CN105927473A - 一种可调桨垂直轴风力机风轮 - Google Patents

一种可调桨垂直轴风力机风轮 Download PDF

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张惟斌
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Abstract

一种可调桨垂直轴风力机风轮，包括设置在旋转轴上的风轮组，所述旋转轴底部连接发电机，所述发电机连接蓄电池，其特征在于，所述风轮组包括升力型风轮和阻力型风轮，所述升力型风轮的上部和下部分别安装一个阻力型风轮，所述阻力型风轮直接设在旋转轴上，所述升力型风轮通过连杆连接旋转轴，所述升力型风轮的叶片顶部设有风向标，叶片前缘设有传感器，所述旋转轴上还设有控制箱，控制箱上连接有调向机构，调向机构另一端连接升力型风轮叶片中部。本发明通过风向标、传感器、调向机构和控制器共同作用使得升力型叶片的迎角始终保持在最佳位置，极大提高垂直轴风力机的风能利用率。

Description

一种可调桨垂直轴风力机风轮
技术领域
本发明涉及风力机，尤其与一种混合型可调桨垂直轴风力机风轮有关。
背景技术
现有的垂直轴风力机主要有：升力型风轮的垂直轴风力机、阻力型风轮的垂直轴风力机和混合型风轮的垂直轴风力机。对于升力型风轮的垂直轴风力机，虽然输出功率相对阻力型较高，但其启动风速较高；而阻力型风轮的垂直轴风力机虽然在低风速下就可以启动，但输出功率较小；混合型垂直轴风力机相比前两种风力机来说，既有较高的输出功率也有较低的启动风速，但由于将升力型叶片和阻力型叶片组合在一起，使得阻力型叶片在旋转时影响了升力型风轮的内部流场，导致风能利用率仍然较低，且所有现有垂直轴风力机均无法实现真正意义上的调桨控制。
发明内容
本发明提供一种混合型可调桨垂直轴风力机风轮，以解决上述现有技术不足，在升力型风轮的上部和下部分别安装一个阻力型风轮，并通过风向标、传感器、调向机构和控制器共同作用使得升力型叶片的迎角始终保持在最佳位置，极大提高垂直轴风力机的风能利用率。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种可调桨垂直轴风力机风轮，包括设置在旋转轴上的风轮组，所述旋转轴底部连接发电机，所述发电机连接蓄电池，其特征在于，所述风轮组包括升力型风轮和阻力型风轮，所述升力型风轮的上部和下部分别安装一个阻力型风轮，所述阻力型风轮直接设在旋转轴上，所述升力型风轮通过连杆连接旋转轴，所述升力型风轮的叶片顶部设有风向标，叶片前缘设有传感器，所述旋转轴上还设有控制箱，控制箱上连接有调向机构，调向机构另一端连接升力型风轮叶片中部，所述风向标电气连接传感器，所述传感器电气连接控制箱。
所述旋转轴分为上段、中段、下段，各段之间通过法兰连接。
所述连杆为一组，其一端均固定在旋转轴上且可随旋转轴转动，另一端分别连接升力型风轮叶片的上部和下部，距离叶片两端均为叶片长度的1/6。
所述控制箱可随旋转轴转动，控制箱内设有多个相互独立的控制器，调向机构也为多个，控制器、调向机构、升力型风轮叶片的数量一致。
所述每个控制器对应连接一个调向机构，调向机构对应连接一个升力型风轮叶片。
所述升力型风轮由3个叶片组成，每个叶片之间的夹角为120度。
所述升力型风轮叶片的前缘均匀布置有10个传感器。
所述阻力型风轮由2个S型叶片组成，2个S型叶片之间夹角为180度。
所述阻力型风轮直径为升力型风轮直径的1/3。
在旋转过程中，所述升力型风轮叶片的迎角a始终保持定值，从而使叶片在任何位置都能保持最佳迎角。
本发明的有益效果是：
1、采用由两个2个夹角为180度的S型叶片组成的阻力型风轮，工作面和背面形成较大的压差，使得叶轮具有较大的力矩，从而更容易的实现了在低风速下启动；
2、在旋转时，通过风向标、传感器、调向机构和控制器共同作用使得升力型风轮叶片的迎角a始终保持在最佳位置，无论叶片旋转到任何位置，叶片的迎角a始终保持不变，从而使叶片具有最好的气动性能，极大提高垂直轴风力机的风能利用率；
3、相比于现有技术的阻力型叶片安装在升力型风轮内部的情况，本发明中两个阻力型风轮分别位于升力型风轮的上部和下部，阻力型风轮内部复杂的流动不会影响升力型风轮内的流场分布，不会使风能利用率受到限制，从而可使得该风轮具有更好的性能；
4、每个叶片前缘均匀布置10个传感器，极大提高了传感的数据采集精度，有利于进行精确的调向控制；
