专利名称：可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电装置，特别是一种适合于任意风向的可控叶片表面运动速度及 方向以增加输出扭矩的升力型立轴风力发电装置。
背景技术：
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的 发电方式。近十几年来，世界风力发电以超过30%的速度增长。伴随着世界风电产业的快速 发展，我国也越来越重视风电产业的发展。2005年2月《可再生能源法》的颁布标志着我国 能源策略进入新的时期，同时国家发改委也提出了大功率风力发电产业化的布局，我国丰富 的风能资源也为风电产业提供了发展条件。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上 离地面10米高度层的风能资源可开发量为2. 53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能 储量约为7.5亿千瓦。
经统计，2005年底，我国风电装机容量126万千瓦，相对于2004年增长64%， 2007年中 国除台湾省外新增加风电机组3155台装机容量，装机总量330.4万千瓦。与2006年当年新 增装机133. 7万千瓦相比，2007年当年新增装机增长率为147.1%。到2007年底累计装机容 量为590. 6千瓦，上网电量估计约52亿千瓦时。2008年我国的装机总量为12152MW比之前 的总量翻了一番,位居世界第3位。
已有的风力发电机，如图1所示，来流攻角较小时，升力系数随着攻角的增大而增大； 当来流攻角大于翼型最大升力攻角(失速攻角)时，流动出现分离，使得升力系数下降，同 时导致压力分布前后不对称，出现所谓的压差阻力，使阻力系数急剧上升。
发明内容
本发明目的在于针对上述根本性的问题而提供一种可控叶片表面运动速度及方向升力型 立轴风力发电装置控制其叶片表面运动速度及方向抑制气流在大攻角的分离，从而提高风力 机的风能利用率。
为了达到上述目的，本发明的构思是在叶片适当位置(一般为曲率较大的轮廓位置上) 装上广N个旋转轴或者控制整个叶片表面运动速度及方向(如图2所示)以抑制大攻角下气 流分离。
通过凸轮连杆机构控制叶片在转动过程中与来流保持为一定的理想攻角(大于普通叶片 的最大升力攻角)(如图3所示)，并通过电机控制叶片上旋转轴的转动方向及速度，使叶片 在转动过程中始终与来流方向成大攻角的情况下，气流不发生分离，以提高叶片的升力系数减小其阻力系数。如图4所示，叶片在HAB和DEF段为主要的做功段，在BCD和FGH段为调 整过渡段，叶片在HAB段时，由攻角调节装置调节叶片攻角与来流方向保持一定的攻角，同 时电机驱动叶片上轮轴顺时针旋转，叶片在BCD段时，叶片旋转过渡，同时电机反转驱动叶 片轮轴由顺时针旋转向逆时针旋转过渡，叶片在DEF段与来流保持一定攻角，同时轮轴逆时 针旋转，在FGH段叶片旋转过渡同时轮轴由逆时针旋转向顺时针过渡(图4中Wi为i位置时 的来流方向，Li为叶片在i位置时产生的升力方向)。
其具体的结构原理如图4、图5、图6所示风向改变时，尾翼(2)上方的风向标由于 力矩的作用将与风向保持一致，同时调整凸轮(5)的方向。中空的悬臂(6)与发电机主轴 (1)上端法兰盘(9)固联在一起，各悬臂(6)内有一根顶杆(7)，顶杆(7)内端通过一 个滚针(11)顶靠着所述凸轮(5)的凸轮槽(14)中，所述连杆机构是顶杆(7)外端与 一根连杆(10)铰联，连杆(10)与叶片铰链，使叶片绕旋转中心(12)转动，当法兰盘(9) 在电机主轴(1)上转动时，与悬臂(6)内部的顶杆(7)联在一起的滚针(11)在凸轮(5) 的凸轮槽(14)滚动，滚针(11)驱动顶杆(7)在悬臂(6)内腔中滑动，与顶杆(7)连在 一起的连杆(10)就会驱动叶片围绕叶片旋转中心(12)转动，顶杆(7)上行程开关(15) 驱动伺服电机(8)正转与反转从而改变叶片的攻角及轮轴转向与转速达到预期。
根据以上构思，本发明采用以下技术方案-
