专利名称：垂直轴风力发电机叶片、垂直轴风力发电机及其运转方法
技术领域：
本发明涉及一种用于风力发电机的叶片，且特别是用于垂直轴风力发电机的叶 片，以及垂直轴风力发电机及其运转方法。
背景技术：
Darrieus 类型的垂直轴风力发电机("VAWT"vertical axis wind turbine)通 常具有两个弯曲的叶片，二者在端部处连结到可旋转垂直塔筒的顶部和底部。两个或多个 叶片向外鼓出，其形成的最大直径位于叶片分别和塔筒顶部和底部连接的连接点之间的中 部位置。参见D. J. M. Darrieus的用于对VAWT做基本解释的美国专利No. 1，835，018。附接 有叶片的可旋转垂直塔筒将作为塔筒或塔筒组件在本文中被引用。典型的VAWT将塔筒的 底部支撑在下部轴承组件上，该下部轴承组件又被一基部抬离底面。旋转的塔筒连接并驱 动通常位于该基部上的发电机，该发电机在塔筒旋转时发电。塔筒的顶部被上部轴承组件 支撑，该上部轴承组件通过牵索(guy wire)或其他结构保持稳定。见美国专利5，531，567， 其显示了两个典型VAWT的例子。VAWT的关键部件是叶片，其与风相互作用来产生升力，该升力旋转塔筒并驱动发 电机。通常，叶片的横截面为对称或半对称翼型，翼型弦长方向与风轮本地径向相切。塔筒 旋转以赋予叶片比风更大的速度，且风所产生的攻角(angle of attack)在叶片上形成提 升力，该力保持塔筒的旋转。该提升力是周期性的，因为每个叶片在叶片笔直地逆风或笔直 地顺风移动时经历每个旋转中没有提升的两个相位。除了风产生的提升力外，离心力也作 用在叶片上。类似于将其两端固定在一旋转塔筒上的VAWT叶片这样的细长结构，当旋转轴旋 转时细长结构形成Troposkein曲线形状。Troposkein曲线形状是一根质量线性分布的绳 索，就像跳绳，在绕某旋转轴旋转时产生的离心力作用下绳索所形成的形状。仅考虑离心 力，转动的绳具有Troposkein曲线形状且处于纯受拉状态下，因为绳索的刚度和抗弯性可 以忽略。为了使叶片所承受到的弯曲强度和疲劳载荷降到最低，我们希望VAWT的叶片具有 Troposkein曲线形状，但是实际的问题是如何设计出VAWT叶片，使其具有足够的柔性来形 成Troposkein曲线形状，而又具备足够刚性来承受运转载荷——包括由重力带来的显著载 荷。由此，需要提供一种垂直轴风力发电机，其能克服上述问题且为此这也是本发明的目 的。
发明内容
因此，本发明提供一种用于风力发电机的叶片，包括在一个或多个腹板上方的外 表面，所述腹板形成在由于离心力旋转时而具有凸形的翼面；其中，叶片在没有被旋转时从 凸形翻滚到凹形，以受拉状态来承受风力。另一方面本发明还提供一种带有一个或多个叶片的风力发电机，包括；塔筒；连 接到该塔筒的一个或多个叶片；可旋转地连接到塔筒的发电机，该发电机当塔筒由于一个或多个叶片在风力作用下旋转时产生能量；和其中，每个叶片还包括在一个或多个腹板上 方的外表面，所述腹板形成在旋转时由于离心力而具有凸形的翼形，且其中，叶片在没有被 旋转时从凸形翻滚到凹形，以受拉状态来承受风力。另一方面，本发明还提供一种用于运行垂直轴风力发电机的方法，该风力发电机 具有塔筒、连接到该塔筒的一个或多个叶片和可旋转地连接到塔筒的发电机，该发电机当 塔筒由于一个或多个叶片在风力作用下旋转时产生能量，该方法包括一个或多个叶片在 风力作用下旋转塔筒，其中，叶片在旋转时具有凸形；和当塔筒没有旋转时将每个叶片翻滚 到凹形，以承受大风力的条件。
图1显示了带有一个或多个叶片的垂直轴风力发电机；图2显示了 VAWT的每个叶片的横截面；和图3A-3E为显示了在不同状态下的VAWT的叶片。
