專利名稱：：恒向四象限全升力垂直軸風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種新能源領域的垂直軸風力發(fā)電機，具體講為一種恒向四象限全升力垂直軸風力發(fā)電機。
背景技術：
：眾所周知，基于空氣動力學原理，垂直軸風力發(fā)電機的風葉在轉軸一側產生驅動力，當其轉到轉軸的另一側時必然產生阻力，因此發(fā)電效率不高。長期以來研究人員在風葉形狀上下功夫，如薩伏鈕斯(Savoninc)風葉使動力大于阻力來發(fā)揮垂直軸風機的其他優(yōu)點，目前垂直軸風力發(fā)電機的設計專利有上百種。但是發(fā)電的效力始終沒有能夠趕超水平軸風力發(fā)電機，只有法國達里厄(Darrieus)其垂直軸風力發(fā)電機例外，但是它不會自起動，小風時會停轉。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有垂直軸風力發(fā)電機存在的不足，充分利用空氣動力學原理結合科學試驗方法創(chuàng)新了一種發(fā)電效率高的垂直軸風力發(fā)電機，該風力發(fā)電機安裝、運行、維修方便，性能穩(wěn)定可靠。本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的恒向四象限全升力垂直軸風力發(fā)電機，它包括由上、下風盤及撐桿構成的桁架式風輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風輪和增速裝置套裝于中心軸上，其特征在于多組葉片通過各自的轉軸垂直裝置在風輪的直徑頂端，風輪和葉片設置于設備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設置于設備的底部，并可落地安裝。葉片的外形整體呈機翼形，截面相等，高度與風輪高度相當，截面形狀為頭部圓弧半徑為葉片弦長的1/18—1/22，外表面弧形半徑為弦長的3/8，內表面弧形半徑為弦長的3/16，整體圓弧部分的中心夾角為40-50度；外表面圓弧的弓高為弦長的1/5-1/7，內表面圓弦的弓高為弦長的1/10-1/14;葉片的后部為外表層與內表層的直線相交；葉片的轉軸位于離頭部弦長1/7-1/6位置。葉片數(shù)量為三片或三的整數(shù)倍，風輪為相應的正多邊形結構，各葉片垂直裝置于風輪的相應的頂角位置。葉片為空心結構，內撐有框架。風輪上風側可設置一弧形集風擋板，增大葉片受風量，增加輸出功率。葉片的材質采用輕質、耐氣候、耐腐蝕材料制成。葉片轉軸的頂部和/或底部設有限位機構，相應地轉軸的頂部和/或底部套裝有與其相適配的帶有扇形限位缺口的圓盤，缺口的中心角為65-75度，限位機構軸向或徑向設置并與該扇形缺口相配合，控制葉片上風向時最大攻角為25-30度，下風向時最大攻角為40-45度。由此葉片在此位置變化，在風力作用下，由于空氣動力學原理，四個象限全部為升力。限位機構采用機械式或電氣式，通過滑動桿插入與退入扇形限位缺口進行限位。所述機械式限位機構包括限位組件、滑動桿，滑動桿的兩側設有導向輪，前端連有一滑輪，后端經鋼絲與風輪上部的迎風擋板相連；所述電氣式限位機構包括測風儀與電動機構。當遇大風時，迎風擋板或測風儀通過電氣或機械的傳動使滑動桿退出扇形限位缺口，風葉轉動自動順風，至受風力最小位置，避免損壞，大風過后自動恢復。為增加整機的抗風強度，中、大型機組頂端加斜拉鋼絲索固定。為了增加發(fā)電能力，風輪可以積木式疊加擴展。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術具有如下優(yōu)點本發(fā)明根據(jù)空氣動力學原理和科學實驗相結合研制的風力發(fā)電機結構，風輪在轉動過程中，葉片始終位置在產生升力狀態(tài)，其切向分力驅動風輪朝恒定向連續(xù)不斷的旋轉。