利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及风力发电机，更详细地，涉及水平轴风力发电机，该水平轴风力发电机利用宽度和厚度相同的翼型叶片，从而利用风和叶片相接触而产生的升力引起的旋转力，提高风力发电机的发电效率及运转效率。根据用于解决上述现有技术的问题的本发明，提供利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机，其特征在于，包括：塔架，以垂直于地面的方式设置，机舱，以能够以垂直轴为中心旋转的方式与上述塔架的上端相连接，旋转体，与上述机舱进行轴结合，以及一个以上的叶片，以形成俯仰角的方式与上述旋转体的外周面相结合；上述叶片呈翼型的形状，沿着长度方向由相同的宽度和厚度形成，以上述叶片的叶尖侧区域为中心，基于升力产生旋转力。
【专利说明】利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电机，更详细地，涉及水平轴风力发电机，该水平轴风力发电机利用宽度和厚度相同的翼型叶片，由此利用风和叶片相接触而产生的升力引起的旋转力，提高风力发电机的发电效率及运转效率。
【背景技术】
[0002]随着从化石能源产生的温室气体被指定为引起全球变暖的要素，全世界为了防止全球变暖而通过了国际气候变化公约，并为了抑制这种温室气体的排放而实施着多种计划。当前，韩国同样面临着寻找用于减少温室气体的排放的解决方案，并谋求用于积极减少化石能源的使用的多种对策。
[0003]由此，被定义为代替石油、煤炭、原子能及天然气等化石燃料的新能源的可再生能源备受瞩目，可再生能源是指利用液化煤炭、氢能等新能源和动植物有机物、阳光、风、水、地热等转换为环保且可再生的能源的能源的统称。
[0004]这些可再生能源具有能够再生、环保且无限制的优点，但具有为了提高效率需要不断研发以及克服不确定的市场前景的问题。
[0005]利用作为可再生能源之一的风的风力发电，是利用空气流动所具有的动能的空气动力学特性使转子旋转，从而转换为机械能，并利用该机械能产生电能的技术。
[0006]风力发电领域最近被提升为替代能源，并且作为持续高速增长趋势的产业，由于全世界性温室气体缩减义务化，随着技术发展发电单价的下降等理由，成长不断加速。
[0007]风力发电由于利用任何地方都存在的无公害的无限制的风，因而对环境产生的影响少，能够有效地利用国土，并且，就大规模发电区域的发电单价而言，即使与现有的发电方式相比，也不会降低效率，因此是非常有用的发电方法。
[0008]但由于风较为稀薄，从而在能源密度较低的情况下难以进行发电，因而只能仅限于特定地区进行设置，并且只有在具有定量的风的情况下才能发电，因而为了稳定的供电而需要储存装置等设备，最近因风力发电机的大型化而存在产生噪声的问题，并具有初期投资费用高的缺点。
[0009]现有的风力发电机的结构包括:高层的塔架,立在地面上,机舱(nacelle)，设置于塔架的上端，旋转轴，与上述机舱相结合，以及多个叶片，设在上述旋转轴的外周面；机舱的内部设有增速器、发电机及控制装置等，叶片的旋转力经由旋转轴到达发电机。
[0010]此时，上述叶片普遍以如下形态形成，S卩，在与上述旋转轴相结合的轮毂部分形成约30°的俯仰角，在叶尖部分形成约2°?3°的俯仰角，且上述叶片以扭曲的方式形成，宽度和厚度逐渐变窄变薄。在此情况下，由于形成俯仰角的叶片倾斜地接收从正面吹来的风，并使风自然地通过叶片的旋转面的后侧，借助由此引起的阻力，使得上述叶片旋转，随着叶片的旋转，叶片的末端部分产生升力，从而提高叶片的旋转力。即，由于向叶片的旋转面吹来的风在通过旋转面的过程中向叶片传递能源，因而风的速度降低约2/3左右，由此，风的流动能的最高59.26% (贝茨(Betz)定律)将转换为旋转动力。[0011]但由于如上所述的风力发电机利用的是风通过叶片的旋转面从而向叶片传递旋转动力的结构，因而风在通过叶片之后，风速降低，且风所具有的流动能中与所降低的速度的大小相应的大小的能源转换为旋转动力，因此存在动力转换效率(Cp)不高的局限性。由此，虽然可适当地适用于降低基本负荷的占有率的大型风力发电机，但适用于并非如此的小型风力发电机的情况下，由于动力转换效率相对下降约30%，因而存在发电输出功率下降的问题。