具体实施例方式本发明具体可应用于用在垂直轴风力发电机中的叶片，具有如下所述的特定结构 且在本说明书中将描述该叶片。但是，应理解，叶片具有更大的效用，因为其可以用不同的 材料构造且可用于不同类型的风力发电机。本发明还可特别应用于比500kw级别更大的 VAWT，但是同样的特点对较小的机器来说也是有利的。图1显示了在组装位置中带有三个叶片20的VAWT结构10的侧视图。VAWT结构 10还可具有塔筒(mast) 22和连接到该塔筒的一个或多个横支撑(strut) 25，所述横支撑用 于支撑VAWT结构的叶片20。可用下文将描述的技术来吊装的VAWT结构可包括垂直轴风力 发电机，该风力发电机具有20到200米的直径、50到400米的风轮高度和20到3000吨的重量。在一个实施例中，当VAWT结构10处于水平组装姿态时，有多个支架24用于支撑 塔筒22。每个支架24的高度可以根据工地现场的海拔或地形而有所不同。塔筒22的底部 组件28用于完成塔筒22与基础钢结构36的精确装配，一旦VAWT结构10安装完毕后，基 础钢结构36将承受VAWT结构10的整体重量。发电机安装在基础钢结构36的内部，该发 电机连接至结构10并在叶片接受到风/气流并旋转风力发电机时产生电力。支撑结构56 可旋转地连接到VAWT结构10的底部部分，以使得VAWT结构10可相对于支撑结构56旋转 (使用起重扒杆(gin pole)组件32)，以使得VAWT结构10的底部在被竖起时将与基础钢 结构36互相配合。VAWT结构10 (包括塔筒22和叶片20)用起重扒杆组件32吊装。在一种实施形式 下，起重扒杆组件32可包括第一起重扒杆32a和第二起重扒杆32b，二者在每个起重扒杆的 上端处通过连接件连接在一起。每个起重扒杆还具有底端，该底端与起重扒杆基部铰接并 将此基础锚固到地面，这样起重扒杆能绕该基部旋转。在运行中，VAWT结构10绕基础钢结 构36旋转并使位于基础钢结构中的发电机旋转。每个叶片与风相互作用，以产生能旋转塔 筒并驱动发电机的提升力。现在，将详细描述叶片。图2显示了 VAWT的每个叶片20的横截面。如图所示，每个叶片20具有翼形，带
4有一个或多个腹板(web) 20，如腹板20a、20b和20c，如图2中的例子所示，它们支撑叶片的 外表面20d。在所有已有的VAWT中，叶片已经被制造得非常刚硬，以使得它们不会在所有 运行和非运行状态下显著地挠曲。为了实现这一点，这些机器还需要以低的高度与直径比 (大约1.5)来设计，且叶片必须被制造成弯曲/弯折的形状。本文所述的叶片采用成本低 且更轻的较小刚性的叶片，且能被制造得很直并然后再弯曲成形，这还降低了制造成本。一种用于这些叶片的好的材料选择是玻璃纤维/聚合物复合材料，如无碱玻璃纤 维/聚酯树脂复合材料。叶片的厚度与弦长之比通常为20%或更小，这样可以避免对于给 定的升力下产生过多的阻力。叶片易弯曲的方向——称为叶片的“扁平”方向——这个方 向上叶片具有足够的柔性，以在垂直平面内形成Troposkein曲线形状。此外，机器不运行 时如果出现大风，相对柔软的“扁平”方向的弯曲行为允许叶片朝塔筒方向向内弯曲，由此 避免可能会发生的损坏(一种昂贵的替代方案是针对给定的直径将叶片制造得更重并将 机器制造得更矮)。轻质叶片的柔性特点与机器的较大高径比(2. 5到3. 5)相互协调，以允 许叶片在不损坏的情况下发生弯曲或“翻滚”。除了叶片的重量轻外，通过叶片的“翻滚”获得的承受大风的能力显著降低了机器 成本。叶片本身的重量降低，且支撑叶片的其他部件的重量也降低(塔筒、横支撑、牵索)， 因为它们要支撑重量较轻的叶片。较轻的机器具有较小的转子动力学方面的问题，所以牵 索可以制造得较小且具有更小的刚度。