一种升阻复合型风雨发电装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种升阻复合型风雨发电装置，包括：一放在地面或楼顶的支撑架；一固定于支撑架上的发电机；一螺旋叶片，其轴线处有一通孔；一中心安装中心轴，所述中心轴直径与所述螺旋叶片通孔直径相同并从其中穿过，其下端与发电机联接；两个十字架；四个翼型叶片，每个翼型叶片的两端压平后扭转90°，分别与所述两个十字架联接，并与所述中心轴平行；一设于两个十字架之间的螺旋叶片，所述的螺旋叶片固设于中心轴，表面粗糙。本发明采用升阻复合装置，在保证运行可靠的情况下，提高了发电效率；中心轴倾斜安装，既能利用风能，也能利用雨水的动能和势能。
【专利说明】—种升阻复合型风雨发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种升阻复合型风雨发电装置，具体的说是一种同时采用翼型叶片和螺旋叶片、中心轴倾斜放置、能转换风能和雨水能的发电装置。
【背景技术】
[0002]目前在风力发电机行业利用和研究的风力发电机型式主要有水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。垂直轴风力发电机分为阻力型风力发电机和升力型风力发电机两类。
[0003]水平轴风力发电机因具有风能利用效率高和理论研究成熟的优点成为目前风力发电的主要形式。随着科技的发展，人们逐渐认识到以往认为的垂直轴风轮的尖速比不能大于I仅仅适用于阻力型风轮，升力型风轮的尖速比最高可以达到6，其风能利用率也不低于水平轴风力发电机。
[0004]与水平轴风力发电机相比，阻力型垂直轴风力发电机具有以下优点:(1)结构简单、制造成本低；(2) —般安装于地面或楼顶，对设备的重量及安装尺寸要求低，也便于维护；(3)对风向无要求，无需迎风装置；(4)启动力矩大，很小的风即能启动；(5)噪声小，可在人口集聚和城市公共设施等对噪声控制要求比较高的地方使用；(6)对鸟类几乎无影响，对生态影响小。
[0005]升力型垂直轴风力发电机不但具有阻力型垂直轴风力发电机上述的优点，还具有尖速比高、风能利用率高的优点。
[0006]因此，垂直轴风力发电机比水平轴风力发电机具有更加广阔的使用空间，尤其适用于家庭用小型发电。
[0007]与风相似，雨水也是一种清洁的可再生能源，它同样蕴含巨大的能量。雨在下落过程中，与空气组成近似的气液两相匀质流体，具有流体的特性，可将其看成密度介于空气密度和水密度之间的匀质流体。相同体积条件下，其动能远大于相同速度风的动能。由于雨不像风一样几乎每天都有，雨水发电一直未被普遍重视。目前所用到的雨水发电，也主要是收集后利用其势能，雨水的动能则很少被利用。
[0008]专利“复合型风力发电装置”(申请号201010608324.5)提出一种升阻复合型垂直轴风力发电机，使用螺旋螺旋叶片和翼型叶片复合发电，其突出特点是降低启动风速、提高尖速比。其不足之处是:(1)螺旋叶片接收风的有效面积小；(2)螺旋叶片扭转角度最高是180°，因而整个装置的高度受到限制；(3)不能利用雨水能。
[0009]专利“风雨水能发电装置”(申请号201010275717.9)提出一种可以同时利用风能和雨水能的复合发电装置，雨水在楼顶容器中汇集，雨水下落时机械能带动发电机转动，解决了单一风能开发利用的时效性问题。其不足之处是:(I)部分装置必须安装在楼顶，而楼顶的风由于受到楼群的干扰，很不稳定，风速过小时，水平轴风力发电机不易启动，风速过大时，水平轴风力发电机由于尖速比高而易失速损毁；(2)只利用了收集后雨水的势能，并未利用雨水从空中落下时的动能。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于提供一种升阻复合型风雨发电装置，它采用翼型叶片和螺旋状螺旋叶片相结合、中心轴倾斜放置的结构方式。
[0011]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为如下:
一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于包括:(1) 一放在地面或楼顶的支撑架；
(2)—固定于支撑架上的发电机；(3) 一螺旋型螺旋叶片,其轴线处为一通孔；(4) 一中心轴，所述中心轴直径与所述螺旋叶片通孔直径相同并从通孔中穿过，其下端与发电机联接；