[0012]并且，现有的风力发电机由于在叶片的结构特性方面所需的启动风速高，因而在低风速区域存在使用方面的效率下降的问题。尤其，当观察全年的不同风速的频率分布时，若考虑4m/s以下的低风速的频率占60%以上的问题，则存在风力发电机的实际运转效率非常低的问题。
【发明内容】
[0013]技术问题
[0014]本发明为了解决如上所述的现有技术的问题而提出的，本发明的目的在于提供如下的风力发电机，其利用宽度和厚度相同的翼型叶片提高动力转换效率，从而发电效率及运转效率高。
[0015]并且，本发明的再一目的在于提供如下的风力发电机，其具有在小型的风力发电机中也可根据风速来调节俯仰角的结构，从而提高发电效率，且即使在非常强的风中也能确保稳定性。
[0016]并且,本发明的另一目的在于,利用逆风(Up Wind)方式及顺风(Down Wind)方式降低现有的发电方式中存在的噪声及振动，上述逆风方式利用可沿着风吹过来的方向保持重心的尾翼，顺风方式在不包括尾翼的情况下，使吹过来的风向外侧挤出，而不贯通。
[0017]本发明所要解决的技术问题并不局限于以上所述的技术问题，未提及的其他技术问题可由所属领域的普通技术人员通过本发明的记载明确地理解。
[0018]技术方案
[0019]通过用于解决上述现有技术的问题的本发明，提供利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机，其特征在于，包括:塔架，以垂直于地面的方式设置，机舱，以能够垂直轴为中心旋转的方式与上述塔架的上端相连接，旋转体，与上述机舱进行轴结合，以及一个以上的叶片，以形成俯仰角的方式与上述旋转体的外周面相结合；上述叶片呈翼型的形状，沿着长度方向由相同的宽度和厚度形成，以上述叶片的叶尖侧区域为中心，基于升力产生旋转力。
[0020]优选地，本发明的上述叶片呈上部面和下部面相对称的形状，在上述上部面和下部面这两面基于升力产生旋转力。
[0021]本发明的上述叶片可呈上部面和下部面不对称的形状。
[0022]优选地，本发明中，上述俯仰角形成0°，当上述叶片旋转时，风与随着上述叶片旋转而形成的旋转面相碰撞，并被引向上述旋转面的圆周方向的边缘侧，由此将上述风的流动能转换为旋转动力。
[0023]优选地，本发明还包括:风速板，与上述旋转的与风碰撞的一面相结合，根据风速调节上述风速板的水平直线运动，螺旋弹簧，形成于上述风速板不与风碰撞的一面，根据风速来调节上述风速板的水平直线运动，第一齿轮，形成于上述风速板的不与风碰撞的一面，与上述风速板同时进行水平直线运动，以及第二齿轮，形成于上述叶片的轮毂侧，以与上述第一齿轮啮合的方式进行圆运动；随着上述风速板及第一齿轮的水平直线运动，上述第二齿轮旋转，能改变上述叶片的俯仰角。
[0024]优选地，本发明还包括:俯仰角调节马达，与上述旋转体相结合，以及第三齿轮，与上述俯仰角调节马达相连接，用于向上述叶片传递动力；随着调节上述俯仰角调节马达的旋转量，上述第三齿轮旋转，能改变上述叶片的俯仰角。
[0025]优选地，本发明在上述塔架的一侧还包括风速检测传感器。
[0026]优选地，本发明还包括与上述机舱的后面相结合的尾翼，从而以逆风方式发电，上述逆风方式是指，与上述塔架相比，风首先与上述叶片碰撞。
[0027]发明的效果
[0028]具有如上所述结构的本发明具有如下效果，S卩，适用于风力发电机的叶片呈具有相同的厚度和宽度的翼型的形态，在上述叶片的很多区域产生升力和推力，从而不仅提高旋转力，而且风无法贯通将叶片的俯仰角设定为0°而形成的旋转面，而是将所具有的流动能转换为旋转动力，由此提高旋转力。
