[发明专利]升力型垂直轴风力发电机风轮结构

说明书

技术领域

本发明涉及升力型垂直轴风力发电机，尤指一种可通过调节叶片支持翼角度的结构，使得风轮在环境风速超过额定风速的情况下始终保持稳定的转速，从而确保垂直轴风力发电机恒定的功率输出。

技术背景

对于风力发电机技术领域，首先需明确如下常用的技术术语及定义：

风速，所谓风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高的10min内风速的平均值为参考。

有效风速，因风速的随机性很大，并不是所有风速都能使风力发电机的风轮转动，也不是所有风速都能使风轮安全运行，所谓有效风速，是指使风力发电机风轮安全运转的风速，亦称可利用风速。

有效风速范围，把风力发电机风轮能安全运转正常输出功率的风速段称为有效风速范围。在设计风力发电机时把起始风速、额定风速和停机风速之间的风速称作有效风速范围，亦称可利用风速范围。例如6～20m/s。

起始风速，使风力发电机风轮开始转动作功时的风速称为起始风速。

额定风速，风力发电机发出额定功率的电力时的风速称为额定风速。

停机风速，当风速大到某一风速以上时，风力发电机应停止运行以避免风力发电机遭到破坏，此时的风速称为停机风速，停机风速视当地风速情况而定。

调速装置，因风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化，为了使风轮运转在所需要的额定转速附近的装置称为调速装置，当风速超过额定风速时，调速装置开始起动调速功能，调速装置只在额定风速以上时进行调速。

垂直轴风力发电机，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。

风轮，垂直轴风力发电机由若干叶片通过支持翼与垂直轴连接，构成风轮。

垂直轴风力发电机可分为阻力型和升力型，他们的原理和结构都是不相同的，阻力型风轮的叶片可采用类似风碗、半球型、半圆型桶体、甚至于一块平板，例如如图1所示，是一种阻力型垂直轴风轮的示意图。当该风轮中的叶片为半圆形的桶体时，风力作用于风轮，叶片在处于D1位置所受的压力是处于D2位置的2倍，在该风轮中由于D1和D2位置的压力不同，风力便推动风轮按顺时针围绕回转中心旋转，因此阻力型风轮最显著的特点是风力推动叶片从高压向低压方向运动，即风轮的旋转方向始终是从高压向低压方向旋转。

为了提高阻力型风轮的效率，也即提高D1、D2位置之间叶片的压力差，人们想过多种办法，比如增加叶片数量、改变叶片形状等，最明显的办法是叶片在D2位置时改变叶片在风轮下半区的角度，如果假设D1位置为零度，则在D2位置时改变到90度，如图2所示。而改变角度的办法也有许多种，比如中国专利公开号CN85103919A，但无论采用什么方式，阻力型风轮的最大风能利用率不超过2/27，下面是阻力型风轮在完全忽略叶片在下半周所受阻力情况下，通过推导得到的结论：

假设风轮的高度为H，叶片宽度为R，风轮旋转的角速度为ω，风轮的回转半径等于叶片宽度R，风速为V，密度为ρ。假设气流对平板的压力取得最大值，并忽略迎风面积最小时叶片的阻力，此时迎风面积最大的平板可以等效为宽R，高H的平板。

风轮迎风面积总的风能为：

空气相对于平板的速度为：v＝V-ωR

气流作用于平板上的压力为：

产生的功率为：对上式求极值可得，当ωR＝0＝V时P取得最小值，当ωR＝1/3V时P取得最大值，即阻力型风轮的最大功率出现在风轮转动的线速度是风速的1/3时，将ωR＝1/3V代入，可得功率的最大值为如果忽略风轮半边的阻力作用，根据风能利用率的定义可得：

为了克服阻力型垂直轴风轮的低效率，人们又发明了升力型垂直轴风轮，图3为一种升力型垂直轴风轮。升力型风轮是利用叶片二面不同的形状，当风吹在叶片表面，由于叶片二面形状和叶片安装角的缘故，叶片外表面和内表面的风速是不同的，这样就在叶片的外表面和内表面形成了风速差，从流体力学可以知道，当内、外表面流体速度不一致时，在二个表面之间形成了压力差，也就是升力，当选择一定的叶片安装角时，由于压力差所产生的升力的分力就将产生绕风轮回转中心的驱动力矩，使风轮旋转。