專利名稱：：恒向四象限全升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種新能源領(lǐng)域的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，具體講為一種恒向四象限全升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
：眾所周知，基于空氣動力學(xué)原理，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)葉在轉(zhuǎn)軸一側(cè)產(chǎn)生驅(qū)動力，當(dāng)其轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)軸的另一側(cè)時必然產(chǎn)生阻力，因此發(fā)電效率不高。長期以來研究人員在風(fēng)葉形狀上下功夫，如薩伏鈕斯(Savoninc)風(fēng)葉使動力大于阻力來發(fā)揮垂直軸風(fēng)機的其他優(yōu)點，目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)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(fēng)力發(fā)電機，只有法國達里厄(Darrieus)其垂直軸風(fēng)力發(fā)電機例外，但是它不會自起動，小風(fēng)時會停轉(zhuǎn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機存在的不足，充分利用空氣動力學(xué)原理結(jié)合科學(xué)試驗方法創(chuàng)新了一種發(fā)電效率高的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，該風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機，它包括由上、下風(fēng)盤及撐桿構(gòu)成的桁架式風(fēng)輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風(fēng)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(zhuǎn)軸垂直裝置在風(fēng)輪的直徑頂端，風(fēng)輪和葉片設(shè)置于設(shè)備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設(shè)置于設(shè)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(fēng)輪高度相當(dāng)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)表層的直線相交；葉片的轉(zhuǎn)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(fēng)輪為相應(yīng)的正多邊形結(jié)構(gòu)，各葉片垂直裝置于風(fēng)輪的相應(yīng)的頂角位置。葉片為空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)撐有框架。風(fēng)輪上風(fēng)側(cè)可設(shè)置一弧形集風(fēng)擋板，增大葉片受風(fēng)量，增加輸出功率。葉片的材質(zhì)采用輕質(zhì)、耐氣候、耐腐蝕材料制成。葉片轉(zhuǎn)軸的頂部和/或底部設(shè)有限位機構(gòu)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)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(gòu)軸向或徑向設(shè)置并與該扇形缺口相配合，控制葉片上風(fēng)向時最大攻角為25-30度，下風(fēng)向時最大攻角為40-45度。由此葉片在此位置變化，在風(fēng)力作用下，由于空氣動力學(xué)原理，四個象限全部為升力。限位機構(gòu)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(gòu)包括限位組件、滑動桿，滑動桿的兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)向輪，前端連有一滑輪，后端經(jīng)鋼絲與風(fēng)輪上部的迎風(fēng)擋板相連；所述電氣式限位機構(gòu)包括測風(fēng)儀與電動機構(gòu)。當(dāng)遇大風(fēng)時，迎風(fēng)擋板或測風(fēng)儀通過電氣或機械的傳動使滑動桿退出扇形限位缺口，風(fēng)葉轉(zhuǎn)動自動順風(fēng)，至受風(fēng)力最小位置，避免損壞，大風(fēng)過后自動恢復(fù)。為增加整機的抗風(fēng)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(fēng)輪可以積木式疊加擴展。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點本發(fā)明根據(jù)空氣動力學(xué)原理和科學(xué)實驗相結(jié)合研制的風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)，風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動過程中，葉片始終位置在產(chǎn)生升力狀態(tài)，其切向分力驅(qū)動風(fēng)輪朝恒定向連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的發(fā)電效率高于現(xiàn)在大量使用水平軸風(fēng)力發(fā)電機，并且不需迎風(fēng)機構(gòu)，不需要將重達幾十噸的包括發(fā)電機增速齒輪箱在內(nèi)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(fēng)葉不需支撐自身重量，只將作用風(fēng)力推動風(fēng)輪，不是懸臂梁結(jié)構(gòu)，制作輕便。同時對于控制器、風(fēng)葉、金屬構(gòu)架的技術(shù)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(fēng)力發(fā)電機的優(yōu)勢，推動風(fēng)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(fēng)切出保護機構(gòu)，大風(fēng)時葉片順風(fēng)排列，葉片受力減到最小，大風(fēng)過后自動恢復(fù)，此對風(fēng)力發(fā)電機的安全可靠至關(guān)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(gòu)架強度要求降低。