一种具有较高风能利用率的垂直轴大功率风力发电机

摘要

一种具有较高风能利用率的垂直轴大功率风力发电机，用于解决水平轴风力发电机结构复杂、制作成本高、风能利用率低问题。它包括塔架、叶片、旋转机构、发电机和固定在塔架顶部的中心柱，改进后各叶片相对中心柱的轴线均匀分布，各叶片与水平方向呈锐角β，叶片横截面轮廓形状在靠近中心柱段为设有豁口的半封闭曲线、在远离中心柱段为封闭的对称曲线，叶片中心平面以叶片安装基准线为轴线向豁口方向偏转α角，α角为5-15°。本发明可增大风阻力，提高风阻力差，使风机即使在较低的风速下仍可以正常启动运行，无需偏航、变桨装置，使风机整体结构简单，紧凑，制作、运行成本降低，在减小风机自身能耗的同时也减小了机械部件故障率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种发电装置，特别是一种制作及运行成本低且风能利用率高的垂直轴大功率风力发电机，属风力发电技术领域。

背景技术

在各类绿色能源中，风能是前景潜力巨大的可再生能源之一。目前，世界上正在运行的风力发电机中绝大部分是水平轴风力发电机，这种发电机尽管应用普遍，但结构上存在一些问题，主要体现在以下几个方面：首先，水平轴风力发电机的桨叶轮作用在支撑塔的顶端，使支撑塔成为悬臂梁结构，以这种结构来制造大功率风机时，塔高一般为60米到90米，为保持如此高度支撑塔的稳定性，要求塔身结构非常粗壮并具有高强度的地面的混凝土基础才能实现在塔顶承受全部的水平负荷，这些都大大地增加了发电机的制造、运输和安装成本。再者，水平轴风力发电机需要偏航、对桨等机构来解决迎风和控制迎风阻力问题，这使发电机的结构复杂、占用零部件较多且容易造成故障，影响风力发电机利用效率，安装维护成本也相应提高。此外，由于桨叶的旋转半径非常大，使桨尖部的线速度过高而产生阻力，风能不得不为克服这个阻力做功，使得本来就不高的风能利用率再打折扣。风力发电机的技术关键是取桨叶在顺风和逆风时的阻力差，增大叶片两面的阻力差和扫掠面积，由于在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风力发电机风轮的迎风面不可能始终对着风向，这就引起了“对风损失”，这是造成水平轴风力发电机风能利用率低的重要因素之一。

发明内容

本发明用于克服已有技术的缺陷而提供一种制作及运行成本低、风能利用率高的具有较高风能利用率的垂直轴大功率风力发电机。

本发明所称问题是由以下技术方案解决的：

一种具有较高风能利用率的垂直轴大功率风力发电机，它包括塔架、叶片、旋转机构、发电机和固定在塔架顶部的中心柱，其特别之处是：所述各叶片相对中心柱的轴线均匀分布，各叶片中心线与水平方向呈锐角β，所述叶片横截面轮廓形状在靠近中心柱段为设有豁口的半封闭曲线、在远离中心柱段为封闭的对称曲线，所述叶片中心平面以叶片安装基准线为轴线向豁口方向偏转α角，α角为5-15°，所述叶片安装基准线按如下方法确定：在叶片上分别取两间隔的横截面，连接上述两横截面厚度尺寸最大处的弦线中间点所构成的直线即为叶片安装基准线。

上述高效垂直轴大功率风力发电机，所述叶片远离中心柱段的截面形状为水滴形，叶片靠近中心柱段的截面形状为带有豁口的水滴形，所述豁口始自该截面厚度尺寸最大处的上侧点、终止于水滴形的尖角处，所述叶片靠近中心柱段的长度L1与叶片总长度L的比为1/5-1/3。

上述高效垂直轴大功率风力发电机，所述旋转机构包括旋转筒、底座、主动齿轮、从动齿轮和发电机，旋转筒套装在中心柱外，主动齿轮套装在旋转筒外并与其周向固定，主动齿轮与分布在主动齿轮周边的各从动齿轮传动连接，各从动齿轮与各发电机同轴设置，旋转筒和中心柱之间设有轴承，所述叶片固接旋转筒。

