一种双叶片式风力发电方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种双叶片式风力发电方法。

背景技术

风力发电是指把风的动能转为电能，风能是一种清洁无公害的的可再生能源能源，很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。

风力机是将风能转换为机械能的动力转换装置，它通过与气流的相互作用，输出有效的转矩和转动，驱动工作机械运转。现有的风力发电机主要使用水平轴高速风轮，其主要缺点是需要有较高的启动风速，并且需要根据风向的变化调整风轮的朝向，叶片的大小主要要根据塔架的高低确定，大大降低了应用范围，且由于叶片要安装在塔架的顶端，给安装和维护带来不便。为提高风能的利用率和降低成本，风力发电设备仍有较大的优化空间。

经检索，如中国专利申请号：cn92236222x，发明名称：风帆式风力动力装置，通过随风调节竖翼上的叶片转角控制竖翼的气流通断来吸收任何方向的风力，降低了启动风速，但缺乏控制风力机转速的机制；如中国专利申请号：cn2004100675751，发明名称：升力、阻力联合型垂直轴风力机，利用导流板和导流装置改变气流的分布使叶片能利用气流的升力和阻力做功，达到了降低风力机启动风速和提高工作效率的目的。然而，其导流装置结构庞大、成本高，且需要随风向变化，存在运动惯量大、控制功率大的问颗。

又如中国专利申请号：2018101558028，申请日：2018年2月23日，发明创造名称为：一种单轴双式风力发电设备，该申请案公开了一种单轴双式风力发电设备，包括有外部整流设备和内部风力发电设备，内部风力发电设备设置于外部整流设备内，内部风力发电设备包括发电机和中轴，中轴为发电机的动力输入轴，在中轴上固定阵列设置有向外延伸的水平叶片，水平叶片上下对应，在上下两个水平叶片之间固定连接有垂直叶片，垂直叶片设置于水平叶片的最外端端部，与上下两个水平叶片构成封闭的横架。该申请案能够在低风速情况下提高发电能力的风力发电机设备，但行业内对于风力发电的技术研究从未停止。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中风力发电风能利用率较低、生产成本较高的不足，提供了一种双叶片式风力发电方法，采用专门的风力发电系统，成本较低，适用性较强，因启动风速要求低，摆脱了只能在空气密度大的东北、华北、西北等地使用的局限性；且该系统结构简单，制造加工和维修方便，应用范围广阔；又因该风力发电系统结构简单，可以根据不同的使用场合进行适应优化，因其拆卸维修方便，与传统风力机相比大大提高了售后服务人员的维修效率，进一步降低成本。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种双叶片式风力发电方法，采用风力发电系统，按照以下步骤进行：

步骤一、风力发电系统中的风力机叶片横档在气流通路上，气流在叶片前后的压强差形成阻力，推动叶片转动；

步骤二、叶片转动通过齿轮传动到传动箱，传动箱经过齿轮传动给机架；

步骤三、机架通过齿轮传动到发电机单元，发电机单元进行发电，将风能转化为电能。

更进一步地，所述的风力发电系统包括机架、发电机单元和叶片，机架的一侧设置有发电机单元，且机架与发电机单元之间通过斜齿轮传动；机架上方设置有传动箱，传动箱上方两侧均设置有叶片，叶片与传动箱之间通过锥齿轮传动，每一侧的叶片均包括两片呈中心对称分布的s形叶片。

更进一步地，叶片包括设置于传动箱两侧的第一立轴和第二立轴，第一立轴的两侧分别设有第一叶片和第二叶片，且第一叶片和第二叶片绕第一立轴呈中心对称分布；第二立轴的两侧分别设有第三叶片和第四叶片，且第三叶片和第四叶片绕第二立轴呈中心对称分布；第一叶片、第二叶片、第三叶片和第四叶片的截面均为s形。

更进一步地，传动箱两侧对称设置有连接架，连接架端部设置有中空的安装球壳，连接架内部设置有传动杆，第一立轴和第二立轴分别对应伸入安装球壳内并与传动杆啮合传动，第一立轴和第二立轴分别与安装球壳通过滚动轴承配合。

