[发明专利]风力涡轮机

说明书

一种变桨距竖直轴线风力涡轮机，包括：轮毂和叶片，该轮毂被支撑以围绕中心轴线旋转，该叶片枢转地安装到轮毂，以允许叶片和轮毂之间的相对旋转。叶片和轮毂之间限定了桨距角。风力涡轮机包括构造成在轮毂围绕中心轴线旋转期间产生往复运动的机构。该风力涡轮机包括连杆，该连杆构造成将由该机构产生的往复运动传递到叶片，从而改变桨距角。

本发明涉及风力涡轮机，并且尤其涉及变桨距竖直轴线风力涡轮机。

风力涡轮机是将风中存在的动能转换为有用功的设备，所述有用功例如机械能或电能。风力涡轮机通常包括转子，该转子可以被风吹动以产生旋转运动，然后该旋转运动用于为发电机供能。转子的直径可以从低功率应用(例如，在生存或露营设备中)的几厘米向上变化到高功率应用(例如，在主电源中的应用)的150米或更大。风力涡轮机的设计通常可以归为两种类型之一，即：水平轴线风力涡轮机(Horizontal axis wind turbine，HAWT)和竖直轴线风力涡轮机(Vertical axis wind turbine，VAWT)。HAWT的特征在于转子被支撑以绕水平轴线旋转。通常，HAWT转子包括三个具有翼型形状的横截面的叶片，这些叶片被支撑在中心轮毂上。当风接近转子时，翼型形状的叶片使风偏转，从而使叶片与轮毂一起绕水平轴线旋转。

与HAWT相比，VAWT是风力涡轮机的一种较不常见的构造，其包括一个转子，该转子被支撑以绕竖直轴线旋转。通常，这种VAWT的转子包括由轮毂支撑的一个或多个叶片。发电机或其他合适的旋转功率转换器连接至轮毂，以将轮毂的旋转能转换为有用功和/或电能。

与HAWT相比，所有VAWT的共同之处在于，当叶片绕竖直轴线旋转时，有半圈旋转将与风向相同，而另一半圈的旋转将与风向相反。这样，为了使叶片旋转，由随风旋转的转子的一半从风中吸收的动能量必须足够大，以允许叶片克服与将所述转子的一半移入迎风方向相关的任何阻力。

Savonius型VAWT能够通过具有大致半圆形的凹形叶片来实现这种旋转，该凹形叶片构造成在风进入其凹面时表现出相对较大的阻力(以使叶片有效地“铲起”风)，而在其凸面具有相对较低的阻力。Darrieus型VAWT是VAWT的另一种设计，它能够通过使用具有翼型形状的叶片来实现这种旋转，所述翼型形状会产生升力，从而使轮毂绕竖直轴线旋转。

由于Darrieus型VAWT由升力而不是阻力驱动，因此，在低风速下，叶片通常无法产生足够的升力来引起转子的旋转，因此，此类风力涡轮机通常包括用于在低风速下启动旋转的电动机。此外，随着风速的增加，转子的旋转速度也增加，从而导致向风力涡轮机的部件施加高离心力。在如此高的风力条件下，Darrieus型风力涡轮机通常会受到机械制动或简单地停机的限制。这样，Darrieus型风力涡轮机可以在其中操作的风速范围相对狭窄。

无论是在本文中还是在其他地方，都存在消除或减轻现有技术的一个或多个问题的需求。

根据本发明的第一方面，提供了一种变桨距竖直轴线风力涡轮机，其包括：

轮毂，该轮毂被支撑以围绕中心轴线旋转；

叶片，其枢转地安装到轮毂上，以允许叶片和轮毂之间的相对旋转，叶片和轮毂之间限定了桨距角；

机构，其构造成在轮毂绕中心轴线旋转期间产生往复运动；以及

连杆，其构造成将由机构产生的往复运动传递到叶片，以改变桨距角。

叶片被风吹动时会产生诸如升力和阻力之类的空气动力。升力和阻力产生作用在叶片上的净合力，该净合力使叶片沿着由轮毂的旋转所定义的圆形路径绕中心轴线旋转。当叶片相对于迎风方向布置在其最上游位置和最下游位置时，叶片产生最大升力。通过在叶片绕中心轴线旋转时改变桨距角，可以在圆形路径的上游部分和下游部分产生更大的升力，同时将当叶片直接移入或移离迎风时产生的阻力最小化。这样，提高了风力涡轮机的效率。