[发明专利]一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置

权利要求书

1.一种直叶片垂直轴风力发电机的被动桨距控制装置，其特征在于所述装置包括垂直设置的主轴、叶片、支撑杆、滑道、离心质量滑块、弹簧；其中，所述叶片与主轴平行设置，支撑杆分别与叶片、主轴刚性连接；支撑杆上靠近叶片的一端设置所述滑道，离心质量滑块可在滑道上自由滑动，叶片与离心质量滑块通过两根弹簧连接，其中一根弹簧与所述离心质量滑块的一端连接，另一根弹簧与所述离心质量滑块的另一端连接；随着转速的增加，离心质量滑块在滑道上的滑动为弹簧提供更大的反力支撑，相当于增大了弹簧的刚度，以约束叶片的桨距角变化；所述被动桨距控制装置通过被动方式实现风机叶片桨距按照预定的方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)转动，方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)的曲线形状与正弦函数Asin(θ)相近，幅值A随着λ的增加逐渐降低，其中，λ为叶尖速比。

2.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：所述支撑杆与叶片铰接形成转轴，叶片通过绕所述转轴转动调节桨距角。

3.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：在滑道、离心质量滑块及弹簧构件外包裹防尘保护罩。

4.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：叶片旋转过程中，离心质量滑块在离心力作用下向靠近叶片位置滑动，进而压缩弹簧，使其剩余变形量随着转速的增加越小，而弹簧的剩余变形量即为叶片的桨距角变化幅值。

5.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：最优桨距角的确定基于多流管叶素理论或计算流体动力学的模拟与多目标优化方法结合，通过大量试算迭代得到不同方位角θ、不同叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)。

6.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：叶片的气动扭矩M_Aero(θ)与所述被动桨距控制装置的弹簧对产生的扭矩M(θ)在方位角θ、叶尖速比λ下的最优桨距角β(θ,λ)位置处大小相等，方向相反，使叶片桨距角保持在最优桨距角β(θ,λ)，处于最大升力攻角位置且不失速，即产生最大切向牵引力，风能采集效率最大化。

7.根据权利要求1所述的被动桨距控制装置，其特征在于：所述弹簧的长度、刚度以及离心质量滑块的质量均针对具体风机特征参数经过多目标优化设计。

8.一种弹簧调节桨距的直叶片垂直轴风力发电机，其特征在于：所述风力发电机包括根据权利要求1-7任一项所述的被动桨距控制装置。