5、每个控制器均为相互独立的，可单独控制与之连接的调向机构，从而单独控制每个对应叶片的迎角，与其他控制器、调向机构、叶片互不影响；
6、升力型风轮叶片可使用任何类型的升力型叶片，使用范围更广；
7、连杆连接升力型风轮叶片的上部和下部，距离叶片两端均为叶片长度的1/6，这样的尺寸设计，既可使叶片保持稳定，又使风轮内气流较为稳定，不影响风向的测量，若是直接安装在叶片两端，将影响风向的测量精度；
8、当风轮启动后主要由升力型风轮输出功率，因此通过计算后将阻力型风轮直径确定为为升力型风轮直径的1/3，既能保证整个组合型风轮在低风速下启动，又不会因阻力型风轮过大而影响组合型风轮的功率输出，该尺寸比例效果最好；
9、本发明优于现有的升力型风轮和阻力型风轮，且结构和原理不同于现有的任何混合型风轮，更加易于启动，风能利用率更高，且易于实施和应用。
附图说明
图1示出了本发明的整体结构示意图。
图2示出了升力型风轮在旋转过程中叶片翼型上的速度三角形。
图3示出了图2中3个叶片翼型上的升力和阻力。
图4示出了升力型风轮中部的剖面图。
图5示出了阻力型风轮的流场。
其中，1为旋转轴、11为法兰、2为发电机、3为蓄电池、4为阻力型风轮、41为S型叶片、5为升力型风轮、51为连杆、52为叶片翼型、6为控制箱、61为控制器、7为风向标、8为调向机构、9为传感器。
具体实施方式
如图1～5所示，一种可调桨垂直轴风力机风轮，包括设置在旋转轴1上的风轮组，所述旋转轴1底部连接发电机2，所述发电机2连接蓄电池3。具体的，所述旋转轴1分为上段、中段、下段，各段之间通过法兰11连接。所述风轮组包括升力型风轮5和阻力型风轮4，所述升力型风轮5安装在中段，所述阻力型风轮4分别安装在上段和下段，分别位于升力型风轮5的上部和下部。所述阻力型风轮4直接设在旋转轴1上，所述升力型风轮5通过连杆51连接旋转轴1，连杆51为一组，其一端均固定在旋转轴1上可随旋转轴1转动，另一端分别连接升力型风轮5叶片的上部和下部，距离叶片两端均为叶片长度的1/6，相比于直接安装在叶片两端的情况，这种位置设定既可使叶片保持稳定，又使风轮内气流较为稳定，不会影响风向的测量精度。所述阻力型风轮4由2个S型叶片41组成，2个S型叶片41之间夹角为180度。所述升力型风轮5由3个叶片组成，每个叶片之间的夹角为120度。所述阻力型风轮4直径为升力型风轮5直径的1/3，既能保证整个风轮组在低风速下启动，又不会因阻力型风轮4过大而影响整个风轮组的功率输出。所述升力型风轮5的叶片顶部设有风向标7，叶片前缘设有传感器9。所述传感器9有10个，均匀布置在叶片前缘。所述旋转轴1上还设有控制箱6，控制箱6上连接有调向机构8，调向机构8另一端连接升力型风轮5叶片中部。具体的，所述控制箱6可随旋转轴1转动，控制箱6内设有多个相互独立的控制器61，调向机构8也为多个，控制器61、调向机构8、升力型风轮5叶片的数量一致。所述每个控制器61对应连接一个调向机构8，调向机构8对应连接一个升力型风轮5叶片。所述风向标7电气连接传感器9，所述传感器9电气连接控制箱6。
工作方式：在低风速下，靠两个阻力型风轮4启动，然后带动升力型风轮5旋转；当升力型风轮5旋转时，风向标7和传感器9将风向信号传送到控制器61，然后控制器61发出指令，通过调向机构8调节升力型风轮5叶片的迎风位置，如图2所示为升力型风轮5的叶片翼型52上的速度三角形，v为风速、u为叶片线速度、w为相对风速、a为迎角，使迎角a始终保持在一最佳固定值，从而可确保其旋转在任何位置，都具有最佳的迎风效果。如图3所示为升力型风轮5的叶片翼型52上的升力L、阻力D分析，当叶片保持迎角a时，升力L最大，阻力D最小，这样可使风力机有更高的功率输出，实现了风能的高效利用。如图4所示，每个控制器61均为相互独立的，可单独控制与之连接的调向机构8，从而单独控制每个对应升力型风轮叶片的迎角a，与其他控制器61、调向机构8、叶片互不影响。如图5所示为阻力型风轮的流场，可以看出，阻力型风轮4内部复杂的流动不会影响升力型风轮5内的流场分布，不会使风能利用率受到限制，从而可使得该风轮具有更好的性能。
本发明在原混合型垂直轴风力机的基础上，在升力型风轮的上部和下部分别安装一个阻力型风轮，并给每个叶片独立安装了一组调桨结构，通过风向标、传感器、调向机构和控制器的共同作用来控制升力型叶片的迎角始终保持在最佳位置。这样不管升力型叶片旋转到任何位置，其迎角均能保持在最佳位置，比现有其它垂直轴风力机具有更高的风能利用率，从而实现风能的高效利用。