制造叶片的直接成本降低，因为其可被制造得笔直， 没有弯曲，最有效的是通过“拉挤成型”，这是一种复合材料挤压成型的低成本过程。最终， 而且是最重要的是，通过使用这种设计的叶片，并增大机器的高径比，能让单位面积土地上 机器的扫风面积更大，因此能从给定面积的土地上获取很多的能量。图3A-3E为显示了不同状态下的VAWT叶片的视图。图3A显示了在图1所示的垂 直轴风力发电机运行过程中沿塔筒22长度方向的叶片20。在垂直轴风力发电机运行过程 中，叶片在离心力作用下具有如图所示的凸形。图3B显示了当垂直轴风力发电机运行减速 和/或停止时，叶片的自重使叶片下垂。例如，当风变得非常强(大风速)时，VAWT结构20 停机，这时有一个叶片处于迎风侧。从运行时的凸形到大风时的凹形(如上所述)的转变 是在如图3B(为了显示的目的略微夸张了)所示的叶片的不对称重力下垂现象的帮助下发 生的，且在叶片各段的弯曲移位与其长度之比与叶片“扁平”弯曲柔性的协同作用下使得这 种转变不会损坏叶片。与其长度相比，叶片弯曲量越少，则其越容易从凸形“翻滚”到凹形， 且弯曲时或“翻滚”时叶片应力越小。另一方面，如果凸形弯曲变形过小，则在运行过程中 叶片离心力会变得很高。所以，存在一种“令人满意的折衷”，这种折衷可以用叶片弯曲变形 量对叶片长度之比表达，且例如，叶片可采用在0. 120到0. 130之间且特别是约0. 125的比 例。在大风速条件下，迎风叶片由如图3B所示的重力下垂状态下开始“翻滚”，且“翻 滚”将经历从如图3C-3E所示的多个状态，并主要在受拉状态下承载大风载荷。如图3C所 示，叶片的顶部由此首先以大致S形状朝向凹形“翻滚”。这样的“翻滚”方式避免了由于恶 劣的弹压式“翻滚”对叶片产生的高阶波长载荷，例如1. 5。(而且叶片中会产生较高的弯曲 应力)。“翻滚”相当慢，在大型机器中由于更长的叶片和垂直于翼形的空气阻力(类似平 板阻力)使“翻滚”需要花掉大约5-10秒，即存在一种自然阻尼，以阻止弹压式“翻滚”以及 应力的动态放大。如图3D所示，“翻滚”在当叶片的下部形成凹形时完成，此时风力载荷由叶片的张力所承受，如图3E所示。当风速下降时，机器自动地重新启动，VAWT结构10慢慢 地开始旋转且由旋转造成的离心力使得叶片20返回到如图3A所示的它们运行时的凸形。 叶片的上半部会再次由于重力下垂形状而首先“翻滚”，紧接着是下半部。在一个实施例中， VAWT结构的发电机在电动机模式下运转，以启动叶片的旋转。但是，在另一实施例中，VAWT 本身自启动。叶片刚度和安装后的曲率是经过特殊设计以允许这种“翻滚”动作，而且叶片的弯 曲应力低于用于制造每个叶片的材料的失效水平，如在一个实施例中使用的复合材料。如 果相关于叶片长度将“扁平”方向弯曲刚度保持得相对较低，则每个叶片还可用金属材料制 造。可以使用任何金属，但是如铝这样的较低比重的金属更合适，或者使用金属复合材料的 设计。此外，可挤压的金属对成本来说更好。对于复合材料叶片的实施例，复合材料允许略 软的弯曲刚度，但在运行中仍有抵抗空气动力震颤(aerodynamic flutter)的高扭转刚度。 在一个实施例中，这可通过1)在叶片结构中使用足够百分比的交错编织(+/_45度)纤维， 和2)使用闭合的截面几何形状以及用连续的+/_45度纤维覆盖整个闭合截面，如在图2中 箭头所示，来最大化叶片的扭转刚度。例如，一个叶片在其叶片结构中使用大约40%交错编 织纤维和60 %叶展方向的轴向纤维。该设计方法避免了关节式横支撑或其他类似构造以允 许叶片在不运行时笔直悬挂(且由此不会在大风下变弯)所产生的较高制造和维护成本。作为一种展示，一个实施例使用67. 17米的一段叶片长度，跨度为64. 67米。当 叶片弯曲到位时，针对已安装的0. 