一种可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，包括叶片、尾翼和风轮驱 动的电机主轴，其特征在于所述叶片为可控制其表面运动速度及方向和攻角调节的叶片，其 控制表面运动速度及方向和攻角调节是通过一个调控装置来实现的，所述调控装置的结构是 所述尾翼带动一个凸轮，所述凸轮驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片随转动相位的 变化调整与来流的攻角以及其轮轴的转向和转速，实现风能的高效利用。
上述叶片上装有控制表面运动速度及方向的轮轴与伺服电机，所述尾翼是一个转轴上端 固定连接的风向标，尾翼上的风向标由于力矩的作用将与风向保持一致，尾翼的转轴通过键 与所述凸轮连接，凸轮随尾翼的转动而转动；所述各叶片两端垂直安装在上下两根中空悬臂 外端部，其中一根中空的悬臂与所述发电机主轴上端法兰盘固联在一起，各悬臂内有一根顶 杆，顶杆内端通过一个滚针顶靠着所述凸轮的凸轮槽中，所述连杆机构是顶杆外端与一根 连杆铰联，连杆与叶片铰链，使叶片绕旋转中心转动，当法兰盘在电机主轴上转动时，与悬 臂内部的顶杆联在一起的滚针在凸轮的凸轮槽滚动，滚针驱动顶杆在悬臂内腔中滑动，与顶 杆连在一起的连杆就会驱动叶片围绕叶片旋转中心转 ，顶杆上行程开关控制伺服电机正转 与反转从而改变叶片的攻角及轮轴转向与转速达到预期。上述的叶片可安装1 30个轮轴以控制叶片表面运动速度及方向。上述的风轮将2 30个叶片中心轴绕着风轮旋转中心轴对称安置。上述的风轮的半径为0. 001m 1000m,垂直高度为0. 001m 1000m。
上述的叶片可根据设计的转动速度和风速矢量关系使翼型几何弦与转动切线方向成-30° 30°夹角。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著的优点本发明提供的风力发电装置，采用控制叶片表面运动速度及方向的方式提高叶片升力，适用于任意来流风向，所涉及机构简单易于实现，能有效的提高叶片转动过程中的升力减小其转动阻力，有效的提高风能利用率。
图1是普通叶片在大攻角下气流分离示意图。
图2是本发明可控表面运动速度及方向的叶片结构示意图。
图3是本发明可控表面运动速度及方向的叶片绕流示意图。
图4是本发明可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置的叶片在各个位置运动变化示意图。
图5本发明一个实施例的结构示意图。
图6是图5示例的悬臂处剖视图。
图7是图5示例尾翼和凸轮结构示意图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例结合
如下
实施例一参见图5，本可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，包括叶片4、尾翼2和风轮驱动的电机主轴1，所述叶片4为可控叶片表面运动速度及方向和攻角调节的叶片，其控制表面运动速度及方向和攻角调节是通过一个调控装置3来实现的，所述调控装置3的结构是所述尾翼2带动一个凸轮5，所述凸轮5驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片4随转动相位的变化调整与来流的攻角以及其轮轴13的转向和转速，三个叶片4均布在直径10m的圆周上，叶片4通过上下两根悬臂6固联于法兰盘9上。法兰盘9通过电机主轴1连接下方的发电机。尾翼2通过凸轮5调整叶片迎风面。
叶片翼型采用NACA0018翼型，如图6、图7所示，翼弦长lm。在翼型前缘装一直径为80mm的轮轴，其后端装一伺服电机8，伺服电机8通过皮带驱动轮轴13。尾翼2的转轴16通过键17与所述凸轮5连接，顶杆7穿于中空的悬臂6中， 一端与连杆10铰联，另一端与滚针ll铰接，滚针11置于凸轮5的凸轮槽14中。悬臂6靠近叶片的尾端处安装行程开关15控制伺服电机8的正反转，当叶片居于上风向时，控制伺服电机8驱动轮轴13顺时针旋转，居于下风向时控制伺服电机8驱动轮轴13逆时针旋转。
凸轮5的设计重点在于凸轮槽的设计，取叶片在一周运动中均布的24个位置时攻角改变时的顶杆运动情况拟合出滚针11的运动轨迹。上述的叶片4可安装1 30个轮轴(13)。
上述的风轮上共有2 30个叶片4绕着风轮中心呈轴对称安置。上述的叶片4的翼型几何弦与转动切线方向成-30° 30°夹角。
权利要求