更进一步地，安装球壳远离连接架的端部开设有缺口，该缺口延伸至安装球壳的中空部分。

更进一步地，第一立轴和第二立轴下部均设有锥齿轮，传动杆的端部对应设有相配合的锥齿轮，第一立轴和第二立轴分别与传动杆通过锥齿轮啮合传动。

更进一步地，第一立轴和第二立轴上的锥齿轮与传动杆上锥齿轮的速比均为1：(1-2.5)。

更进一步地，第一立轴和第二立轴上的锥齿轮与传动杆上锥齿轮的速比均为1：1。

更进一步地，机架上还设置有用于控制叶片初始位置的舵机。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种双叶片式风力发电方法，采用风力发电系统，该系统采用双s形叶片设计，传递更大扭矩，提高风能利用率，且叶片质量分布对称于自转轴线，质心位于自转轴线上，叶片转动能回到初始状态，因为能够满足叶片运行轨迹相同和径向自平衡的要求；s形叶片在不改变原有迎风面积的基础上，使叶片立轴两侧迎风面空气阻力系数具有一定差别，具有一定压力差，进而降低叶片自转阻力，提高风能利用率。

(2)本发明的一种双叶片式风力发电方法，发电系统包括中空的安装球壳，且安装球壳远离连接架的端部开设有缺口，该缺口延伸至安装球壳的中空部分，使得在安装球壳端部形成开口，中空结构实现整体结构的轻量化设计，启动风力小，风能利用效率高。

(3)本发明的一种双叶片式风力发电方法，发电系统的第一立轴和第二立轴分别与安装球壳通过滚动轴承配合，降低因加工和安装误差存在下空气阻力对立轴可靠性的影响。

(4)本发明的一种双叶片式风力发电方法，发电系统的双s形叶片转动具有较高的稳定性，在一定的风速和一定的载荷下，叶片以一定的角速度转动，如果出现某种干扰使转速加大，正压区缩小而负压区增大，风压力的驱动力矩立即下降，产生对于主轴的负加速度，抑制了叶片加速的趋势；反之，如果出现某种干扰使转速变小，负压区缩小而正压区增大，风压力的驱动力矩立即增大，产生对于主轴的正加速度，抑制了叶片减速的趋势，因此具有转动的自稳定特性，可以避免风力机超速转动造成的破坏。

(5)本发明的一种双叶片式风力发电方法，风力发电系统启动风速小，在微风下即可正常启动运作，且机架的底部上还设置有用于调整叶片角度的舵机，舵机可以控制叶片初始位置，时刻保持一侧的叶片在平行于机身的同时与风向垂直，使得灵敏度较高，便于风力机启动，提高风能利用率。

附图说明

图1为本发明的一种双叶片式风力发电方法的示意图；

图2为本发明中风力发电系统的结构示意图；

图3为本发明中风力发电系统的结构示意图；

图4为本发明中风力发电系统的左视结构示意图；

图5为本发明中风力发电系统的主视结构示意图；

图6为本发明中风力发电系统的俯视结构示意图；

图7为本发明中叶片上各点速度的计算原理示意图；

图8为本发明中风速5m/s时叶片表面压力分布示意图；

图9为本发明中风速10m/s时叶片表面压力分布示意图；

图10为本发明中风速15m/s时叶片表面压力分布示意图；

图11为本发明中风速20m/s时叶片表面压力分布示意图。

示意图中的标号说明：

100、机架；200、传动箱；210、连接架；220、安装球壳；230、缺口；240、传动杆；

310、第一立轴；320、第一叶片；330、第二叶片；340、第一副叶；350、第二副叶；360、第一切叶；370、第二切叶；

410、第二立轴；420、第三叶片；430、第四叶片；440、第三副叶；450、第四副叶；460、第三切叶；470、第四切叶；500、通孔。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种双叶片式风力发电方法，利用专门的风力发电系统，按照以下步骤进行发电：