(5)两个十字架；(6)四个翼型叶片，每个翼型叶片的两端压平，分别与所述十字架联接，并与所述中心轴平行；(7) —设于两个十字架之间的螺旋叶片，所述的螺旋叶片固设于中心轴，表面粗糙。
[0012]其进一步技术方案为:所述螺旋叶片扭转圈数0.5?4。
[0013]其进一步技术方案为:所述螺旋叶片高径比1飞。
[0014]其进一步技术方案为:所述的叶片和翼型叶片的材料为铝或塑料。
[0015]其进一步技术方案为:所述的中心轴倾斜安装于支撑架上，倾斜角度40°?50°。
[0016]其进一步技术方案为:所述的螺旋叶片横断面为S型，中间厚两端薄，从中间到两端平滑过渡。
[0017]其进一步技术方案为:所述的螺旋叶片边缘有溜槽。
[0018]本发明的有益效果是:本发明采用升阻复合装置，由于具有阻力型装置，启动力矩大，由于具有升力型装置，尖速比高；当风速过大时，螺旋叶片还可以产生阻力防止风力发电装置失速，保护发电装置不受损坏，在保证运行可靠的情况下，提高了发电效率；中心轴倾斜安装，螺旋叶片扭转角度不受限制，因而装置的大小几乎不受限制；既能利用风能，也能利用雨水的动能和势能。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明一种升阻复合型风雨发电装置具体实施例的立体结构示意图；图2为螺旋叶片立体结构示意图；图3为螺旋叶片与翼型叶片位置关系示意图；图4为十字架立体结构示意图；图5为流体与中心轴不同夹角时螺旋叶片有效作用面积示意图；图6为螺旋叶片接收风雨示意图。
[0020]图中标识说明:1支撑架；2发电机；3螺旋叶片；301螺旋叶片通孔；302溜槽；4翼型叶片；5中心轴；6十字架；601十字架通孔；602切槽。
【具体实施方式】
[0021]为了更充分地说明本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
[0022]如图1所示，本发明一种升阻复合型风雨发电装置，它包括支撑架I ;发电机2 ;螺旋叶片3 ;翼型叶片4 ;中心轴5 ;十字架6。其中，螺旋叶片3包括螺旋叶片通孔301和溜槽302 ;十字架6包括十字架通孔601和切槽602。
[0023]支撑架I用于支撑整个装置，不限于任何形式，以支撑起整个装置并使整个装置平稳运行为宜。
[0024]发电机2固定于支撑架上，通过齿轮与中心轴联接，通常通过稳压电路与电能存储设备相连，以便将不稳定的风力发出的电能进行存储之后再输出至负载。
[0025]螺旋叶片3为阻力装置，扭转圈数0.5^4,高径比f 6。横断面为S型，中间宽两端窄，从中间到两端平滑过渡。其轴线处有螺旋叶片通孔301。表面粗糙，增大了螺旋叶片3的表面积，既对风有浓缩作用，也使得雨落在上面不易溅出。
[0026]翼型叶片4两端压平，分别与两个十字架6联接，与中心轴5平行，其横截面为翼型，也能同时转化风能和雨水能。
[0027]中心轴5倾斜安装于支撑架1上，倾斜角度40°飞0°，从而使螺旋叶片3及翼型叶片4装置倾斜，在利用风能的同时，又能利用雨水能。
[0028]十字架6通过十字架通孔601与中心轴5联接；通过切槽602与翼型叶片4联接。
[0029]溜槽301功能是加强对风的捕捉和对雨水的引流。
[0030]优选地，螺旋叶片3和翼型叶片4的材料为铝或塑料。
[0031]在本实施例中，螺旋叶片3扭转圈数1.5，高径比2.5，中心轴5倾斜角45°。下面以具有上述特征的螺旋叶片3为例子来说明螺旋叶片3的工作原理。
[0032]如图5，假设流体流动方向为垂直本文档向里。螺旋叶片(a)垂直于本文档且平行于水平面，螺旋叶片(b广(g)分别绕平行于本文档且平行于水平面的横线旋转15°、30°、45°、60°、75。、90°，则螺旋叶片(a)~(g)的轴线与流体流动方向的夹角分别是0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°。由图6可以轻易看出，在螺旋叶片3的轴线上产生力矩的有效螺旋叶片3的面积先增大后减小，在45°左右时,有效作用面积最大。最佳角α应该根据螺旋叶片横截面的具体参数和螺旋叶片3材料的表面粗糙度而确定，必要时，须根据计算流体动力学软件模拟或风洞试验结果来确定。
