耦合型垂直轴风力发电机及其发电方法与流程

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种耦合型垂直轴风力发电机及其发电方法，结合了升力与阻力型风力机的特点，主要适用于风速较低或者是路面照明等用电较小的条件下。

背景技术：

随着能源的日益衰竭，可再生能源变得越来越受关注。风能作为一种清洁的可再生能源有望成为重要的替代能源。同以往的水平轴风力机相比较，垂直轴风力机具有风能利用率高，安装维修便利，噪声污染小等众多的优点，已经逐渐被科研工作者所关注，具有较好的市场前景。

垂直轴风力发电机主要分为四个类型：s型、d型、h型和涡轮型。s型风力机的自动转矩大，风速较低时对风能捕捉较好，但是风能利用率低。d型效率虽然高但是自起动转矩较低。h型是英国人在研究达里厄型过程中演变而来的，它的起动能力较好，而对于涡轮型对气体密度较低的环境中适应性较好。

传统的升力型垂直轴风力发电机依靠气体的流动在升力型叶片上产生升力，带动叶轮的转动，升力型垂直轴风力发电机具有较高的风能转化率和高尖速比。但是起动转矩较小难以自行起动。目前的解决方案主要是采用电机辅助起动，这样使得垂直轴风力发电机的成本高、控制复杂、维修不便等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统升力型风力发电机低风速不能自起动，纯阻力型风力机发电效率不高的缺点，在结构上进行了优化组合，提出一种耦合型垂直轴风力发电机及其发电方法。

本发明解决技术问题的主要技术方案是：

本发明耦合型垂直轴风力发电机，包括工作台、第一套筒、竖轴、第二套筒和叶栅组件；所述工作台的顶面与水平面平行，竖轴与工作台顶面垂直设置，竖轴底端与工作台焊接；所述的第一套筒和第二套筒上下间距布置，且均与竖轴通过轴承连接；所述的竖轴、第一套筒及第二套筒与轴承均为过渡配合；四个叶栅组件沿竖轴周向均布。

所述的叶栅组件包括翼型叶片、第一金属销、n块栅板和两个弧形杆件，n取值为5～10；两个弧形杆件内端与第一套筒和第二套筒分别通过螺栓固定，外端均与翼型叶片通过螺栓固定；弧形杆件水平设置；两个弧形杆件的外凸方向一致；n块栅板沿弧形杆件的杆长方向相距排布；栅板的两端分别与两个弧形杆件通过第一金属销铰接；n块栅板的两端及中部各用一根连杆连接，连杆与各栅板的连接处均为采用第二金属销铰接。第一金属销和第二金属销的中心轴线均竖直设置。所述弧形杆件靠近其中一块栅板的侧面处设有限位块。

所述翼型叶片的展长为第一套筒与第二套筒间距的两倍，翼型叶片厚度与展长比为1：1000。

所述栅板的宽度为弧形杆件弦长的n-1分之一。

所述的栅板绕第一金属销的最大摆角为80°。

所述的竖轴采用实心钢材，弧形杆件的材质为钢材，翼型叶片的材质为铝合金，栅板的材质为镀锌铁皮；第一套筒和第二套筒的材质均为不锈钢。

所述的翼型叶片采用美国航空标准翼型naca0018。

所述的工作台采用钢架结构或圆盘结构，竖轴与工作台的连接处沿竖轴周向焊接八个加强筋。

该耦合型垂直轴风力发电机的发电方法，具体如下：

在风速作用下起动：弧形杆件顺风面为凸面，逆风面为凹面，其中一个弧形杆件成为驱动杆件，驱动杆件上的n块栅板均张开到最大摆角，该n块栅板的风载合力为驱动力，沿着径向和切向分解后，得到叶栅风轮的切向驱动力，相较于没有栅板的风轮驱动力增大，起动转矩增大；驱动杆件对面的弧形杆件上的n块栅板全部闭合，阻力面积达到最大，同样相较于没有栅板的风轮增大了起动转矩。驱动杆件两侧的两个弧形杆件受到叶栅风轮中间旋风的影响，使得该两个弧形杆件上的栅板张开形成5°以下的张角或者闭合，增大起动转矩。如此，叶栅风轮在起动转矩下起动。

起动后在稳定转速下运转：起动后直至弧形杆件最内端的线速度大于来流风速时，四个弧形杆件上的栅板全部闭合，弧形杆件与栅板构成附加叶片，增大阻力面积，与翼型叶片共同作用，使叶栅风轮在稳定转速下运转，且相较于没有栅板的风轮提高了发电功率。

本发明主要克服了升力型风力发电机低风速下不能启动、阻力型风力发电机转换效率不高的缺点，进行结构的优化组合，可靠性高，控制简单，结构设计合理，符合小型垂直轴风力发电机的设计理念。