本發(fā)明的發(fā)電效率高于現(xiàn)在大量使用水平軸風力發(fā)電機，并且不需迎風機構，不需要將重達幾十噸的包括發(fā)電機增速齒輪箱在內的機艙吊裝到幾十米的塔頂，控制器、發(fā)電機增速器都可以比較簡單和不受重量限制。風葉不需支撐自身重量，只將作用風力推動風輪，不是懸臂梁結構，制作輕便。同時對于控制器、風葉、金屬構架的技術要求降低，制造成本減少，安裝、運行、維護方便，從而發(fā)揮了垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)勢，推動風力發(fā)電機行業(yè)的發(fā)展。除此之處，本發(fā)明還有靈巧的大風切出保護機構，大風時葉片順風排列，葉片受力減到最小，大風過后自動恢復，此對風力發(fā)電機的安全可靠至關重要。本發(fā)明機艙著地安裝，穩(wěn)定性、可靠性、安裝、運行、維護性能大大改善，對機組、構架強度要求降低。風輪可以積木式疊加，增大功率，便于組件標準化。本發(fā)明整體造價可以降低到現(xiàn)在大量使用的水平軸風力發(fā)電機的70%以下，并且更為安全可靠，有望將風力發(fā)電上網電價下降至可以和煤發(fā)電相近，將大大推進風電行業(yè)的發(fā)展，加快我國風電場建設，節(jié)能減排，對提高經濟效益和社會效益具有影響的深遠。葉片截面在全長中等截面不變，符合伯努利定理，即風力吹過葉片時，產生升力，本發(fā)明所用葉片的截面形狀也是通過空氣動力學試驗決定，該種葉片截面形狀和風輪結構相結合，發(fā)電效率較高。本發(fā)明為了克服現(xiàn)有垂直軸風力發(fā)電機發(fā)電效率不高的難題，發(fā)明了一種恒向四象限全升力垂直軸發(fā)電機，并且最后通過按國家標準，在國家授權試驗室一中國船舶重工集團中國船舶科學研究中心，進行了風力發(fā)電機功率輸出特性在風洞中的測試，具體檢測內容請見附件l一《中國國防科學技術報告》。該次試驗依據(jù)國標《離網型風力發(fā)電機組一第3部分風洞試驗方法》(GB/T19068.3-2003)，測試樣機包括本發(fā)明研制的ZXVWG風力發(fā)電機(200W和300W兩種型號)和傳統(tǒng)的三葉片水平軸發(fā)電機型號FD-400(400W)，測試內容包括啟動風速及其功率輸出特性兩個方面。該報告給出了上述風力發(fā)電機在風洞中的檢測結果，并對測試結構進行了分析，以及在12m/s風速下的功率輸出進行對比。經試驗可見，啟動風速ZXVWG為2.8m/s;FD-400為3.3m/s。在12m/s風速下，ZXVWG-200風力發(fā)電機可得到與FD-400傳統(tǒng)型風力發(fā)電機檔當?shù)妮敵龉β?，盡管前者掃掠面積比后者少約26%;而ZXVWG-300風力發(fā)電機在12m/s風速下輸出功率達到了187.4W，比FD-400傳統(tǒng)型風力發(fā)電機高出約26X。三型風電機輸出特性曲線還可見圖5，由曲線趨勢可以預期，隨著風速提高，ZXVWG-300風力發(fā)電機可能還會有更大輸出功率產生。其對比結果見表l。表112m/s風速下測試結果對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖1為風力發(fā)電機的結構示意圖。圖2為風力發(fā)電機的工作原理圖。圖3為葉片的結構示意圖。圖4為限位機構結構示意圖。圖5為三種風力發(fā)電機功率輸出特性曲線比較圖。圖中1、支架，2、中心軸，3、下風盤，4、支桿，5、上風盤，6、大風切出保護裝置，7、葉片，7-1、葉片一，7-2、葉片二，7-3、葉片三，7-4、葉片四，7-4、葉片五，7-6、葉片六，8、增速裝置，9、發(fā)電機，10、轉軸，11、撐桿，12、限位組件，13、頂端滑輪，14、滑動桿，15、滑輪，16、圓盤。Rl為頭部圓弧半徑，R2內表面圓弧半徑，R3為外表面圓弧半徑，L為弦長，hl為外弧弓高，h2為內弧弓高，cn為上風向攻角，ci2為下風向攻角，P為扇形限位缺口，Y為圓弧部分的中心角。