[0033]进一步地，考虑到该装置面向的对象是近似水平的风和近似竖直的雨水，安装角β=45°只是折中方案，对单独的风或雨来说，安装角β =45°不一定是最合适的安装角。具体的安装角β应根据当地的风雨气候情况而定，若以风为主，则应使安装角β接近于最佳角α，若以雨为主，则应使(90° _β)接近于最佳角α。
[0034]如果具体的安装角β —定，对于翼型叶片4，风对其有效作用系数是SinP，雨对其有效作用系数是cosi3。所以，在确定安装角β时也要考虑翼型叶片4的作用效果。
[0035]如图1、图3、图6，当风水平作用在倾斜的螺旋叶片3上时，螺旋叶片3的凹面和溜槽302的凹面对风都有浓缩作用，而螺旋叶片3的凸面和溜槽302的凸面对风都有扩散作用，由于凹凸面的受力不均而产生对中心轴5的力矩，带动中心轴5旋转，进而带动发电机
2。另外，螺旋叶片3的表面粗糙，也会增大对风的捕捉收集作用。
[0036]当雨水竖直作用在螺旋叶片3上时，螺旋叶片3的凹面和溜槽302的凹面对雨水都有收集作用，而螺旋叶片3的凸面和溜槽302的凸面对雨水都有扩散作用，由于凹凸面的受力不均而产生对中心轴5的力矩，雨水的动能得到利用。由于螺旋叶片3表面粗糙，落在上面的雨水不会轻易溅出；由于溜槽的阻挡，即使螺旋叶片3在旋转，汇集在螺旋叶片3表面上的雨水也不会马上流出螺旋叶片3，而是被引导着流经整个螺旋叶片3，雨水绕螺旋叶片3下落时重力和离心力不均匀地作用在螺旋叶片3上，产生对中心轴5的力矩，从而利用了雨水的势能。雨水的动能和势能带动中心轴5旋转,进而带动发电机2。[0037]如图1、图2、图3，对于作用在在翼型叶片4上的风或雨水，只需先将其转换成垂直作用在翼型叶片4上的风或雨水的量，再按翼型原理分析即可。在此不作过多的阐述。需要特别指出的是，与螺旋叶片3不同，翼型叶片4不能转换雨水的势能。
[0038]当风或雨较小时，由于螺旋叶片3启动力矩大，能轻易启动，从而带动翼型叶片4转动；翼型叶片4使整个装置的尖速比增大；从而使装置在风速较小时不但能启动，而且有较大的转速。当风或雨过大时，螺旋叶片3还能产生阻力，限制装置的转速，保护发电装置不受损坏。
[0039]综上所述，本发明采用升阻复合装置，由于具有阻力型装置，启动力矩大；由于具有升力型装置，尖速比高。当风速过大时，螺旋叶片3还可以产生阻力防止风力发电装置失速，保护发电装置不受损坏。在保证运行可靠的情况下，提高了发电效率。中心轴5倾斜安装，螺旋叶片3扭转角度不受限制，因而装置的大小几乎不受限制。既能利用风能，也能利用雨水的动能和势能。
[0040]本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对本发明所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于包括:一放在地面或楼顶的支撑架；一固定于支撑架上的发电机；一螺旋叶片，其轴线处有一通孔；一中心轴，所述中心轴直径与所述螺旋叶片通孔直径相同并从其中穿过，其下端与发电机联接；两个十字架；四个翼型叶片，每个翼型叶片的两端压平后扭转90°，分别与所述两个十字架联接，并与所述中心轴平行；一设于两个十字架之间的螺旋叶片，所述的螺旋叶片固设于中心轴，表面粗糙。
2.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述螺旋叶片扭转圈数0.5?4。
3.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述螺旋叶片高径比1飞。
4.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述的叶片和翼型叶片的材料均为铝或塑料。
5.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述的中心轴倾斜安装于支撑架上，倾斜角度40°飞0°。
6.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述的螺旋叶片横断面为S型，中间厚两端薄，从中间到两端平滑过渡。
7.根据权利要求1所述的一种升阻复合型风雨发电装置，其特征在于所述的螺旋叶片边缘有溜槽。
【文档编号】F03D9/00GK103867395SQ201410103634
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】宋彦, 谢志杰, 李洪盛, 刘楚梁, 梁耘涌, 李彤彤 申请人:中国矿业大学