垂直轴风轮和风力发电机的制作方法

本实用新型涉及风力发电领域，具体涉及垂直轴风轮及风力发电机。

背景技术：

风力发电机是把风能转换为电能的装置，其中垂直轴风力发电机具有无需装备调向设备、易于安装保养维修、机械噪音及空气噪音较小和叶片结构简单等优势。

垂直轴风力发电机的叶片在旋转过程中，会产生空气动力阻力和空气动力升力，当攻角达到零界数值后(大约15-20度)，叶片会失速进而导致升力骤降，阻力大幅上升。因此，在风机启动过程中，叶片在一个旋转周期内的大部分时间升力值都很小，只有在其中一小部分时间产生足够大的升力，进而带来推动力矩推动风机转动。因此当风速较低时，叶片在一个旋转周期内的净力矩将会非常低甚至为负数，这会导致风力发电机进入一个“死亡带”，即风力发电机无法进一步加速启动或加速启动过程很慢，因而该型风力发电机在低风速环境时通常无法自己启动或需要采用大实度风机来增强其启动能力，但后者会使风机的最高发电效率大幅降低。在实践过程中，有时会运用电动机先带动风力发电机启动使其通过“死亡带”，再由叶片转换来风能量产生推动力矩使其加速至最佳发电转速进行发电，但是带动风力发电机通过“死亡带”消耗的能量降低了风力发电机的整机发电效率。因而有必要设计一种优良的叶片，使风力发电机具有高的自启动能力，减少自启动时间，最终提高该风力发电机的整机效率。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的缺陷，提供一种垂直轴风轮及包括该风轮的垂直轴风力发电机，所述垂直轴风力发电机具有高的自启动能力，自启动时间短，整机效率高。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种垂直轴风轮，包括叶片、轮毂、连接杆，所述连接杆的一端与叶片固定连接，所述连接杆的另一端固定连接到轮毂上，所述叶片至少一个，所述叶片设置有凹凸前缘结构。

优选的，所述凹凸前缘结构为正弦波形、余弦波形、锯齿形、半圆形或沟槽状结构。

优选的，所述正弦波形或余弦波形前缘结构的幅值为0.025c至0.12c，波长为0.1c至0.5c，其中，c是叶片的弦长。

优选的，每个叶片通过两个连接杆与轮毂连接，所述两个连接杆与叶片连接构成三角形或矩形。

优选的，所述叶片为3-6个，沿轮毂圆周方向均匀分布。

一种垂直轴风力发电机，包括发电机以及上述垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂通过中心轴连接。

优选的，所述发电机设置于所述中心轴的底部或顶端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型所提供的垂直轴风轮及风力发电机的叶片前缘具有凹凸结构，能够延缓流体从叶片表面的分离，提高叶片失速的零界攻角值，增加叶片产生较大升力的攻角范围，让叶片在一个旋转周期内产生更多的推进力矩，使所述垂直轴风力发电机具有高的自启动能力，自启动时间短，在风速较低的环境下能够自行通过“死亡带”，整机效率高。

附图说明

图1.本实用新型的结构示意图；

图2.所述垂直轴风力发电机的自启动曲线；

图3.具有凹凸前缘结构叶片的示意图；

其中，图1中:1凹凸前缘叶片、2连接杆、3轮毂、4发电机、5中心轴；

图2中a和b分别为实验例和对比例中的垂直轴风力发电机的自启动曲线。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图3所示，本实用新型提供的垂直轴风轮和风力发电机的叶片前缘设置有凹凸结构，所述叶片的整个前缘部分都设置有凹凸结构，当流体流经该凹凸结构时会产生很多小漩涡，这些小漩涡会改变流体在叶片表面的气动分布，使流体湍流度增加，进而使流体不易从叶片表面分离，在更大的攻角范围内仍然附着在叶片表面，提高叶片失速的零界攻角值，最终增加叶片产生较大升力的攻角范围，使叶片在一个旋转周期内产生升力的时间增多，叶片在一个旋转周期内产生的净力矩将变大，从而强化该风力发电机的自启动能力，减少该风力发电机的自启动时间，使其在风速较低的环境下仍可自行通过“死亡带”，从而提高其整机效率。

实验例：

一种垂直轴风轮，包括凹凸前缘叶片1、轮毂3、连接杆2，所述连接杆 2的一端与叶片1固定连接，所述连接杆2的另一端固定连接到轮毂3上，所述叶片1为3个，沿轮毂3的圆周方向均匀分布，所述叶片1的弦长为 100mm，具有正弦波形前缘结构，幅值A为3mm，波长ζ为11mm；所述凹凸前缘叶片1与普通叶片NACA0021相同，只是其前缘部分设置有正弦波形凹凸结构；本实用新型还提供一种垂直轴风力发电机，包括发电机4以及上述垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心轴 5连接，实验风速7m/s，有关参数见表1。

对比例：

现有垂直轴风力发电机，包括发电机、普通叶片NACA0021、轮毂、连接杆；所述连接杆的一端与叶片固定连接，所述连接杆的另一端固定连接到轮毂上，所述叶片为3个，沿轮毂圆周方向均匀分布；所述发电机的转轴与所述轮毂通过中心轴连接；所述叶片弦长为100mm，实验风速7m/s，有关参数见表1。

表1.实验例和对比例中风力发电机的参数

如图2所示，纵轴为叶尖速比，是叶片转速与实验风速的比值，横轴是时间，从图2a中可知，实验例在105s时达到最大转速，并持续在最高速度保持运转。相反，由图2b可知，对比例中风力发电机在实验记录的时间内始终处于缓慢加速启动过程，并最终未完全启动；而且在其他条件相同的情况下，叶片的质量越小，风力发电机的启动应当越快，而实验例叶片的质量大于对比例叶片的质量，由此说明本实用新型提供的垂直轴风力发电机具有自启动能力强，自启动时间短的优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。