[0029]并且，本发明具有如下效果，S卩，由于可以改变俯仰角，因而根据风速利用适当的俯仰角，从而提高发电效率，确保稳定性。
[0030]并且，本发明具有与是否具有尾翼无关地减少由现有的发电方式引起的噪声及振动的效果。
[0031]并且，本发明具有如下效果，S卩，由于在低风速的情况下也能产生高旋转力，因而可设置于低风速的频率高的场所，从而具有优秀的效用性，并由此提高发电机的运转效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为本发明一实施例的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的立体图。
[0033]图2为本发明一实施例的宽度和厚度相同的翼型叶片的立体图。
[0034]图3为本发明一实施例的宽度和厚度相同的对称型翼型叶片的剖视图。
[0035]图4为表示本发明一实施例的叶片的旋转面及风的流动的立体图。
[0036]图5为表示本发明一实施例的包括风速板、第一齿轮及第二齿轮并能改变俯仰角的结构的例示图。
[0037]图6为表示本发明一实施例的包括俯仰角调节马达及第三齿轮并能改变俯仰角的结构的例示图。
[0038]图7为本发明一实施例的还包括尾翼的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的立体图。
[0039]图8为本发明一实施例的不包括尾翼的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的水平轴风力发电机的立体图。
[0040]图9至图12为表示基于宽度和厚度相同的对称型翼型叶片的风速的表面的流线分布的计算流体动力学(CFD)分析结果。
[0041]图13至图15为表示四种不同形态的基于宽度和厚度相同的对称型翼型叶片的位置的压力系数分布的计算流体动力学分析结果。
[0042]图16及图17为对经风洞实验和计算机流体动力学数值分析得出的发电输出功率及动力转换效率进行比较的例示图。
[0043]图18及图19为对四种不同形态的经宽度和厚度相同的对称型翼型叶片的计算流体动力学分析结果得出的发电输出功率及动力转换效率进行比较的例示图。
[0044]附图标记的说明
[0045]100:利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机
[0046]110:塔架
[0047]120:机舱
[0048]130:旋转体
[0049]140:叶片
[0050]200:风速板
[0051]210:螺旋弹簧
[0052]220:第一齿轮
[0053]230:第二齿轮
[0054]300:俯仰角调节马达
[0055]310:第三齿轮
[0056]500:尾翼
【具体实施方式】
[0057]以下，参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
[0058]图1为本发明一实施例的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的立体图。
[0059]如图1所示，本发明的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机100包括:塔架110，以垂直于地面的方式设置，机舱120，以能够以垂直轴为中心旋转的方式与上述塔架110的上端相连接，旋转体130，与上述机舱120进行轴结合，以及一个以上的叶片140，以形成俯仰角的方式与上述旋转体130的外周面相结合；上述叶片140呈翼型的形状，沿着长度方向由相同的宽度和厚度形成。这是为了以上述叶片140的叶尖侧区域为中心，基于升力产生旋转力。
[0060]利用宽度和厚度相同的翼型叶片的上述水平轴风力发电机100借助如下方式，即，借助风与上述叶片140相接触时产生的旋转动力，上述旋转体130旋转而产生机械能。