風(fēng)輪可以積木式疊加，增大功率，便于組件標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電機的70%以下，并且更為安全可靠，有望將風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價下降至可以和煤發(fā)電相近，將大大推進風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，加快我國風(fēng)電場建設(shè)，節(jié)能減排，對提高經(jīng)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(fēng)力吹過葉片時，產(chǎn)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(xué)試驗決定，該種葉片截面形狀和風(fēng)輪結(jié)構(gòu)相結(jié)合，發(fā)電效率較高。本發(fā)明為了克服現(xiàn)有垂直軸風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)，在國家授權(quán)試驗室一中國船舶重工集團中國船舶科學(xué)研究中心，進行了風(fēng)力發(fā)電機功率輸出特性在風(fēng)洞中的測試，具體檢測內(nèi)容請見附件l一《中國國防科學(xué)技術(shù)報告》。該次試驗依據(jù)國標(biāo)《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組一第3部分風(fēng)洞試驗方法》(GB/T19068.3-2003)，測試樣機包括本發(fā)明研制的ZXVWG風(fēng)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(nèi)容包括啟動風(fēng)速及其功率輸出特性兩個方面。該報告給出了上述風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)洞中的檢測結(jié)果，并對測試結(jié)構(gòu)進行了分析，以及在12m/s風(fēng)速下的功率輸出進行對比。經(jīng)試驗可見，啟動風(fēng)速ZXVWG為2.8m/s;FD-400為3.3m/s。在12m/s風(fēng)速下，ZXVWG-200風(fēng)力發(fā)電機可得到與FD-400傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機檔當(dāng)?shù)妮敵龉β?，盡管前者掃掠面積比后者少約26%;而ZXVWG-300風(fēng)力發(fā)電機在12m/s風(fēng)速下輸出功率達到了187.4W，比FD-400傳統(tǒng)型風(fēng)力發(fā)電機高出約26X。三型風(fēng)電機輸出特性曲線還可見圖5，由曲線趨勢可以預(yù)期，隨著風(fēng)速提高，ZXVWG-300風(fēng)力發(fā)電機可能還會有更大輸出功率產(chǎn)生。其對比結(jié)果見表l。表112m/s風(fēng)速下測試結(jié)果對比表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖1為風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為風(fēng)力發(fā)電機的工作原理圖。圖3為葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為限位機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為三種風(fēng)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(fēng)盤，4、支桿，5、上風(fēng)盤，6、大風(fēng)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)弧弓高，cn為上風(fēng)向攻角，ci2為下風(fēng)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(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)輪套在中心軸2上能夠靈活的轉(zhuǎn)動。發(fā)電機9、增速裝置8、控制器也可落地安裝。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時帶動下部增速裝置8旋轉(zhuǎn)，再帶動發(fā)電機9發(fā)電。葉片7在風(fēng)力作用下，在各種不同象限自動變位的位置受限位機構(gòu)限制。頂部為大風(fēng)切出保護裝置6的擋風(fēng)板或測風(fēng)儀，當(dāng)風(fēng)力超過預(yù)定值時，擋風(fēng)板倒下，限位機構(gòu)退出，葉片7在大風(fēng)中自動順風(fēng)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(fēng)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(fēng)盤5、下風(fēng)盤3均為正六邊形結(jié)構(gòu)，上、下風(fēng)盤與撐桿11組成衍架式風(fēng)輪，各葉片7垂直裝置于上、下風(fēng)盤的相應(yīng)的頂角位置。葉片的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，內(nèi)撐有框架。葉片7為等截面設(shè)計，高度與風(fēng)輪高度相當(dāng)，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(nèi)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(nèi)表面圓弦的弓高(即內(nèi)弧弓高h2)為弦長的1/10-1/14;葉片的后部為外表層與內(nèi)表層的直線相交；葉片的轉(zhuǎn)軸IO位于離頭部弦長1/7-1/6位置。葉片7的材質(zhì)采用輕質(zhì)、耐氣候、耐腐蝕材料制成，對葉片7材質(zhì)機械強度要求低。本發(fā)明還可在風(fēng)輪上風(fēng)向可增設(shè)一弧形集風(fēng)擋板，以聚合來風(fēng)，增大葉片受風(fēng)，可增加輸出的功率。如圖4所示，葉片轉(zhuǎn)軸11的底部設(shè)有限位機構(gòu)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)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(gòu)軸向或徑向設(shè)置并與該扇形限位缺口e相配合，控制葉片7上風(fēng)向時最大攻角為25-30度，下風(fēng)向時最大攻角為40-45度。如圖中所示，機械式限位機構(gòu)包括限位組件12、限位滑動桿14，滑動桿14的兩側(cè)設(shè)有頂端滑輪13，前端連有一滑輪15，后端經(jīng)鋼絲與風(fēng)輪上部的迎風(fēng)擋板相連。正常情況下，滑動桿14插入圓盤16的帶缺口內(nèi)，對葉片轉(zhuǎn)角進行限位，當(dāng)遇大風(fēng)時，迎風(fēng)擋板驅(qū)動使限位滑動桿14退出，葉片7轉(zhuǎn)動自動順風(fēng)，至受風(fēng)力最小位置，避免損壞，大風(fēng)過后自動恢復(fù)。本發(fā)明葉片7在圖示位置變化，在風(fēng)力作用下，由于空氣動力學(xué)原理，四個象限全部為升力。