专利名称：骨架型螺旋风能叶片及风能发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风能发电技术领域，特别是风能发电装置的螺旋风能叶片。本发明还涉及设有所述螺旋风能叶片的风能发电装置。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，电能需求大幅增长，由于供需之间的矛盾，许多地区在用电高峰甚至不得不采取限电措施，而增加电能供给是解决这一矛盾的根本途径。在我国，电能主要来源于火电、水电和风电，另外有一部分来自核电，其中风电以其环保、成本低廉和不受地域限制等优点，越来越受到人们的重视。目前，风力发电机大多采用传统风车结构，采用辐射叶片，即由旋转中心延伸出若 干曲面叶片。这种风力发电机占据空间大，抗风能力差，且对材料强度有较高要求，加之自重大,难以高速旋转,风能效率低；也有小部分采用垂直轴风力发电机，垂直轴风力发电机一般分为两类s型风轮和H型风轮，S型风轮低风速启动性能好，但风能效率低；H型风轮风能效率高，但低风速时不易启动。针对风车式风力发电机和垂直轴风力发电机存在的不足，现有技术方案中出现了螺旋形风能发电装置。如公开号为CN101526068A的发明专利申请公布说明书，公开了一种组合式螺旋叶轮风力发电系统，其螺旋叶轮是由若干叶轮垂直构件沿轴向组装，同时，每个叶轮垂直构件又是由若干叶轮水平构件沿螺旋叶轮径向拼接组合而成。又如授权公告号为CN201474868U的实用新型专利公开的螺旋直轴型风力发电装置，其转轴的一侧与发电机的心轴相连，复数片螺旋叶片的一侧固定在转轴的表面，且叶片沿转轴呈螺旋环绕状，叶片的另一侧成型有用于挡风的挡风墙，在叶片承接风力时，挡风墙可以承受一定的风力，减少风力从叶片的周边漏出。上述螺旋形风能发电装置采用螺旋形叶片代替原有风机叶片，让风吹过叶片产生两侧气压，从而使叶片绕中心轴转动；螺旋形叶片风能效率相对较高；叶片可采用高性能纤维复合材料或塑料或轻质金属等，减轻风机重量，低风速启动性能有所提高；此种风力发电机使用地域限制较小，易于推广。但存在以下不足其一，螺旋形风能叶片虽然可选用轻质材料，但低风速启动性能的提高依然有限，有进一步改进的空间。其二，大多数螺旋叶片为组合结构，不仅加工成本高，且运输、安装、维护困难。其三，由于需要在螺旋形风能叶片的中心处设置转轴，导致其重量较大，且结构复杂。其四，叶片边缘挡风墙需要单独设置，使结构复杂化。因此，如何进一步简化螺旋形风能叶片的结构，以提高其低风速启动性能，并克服存在的不足，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种骨架型螺旋风能叶片。该螺旋风能叶片结构简单、质量较轻，可显著提高低风速启动性能，且易于运输、安装、维护。本发明的第二目的是提供一种设有所述螺旋风能叶片的风能发电装置。为了实现上述第一目的，本发明提供一种骨架型螺旋风能叶片，包括第一支架、第二支架和柔性片材，所述第一支架和第二支架形成双螺旋结构；所述柔性片材的一侧连接于所述第一支架，另一侧连接于所述第二支架，并沿所述第一支架和第二支架的走势形成螺旋形受风面。优选地，进一步包括辅助支架，所述辅助支架支撑所述螺旋形受风面呈曲线型。优选地，所述柔性片材包括若干单片，所述单片沿第一支架和第二支架的螺旋形走势依次连接。优选地，所述第一支架和第二支架的外侧设有轴向布置的传力绳。优选地，所述第一支架和第二支架为能够轴向伸缩的轻质弹性支架。优选地，所述第一支架和第二支架在所述螺旋形受风面两侧形成挡风墙。优选地，所述螺旋形受风面呈圆柱螺旋形或圆锥螺旋形。优选地，所述螺旋形受风面呈螺距螺旋形或变螺距螺旋形。优选地，所述柔性片材的材质为布料或膜料；所述第一支架和第二支架的材质为钢丝或碳纤维。为实现上述第二目的，本发明提供一种风能发电装置，包括发电机以及与所述发电机传动连接的螺旋风能叶片，所述螺旋风能叶片为上述任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，所述第一支架和第二支架的一端与所述发电机直接或间接连接。本发明所提供的骨架型螺旋风能叶片，主要由两个支架和中间的柔性片材构成，其中支架为整个叶片的骨架，形成叶片的边缘轮廓，柔性片材的两侧分别与两个支架连接，并沿着两个支架的走势形成螺旋形受风面。该风能叶片的支架可采用轻质弹性材料，柔性片材的质量也相对较轻，因此整个叶片的重量大幅减轻，可显著提高低风速启动性能，风能效率相对较高；由于支架一端可直接或间接与发电机连接，柔性片材为一体化设计，因此可省去中间转轴，进一步简化了结构。此外，其结构简单、易于加工，不仅加工成本较低，且易于运输、安装和维护。在一种具体实施方式