[0061]图2为本发明一实施例的宽度和厚度相同的翼型叶片的立体图，图3为本发明一实施例的宽度和厚度相同的对称型翼型叶片的剖视图。
[0062]如图2所示，上述叶片140由相同的宽度和厚度形成，并以与翼型，即飞机的机翼类似的方式形成。并且，只要查看图3所示的叶片140的纵断面就能确认，以经过截面的中心的A线为基准，上部面及下部面以具有相同的弯曲形态的对称形状形成。但在以经过中心的B线为基准的情况下，并不是对称形状，而是具有由C线经过的一侧末端的约1/4地点的厚度最厚的形态。
[0063]但本发明的宽度和厚度相同的叶片140可形成上部面和下部面具有相同的弯曲形态的对称的形状，且可以形成上述叶片的上部面和下部面具有预定的差异的不对称的形状。
[0064]因此，上述叶片140通过旋转对风进行分隔，被分隔的风沿着上述叶片140的上部面及下部面流动，此时，上述叶片140的两侧面都会流动大量的风量，而产生升力，由此产生旋转力。
[0065]结果，在现有的风力发电机的情况下，虽然叶片的一面基于升力产生旋转力，但在相反的一面由于产生升力及基于该升力产生推力的空间少，因而存在旋转力及发电量不高的问题，但本发明的对称型翼型形状的叶片140由于在两侧面均产生升力和推力，因而与以往的风力发电机相比，具有能够有效地提高旋转力及发电量的效果。这种升力和推力以与上述叶片140的旋转成正比的方式增加。
[0066]并优选地，上述叶片140以沿着长度方向由相同的宽度和厚度形成，从而在上述叶片140的很多区域产生规定的升力和推力的方式形成，由此带来旋转力更加上升的效
果O
[0067]S卩，风力发电机在叶片的叶尖部分的约30%区域根据高速的空气流动和叶片的相互作用基于升力产生推力，现有的叶片由于该部分的宽度窄，结果，其面积比例相对低，因而动力转换效率相对低，但本发明由于叶片140的总宽度和厚度相同，并在叶尖部分与空气流动相互作用的区域的面积比例相对高，因而基于升力产生很大的推力，因而能够提高其效率。与此相关的流动分析结果示于图9至图12，更加详细的说明将在下文中予以说明。
[0068]并且，上述叶片140以将俯仰角调节为0°的状态进行旋转，而可形成旋转面，由此向上述旋转面的圆周方向的边缘侧引导风，而不是使吹过来的风贯通上述旋转面，并使上述风的速度更加增加，从而在将流动能转换为旋转动力方面更加有效。
[0069]S卩，如图4所示，若上述叶片140以将俯仰角调节为0°的状态进行高速旋转，则形成圆盘形状的旋转面，而吹过来的风因被上述旋转面阻挡而无法贯通，并由于继续吹来的风而挤向旋转面的圆周方向的边缘侧。因此，风的速度更加增加，从而加大流动能转换为旋转动力的力量，并由此更加提高叶片140的旋转速度，最终能够获得高的发电输出功率。
[0070]另一方面，由上述叶片140和上述叶片140旋转而成的旋转面形成的俯仰角具有能够改变的结构。一般来说，俯仰角在0°?30°的范围内发生变化，而在本发明中，为了提高发电效率及运转效率，先是维持0°的俯仰角，并在吹来能够引起风力发电机的受损程度的超高速风的情况下，增加上述俯仰角，从而引导风使风贯通旋转面，起到能进行稳定发展的作用。
[0071]并且，为了根据风速的变化获得有效的旋转力，可以随时改变俯仰角。并且，为了风力发电机的有效运行，可利用多种角度的俯仰角，例如:在低风速条件下，使上述俯仰角形成约30°，从低风速条件转换为高风速条件，使上述俯仰角逐渐减少，形成约0°等。
[0072]图5为表示本发明一实施例的包括风速板、第一齿轮及第二齿轮，并能使俯仰角发生改变的结构的例示图。
[0073]如图5所示，为了能够转换上述叶片140的俯仰角，本发明具有如下结构，即，还包括:风速板200，与上述旋转体130的与风碰撞的一面相结合，并根据风速进行水平直线运动，螺旋弹簧210，形成于上述风速板200不与风碰撞的一面，并根据风速来调节上述风速板200的水平直线运动，第一齿轮220，形成于上述风速板200的不与风碰撞的一面，与上述风速板200同时进行水平直线运动，以及第二齿轮230，形成于上述叶片140的轮毂侧，以与上述第一齿轮220啮合的方式进行圆运动；随着上述风速板200及第一齿轮220的水平直线运动，上述第二齿轮230旋转，能改变上述叶片140的俯仰角。
