滤风式垂直轴风力发电机风轮 |
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| 申请号 | CN201710116545.2 | 申请日 | 2017-02-28 | 公开(公告)号 | CN106677982A | 公开(公告)日 | 2017-05-17 |
| 申请人 | 诸葛文英; | 发明人 | 李祥明; 诸葛文英; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种滤 风 式垂直轴 风 力 发 电机 风轮，包括两个以上的 叶片 单元和竖直布置的 转轴 ，所述叶片单元沿转轴周边均匀布置，每个所述叶片单元包括多个纵向布置的叶片，所述叶片单元和转轴之间通过连接构件固定。本发明采用多个叶片代替阻力型垂直轴风机的风叶，将每个叶片单元中的多个叶片排列成一侧边缘位于虚拟风叶形成的面上，当风以 水 平方向吹向风叶凸面时，部分风从叶片之间的间隙泄露出去；叶片的滤风效果不仅使凸面受风抵消凹面受风的程度降低了20‑80％，而且还可在叶片的凹面产生升力，推动风轮正向旋转，大大提高了阻力型 垂直轴风力发电机 的 风能 利用率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种滤风式垂直轴风力发电机风轮，其特征在于，包括两个以上的叶片单元和竖直布置的转轴，所述叶片单元沿转轴周边均匀布置，每个所述叶片单元包括多个纵向布置的叶片，所述叶片单元与所述转轴之间通过连接构件固定连接。 |
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| 说明书全文 | 滤风式垂直轴风力发电机风轮技术领域背景技术[0002] 目前市场上的垂直轴风力发电机的风轮分为阻力型风轮和升力型风轮，升力型风轮是利用叶片产生的升力推动叶轮旋转，典型的结构是Darrieus型风力发电机，此种风力发电机叶片形状多设计为翼形，其优点是风能利用率高，缺点是启动性能差；阻力型风轮是利用叶片产生的阻力驱动叶轮旋转，典型的结构是Savonius型风力发电机，这种发电机的优点是启动转矩大，几乎能在任何风速下自启动，电能转化设备简单，能够安装在建筑物的表面，缺点是风轮叶片向风的凸面受到的风阻力严重抵消向风的凹面受到的风阻力，使得阻力型垂直轴风力发电机的风能利用率较低，该问题严重阻碍了阻力型垂直轴风力发电机的推广和应用。 发明内容[0003] 为了解决上述问题，本发明提供了一种滤风式垂直轴风力发电机的风轮，该风轮可以有效降低风叶向风的凸面受到的风阻力，使风叶向风的凹面和凸面受到的风阻力之差增大，从而提高风能利用率。 [0004] 本发明是通过以下技术方案实现的： [0005] 一种滤风式垂直轴风力发电机风轮，包括两个以上的叶片单元和竖直布置的转轴，所述叶片单元沿转轴周边均匀布置，每个所述叶片单元包括多个纵向布置的叶片，所述叶片单元与所述转轴之间通过连接构件固定连接。可以理解的是，每个叶片单元之间具有较大空隙，因为若叶片之间距离太近，会阻碍风的流动，使风向在叶片表面发生变化，从而使风力也发生变化，影响风能的吸收。 [0006] 进一步的，所述连接构件为多个，分别对应于所述叶片单元，每个连接构件包括一个主支撑杆和多个次支撑杆，所述主支撑杆的一端与转轴周侧壁连接并均匀布设在与转轴垂直的平面上，每个所述主支撑杆的另一端与多个所述次支撑杆的一端连接，所述叶片一一对应连接在所述次支撑杆的另一端。在一种实施方式中，所述叶片通过支撑杆与转轴固定。 [0007] 进一步的，所述连接构件为圆形的上托板和下托板，多个所述叶片单元布置于上托板和下托板之间且所述叶片的上下边缘分别对应与上托板和下托板固定连接，所述转轴穿过上下托板的中心孔并与其固定连接。在另一种实施方式中，所述叶片通过上下托板与转轴固定，所述转轴穿过上下托板的中心孔并与转轴固定连接。 [0008] 进一步的，所述多个叶片单元的每个叶片单元包括2-120个叶片。本发明所述的风力发电机，可为普通型、大型或超大型垂直轴风力发电机，因此每个叶片单元中的叶片的数目可为2-120片。 [0009] 进一步的，每个叶片单元中，所述叶片等距排列。可以理解的是，叶片之间的距离与叶片的数目以及风轮大小有关，叶片之间距离要适当，不要太近也不要太远，当风轮大小一定，叶片数目越多，叶片之间距离越近，会大大增加气体通过的阻力，气流会分开绕过叶片流向后方，只有部分气流通过叶片做功，所以叶片实际得到的风功率减少了；而且在风轮大小一定的情况下，叶片太近使得叶片发生部分重叠，受风面积减小，受风面风阻力降低，这也是多叶片风机得不到更多风能的原因；但是叶片太少，大多数风都从叶片之间的缝隙漏出去了，得到的风能也不高。 [0010] 进一步的，所述叶片为平面形、折面形或弧面形，优选为弧面形。 [0011] 进一步的，每个叶片单元中，所述叶片的同侧边缘位于一虚拟面上，所述虚拟面可构成风轮的虚拟风叶，所述虚拟风叶为阻力型叶片；当叶片和虚拟风叶均为弧面形时，虚拟风叶和叶片的向风面同时为凹面或同时为凸面，且如果将每个叶片单元中的每个叶片及虚拟风叶投影到水平方向上，每个叶片凸面最高点处的切线方向平行；设每个叶片凸面最高点处的切线方向与水平方向的夹角为θ，0<θ<90°，优选30-60°。具体的，所述叶片为形状大小相同的叶片，多个叶片整齐排列构成一个叶片单元，如果每个叶片单元中的叶片足够多，将同一个叶片单元中的所有叶片同一侧的边缘连接起来，就可以形成一个平面、折面或弧面，按照此平面、折面或弧面的形状制成的风叶即为一个阻力型风叶。如果将本发明的叶片换成此阻力型风叶，所得风轮即为现有的阻力型垂直轴风轮。在本发明中，此风叶为虚拟的，所述叶片的一侧边缘沿风叶排列，当叶片和虚拟风叶均为弧面形时，叶片在虚拟风叶上的排列方向为叶片的向风面和虚拟风叶的向风面同时为凹面或同时为凸面，也就是说，当虚拟风叶的凹面向风时，叶片的向风面也为其凹面。将每个叶片在水平方向的投影后，每个叶片凸面最高点处的切线方向是平行的，且每个叶片凸面最高点处的切线方向与水平方向的夹角可在0-90°范围内变化。当气流以水平方向吹向虚拟风叶的凸面时，叶片的凸面也处于向风面，凸面的部分气流从相应的叶片之间的间隙泄露出去，进入凸面背后，泄露的气流不仅能抵消部分凸面的阻力，使凸面阻力下降20-80％，而且还可在叶片的凹面产生升力，推动风轮正向旋转，因此大大提高了阻力型垂直轴风机的效率。当夹角θ为30-60°时，叶片凹面向风的面受到的风阻力与凸面向风的面受到的风阻力之差最大，风机的效率提高最多。 [0012] 进一步的，所述虚拟风叶为平面形、折面形或弧面形。具体的，当虚拟风叶为平面形、折面形或弧面形时，叶片可以为折面形或弧面形中的任一种；当虚拟风叶为平面形时，每个叶片单元包括的叶片数目较虚拟风叶为折面形或弧面形少，因为虚拟风叶为折面形或弧面形时，叶片之间可以错开排列，因此可以排列更多的叶片，两个叶片之间的重叠比为0.2-0.8。 [0013] 进一步的，所述叶片一面为粗糙表面，另一面为光滑表面；当所述叶片为弧面形时，叶片的凹面为粗糙表面，凸面为光滑表面。粗糙表面有利于叶片对风能的吸收，设计一面粗糙一面光滑的叶片，有利于进一步提高风轮两侧叶片的阻力差；当叶片为弧面形时，凹面设计为粗糙表面，凸面设计为光滑表面，当水平方向有风时，使得凹面向风的面受到的风阻力与凸面向风的面受到的风阻力之差增大，使风机的效率进一步提高。 [0014] 本发明采用多个叶片代替阻力型垂直轴风机的风叶，将每个叶片单元中的多个叶片排列成一侧边缘位于虚拟风叶形成的面上，当风以水平方向吹向风叶凸面时，部分风从叶片之间的间隙泄露出去；叶片的滤风效果不仅使凸面受风抵消凹面受风的程度降低了20-80％，而且还可在叶片的凹面产生升力，推动风轮正向旋转，大大提高了阻力型垂直轴风力发电机的风能利用率。 附图说明 [0015] 图1为本发明一实施例的滤风式垂直轴风力发电机风轮的俯视图，所述虚线为虚拟风叶； [0016] 图2为图1所示的滤风式垂直轴风力发电机风轮中一个叶片单元的正视图，为了观察方便，虚拟风叶用虚线代替。 [0017] 附图标记说明：1—叶片单元；11—叶片；2—转轴；3—主支撑杆；4—次支撑杆；5—虚拟风叶。 具体实施方式[0018] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。 [0019] 图1为本发明一实施例的一种滤风式垂直轴风力发电机风轮的俯视图，包括四个叶片单元1和转轴2，所述四个叶片单元1沿转轴2周边均匀分布，所述四个叶片单元1的每个叶片单元1包括多个纵向布置的叶片11，在本实施例中，所述叶片11为弧面形；所述叶片11的数目可根据风力发电机的类型而定，本发明的滤风式风轮，可以用于普通型、大型或超大型垂直轴风力发电机，在图1所示的实施例中，每个叶片单元1由6片叶片11组成，每个叶片11和转轴2通过连接构件连接固定，所述连接构件为四个，每个连接构件包括一个主支撑杆 3和六个次支撑杆4，所述主支撑杆3的一端与转轴2连接并均匀分布于与转轴2垂直的平面上，每个主支撑杆3的另一端与次支撑杆4连接，所述叶片11一一对应连接在所述次支撑杆4的另一端；其中，每个连接构件中，所述次支撑杆4可以平行，也可以呈扇叶形分布；在另一种实施方式中，为了使叶片11更牢固的固定在转轴2上，可以设置两组上述连接构件结构，每组分别位于与转轴2垂直的上下两个平面上，每组连接构件分别支撑叶片11的上部和下部； [0020] 在另一种实施方式中，所述连接构件为圆形的上托板和下托板，多个所述叶片单元均匀布置于上托板和下托板之间且所述叶片的上下边缘分别对应与上托板和下托板固定连接，所述转轴穿过上下托板的中心孔并与其固定连接。 [0021] 在图1所示的实施方式中，每个叶片单元1之间设置较大空隙，每个叶片单元1中的叶片11等距交错排列，若叶片11之间距离太近，会大大增加气体通过的阻力，气流会分开绕过叶片11流向后方，只有部分气流通过叶片11做功，所以叶片11实际得到的风功率减少了；但是叶片11距离太远，大多数风都从叶片11之间的缝隙漏出去了，得到的风能也不高；而且在风轮大小一定的情况下，叶片11太近使得叶片发生部分重叠，受风面积减小，受风面风阻力降低，这也是多叶片风机得不到更多风能的原因；在本实施方式中，由于叶片11之间存在空隙，即使两个叶片11重叠比较大时，也不会阻碍风的流过，因此两个叶片11之间的重叠比为0.8。 [0022] 每个叶片单元1中，所述叶片11整齐排列，所述叶片11的同侧边缘位于一弧形虚拟面上，所述虚拟面可构成风轮的虚拟风叶5，所述虚拟风叶5为阻力型叶片，图1所示的实施例中，所述虚拟风叶5为弧面形；叶片11在虚拟风叶5上的排列方向为叶片11的向风面和虚拟风叶5的向风面同时为凹面或同时为凸面，且如果将每个叶片单元1中的每个叶片11及虚拟风叶5投影到水平方向上，每个叶片11凸面最高点处的切线方向平行；设每个叶片11凸面最高点处的切线方向与水平方向的夹角为θ，θ优选为30-60°。本发明的设计目的是为了降低阻力型垂直轴风力发电机风能利用率低的问题，因此采用多个叶片11代替阻力型垂直轴风机的风叶。当气流以水平方向吹向虚拟风叶5的凸面时，叶片11的凸面也处于向风面，凸面的部分气流从相应的叶片11之间的间隙泄露出去，进入凸面背后，泄露的气流不仅能抵消部分凸面的阻力，使凸面阻力下降20-80％，而且还可在叶片11的凹面产生升力，推动风轮正向旋转，因此大大提高了阻力型垂直轴风机的效率。夹角θ原则上可在大于0°，小于90°的范围内变化，但θ越大，叶片11凸面阻力越大，凹面和凸面阻力之差越小，风能利用率越低；θ越小，气流大部分从叶片11的间隙泄露出去，凹面的风阻力也降低，风能利用率仍然不高，因此θ设置在30-60°的范围内，此时叶片11凹面向风的面受到的风阻力与凸面向风的面受到的风阻力之差最大，风机的效率提高最多。 [0023] 需要强调的是，不仅凸面的气流从叶片11之间泄漏出去，凹面的气流也会从叶片11之间泄漏出去，但气流在两面的流速并不相同，凸面的气流速度比凹面的气流速度快，因此凸面气流泄露较凹面气流泄露多，凹面与凸面的阻力之差仍然变大了。 [0024] 在另一种实施例中，叶片11的凹面为粗糙表面，凸面为光滑表面，粗糙表面有利于叶片对风能的吸收，当水平方向有风时，使得凹面向风的面受到的风阻力与凸面向风的面受到的风阻力之差进一步增大，使风机的效率进一步提高。 |
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