板的力，同时还产生一个使叶片旋转的力矩，这个旋转力矩也是有益的。

[0013] 优选方案为，所述增速齿轮为一中心具有六方形孔洞的齿轮，套装于旋转轴套靠近地面的下部，该齿轮随旋转轴套旋转的同时，与发电机变速齿轮箱上的齿轮啮合，带动发电机发电。

[0014] 本发明的有益效果为：

本发明中的升阻复合型垂直轴风力发电机，其结构简单、制造容易、节约成本；部件体积小，方便运输；现场组装，安装方式灵活，重型设备均安装于地面，无需大型吊装设备，同时便于日常维护和保养；由于采用叶片角度、翼形可变的技术，风能利用率有望接近达到70%。这样的风能利用率，不仅远比现有垂直轴风力发电机要高，而且已经超过了现有水平轴风力发电机的风能利用率水平。同样的功率，本发明中的升阻复合型垂直轴风力发电机，相比水平轴风力发电机可以节省制造和安装成本至少50%以上。

附图说明

[0015] 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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，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。

[0016] 图1为风轮结构示意图；

图2为垂直轴风力发电机整体结构示意图；

图中：10、中心固定轴；11、固定轴导向舵；12、钢索固定盘；13、钢索；14、增速齿轮；20、旋转轴套；21、旋转框架；22、框架臂；23、偏心凸轮；30、第1风叶；31、第2风叶； 32、叶片转轴；33、叶片围板；34、叶片支撑轴；35、叶片上横梁；36、叶片下横梁；37、旋转抵靠轮。

具体实施方式

[0017] 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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0018] 如图所示，一种升阻复合型垂直轴风力发电机，包括：叶片30、叶片31、中心固定轴10、旋转轴套20、旋转框架21、增速齿轮14、钢索固定盘12、钢索13、固定轴导向舵11。

[0019] 阻力型垂直轴风力机，顺风侧风叶做正功，逆风侧风叶做负功，所以其气流利用率很低。升力型风力机，根据飞机机翼产生升力的原理，利用风叶在空气中高速运行产生的升力做功，顺风侧和逆风侧都做正功。但大多数升力型风力机，其翼形并不是飞机的翼形，而是左右对称的流线型翼形。这是因为，固定的飞机机翼翼形的风叶，在旋转过程中，如果在第四象限为左平右凸，产生升力力矩为正，那么在第一象限也为左平右凸，产生升力力矩为负。在第二象限为左凸右平，产生升力力矩为正，在第三象限为左凸右平，产生升力力矩为负。正负相抵，所以，非对称的飞机机翼翼形，在这里并不能带来正的转矩。采用流线型的对称翼形，可以有效减小阻力，同时利用翼形的攻角同样可以产生升力。本发明提出的升阻复合型垂直轴风力发电机，由于其翼形可变，在工作状态时，不仅叶片攻角在全部四个象限都产生正的旋转力矩，翼形的平凸变化所产生的升力力矩也全部都为正的旋转力矩，所以其效率较高。

[0020] 如附图2所示，一种升阻复合型垂直轴风力发电机，其工作过程是这样的：在气流推动下，旋转框架21上的叶片30和31逆时针旋转，叶片30和31在中心固定轴左侧0点钟至9点钟运行时，叶片30和31从垂直状态开始运行，此时，叶片30和31上边缘旋转线速度大于下边缘旋转线速度，叶片30和31产生顺时针旋转力矩。气流方向垂直向上，在叶片30和31顺时针旋转一定角度，叶片30和31前缘向左倾斜后，气流将对叶片30和31产生逆时针旋转力矩。正反力矩平衡后，叶片30和31与气流方向保持平行，此时，垂直气流对叶片30和31无转动力矩，旋转产生的叶片30和31对空气的推力，因叶片30和31与水平方向垂直，向左水平运行速度上下相同，叶片30和31上下对称，故叶片30和31上下所受向右的推力相等，也无转矩产生。所以叶片30和31与气流方向保持平行是稳定状态。因偏心凸轮23的顶点此时偏离叶片30和31的中心，其将对叶片30和31左侧围板33产生推力，该推力产生一个顺时针旋转的力矩，此力矩使得叶片30和31前缘偏离垂直线略向左倾。偏心凸轮23的顶点顶住围板33的左侧，使得围板33左侧凸起，右侧水平，而气流方向对这个略向左倾的攻角，和叶片30和31 左凸右平的翼形的作用，完全符合标准的飞机机翼产生升力的原理。所产生的升力向左，转矩为逆时针正向转矩。

[0021] 叶片在中心固定轴左侧9点钟至6点钟运行时，叶片30和31从垂直状态开始运行，此时，偏心凸轮23顶点开始偏向叶片30和31的右侧，随着旋转角度的加大，偏心凸轮23的顶点将逐渐加大对围板33右侧的顶起力度，围板33轮廓变成左平右凸。与0点至9点区间运行原理相同，9点至6点区间，叶片30和31将保持叶片前缘与垂直方向略向右偏的角度运行。

[0022] 运行至6点钟位置，因中心固定轴10右侧外圆直径大于左侧外圆直径，叶片30和31的旋转抵靠轮37将与中心固定轴10的右侧外圆相抵靠，此后，叶片30和31在旋转时，由于叶片30和31的内边缘旋转线速度小于外边缘旋转线速度，气流对叶片30和31的内侧产生的推力大于对外侧产生的推力，叶片产生顺时针旋转的力矩，而顺时针旋转受到中心固定轴10对旋转抵靠轮37的阻碍，所以，叶片30和31的叶面将与旋转框架臂22保持平行，一直运行到0点钟位置，期间，叶片30和31在6点钟至3点钟位置左平右凸，升力力矩为逆时针正向力矩，叶片30和31在3点钟至0点钟位置左凸右平，升力力矩也为逆时针正向力矩。

[0023] 由于发电运行时，旋转框架21旋转速度很低，气流垂直吹向风叶时，右侧阻力型风叶将对气流产生阻碍，右侧叶片的导向将迫使气流流向左侧，这样，由于单位时间流过的气体流量增加，左侧9点钟至12点钟位置的气流速度势必增大，而且气流方向会向左偏斜。这个向左偏斜且速度变大的气流，将对行至此处的叶片产生向左的推力，加大逆时针的正向转矩。

[0024] 整个运行过程中，气流对叶片30和31的冲击，叶片30和31的翼形和攻角全部符合机翼升力的理论，升力产生的转矩全部都是正向转矩。正向的升力转矩，不仅在中心固定轴10左侧产生，在中心固定轴10右侧同样也会产生。这些正向的升力转矩，加上中心固定轴10右侧的阻力型转矩，共同推动转轮逆时针旋转，带动发电机发电。因此，该垂直轴转轮实际上是一台升力、阻力复合型垂直轴风力发电机。其在中心固定轴10右侧的运行，除了阻力做正功之外，升力同时也在做正功，在中心固定轴10左侧的运行，除了很小部分的阻力做负功之外，更大的升力都在做正功，由于，阻力型风机低速旋转时效率高，升力型风机高速旋转时效率高，因此，通过调整发电机负载和变速系统的变比来合理控制转轮的叶尖速比，可以达到风力机的最大发电效率。虽然未做精确计算和实验测试，但初步推算本垂直轴风力发电机的风能利用率将远远超过50%，保守估计不会低于70%。

[0025] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。