[0074]这是根据风速，上述风速板200和第一齿轮220借助上述螺旋弹簧210的作用进行水平直线运动，使以与上述第一齿轮220啮合的方式进行圆运动的第二齿轮230旋转，由此调节俯仰角的方式。
[0075]换言之，在低风速条件下，上述风速板200以朝向前方进行水平直线运动的方式移动，而在高风速条件下，利用风的压力上述风速板200以朝向后方进行水平直线运动的方式移动，此时，若上述风速板200朝向前方进行水平直线运动，则与上述第一齿轮220相啮合的第二齿轮230旋转，来增加俯仰角，若上述风速板200朝向后方进行水平直线运动，则与上述第一齿轮220相啮合的第二齿轮230朝向反方向旋转，来减小俯仰角。
[0076]因此，即使没有用户的额外的操作，也能根据风速的变化自动改变俯仰角，来维持适合各风速的俯仰角，从而能够获得高的动力转换效率和稳定性。
[0077]图6为表示本发明一实施例的包括俯仰角调节马达及第三齿轮并能改变俯仰角的结构的例示图。
[0078]与图5所示的可利用风速板200改变俯仰角的结构不同，图6所示的用于使俯仰角的转换成为可能的本发明具有如下结构，即，还包括:俯仰角调节马达300，与上述旋转体130相结合，以及第三齿轮310，与上述俯仰角调节马达300相连接，用于向上述叶片140传递动力；随着调节上述俯仰角调节马达300的旋转量，上述第三齿轮310旋转，能改变上述叶片140的俯仰角。
[0079]S卩，在这一情况下，系统检测风速，并启动上述俯仰角调节马达300，借助与上述俯仰角调节马达300相连接的第三齿轮310的旋转，能够形成所需的适当角度的俯仰角，但优选地，上述第三齿轮310的数量以与需要调节俯仰角的叶片140的数量相同的方式形成。
[0080]为了利用上述俯仰角调节马达300调节俯仰角，需要确认向当前的风力发电机吹来的风的风速，为此，本发明还可以在上述塔架110的一侧包括风速检测传感器。为了俯仰角的调节，可以使用多种方法，例如，可具有与上述风速检测传感器相连接，能够自动控制俯仰角的系统，或者参照通过上述风速检测传感器获得的当前风速，来启动俯仰角调节马达300等。
[0081]图7为本发明一实施例的还包括尾翼的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的立体图，图8为本发明一实施例的不包括尾翼的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机的水平轴风力发电机的立体图。
[0082]如图7所示，还可以包括与上述机舱120的后面相结合的尾翼500，从而以与塔架100相比风首先与叶片140碰撞的方式发电。上述尾翼500用于检测风吹来的方向，并使上述旋转体130始终朝向风吹来的方向，这种发电方式被称为逆风方式，而与这种方式相反的顺风方式为，与叶片140相比风首先与塔架110碰撞的方式发电的方式。
[0083]图8所示的上述顺风方式由于不需要尾翼500，因而具有能够节约生产成本，简化制作方法的优点。在普通的风力发电机的情况下，若风首先通过塔架之后向叶片流动，由此形成紊流或涡流，而为了避免这种由于风向旋转面流入而产生振动及噪声，采用逆风方式。但在本发明中，将叶片140的俯仰角设定为0°，从而使风并不贯通因上述叶片140的旋转而形成的旋转面，而是向圆周方向的边缘侧引导，从而获得能源，因此旋转面会替代尾翼500的作用，且风即使首先通过塔架110，也会减少紊流或涡流的产生，因此具有能够将上述紊流或涡流弓I起的振动和噪声最小化的优点。
[0084]因此，本发明利用宽度和厚度相同的对称型翼型翼型形状的叶片140，从而均能利用无需尾翼500的顺风方式及包括上述尾翼500的逆风方式进行发电，并且，若以考虑所要设置的场所的风的特性、空间特性及周边环境等来选择发电方式，则可以形成更加效率且有效的发电系统。