127的弯曲量对跨度比(bend to spanratio)，弯曲量为 8. 2米。弯曲刚度或“扁平”方向弯曲的惯性面积矩乘以弹性模量为1.8E6 N-m2，给定刚度 对跨度比为24000N-m，这样叶片有足够的柔性使弯曲应力在“翻滚”过程中都低于140Mpa。 这种应力对通常40 %交错纤维/60 %叶展方向的无碱玻璃/聚酯叶片层叠结构来说是可以 接受的。这并不是能实现本发明目的的唯一一组性能，而仅仅是一种例子。尽管前文已经参考了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员应理解，在不脱 离本发明的原理和构思的情况下可以在其实施例中进行改变，本发明的范围由所附权利要 求限定。
权利要求
一种用于风力发电机的叶片，包括在一个或多个腹板上方的外表面，所述腹板形成在旋转时由于离心力而具有凸形的翼形；其中，叶片在没有被旋转时从凸形翻滚到凹形，以受拉状态来承受风力。
2.如权利要求1所述的叶片，其中，叶片用玻璃纤维或聚合物复合材料制造。
3.如权利要求2所述的叶片，其中，复合材料具有一定百分比的交错编织纤维和一定 百分比的叶展方向的轴向纤维。
4.如权利要求3所述的叶片，其中，复合材料具有40%的交错编织纤维和60%的叶展 方向的轴向纤维。
5.如权利要求1所述的叶片，其中，叶片用金属制造。
6.如权利要求5所述的叶片，其中，所述金属为铝。
7.如权利要求1所述的叶片，其中，叶片具有在0.120到0. 130之间的弯曲对长度之比。
8.如权利要求7所述的叶片，其中，所述弯曲对长度之比为0.125。
9.一种带有一个或多个叶片的风力发电机，包括；塔筒；连接到该塔筒的一个或多个叶片；可旋转地连接到塔筒的发电机，该发电机在塔筒由于一个或多个叶片在风力作用下旋 转时产生能量；和其中，每个叶片还包括在一个或多个腹板上方的外表面，所述腹板形成在旋转时由于 离心力而具有凸形的翼形，且其中，叶片在没有被旋转时从凸形翻滚到凹形，以受拉状态来 承受风力。
10.如权利要求9所述的风力发电机，其中，叶片用玻璃纤维或聚合物复合材料制造。
11.如权利要求10所述的风力发电机，其中，复合材料具有一定百分比的交错编织纤 维和一定百分比的叶展方向的轴向纤维。
12.如权利要求11所述的风力发电机，其中，复合材料具有40%的交错编织纤维和 60%的叶展方向的轴向纤维。
13.如权利要求9所述的风力发电机，其中，叶片用金属制造。
14.如权利要求13所述的风力发电机，其中，所述金属为铝。
15.如权利要求9所述的风力发电机，其中，叶片具有在0.120到0. 130之间的弯曲对 长度之比。
16.如权利要求15所述的叶片，其中，所述弯曲对长度之比为0.125。
17.如权利要求9所述的风力发电机，其中，该风力发电机为垂直轴风力发电机。
18.一种用于运行垂直轴风力发电机的方法，该风力发电机具有塔筒、连接到该塔筒的 一个或多个叶片和可旋转地连接到塔筒的发电机，该发电机当塔筒由于一个或多个叶片在 风力作用下旋转时产生能量，该方法包括一个或多个叶片在风力作用下旋转塔筒，其中，叶片在旋转时具有凸形；和 当塔筒没有旋转时将每个叶片翻滚到凹形，以承受大风力的条件。
19.如权利要求18所述的方法，其中，在5到10秒时间段内发生将每个叶片翻滚到凹 形的过程。
全文摘要
本发明提供一种风力发电机，诸如垂直轴风力发电机。本发明还提供一种用于风力发电机的叶片和一种用于运转垂直轴风力发电机的方法。
文档编号F03D3/06GK101852180SQ20091022203
公开日2010年10月6日 申请日期2009年11月13日 优先权日2008年11月14日
发明者利昂·E·理查茨, 罗里·R·戴维斯 申请人:举风风力发电设备(上海)有限公司