中，所述第一支架和第二支架为能够轴向伸缩的轻质弹性支架。由于支架采用了轻质弹性材料，因此实现了螺旋风能叶片的可伸缩设计，在螺旋风能叶片一次加工成型后，可在两端施加适当压力，使螺旋风能叶片被压缩，从而减小体积，方便安装、运输和使用。在另一种具体实施方式
中，所述第一支架和第二支架在所述螺旋形受风面两侧形成挡风墙，两侧支架除作为支架使用外，还可以形成挡风墙，在叶片承受风力时，挡风墙可 以减少风力从叶片的周边漏出。本发明所提供的风能发电装置设有上述骨架型螺旋风能叶片，由于上述骨架型螺旋风能叶片具有上述技术效果，设有该骨架型螺旋风能叶片的风能发电装置也应具备相应的技术效果。
图I为本发明所提供骨架型螺旋风能叶片的一种具体实施方式
的结构示意图；图2为图I所示骨架型螺旋风能叶片处于压缩状态时的结构示意图；图3为图I所示骨架型螺旋风能叶片设有传力绳时的结构示意图；图4为图I中所示柔性片材径向分割后所得单片的展开图；图5为图4所示单片在Im宽布料上的排列示意图；图6为图I中所示柔性片 材按照螺旋面展开公式直接展开时一个导程的展开图。图中I.第一支架2.第二支架3.柔性片材4.传力绳5.单片6.基材
具体实施例方式本发明的核心是提供一种骨架型螺旋风能叶片。该螺旋风能叶片结构简单、质量较轻，可显著提高低风速启动性能，且易于运输、安装、维护。本发明的另一核心是提供一种设有所述螺旋风能叶片的风能发电装置。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。请参考图1，图I为本发明所提供骨架型螺旋风能叶片的一种具体实施方式
的结构示意图。在一种具体实施方式
中，本发明提供的骨架型螺旋风能叶片，主要由第一支架I、第二支架2和中间的柔性片材3构成。第一支架I和第二支架2形成双螺旋结构，柔性片材3的一侧连接于第一支架1，另一侧连接于第二支架2，并沿第一支架I和第二支架2的走势形成螺旋形受风面。第一支架I和第二支架2为能够轴向伸缩的轻质弹性支架，其材质可采用钢丝或碳纤维等，柔性片材3采用质地较轻且具有一定韧性和强度的材料，如塑料膜、合成膜等膜料，或降落伞布等布料。柔性片材3与第一支架I和第二支架2的连接可采用穿套方式，即先在柔性片材3的两侧预制出一端封闭的套管，该套管与各支架的横截面直径相适配，将第一支架I和第二支架2沿套管穿入，并在另一端进行固定即可实现连接。当然，柔性片材3与第一支架I和第二支架2还可以采用其他连接方式，例如粘接、缝接或通过连接件连接等等。此外，整个螺旋风能叶片的形状也不局限于圆柱螺旋形，还可以是圆锥螺旋形，根据螺距的不同，还可以是等螺距螺旋形或变螺距螺旋形。由柔性片材3形成的螺旋形受风面不仅可以为直线型，还可以通过设置辅助支架(图中未示出)，由辅助支架支撑螺旋形受风面形成各种曲线型，例如垂直轴风力发电机中常见的S型。具体地，辅助支架可位于第一支架和第二支架之间，其一端连接于第一支架，另一端连接于第二支架。如此，辅助支架不仅可以用于形成曲线型受风面，而且能够提高螺旋风能叶片的结构强度。当然，将辅助支架直接附着于柔性片材同样能够实现本发明目的。上述风能叶片的支架采用轻质弹性材料，柔性片材的质量也相对较轻，因此整个叶片的重量大幅减轻，可显著提高低风速启动性能，风能效率相对较高；由于支架一端可直接或间接与发电机连接，柔性片材为一体化设计，因此可省去中间转轴，进一步简化了结构。此外，其结构简单、易于加工，不仅加工成本较低，且易于运输、安装和维护。可以理解的是，该风能叶片也可用于水流发电，即利用水流驱动风能叶片旋转，进而带动发电机发电，由于两者的发电原理基本相同，这里就不再详述。请参考图2，图2为图I所示骨架型螺旋风能叶片处于压缩状态时的结构示意图。由于支架采用了轻质弹性材料，因此实现了螺旋风能叶片的可伸缩设计，在螺旋风能叶片一次加工成型后，可在两端施加适当压力，使螺旋风能叶片被压缩，从而减小体 积，方便安装、运输和使用。若第一支架I和第二支架2的直径大于柔性片材的厚度，则两者除作为支架使用夕卜，还能够在螺旋形受风面两侧形成挡风墙，从而在叶片承受风力时，减少风力从叶片的周边漏出。在此技术启示下，第一支架I和第二支架2的横截面形状可以不局限于圆形，通过设计不同横截面形状的第一支架I和第二支架2，可获得使用效果更好的挡风墙。请参考图3，图3为图I所示骨架型螺旋风能叶片设有传力绳时的结构示意图。进一步地，第一支架I和第二支架2的外侧设有轴向布置的传力绳4，传力绳4在圆周方向上间隔、均匀分布，其具体数量根据螺旋风能叶片的各项参数和实际需要而定，传力绳4 一方面可以将风能传输到风能发电装置的地面发电机构，以带动地面发电机构进行发电，另一方面，可以起到控制螺旋风能叶片螺距的作用，通过调节传力绳4的连接长度可以调节螺旋风能叶片的螺距及螺旋角度，从而满足不同工况的需要。