具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述如圖1所示，本發(fā)明的風力發(fā)電機底部是支架，支架1中部高度位置有一平臺，上面安裝發(fā)電機增速器，支架中央裝一根中心軸2，風輪套在中心軸上，下部裝有向心推力軸承，頂部裝有頸軸承，保證風輪套在中心軸2上能夠靈活的轉動。發(fā)電機9、增速裝置8、控制器也可落地安裝。風輪旋轉時帶動下部增速裝置8旋轉，再帶動發(fā)電機9發(fā)電。葉片7在風力作用下，在各種不同象限自動變位的位置受限位機構限制。頂部為大風切出保護裝置6的擋風板或測風儀，當風力超過預定值時，擋風板倒下，限位機構退出，葉片7在大風中自動順風取向，處于受力最小狀態(tài)，以保護葉片7免受損壞。如圖2所示，本發(fā)明的風力發(fā)電機葉片7數(shù)量選用六片，分別為葉片一7-1、葉片二7-2、葉片三7-3、葉片四7-4、葉片五7-5、葉片六7-6。上風盤5、下風盤3均為正六邊形結構，上、下風盤與撐桿11組成衍架式風輪，各葉片7垂直裝置于上、下風盤的相應的頂角位置。葉片的轉軸11均裝有軸承。如圖3所示，本發(fā)明的葉片7的外形整體呈機翼形，空心結構，內撐有框架。葉片7為等截面設計，高度與風輪高度相當，截面形狀具體為頭部圓弧半徑R1為葉片弦長L的1/18—1/22，外表面弧形半徑R3為弦長L的3/8，內表面弧形半徑R2為弦長的3/16，葉片截面中，整體圓弧部分的中心夾角Y為40-50度；外表面圓弧的弓高(即外弧弓h(huán)l)高為弦長的1/5-1/7，內表面圓弦的弓高(即內弧弓高h2)為弦長的1/10-1/14;葉片的后部為外表層與內表層的直線相交；葉片的轉軸IO位于離頭部弦長1/7-1/6位置。葉片7的材質采用輕質、耐氣候、耐腐蝕材料制成，對葉片7材質機械強度要求低。本發(fā)明還可在風輪上風向可增設一弧形集風擋板，以聚合來風，增大葉片受風，可增加輸出的功率。如圖4所示，葉片轉軸11的底部設有限位機構，相應地轉軸10的底部套裝有與其相適配的帶有扇形限位缺口3的圓盤16，缺口的中心角為65-75度，限位機構軸向或徑向設置并與該扇形限位缺口e相配合，控制葉片7上風向時最大攻角為25-30度，下風向時最大攻角為40-45度。如圖中所示，機械式限位機構包括限位組件12、限位滑動桿14，滑動桿14的兩側設有頂端滑輪13，前端連有一滑輪15，后端經鋼絲與風輪上部的迎風擋板相連。正常情況下，滑動桿14插入圓盤16的帶缺口內，對葉片轉角進行限位，當遇大風時，迎風擋板驅動使限位滑動桿14退出，葉片7轉動自動順風，至受風力最小位置，避免損壞，大風過后自動恢復。本發(fā)明葉片7在圖示位置變化，在風力作用下，由于空氣動力學原理，四個象限全部為升力。限位機構同樣可以設置在葉片轉軸11的頂部，也可以在轉軸的頂部或底部同時設置限位機。限位機除采用上述機械式結構外，還可以采用電氣式結構，電氣式限位機構可以通過測風儀與電動機構，自動檢測與控制限位滑桿的退出與插入葉片轉軸的扇形限位缺口，控制葉片的攻角。當遇大風，測風儀通過電氣驅動使限位滑動桿14退出，葉片7轉動自動順風，至受風力最小位置，避免損壞，大風過后自動恢復。為了增加發(fā)電能力，風輪可以積木式疊加擴展。為增加整機的抗風強度,中、大型機組頂端加斜拉鋼絲索固定。本發(fā)明的風力發(fā)電機葉片數(shù)量也可以選用三片或三的整倍數(shù)片，風輪的上、下風盤可以采用相應的正多邊形結構，各葉片垂直裝置于風輪的相應的頂角位置。如圖5所示，ZXVWG-300為本發(fā)明設計的300瓦發(fā)電機輸出特性曲線，ZXVWG-200為本發(fā)明設計的200瓦發(fā)電機輸出特性曲線，F(xiàn)D-400為400瓦傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機輸出特性曲線，經與傳統(tǒng)風力發(fā)電機做了對比試驗，在掃掠面積少于水平軸發(fā)電機26%，發(fā)電機容量小25%的情況下，當12m/s風速下，本發(fā)明設計的風力發(fā)電機發(fā)電功率高出傳統(tǒng)風力發(fā)電機26%左右，并且還有按風速的三次方曲線上升趨勢。