上述高效垂直轴大功率风力发电机，所述叶片分为上，下两排。

上述高效垂直轴大功率风力发电机，所述各排叶片与水平方向的夹角β为45°。

本发明针对现有水平轴风力发电机结构复杂、制作成本高、风能利用率低等问题进行了改进，提供了一种全新结构的垂直轴风力发电机，所述风机通过对叶片结构的优化设计，可增大风阻力，提高风阻力差，使风机即使在较低的风速下仍可以正常启动运行，无需偏航、变浆装置，使风机整体结构简单，紧凑，制作及运行成本降低，在减小风机自身能耗的同时减小了机械部件的故障率。此外，本发明旋转体设置在中心柱外部，旋转体的运动经传动齿轮传递到发电机，传动齿轮及发电机均位于旋转体之外，该结构当机械部件或发电机出现故障时，不需要整体拆卸，只需要把故障部分维修或换掉，所以维护简单，维护成本低。基于上述特点，本发明在整体结构和发电能力上均适用于大功率风力发电机和大功率发电机群，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是图1的C向视图；

图3是旋转机构结构示意图；

图4是叶片结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图(未显示衍架)；

图6是图4的B-B剖视图(未显示衍架)；

图7是叶片偏转示意图。

图中各标号含义如下：1.塔架；2.叶片；2-1.叶片靠近中心柱段；2-1-1.豁口；2-2.叶片远离中心柱段；3.中心柱；4.主动齿轮；5.从动齿轮；6.发电机；7.底座；8.叶片中心平面；9.叶片安装基准线；10.旋转筒；11.叶片安装面。

具体实施方式

参看图1、图2，本发明是一种全新结构的垂直轴大功率风力发电机，它包括塔架1、叶片2、旋转机构、发电机和固定在塔架顶部的中心柱3，各叶片2相对中心柱3的轴线均匀分布，叶片与水平方向呈锐角β。可根据风机功率、材料强度等因素选择叶片排数和β角的度数，图中实施例所示为上下两排叶片，每排三个叶片，各叶片与水平方向的夹角β为45°。

参看图1及图4-6，本发明对叶片2截形和安装角度在NACA0018型翼形基础上行了改进和优化设计，叶片采用蒙皮包覆衍架结构，所述叶片截形是指蒙皮的截面形状。根据叶片的截形不同，将叶片沿其长向分为靠近中心柱段2-1和远离中心柱段2-2。在靠近中心柱段2-1，叶片的截面轮廓形状为带有豁口2-1-1的水滴形半封闭曲线，由图5可见，豁口始自该截面厚度尺寸最大处的上侧点f、终止于水滴形的尖角处点g。在远离中心柱段2-2，叶片横截面轮廓形状为如图6所示的水滴形封闭曲线。叶片由根部到远端，横截面积递减，在叶片根部设有叶片安装面11。

参看图7，叶片安装时，叶片中心平面8以叶片安装基准线9为轴心线，向豁口方向偏转α角，α角取5-15°。所述叶片安装基准线9按如下方法确定：在叶片上分别取两截面，如图5的A-A截面和图6的B-B截面，在上述两截面上分别找出厚度尺寸最大处的弦线中间点a和b，连接a、b两点所做的直线即为叶片安装基准线9。图7中，双点划线表示叶片偏转前其中心平面的方位，点划线表示叶片向豁口方向偏转α角后的方位，安装基准线9在该图中聚集为一个点。

经过上述改进后使得叶片内凹的圆弧面受到的风阻力要比外凸的圆弧面大，两侧的阻力差使风机摒弃偏航、对桨等迎风和控制迎风面增大阻力差的传统结构，在低风速下，自身即可正常起动，从而大大简化了风机结构，并降低了自身能耗。

参看图3，本发明旋转机构包括旋转筒10、底座7、主动齿轮4、从动齿轮5和发电机6，旋转筒套装在中心柱外，主动齿轮套装在旋转筒外并与其周向固定，主动齿轮与分布在主动齿轮周边的各从动齿轮传动连接，各从动齿轮与各发电机同轴设置，旋转筒和中心柱之间设有轴承，各叶片2固接旋转筒，为提高连接强度，各叶片与旋转体间还设置了连接拉杆。本发明旋转机构当机械部件或发电机出现故障时，不需要整体拆卸，只需要把故障部分维修或换掉，所以维护简单，维护成本低。