限位機構(gòu)同樣可以設(shè)置在葉片轉(zhuǎn)軸11的頂部，也可以在轉(zhuǎn)軸的頂部或底部同時設(shè)置限位機。限位機除采用上述機械式結(jié)構(gòu)外，還可以采用電氣式結(jié)構(gòu)，電氣式限位機構(gòu)可以通過測風(fēng)儀與電動機構(gòu)，自動檢測與控制限位滑桿的退出與插入葉片轉(zhuǎn)軸的扇形限位缺口，控制葉片的攻角。當(dāng)遇大風(fēng)，測風(fēng)儀通過電氣驅(qū)動使限位滑動桿14退出，葉片7轉(zhuǎn)動自動順風(fēng)，至受風(fēng)力最小位置，避免損壞，大風(fēng)過后自動恢復(fù)。為了增加發(fā)電能力，風(fēng)輪可以積木式疊加擴展。為增加整機的抗風(fēng)強度,中、大型機組頂端加斜拉鋼絲索固定。本發(fā)明的風(fēng)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(fēng)輪的上、下風(fēng)盤可以采用相應(yīng)的正多邊形結(jié)構(gòu)，各葉片垂直裝置于風(fēng)輪的相應(yīng)的頂角位置。如圖5所示，ZXVWG-300為本發(fā)明設(shè)計的300瓦發(fā)電機輸出特性曲線，ZXVWG-200為本發(fā)明設(shè)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(fēng)力發(fā)電機輸出特性曲線，經(jīng)與傳統(tǒng)風(fēng)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(dāng)12m/s風(fēng)速下，本發(fā)明設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電功率高出傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機26%左右，并且還有按風(fēng)速的三次方曲線上升趨勢。權(quán)利要求1、恒向四象限全升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，它包括由上、下風(fēng)盤及撐桿構(gòu)成的桁架式風(fēng)輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風(fēng)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(zhuǎn)軸垂直裝置在風(fēng)輪的直徑頂端，風(fēng)輪和葉片設(shè)置于設(shè)備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設(shè)置于設(shè)備的底部。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)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(fēng)輪為相應(yīng)的正多邊形結(jié)構(gòu)，各葉片垂直裝置于風(fēng)輪相應(yīng)的頂角位置。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)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(fēng)輪高度相當(dāng)，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(nèi)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(nèi)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(nèi)表層的直線相交；葉片的轉(zhuǎn)軸位于離頭部弦長1/7-1/6位置。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于葉片為空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)撐有框架；葉片的材質(zhì)采用輕質(zhì)、耐氣候、耐腐蝕材料制成。5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于風(fēng)輪上風(fēng)側(cè)設(shè)置一弧形集風(fēng)擋板。6、根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于還設(shè)有大風(fēng)切出保護機構(gòu)，該機構(gòu)由迎風(fēng)擋板或測風(fēng)儀與葉片的限位機構(gòu)組成；中、大型機組頂端加斜拉鋼絲索固定。7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于葉片轉(zhuǎn)軸的頂部和/或底部設(shè)有限位機構(gòu)，相應(yīng)地轉(zhuǎn)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(gòu)軸向或徑向設(shè)置并與該扇形缺口相配合，控制葉片上風(fēng)向時最大攻角為25-30度，下風(fēng)向時最大攻角為40-45度。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述限位機構(gòu)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(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述機械式限位機構(gòu)包括限位組件、滑動桿，滑動桿的兩側(cè)設(shè)有頂端滑輪，前端連有一滑輪，后端經(jīng)鋼絲與風(fēng)輪上部的迎風(fēng)擋板相連；所述電氣式限位機構(gòu)包括測風(fēng)儀與電動機構(gòu)。10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于風(fēng)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(xué)原理結(jié)合科學(xué)試驗方法創(chuàng)新了一種恒向四象限全升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，該風(fēng)力發(fā)電機安裝、運行、維修方便。該風(fēng)電機包括由上、下風(fēng)盤及撐桿構(gòu)成的桁架式風(fēng)輪，以及增速裝置和發(fā)電機，其中風(fēng)輪和增速裝置套裝于中心軸上，多組葉片通過各自的轉(zhuǎn)軸垂直裝置在風(fēng)輪的直徑頂端，風(fēng)輪和葉片設(shè)置于設(shè)備的上端，發(fā)電機、增速器、控制器設(shè)置于設(shè)備的底部，并可落地安裝。其風(fēng)葉不需支撐自身重量，只將作用風(fēng)力推動風(fēng)輪，不是懸臂梁結(jié)構(gòu)，制作輕便。同時對于控制器、風(fēng)葉、金屬構(gòu)架的技術(shù)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(quán)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