[发明专利]一种升力与阻力互补调整的垂直轴风力机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发动机，尤其为一种由升力型叶片与阻力型叶片组合并可做调整，实现特性互补的垂直轴风力发动机。

背景技术

垂直轴风力发动机和水平轴风力发动机是当今风力发动机中的两大分类，垂直轴风力发动机在风向改变时无需对风，可使风机结构大为简化等优点，长期以来，倍受人们关注和研究。

垂直轴风力发动机经历了漫长的发展演变过程，出现过多种形式的风机叶片，而升力型叶片是诸形式叶片中应用比较普遍采用的一种。不过，采用单一升力型叶片构成的垂直轴风力发动机存在两方面的不足，其一是低风速条件下难以启动，为此，人们已经研究出了升力型叶片与阻力型叶片互补的垂直轴风机，即在风机转动轴附近设置阻力型叶片，在风机外边缘处设置升力型叶片，这种风机，在一定程度上拓宽了风机对风速范围的适应性。具体而言，这种风机，一方面能降低风机的启动风速。因为在风速较低情况下，升力型叶片几乎不起作用，而阻力型叶片则能接受到风动力，进而克服风机惯性，使风机启动，而风机一旦启动，升力型叶片即能发挥其作用。但是这种阻力型叶片和升力型叶片位置固定不变的风机结构，虽然能降低风机启动所需要风速，但对于高风速条件下，仍难以使风机转动轴转速保持在额定转速状态，因为升力型叶片的线速度能达到风速的三至五倍，风机转动轴转速超过额定转速，一方面会对风机造成机械损坏，即使风机的机械结构还不到被强风损坏的程度，但转动轴转速过高，如果不增加减速机构进行减速，就无法满足发电机最佳参数设计要求，因为自然状态下，出现较低风速的概率较大，所以发电机参数设计时一定会注重较低风速条件下发电机的功率输出。而当风机转速超出转速上限时，发电机的输出功率反而会下降。

为了使垂直轴风力发电机能够在比较宽的风速范围内保持额定输出功率，就必须使风机在环境风速超过额定风速后仍然能保护较恒定的转速和力矩。风力发电机额定输出功率与风机额定功率之间存在着相互对应关系。风机面对较宽风速范围的自然环境，若仍有较恒定功率输出，这无疑将会提高整个风力发电系统的总体效能，同时也会降低对发电机的性能要求，进而降低整个风力发电系统的成本。

针对这种阻力型叶片与升力型叶片互补的垂直轴风机，如何使风机在较低风速情况下启动？如何使风机在一个较宽的风速范围内，风机转动轴转速变化范围小并趋于恒定？如何使风机具有抗击强风灾的能力？这些技术难题正摆在业内人士面前。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的垂直轴风力发动机，使该风力机既能在较低风速条件下启动，又能在较宽的风速范围内，实现较高的风能转换效率，还能有效降低超高风速对风机的灾害性影响。

本发明所要解决的技术问题是，如何根据风速大小变化，以简单、可靠调整机构自动或人为地对阻力型叶片在风机转动轴径向位置进行适当的调整或对阻力型叶片阻力面即受风面大小进行适当的调整，从而使该垂直轴风机的叶尖速比λ值维持在风能转化效率比较高的理想数值范围。

我们知道，叶尖速比λ是反映风力机性能的重要指标，也是研究、设计风力机的重要依据。有关人士已论证过，对于传统垂直轴达里厄型风力机叶尖速比值是4时，垂直轴达里厄风力机风能利用效用最佳，此论证结果表明，风力机叶尖速比值存在一个最佳比值，在实际风速会不断地发生变化的条件下，如何使垂直轴风力机的叶尖速比值稳定维持在最佳值附近，无疑对提高该垂直轴风力机风能利用效率有利。本发明正是通过实时、动态地调整阻力型叶片相对于升力型叶片的位置或通过调整阻力型叶片自身受风面积的大小来使整个风机的叶尖速比值始终稳定在其风能利用效用最佳的理想比值附近。同时，本发明阻力型叶片可调整技术方案的理论意义，即是使本发明垂直轴风力机的叶尖速比值成为可调整参数，这对于垂直轴风力机低风速启动(叶尖速比值接近或等于1)和超高风速抗风灾(叶尖速比值接近或等于1)均起到了积极而有效的作用。