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CN104728039A - 一种垂直轴风力发电机风轮 - Google Patents

一种垂直轴风力发电机风轮 Download PDF

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CN104728039A CN201510134873.6A CN201510134873A CN104728039A CN 104728039 A CN104728039 A CN 104728039A CN 201510134873 A CN201510134873 A CN 201510134873A CN 104728039 A CN104728039 A CN 104728039A
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wind turbine
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邢焕林
王盛安
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South China Sea Institute of Oceanology of CAS
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2240/20—Rotors
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Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电机风轮。它包括转轴、支架和两个以上的阻力型叶片，在至少一个阻力型叶片的凸面上设有截面为翼型的升力部分，该升力部分包括前缘、内翼面和外翼面，内翼面和外翼面通过前缘相连，内翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近中心侧，外翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近边缘侧，由此形成阻升力复合型叶片。本发明在凸面上设有截面为翼型的升力部分，使得气流流过翼型两侧的速度不同，而对叶片产生升力。当气流作用于叶片时，在阻力型叶片进一步减小了转动阻力矩，利用升力部分使得气流在这部分做正功，并且当风掠过内翼面的时候会有一部分气流被反射到凹面最外侧，使得风轮的转动力矩增大，从而实现最大限度的风能利用。

Description

一种垂直轴风力发电机风轮
技术领域：
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种垂直轴风力发电机风轮。
背景技术：
风能是再生能源中最具有发展潜力的清洁能源，风力发电使得能源的供应方式呈现多样化，使得能源的供应量得到了增加，因此原来越来越被人们重视。风力发电机按照风轮轴所在位置不同，分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。垂直轴风力发电机不需要对风装置，其风轮可在任意风向下转动。
根据风对风轮推动方式的不同，垂直轴风力发电机主要分为两类：一类是升力型，其利用叶片产生的升力推动叶轮旋转，典型的结构是Darrieus型风力发电机，此种风力发电机叶片形状多设计为翼形，其优点是风能利用率较高，缺点是启动性能差；另一类是阻力型，是利用叶片产生的阻力驱动叶轮旋转，典型的结构是Savonius型风力发电机，这种风力发电机主要依靠叶片所产生的动力矩和阻力矩之差来做功，优点是在低风速下能实现自启动，缺点是风能利用率较低。
阻力型风力发电机如图1所示，该风轮主要由支架1-4上的两个半圆柱面叶片组成，一个凹面1-1向风，另一个凸面1-3向风。当水平方向有风时，凹面向风的球面受到的风阻力要比凸面向风的球面大，两侧的阻力差将使风力发电机沿着转轴1-2转动。为了进一步增大阻力差，将支架2-4上的S形叶片进行错开设计，如图2所示。当风吹向风轮时由于凹面2-1和凸面2-3产生的阻力差会使得风轮旋转，而且凹面部分气流会通过交错的空隙2-2进入凸面背后，转折的气流能抵消部分凸面的阻力，可提高风机的效率。
但是，如何进一步抵消凸面上的阻力，或者使得这部分阻力变成旋转动力，从而提高风能利用率，需要进一步研究。因此有必要设计一种提供更大转矩的叶轮，来提高阻力型垂直轴发电机的风能利用率。
发明内容：
本发明的目的是为了解决目前阻力型垂直轴发电机风轮凸面阻力大，风能利用率低的问题，提供一种能够有效的降低风轮凸面阻力，提高风能利用效率的垂直轴风力发电机风轮。
本发明的垂直轴风力发电机风轮，包括转轴、支架和两个以上的阻力型叶片，其特征在于，在至少一个阻力型叶片的凸面上设有截面为翼型的升力部分，该升力部分包括前缘、内翼面和外翼面，内翼面和外翼面通过前缘相连，内翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近中心侧，外翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近边缘侧，由此形成阻升力复合型叶片。
优选，所述的阻力型叶片为半圆柱面的叶片。
优选，所述的阻力型叶片为半圆柱面的叶片，数量为两个，两叶片之间的留有重叠空隙。进一步优选，所述的两叶片之间的重叠比为0.17。本发明的风力发电机风轮重叠比设计在0.17，使得反射气流和阻力气流的比例最优，可以提高发电效率。