1、一种可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，包括叶片(4)、尾翼(2)和风轮驱动的电机主轴(1)，其特征在于所述叶片(4)为可控制其表面运动速度及方向和攻角调节的叶片，其控制表面运动速度及方向和攻角调节是通过一个调控装置(3)来实现的，所述调控装置(3)的结构是所述尾翼(2)带动一个凸轮(5)，所述凸轮(5)驱动一个连杆机构，所述连杆机构驱动叶片(4)随转动相位的变化调整与来流的攻角以及其轮轴(13)的转向和转速，实现风能的高效利用。
2、 根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征 在于将所述叶片(4)装有控制表面运动速度及方向的轮轴(13)与伺服电机(8)，通过 行程开关(15)控制伺服电机(8)正转与反转从而改变叶片的攻角及轮轴(13)转向与 转速达到预期。
3、 根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征 在于将所述的尾翼(2)上的风向标由于力矩的作用将与风向保持一致，尾翼(2)的转轴(16)通过键(17)与所述凸轮(5)连接，凸轮(5)随尾翼(2)的转动而转动；所述 各叶片(4)两端垂直安装在上下两根中空悬臂(6)外端部，其中一根中空的悬臂(6) 与所述发电机主轴(1)上端法兰盘(9)固联在一起，各悬臂(6)内有一根顶杆(7)， 顶杆(7)内端通过一个滚针(11)顶靠着所述凸轮(5)的凸轮槽(14)中，所述连杆机 构是顶杆(7)外端与一根连杆(10)铰联，连杆(10)与叶片(4)铰链，使叶片绕旋 转中心(12)转动，当法兰盘(9)在电机主轴(1)上转动时，与悬臂(6)内部的顶杆(7)联在一起的滚针(11)在凸轮(5)的凸轮槽(14)滚动，滚针(11)驱动顶杆(7) 在悬臂(6)内腔中滑动，与顶杆(7)连在一起的连杆(10)就会驱动叶片围绕叶片旋转 中心(12)转动，以使来流与叶片保持大攻角。
4、 根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征 在于尾翼(2)驱动凸轮(5)与风向一致，通过凸轮(5)的凸轮槽(14)驱动的顶杆(7) 在驱动叶片在主要做功段，上风向做功段和下风向做功段与来流保持大攻角、在过渡段调 整攻角的同时，顶杆(7)还通过控制固定于悬臂(6)上的行程开关(15)控制电机(8) 的正反转来控制叶片(4)上的轮轴(13)在上风向做功段顺时针旋转，在下风向做功段 时逆时针旋转，在过渡段时实现轮轴转向改变的转换。
5、 根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征 在于所述叶片(4)上装有1 30个轮轴(13)。
6、 根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征在于共有2 30个叶片中心轴绕着风轮旋转中心轴对称安装。
7、根据权利要求1所述的可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置，其特征 在于叶片(4)的翼型几何弦与转动切线方向成-30° 30°夹角。
全文摘要
本发明涉及一种可控叶片表面运动速度及方向升力型立轴风力发电装置。它包括叶片、尾翼和风轮驱动的电机主轴。叶片为可调整攻角和控制表面运动速度及方向的叶片，叶片攻角的调整和表面运动速度及方向的控制是通过一个调控装置来实现的，该调控装置的结构是尾翼带动一个凸轮槽，凸轮槽驱动一个连杆机构，连杆机构驱动叶片随转动相位的改变而改变叶片与来流的攻角，在改变攻角的同时控制叶片上可运动的表面转速以及转向的改变，实现叶片在转动过程中大攻角下抑制气流分离提高升力以有效的提高风能利用率。本发明能提高风力机的风能利用率，适用于任意来流风向，结构简单、易于实现。
文档编号F03D9/00GK101660502SQ200910196578
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月27日 优先权日2009年9月27日
发明者罗大海, 磊 蒋, 邓召义, 波 陈, 黄典贵 申请人:上海大学