[0085]另一方面，为了确认适用本发明的技术结构的水平轴风力发电机的实质发电效率，实施了风洞实验及计算流体动力学数值分析。
[0086]首先，2012年I月31日以表I所示的条件实施了风洞实验，其结果如表2。
[0087]表I
[0088]
【权利要求】
1.一种利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于， 包括: 塔架(110)，以垂直于地面的方式设置， 机舱(120)，以能够以垂直轴为中心旋转的方式与上述塔架(110)的上端相连接， 旋转体(130 )，与上述机舱(120 )进行轴结合，以及 一个以上的叶片(140)，以形成俯仰角的方式与上述旋转体(130)的外周面相结合； 上述叶片(140)呈翼型的形状，沿着长度方向由相同的宽度和厚度形成，以上述叶片(140)的叶尖侧区域为中心，基于升力产生旋转力。
2.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于，上述叶片(140)呈上部面和下部面相对称的形状，在上述上部面和下部面的双面基于升力产生旋转力。
3.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于，上述叶片(140)呈上部面和下部面不对称的形状。
4.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于，上述俯仰角形成0°，当上述叶片(140)旋转时，风与随着上述叶片(140)旋转而形成的旋转面相碰撞，并被引向上述旋转面的圆周方向的边缘侧，由此将上述风的流动能转换为旋转动 力。
5.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于， 还包括: 风速板(200)，与上述旋转体(130)的与风碰撞的一面相结合，根据风速进行水平直线运动， 螺旋弹簧(210)，形成于上述风速板(200)不与风碰撞的一面，根据风速来调节上述风速板(200)的水平直线运动， 第一齿轮(220)，形成于上述风速板(200)的不与风碰撞的一面，与上述风速板(200)同时进行水平直线运动，以及 第二齿轮(230)，形成于上述叶片(140)的轮毂侧，以与上述第一齿轮(220)啮合的方式进行圆运动； 随着上述风速板(200)及第一齿轮(220)的水平直线运动，上述第二齿轮(230)旋转，能改变上述叶片(140)的俯仰角。
6.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于， 还包括: 俯仰角调节马达(300)，与上述旋转体(130)相结合，以及 第三齿轮(310)，与上述俯仰角调节马达(300)相连接，用于向上述叶片(140)传递动力； 随着调节上述俯仰角调节马达(300)的旋转量，上述第三齿轮(310)旋转，能改变上述叶片(140)的俯仰角。
7.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机(100)，其特征在于，在上述塔架(110)的一侧还包括风速检测传感器。
8.根据权利要求1所述的利用宽度和厚度相同的翼型叶片的水平轴风力发电机 (100)，其特征在于，还包括与上述机舱(120)的后面相结合的尾翼(500)，从而以逆风方式发电，上述逆风方式是指，与上述塔架(110)相比，风首先与上述叶片(140)碰撞。
【文档编号】F03D1/06GK103987958SQ201280057202
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年9月19日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】吴荣绿 申请人:吴荣绿