优选，所述的阻升力复合型叶片采用材质比较轻并且容易加工的玻璃纤维和碳纤维材料，可以有效地减轻风轮的重量，使得风力发电机可以在较低风速下实现自启动并提高风能的利用率。
优选，所述的翼型的升力部分呈螺旋状。
优选，所述的垂直轴风力发电机风轮，其由若干层呈上下叠加放置风轮分层组成，所述的风轮分层，每层设置两个以上的阻力型叶片，其中至少一个阻力型叶片为阻升力复合型叶片。进一步优选，所述的垂直轴风力发电机风轮由2层呈上下叠加放置风轮分层组成，所述的风轮分层由两个阻升力复合型叶片组成，上层叶片相对于下层叶片绕转轴转动90度放置。
本发明对阻力型叶片进行结构优化，在阻力型叶片的凸面上设有截面为翼型的升力部分，使得气流流过翼型两侧的速度不同，而对叶片产生升力。当气流沿着垂直于转轴的方向作用于叶片时，相比于传统的Savonius风轮，本发明的风轮的阻力型叶片进一步减小了转动阻力矩，利用了翼型的升力部分使得气流在这部分做正功，并且当风掠过内翼面的时候会有一部分气流被反射到凹面最外侧，使得风轮的转动力矩增大，从而能够有效的降低风轮凸面阻力，提高风能利用效率，实现最大限度的风能利用。
具体实施方式：
图1为现有垂直轴阻力型风力发电机风轮产生气压差的结构原理示意图，其中图1A为立体结构图，图1B为原理图；
图2为现有提高风轮压力差的结构原理示意图，其中图2A为立体结构图，图2B为原理图；
图3为实施例1的垂直轴风力发电机风轮的结构示意图，为了更清楚的看图，本结构示意图将风轮中的转轴和支架的上盖面隐去，实际上是含有的，其中图3A为立体结构图，图3B为俯视图；
图4为实施例2的垂直轴风力发电机风轮的结构示意图，为了更清楚的看图，本结构示意图将风轮中的转轴和支架的上盖面隐去，实际上是含有的，其中图4A为立体图，图4B为俯视图；
其中1-1、阻力型叶片的凹面；1-2、转轴；1-3、阻力型叶片的凸面；1-4、支架；2-1、阻力型叶片的凹面；2-2、空隙；2-3、阻力型叶片的凹面；2-4、支架；1、阻力型叶片；2、翼型的升力部分；21、前缘；22、内翼面；23、外翼面；3、空隙；4、支架。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
如图3所示，本实施例的垂直轴风力发电机风轮，包括转轴(为清楚的表述，图3中隐去了转轴，该转轴的设置属于常规知识，可以如现有技术中图1那样设置转轴)、支架4(为清楚的表述，图3中的支架的上盖面隐去，只显示了下底板和中底板)和4个的呈半圆柱面状的阻力型叶片1，在每个阻力型叶片的凸面上设有截面为翼型的升力部分2，该升力部分包括前缘21、内翼面22和外翼面23，内翼面22和外翼面23通过前缘21相连，内翼面22相切连于阻力型叶片1的凸面靠近转轴侧(也就是靠中心侧)，外翼面23相切连于阻力型叶片1的凸面远离转轴侧(也就是靠近边缘侧)，由此形成阻升力复合型叶片。4个阻升力复合型叶片分上下两层放置，形成两个上下叠加放置的风轮分层，每层风轮分层设有两个阻升力复合型叶片，每层两个阻升力复合型叶片之间留有重叠空隙3，两个阻升力复合型叶片之间的重叠比为0.17。上层叶片相对于下层叶片绕旋转轴转动90度放置。所述的阻升力复合型叶片采用材质比较轻并且容易加工的玻璃纤维和碳纤维材料制作。
实施例2：
如图4所示，本实施例与实施例1基本相同，只是翼型的升力部分呈螺旋状。

Claims (8)

1.一种垂直轴风力发电机风轮，包括转轴、支架和两个以上的阻力型叶片，其特征在于，在至少一个阻力型叶片的凸面上设有截面为翼型的升力部分，该升力部分包括前缘、内翼面和外翼面，内翼面和外翼面通过前缘相连，内翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近中心侧，外翼面相切连于阻力型叶片的凸面靠近边缘侧，由此形成阻升力复合型叶片。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的阻力型叶片为半圆柱面的叶片。
3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的阻力型叶片为两个，两叶片之间的留有重叠空隙。
4.根据权利要求3所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的两叶片之间的重叠比为0.17。
5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的阻升力复合型叶片是采用玻璃纤维和/或碳纤维材料制作。
6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的翼型的升力部分呈螺旋状。
7.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的垂直轴风力发电机风轮，其由若干层呈上下叠加放置风轮分层组成，所述的风轮分层，每层设置两个以上的阻力型叶片，其中至少一个阻力型叶片为阻升力复合型叶片。
8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，所述的垂直轴风力发电机风轮由2层呈上下叠加放置风轮分层组成，所述的风轮分层由两个阻升力复合型叶片组成，上层叶片相对于下层叶片绕转轴转动90度放置。
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