[发明专利]一种带集风体的垂直轴风力发电机

说明书

本发明公开了一种带集风体的垂直轴风力发电机，该发电机包含由底座、旋转轴、叶片和机架构成的达里厄斯垂直轴风力发电机。其中，底座用于固定风力发电机的机架，使机架在受风时保持稳定，叶片围绕旋转轴在竖直平面内旋转，还包含由扩散器和自适应柔性法兰构成的集风体，置于风力发电机外。该扩散器的形状为平滑过渡的曲面，用来提高流过集风体内的风速，柔性法兰为双悬臂梁结构，一端与机架连接，另一端与扩散器贴合。本发明利用集风体出口处的法兰形成的强烈的涡旋，产生低压区域，随着集风体进出口压差增大，集风体内风的流量也增大，因此，通过引进集风体结构可以提高通过风力发电机的风速，极大地提高垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率。

技术领域

本发明属于风力发动机技术领域，涉及垂直轴风力发电机的输出功率和发电效率的提高，具体涉及一种带集风体的垂直轴风力发电机。

背景技术

当今世界正面临着严重的能源短缺危机和环境污染、温室气体排放等危机。人们对能源消费问题和全球气候变化的问题日益关注，世界各国对清洁可持续能源的发展越来越重视。

近年来，风能作为清洁环保并且可持续利用的能源得到了迅速而广泛的发展，而风力发电已成为风能利用的主要形式。在过去几年中，发电的成本一直在下降，并且在风力发电技术方面，传统的风力发电技术已经占据了最好的风资源位置市场。在技术快速变革的背景下，预计传统风力发电技术的发展很快就会遇到瓶颈。需要通过提出更有效的风力发电技术尽快取代现有的风力发电技术，这些风力发电机要么具有更大的发电功率，要么具有更高的风能利用效率，从而使得发电量持续增加。

在较低风能密度的地区(可能在城市场地中)发展新型风力发电技术是未来的一种趋势，也能引导风力发电机行业开发新型配置以适应不同的环境，提高效率并降低成本。因此，研究人员已经提出了不同的概念，尝试在风能密度较小的区域中提高风力发电机的发电效率。这些提高效率的方法之一就是扩散器增强风力发电机(DAWT，DiffuserAugmented Wind Turbine)，它通过增加通过转子部分的质量流量和风速，从而提高了风力发电机的风能利用率。除了我们常见的水平轴风力发电机以外，还有一类垂直轴风力发电机VAWT(Vertical Axis Wind Turbine)，由叶片、主轴、发电机组成，是一种将流动空气中的动能转化为电能的一种装置，它具有噪音小，气动风速低、结构稳定、疲劳寿命长，无需偏航对风等特点，因此受到了广泛的关注。垂直轴风力发电机主要有两种。一种是阻力型，利用阻力旋转使风力机发电，典型的有Savonius型，这类装置有较大的启动力矩，尖速比低，同等尺寸下发电输出功率低(15％)。另一种是达里厄斯型，其在风向改变的时候无需对风，从而简化结构设计，也减少了风轮对风时的陀螺力矩。达里厄斯风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，结构简单且同等尺寸下有较高的功率输出(30％-40％)。现在风电行业主流机型都是水平轴三叶片式风力发电机，主要是因为水平轴风力发电机的发电效率较垂直轴风力发电机要高的多(40％-50％)。因此虽然达里厄斯风力机具有诸多优点，但是由于其发电效率较水平轴低于25％左右，制约了其进一步的发展。

集风体结构对水平轴风力机和垂直轴风力机都能够大幅提高其输出功率，但于此同时，其庞大的附加结构也造成了更大的风阻效应，使整个结构的风载相比之前增大2-3倍。在大风速时，对结构设计安全带来了困难。因此如果有一种简易结构，既能保证集风体结构的原有增速特性，同时又能在大风速时降低风载，那么对于推广这类风力机的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种带有柔性法兰的集风体结构，使其在保持原有优点的同时，显著提高风力发电效率，同时能够在风速较大时通过柔性结构自适应变形降低风载。