附图说明

图1为本发明的结构立体图；

图2为本发明中栅板的装配立体图；

图3-1为本发明中栅板完全张开时的示意图；

图3-2为本发明中栅板完全闭合时的示意图；

图4为本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

为了能够更直观地实施本发明，下面结合附图对本发明技术方案进行详细的描述。

如图1、2、3-1和3-2所示，耦合型垂直轴风力发电机，包括工作台6、第一套筒7、竖轴8、第二套筒10和叶栅组件；工作台6采用钢架结构或圆盘结构(本实施例采用圆盘结构)。工作台6的顶面与水平面平行。竖轴8采用实心的钢材；竖轴与工作台顶面垂直设置，竖轴底端与工作台6焊接；竖轴8与工作台6的连接处为了加固沿着竖轴的周向方向焊接八个加强筋。第一套筒7和第二套筒10上下间距布置，且均与竖轴8通过轴承连接；竖轴8、第一套筒7及第二套筒10与轴承均为过渡配合。第一套筒7和第二套筒10的材质均为普通的不锈钢。

四个叶栅组件沿竖轴8周向均布；叶栅组件包括翼型叶片1、第一金属销5、七块栅板2和两个弧形杆件9；两个弧形杆件9内端与第一套筒7和第二套筒10分别通过螺栓固定，外端均与翼型叶片1通过螺栓固定；弧形杆件9水平设置，即弧线位于水平面上；两个弧形杆件9的外凸方向一致；七块栅板2沿弧形杆件9的杆长方向相距排布；栅板2的两端分别与两个弧形杆件9通过第一金属销5铰接；七块栅板2的两端及中部各用一根连杆3连接，连杆3与各栅板2的连接处均为采用第二金属销4铰接，这样使七块栅板构成联动机构，确保七个栅板同时摆动相同的角度。第一金属销5和第二金属销4的中心轴线均竖直设置。

翼型叶片1采用美国航空标准翼型naca0018。弧形杆件的材质为钢材，翼型叶片1的材质为铝合金，栅板的材料为镀锌铁皮。翼型叶片展长为第一套筒7与第二套筒10间距的两倍，翼型叶片厚度与展长比为1：1000。栅板2的宽度为弧形杆件弦长的六分之一，保证了栅板2闭合时近似首尾连接(所有栅板2大约形成5°的摆角，由于连杆3的阻碍作用，栅板2的摆角达不到0°，本实施例中设定摆角最小为5°)，保证栅板能获得较大的迎风面积，从而保证了栅板和弧形杆件获得最大的扭矩，同时也保证了本发明的叶栅风轮(由第一套筒7、第二套筒10和叶栅组件组成，现有风轮没有叶栅和弧形杆件)形成最大的升力效果，同时也保证栅板2在空气的作用下，能从闭合状态顺利打开。弧形杆件靠近其中一块栅板2的侧面处设有限位块，保证栅板绕着第一金属销5的最大摆角在80°。

如图4所示，该耦合型垂直轴风力发电机的发电方法，具体如下：

在风速v的作用下起动：弧形杆件顺风面为凸面，逆风面为凹面，其中一个弧形杆件9成为驱动杆件，驱动杆件上的七块栅板均张开到最大摆角，该七块栅板的整个风载合力为驱动力，沿着径向和切向分解后，得到叶栅风轮的切向驱动力，相较于没有栅板的风轮驱动力增大，起动转矩增大；驱动杆件对面的弧形杆件9上的七块栅板全部闭合，阻力面积达到最大，同样相较于没有栅板的风轮增大了起动转矩。驱动杆件两侧的两个弧形杆件9受到叶栅风轮中间旋风的影响，使得该两个弧形杆件9上的栅板张开形成5°以下的张角或者闭合，增大起动转矩。叶栅风轮在起动转矩下，风速较低时也能顺利起动。

起动后在稳定转速下运转：起动后直至弧形杆件最内端的线速度大于来流风速时，四个弧形杆件上的栅板全部闭合，弧形杆件与栅板构成附加叶片，增大阻力面积，与翼型叶片共同作用，使叶栅风轮在稳定转速下运转，且相较于没有栅板的风轮提高了发电功率。

在风力的作用下，翼型叶片绕着竖轴转动，弧形杆件也围绕着竖轴转动，栅板可以围绕弧形杆件的某一轴线摆动，和弧形杆件形成张开和闭合两种状态。每块栅板根据气流的流动自动切换实现升力做功状态或阻力做功状态。刚起动时，栅板在风力的作用下一半是张开，一般是闭合，从而使得风力发电机无论在任何转动位置时都保持一半是升力型风力机特征，另一半是阻力型风力机特征，而起动完成处于稳定运转状态时，所有栅板均呈现全闭合的状态，使得风力发电机呈升力型风力机的特征。

本发明在传统风力机上增加栅板来构成所谓的阻力型叶片，主要利用阻力型叶片具有较大的起动力矩以及升力型叶片拥有较高的风能转换效率的特点，从而进行结构优化、组合，结构简单、成本低，可以较大程度解决现有小型垂直轴风力机普遍存在的问题。同时，解决了升力机需要附加电机起动这一问题，可靠性高、控制简单，便于推广，有利于风力机的推广。风轮主要实现风能的吸收与转换。