技术领域本发明涉及一种垂直轴风力涡轮机风轮。更具体但非限制性地，本发明涉及一种属于具有10至100kW功率输出的小型或微型风力涡轮机机类别的风力涡轮机风轮。
背景技术：
用于风力发电的外表区域的最重要特征是风的速度和方向以及在一年四季中的大气运动的持续时间和强度。总的来说，已记录的能适用于以最佳条件，即使得在经济方面具有优势的用于安装大型风力涡轮机的土地使用量是相对较小的。此外，一些风力涡轮机是复杂和昂贵的设备，而且在经济上便于安装此类设备的土地用量是非常有限的。另外，大型风力涡轮机会导致影响环境的问题，因此不能安装在任意位置。另一方面，小型风力涡轮机的安装，由于产量和运行成本低，其在更大的地理区域上具有经济优势。尤其是具有10至100kW功率输出的风力涡轮机，即，属于被称之为微型风力涡轮机类别的涡轮机的安装，使得在不能使用更复杂和大型涡轮机的地区具有生产电能的经济优势。涉及属于上述类型的微型风力涡轮机的风力涡轮机的设计所必须解决的问题之一是在风力较低时能启动所述涡轮机。迄今为止，经验以及经由制造商试验的已知的结构设计表明：如果有可能的话，在风速较低且风向不是最佳时启动此类风力涡轮机是非常困难的。本发明为克服现有技术的缺陷，提供了一种垂直轴风力涡轮机风轮，其可安装于大量在经济方面具有满意结果的地方。本发明的另一目的在于提供一种上述类型的风轮，其可以设计成与具有10至100kW功率输出的风力涡轮机相关的尺寸。本发明的再一目的在于提供一种风轮，其可以较低的成本进行工业化生产，且具有较低的管理和维护成本。
技术实现要素：
本发明的这些和其它目的可通过如所附的权利要求中所限定的风轮来实现。在本发明的一优选实施方式中，所述风轮包括多个平行的动叶片。所述叶片沿垂直圆柱体的母线布置。所述叶片还与沿所述圆柱体的轴线穿过的中心轴相连。所述叶片和轴直线的连接采用一径向的臂结构进行。所述风轮优选由金属，例如钢制成。可采用本领域技术人员已知的方式，将所述风轮的轴与将运动转换成电能的设备，例如直流发电机或交流发电机相关联。根据本发明，所述多个叶片中的每一动叶片均包括级联设置并具有相同翼剖面的三个细长体。所述细长体垂直布置并彼此平行且与所述中心轴平行。此外，所述细长体优选彼此顺序设置并交错。根据本发明，所述风轮可与风力涡轮机相关联，包括能稳固地固定在地面上的支撑结构，且在其内部设置有将运动转换成电能的设备。所述风轮通过所述中心轴与所述发电机相关联，所述中心轴与所述发电机的垂直旋转轴稳固相连。风的推力使得所述风轮和所述风力涡轮机的旋转轴转动，从而通过将运动转换成电能的设备产生能量。根据本发明，所述风轮优选包括七至十五个固定间距的动叶片。每一所述叶片相应地包括三个级联设置并具有相同翼剖面的三个细长体。根据本发明，所述风轮中的叶片间的角距离与其总横向宽度基本相等。有利的是，根据本发明的优选实施方式，在任意方向和任意风力强度下产生了与确保高能量转换效率的流体动力条件相对应的级联效应。根据本发明，所述风轮有利地设想了所使用的气动外形的一个非常高的延长率。具体地，根据本发明，由所述细长体的外形的总长度和所述细长体的翼剖面的横向弦之间的比值来定义的所述延长率大于或等于30。三个相同的翼剖面以所述弦的长度的0.4至0.8倍的平均距离顺序交错布置，有利于产生所需的被称之为级联效应的流体动力效应。风的流量偏差产生旋涡循环，其有利地使得大量的移动转移到动叶片上。在形成每一动叶片的三个翼剖面间循环的空气的旋涡性质产生与所述风轮的轴线相切的合力，使得即使在低风速值的情况下，也能以适当的转矩旋转。所述叶片的几何构造以及特性设计参数的结果，是以广泛的速度和不同的流动方向系统地进行大量实验的结果，其能实现所述风轮的高效率值。由于没有在传统的具有定向螺旋角的风轮的叶片中所必须的移动部件和定向机构，本发明的风轮是极其可靠的。此外，本发明的风轮，由于风的流动偏差可达到静态，因此基本上不需要维护。由叶片的静止状态得到的优势，不仅在于风机的操作更为简便，而且显著降低了工业制造成本以及更大的标准化程度，从而使得这类风机比其它类型的发电机更具竞争力。