当螺旋风能叶片较长时，从加工的角度考虑，柔性片材分段制造是必要的，具体可以采用两种方法实现其分段制造，方法一为沿径向对柔性片材3进行分割，方法二为利用螺旋面展开公式对柔性片材3直接展开。请参考图4、图5，图4为图I中所示柔性片材径向分割后所得单片的展开图；图5为图4所示单片在Im宽布料上的排列示意图。将柔性片材3径向分割后，可得到其中一个单片5的形状，按照得到的单片5的形状在一张Im宽的基材6上进行排列、裁剪，可获得若干形状相同的单片5，将这些单片5沿第一支架I和第二支架2的螺旋形走势依次缝制在一起即可得到所需的柔性片材3。请参考图6，图6为图I中所示柔性片材按照螺旋面展开公式直接展开时一个导程的展开图。将柔性片材3按照螺旋面展开公式直接展开时，其一个导程的单片5大体上呈圆环形，与径向分割的方法相比，该方法的单片数量相对较少，这样可以减少接缝数量，提高结构强度。当然，本文对柔性片材的制作方法不做具体限定，可以有多种，上述两种仅是示例性说明，凡是能够形成螺旋形受风面的制作方法，均落在本发明的保护范围之内。上述骨架型螺旋风能叶片仅是本发明的一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。除了上述骨架型螺旋风能叶片，本发明还提供一种风能发电装置，包括发电机以及与所述发电机传动连接的螺旋风能叶片，所述螺旋风能叶片为上文所述的骨架型螺旋风能叶片，所述第一支架和第二支架的一端与所述发电机直接或间接连接，实现风能向电能的转化，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。 以上对本发明所提供的骨架型螺旋风能叶片及风能发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，包括第一支架、第二支架和柔性片材，所述第一支架和第二支架形成双螺旋结构；所述柔性片材的一侧连接于所述第一支架，另一侧连接于所述第二支架，并沿所述第一支架和第二支架的走势形成螺旋形受风面。
2.根据权利要求I所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，进一步包括辅助支架，所述辅助支架支撑所述螺旋形受风面呈曲线型。
3.根据权利要求I所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述柔性片材包括若干单片，所述单片沿第一支架和第二支架的螺旋形走势依次连接。
4.根据权利要求I所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述第一支架和第二支架的外侧设有轴向布置的传力绳。
5.根据权利要求I所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述第一支架和第二支架为能够轴向伸缩的轻质弹性支架。
6.根据权利要求I至5任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述第一支架和第二支架在所述螺旋形受风面两侧形成挡风墙。
7.根据权利要求I至5任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述螺旋形受风面呈圆柱螺旋形或圆锥螺旋形。
8.根据权利要求I至5任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述螺旋形受风面呈螺距螺旋形或变螺距螺旋形。
9.根据权利要求I至5任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，其特征在于，所述柔性片材的材质为布料或膜料；所述第一支架和第二支架的材质为钢丝或碳纤维。
10.一种风能发电装置，包括发电机以及与所述发电机传动连接的螺旋风能叶片，其特征在于，所述螺旋风能叶片为上述权利要求I至9任一项所述的骨架型螺旋风能叶片，所述第一支架和第二支架的一端与所述发电机直接或间接连接。
全文摘要
本发明公开了一种骨架型螺旋风能叶片，包括第一支架、第二支架和柔性片材，所述第一支架和第二支架形成双螺旋结构；所述柔性片材的一侧连接于所述第一支架，另一侧连接于所述第二支架，并沿所述第一支架和第二支架的走势形成螺旋形受风面。该螺旋风能叶片结构简单、质量较轻，可显著提高低风速启动性能，且易于运输、安装、维护。本发明还公开了设有所述螺旋风能叶片的风能发电装置。
文档编号F03D9/00GK102644558SQ201210139318
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者张阳 申请人:中国中煤能源集团有限公司