步骤一、风力机叶片横档在气流通路上，气流在叶片前后的压强差形成阻力，推动叶片转动；

步骤二、叶片转动通过齿轮传动到传动箱200，传动箱200经过齿轮传动给机架100；

步骤三、机架100通过齿轮传动到发电机单元，发电机单元进行发电，将风能转化为电能。

本实施例中所采用的风力发电系统如图2-图11所示，该风力发电系统包括机架100、发电机单元和叶片，机架100的一侧设置有发电机单元，且机架100与发电机单元之间通过斜齿轮传动；机架100上方设置有传动箱200，传动箱200上方两侧均设置有叶片，叶片与传动箱200之间通过锥齿轮传动，每一侧的叶片均包括两片呈中心对称分布的s形叶片，双叶片设计传递更大扭矩，提高风能利用率。具体地，本实施例中叶片结构形成风力机，该风力机利用半转机构原理设计，即叶片随着传动装置(传动箱200)公转一圈的同时本身自转半圈。叶片横挡在气流的通路上，气流在叶片前后较大的压强差形成阻力，推动叶片转动，两侧的叶片转动对应经过两对锥齿轮传动到传动箱200，然后传动箱200经过齿轮传动到机架100，再经一对斜齿轮将动力传递给发电机单元(即发电机)，带动发电机单元转动，从而把风能转化为电能。即传动箱200、机架100和发电机单元内均设置有传动用配合齿轮，通过齿轮间配合传动实现动力传输。本实施例中叶片、传动箱200、机架100以及发电机单元的内部齿轮传动安装设置可采用行业内常规安装技术，在此不再详述。

本实施例中叶片包括设置于传动箱200两侧的第一立轴310和第二立轴410，如图1所示，第一立轴310的两侧分别设有第一叶片320和第二叶片330，且第一叶片320和第二叶片330绕第一立轴310呈中心对称分布；第二立轴410的两侧分别设有第三叶片420和第四叶片430，且第三叶片420和第四叶片430绕第二立轴410呈中心对称分布；第一叶片320、第二叶片330、第三叶片420和第四叶片430的截面均为s形，并分别绕立轴形成中心对称结构，其质量分布对称于自转轴线，质心位于自转轴线上，叶片转动能回到初始状态，因而能够满足叶片运行轨迹相同和径向自平衡的要求。s形叶片在不改变原有迎风面积的基础上，使叶片立轴两侧迎风面空气阻力系数具有一定差别，具有一定压力差，进而降低叶片自转阻力，提高风能利用率。

如图1所示，本实施例中初始状态下，传动箱200上方两侧的叶片之间呈垂直分布，能够对各方向的风力进行有效利用，提高风能利用率；且本实施例中传动箱200两侧对称设置有连接架210，如图3所示，连接架210端部设置有中空的安装球壳220，且安装球壳220远离连接架210的端部开设有缺口230，该缺口230延伸至安装球壳220的中空部分，使得在安装球壳220端部形成开口，连接架210内部中空且内部设置有传动杆240，第一立轴310和第二立轴410分别对应伸入安装球壳220内并与传动杆240啮合传动，第一立轴310和第二立轴410分别与安装球壳220通过滚动轴承配合，降低因加工和安装误差存在下空气阻力对立轴可靠性的影响。本实施例中的中空结构实现整体结构的轻量化设计，且缺口230的设置便于传动齿轮的安装和拆卸。具体地，第一立轴310和第二立轴410下部均设有锥齿轮，传动杆240的端部对应设有相配合的锥齿轮，第一立轴310和第二立轴410分别与传动杆240通过锥齿轮啮合传动；即第一立轴310上部设置第一叶片320和第二叶片330，第一立轴310下部穿过安装球壳220的上下弧形壁，且分别通过滚动轴承与安装球壳220的上下弧形壁配合固定，第一立轴310位于安装球壳220中空区域的部分上设置有锥齿轮，与之相对应的传动杆240上设置有配合的锥齿轮，第二立轴410的结构同上，且第一立轴310和第二立轴410上的锥齿轮与传动杆240上锥齿轮的速比均为1：1。传动箱200和机架100内均设置有对应的传动齿轮，立轴的转动同步带动传动杆240的转动，然后传动杆240位于传动箱200的内部段还设有齿轮，该齿轮与机架100内的齿轮相啮合传动，即可将传动杆240的转动依次传递给传动箱200和机架100，并最终传递给发电机单元进行发电。

本实施例中的叶片形成阻力型风力机，在风的压力作用下转动，风压取决于风与叶片的相对速度。如图6所示为叶片上任一点的速度在叶片法向的分量计算，图6中ab为一个叶片，o是主轴，oc是半转臂，oc＝r，在叶片ab上建立s轴，方向为ba，原点为c点，由半转机构的特点知，叶片所在的直线与半径为oc的圆的交点h点是一个不动点。当转臂oc从水平位置逆时针转过角时，叶片ab从垂直位置同方向转过角，风向与常规轴y轴的正向夹角为θ。设叶片的角速度为ω，由半转机构的特点知，转臂oc的角速度ω＝2ω。叶片是平面运动，其速度瞬心是co所在直径的另一端p点，叶片移动距离为s，叶片上任一点d的速度v在叶片法向的分量vn为：