Claims (9)

1.一种可调桨垂直轴风力机风轮，包括设置在旋转轴(1)上的风轮组，所述旋转轴(1)底部连接发电机(2)，所述发电机(2)连接蓄电池(3)，其特征在于，所述风轮组包括升力型风轮(5)和阻力型风轮(4)，所述升力型风轮(5)的上部和下部分别安装一个阻力型风轮(4)，所述阻力型风轮(4)直接设在旋转轴(1)上，所述升力型风轮(5)通过连杆(51)连接旋转轴(1)，所述升力型风轮(5)的叶片顶部设有风向标(7)，叶片前缘设有传感器(9)，所述旋转轴(1)上还设有控制箱(6)，控制箱(6)上连接有调向机构(8)，调向机构(8)另一端连接升力型风轮(5)叶片中部，所述风向标(7)电气连接传感器(9)，所述传感器(9)电气连接控制箱(6)。
2.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述旋转轴(1)分为上段、中段、下段，各段之间通过法兰(11)连接。
3.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述连杆(51)为一组，其一端均固定在旋转轴(1)上且可随旋转轴(1)转动，另一端分别连接升力型风轮(5)叶片的上部和下部，距离叶片两端均为叶片长度的1/6。
4.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述控制箱(6)可随旋转轴(1)转动，控制箱(6)内设有多个相互独立的控制器(61)，调向机构(8)也为多个，控制器(61)、调向机构(8)、升力型风轮(5)叶片的数量一致。
5.根据权利要求4所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述每个控制器(61)对应连接一个调向机构(8)，调向机构(8)对应连接一个升力型风轮(5)叶片。
6.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述升力型风轮(5)由3个叶片组成，每个叶片之间的夹角为120度；所述阻力型风轮(4)由2个S型叶片(41)组成，2个S型叶片(41)之间夹角为180度。
7.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述升力型风轮(5)叶片的前缘均匀布置有10个传感器(9)。
8.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，所述阻力型风轮(4)直径为升力型风轮(5)直径的1/3。
9.根据权利要求1所述的可调桨垂直轴风力机风轮，其特征在于，在旋转过程中，所述升力型风轮(5)叶片的迎角a始终保持定值。
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