權利要求1、恒向四象限全升力垂直軸風力發(fā)電機，它包括由上、下風盤及撐桿構成的桁架式風輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風輪和增速裝置套裝于中心軸上，其特征在于多組葉片通過各自的轉軸垂直裝置在風輪的直徑頂端，風輪和葉片設置于設備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設置于設備的底部。2、根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于葉片數(shù)量為三片或三的整倍數(shù)片，風輪為相應的正多邊形結構，各葉片垂直裝置于風輪相應的頂角位置。3、根據(jù)權利要求2所述的風力發(fā)電機，其特征在于葉片的外形整體呈飛機翼形，截面相等，高度與風輪高度相當，截面形狀為頭部圓弧半徑為葉片弦長的1/18—1/22，外表面弧形半徑為弦長的3/8，內表面弧形半徑為弦長的3/16，整體圓弧部分的中心夾角為40-50度；外表面圓弧的弓高為弦長的1/5-1/7，內表面圓弦的弓高為弦長的1/10-1/14;葉片的后部為外表層與內表層的直線相交；葉片的轉軸位于離頭部弦長1/7-1/6位置。4、根據(jù)權利要求3所述的風力發(fā)電機，其特征在于葉片為空心結構，內撐有框架；葉片的材質采用輕質、耐氣候、耐腐蝕材料制成。5、根據(jù)權利要求3所述的風力發(fā)電機，其特征在于風輪上風側設置一弧形集風擋板。6、根據(jù)權利要求3所述的風力發(fā)電機，其特征在于還設有大風切出保護機構，該機構由迎風擋板或測風儀與葉片的限位機構組成；中、大型機組頂端加斜拉鋼絲索固定。7、根據(jù)權利要求3所述的風力發(fā)電機，其特征在于葉片轉軸的頂部和/或底部設有限位機構，相應地轉軸的頂部和/或底部套裝有與其相適配的帶有扇形限位缺口的圓盤，缺口的中心角為65-75度，限位機構軸向或徑向設置并與該扇形缺口相配合，控制葉片上風向時最大攻角為25-30度，下風向時最大攻角為40-45度。8、根據(jù)權利要求7所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述限位機構采用機械式或電氣式，通過插入與退入扇形限位缺口對葉片進行限位。9、根據(jù)權利要求8所述的風力發(fā)電機，其特征在于所述機械式限位機構包括限位組件、滑動桿，滑動桿的兩側設有頂端滑輪，前端連有一滑輪，后端經鋼絲與風輪上部的迎風擋板相連；所述電氣式限位機構包括測風儀與電動機構。10、根據(jù)權利要求1所述的風力發(fā)電機，其特征在于風輪采用積木式疊加擴展。全文摘要本發(fā)明利用空氣動力學原理結合科學試驗方法創(chuàng)新了一種恒向四象限全升力垂直軸風力發(fā)電機，該風力發(fā)電機安裝、運行、維修方便。該風電機包括由上、下風盤及撐桿構成的桁架式風輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風輪和增速裝置套裝于中心軸上，多組葉片通過各自的轉軸垂直裝置在風輪的直徑頂端，風輪和葉片設置于設備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設置于設備的底部，并可落地安裝。其風葉不需支撐自身重量，只將作用風力推動風輪，不是懸臂梁結構，制作輕便。同時對于控制器、風葉、金屬構架的技術要求降低，制造成本減少，安裝、運行、維護方便。文檔編號F03D9/00GK101451499SQ20071019067公開日2009年6月10日申請日期2007年11月28日優(yōu)先權日2007年11月28日發(fā)明者蔡代瓊,蔡心一,陸奕龍申請人:蔡心一;蔡代瓊;陸奕龍