有利的是，本发明的风轮能以非常低的速度，例如，以约1m/s的速度启动，因此基本上是自启动。附图说明下文中将结合附图对本发明的一些优选实施方式进行描述，其中：图1根据本发明示出了与风力涡轮机相关联的风轮的透视图；图2示出了如图1所示风轮的叶片从所述风轮上分离后的透视图；图3示出了如图2所示的叶片的局部放大图；图4示出了如图3所示的风轮叶片固定到所述风轮上后的局部放大图；图5A和图5B根据本发明分别示出了所述风轮的叶片和细长体的示意性剖视图；图6根据本发明示出了所述风轮的细长体的剖面的平均曲率的示意性曲线图。具体实施方式参考附图1，其根据本发明的一优选实施方式示出了垂直轴风力涡轮机的风轮11。所述风轮11包括多个动叶片13。所述叶片13沿由所述风轮11所限定的垂直圆柱的母线平行设置。所述叶片13通过径向臂结构15连接到沿所述圆柱体的轴线穿过的中心轴17上。所述中心轴17与用于将运动转换成电能的设备21的旋转轴19相关联。所述设备21设置在能稳定地固定于地面上的支撑结构23的内部。根据本发明，所述多个叶片中的每一动叶片13包括级联设置的三个细长体25，三个细长体25竖直并彼此平行且与所述中心轴平行。参考附图2和3，所述细长体25优选被成型为中空金属型材。此外，根据本发明，所述细长体25具有相同的翼剖面。所述三个细长体25限定了每一动叶片13由成对的板27保持在一起。所述板27优选为平板并相对于细长体25横向布置。所述板27包括用于容纳所述细长体25的开口29。优选为每一叶片设置三对平行且等距的板27。由于板27，所述细长体25以所需的间隔彼此平行。此外，所述板27使得所述叶片13被连接到所述风轮11的结构15上。所述板27设有用于将所述板27固定至所述径向臂结构15上的开口31a和孔31b。如图4中可清晰所见的，所述径向臂结构15包括多根连接杆33，其将所述板27连接至所述风轮11的中心轴17上。为每对板27提供这些连接杆中的至少一根，所述连接杆在两个板27和与连接件37相连接的垂直支架35之间进行连接。在所示的实施方式中，每对上部的板27的连接杆33数量为两根，且用于其它两对板27的连接杆数量为一根。所述垂直支架35通过开口31a接合在所述板27之间。所述板27上的孔31b使得通过螺栓39穿过所述孔31b的方式来固定所述垂直支架35。加固连接杆41在两个角方向上将一个叶片13的连接件37连接到相邻叶片13上。图5A和5B示出了形成单个动叶片13的细长体25的级联翼剖面的截面图。根据本发明，选择所述细长体25的翼剖面的横向弦C和所述级联的间距H，使得H/C的比值为0.2-1.2，优选等于0.4。此外，根据本发明，所述级联角度α优选15°至60°，更优选接近于30°。根据本发明，总叶片弦CT等于轴17的转动中心O与叶片13与结构15的连接点M之间的距离，选择叶片的数量Np和风轮的直径DR，使得DR/(NPxCT)的比值为0.5-1.0。按照此配置，可有利于具有所述风轮11的风力涡轮机得到高的效率。然而，当所述比值约为0.7时，可得到最佳结果。根据本发明，所述细长体25的后缘轮廓是平坦的，以便于加强级联效应并最大限度地减小叶片13的整体尾流阻力。此外，该构造进一步显著提高了本发明的风轮11的流体动力效率。仍就参考图5A和5B，选择每一细长体25的翼剖面，使得所述细长体25的薄部25a的长度Cu和异型部25b的长度Cp之间的比值Cu/Cp为0.1至0.5，优选等于约0.4。所述叶片的圆周速度Vp(Vp＝CT×Ω，其中，Ω为风轮的角速度)和风在箭头F上的方向V之间的比值λ＝VP/V为0.7-1.1时，可确保旋转轴的最佳性能和最大功率。该值也是风的瞬时湍流指数的函数。参考图6，根据本发明，所述细长体的翼剖面的平均曲率是相当大的，并确定了流入角α1和流出角α2之间的具有高方向变化的几何薄叶片条件。如上所示和所描述的风轮可具有许多变化，且这些变化落入与本发明相同的原理范围之内。