故

本实施例中双s形叶片转动具有较高的稳定性，在一定的风速和一定的载荷下，叶片以一定的角速度转动，如果出现某种干扰使转速加大，s0(s0就是叶片上正压区与负压区的分界点坐标，s0的大小决定着叶片的受力情况，也决定着风力机的工作状态)会随之减小，正压区缩小而负压区增大，风压力的驱动力矩立即下降，产生对于主轴的负加速度，抑制了叶片加速的趋势；反之，如果出现某种干扰使转速变小，s0会随之增大，负压区缩小而正压区增大，风压力的驱动力矩立即增大，产生对于主轴的正加速度，抑制了叶片减速的趋势，因此，本实施例中的风力机具有转动的自稳定特性，可以避免风力机超速转动造成的破坏。

本实施例中空载时也保持稳定转速，在稳定转动时s0<0是不会出现的，一旦出现s0<0的情况(即风力机转速较大，u指发电机电压)，风力机会自动减速，直到为止，此时s0＝0。另一方面，如果出现s0>0的情况(即风力机转速较小，时)，风力机会自动加速，直到为止，此时也有s0＝0。在s0＝0时，没有任何阻尼损耗的空载理想风力机可以保持匀速转动，因此在一定的风速下，理想风力机空载时的稳定转速综上，在一定的风速下，风力机空载时将出现最大转速而且这个转速是稳定的。

本实施例中经分析计算该风力机的输出转速在50-80rpm时(风速为2米/秒)能保证发电机单元的输出额定功率为0.5kw/h，发电机单元的选择(以0.5kw和100w为例)，可选择稀土永磁500w发电机或100w小型永磁发电机，具有超低启动力矩、结构紧凑、体积小、重量轻、运行平稳、效率高、易安装、便维护等特点。

本实施例中当双叶片的风力机置于风速为vw的流场中，风力机将风能转化成机械能，根据如下风能利用率计算公式和参数，可以计算出该风力机的风能利用率η实践验证在30％-80％之间，比传统的百分之六点多有明显提升，其中，me1为叶片输出力矩，vw指风速，ρ指空气密度，sw指叶片在分垂直风速方向的投影面积。

本实施例中风力机摩擦阻力矩较小，启动风速小，叶片受力更加均匀，结构简单且使用寿命长，且发电机单元可以安装在塔架的低端一侧安装维修方便，成本低效率高，且本实施例中机架100的底部上还设置有用于调整叶片角度的舵机，舵机能够调整叶片一直处于迎风方向，便于风力机启动，提高风能利用率；本实施例中的风力机还可以用在路灯、家用、发电厂等等，用途广泛。

本实施例的风力发电系统启动风速小，在微风(风力等级1、风速1-1.5m/s)下即可正常启动运作，且舵机的设置，可以控制叶片初始位置，时刻保持一侧的叶片在平行于机身的同时与风向垂直，使得灵敏度较高；叶片的转动角速度与风速成正比，能快速稳定，稳定性较好；叶片与立轴之间采用螺栓紧固连接，便于拆卸，使得在风速过强时，能快速拆卸保护系统；风力机采用半转机构的韦斯福效应实现叶片的自转、叶片横档在气流的通路上，气流在叶片前后较大的压强差形成阻力，推动叶片转动。

本实施例中叶片在不同风速及边界条件下的表面压力分布计算分别如图7-图10所示，根据不同风速及边界条件下的计算结果可以进行分析，根据压力分布图计算出叶片的自转角速度，得到传动箱200的转速，从而计算出发电机单元的输入转速，根据输入转速选择发电机的型号。

实施例2

本实施例的一种风力发电系统，基本结构同实施例1，更进一步地，本实施例中叶片还包括副叶片，具体地，在第一立轴310两侧设置有第一副叶340和第二副叶350，第一副叶340和第二副叶350均为弧形叶片且两者在第一立轴310两侧形成中心对称的s形结构，第一副叶340的弧形凹陷方向与第一叶片320靠近第一立轴310的弧形凹陷段相对设置，第二副叶350的弧形凹陷方向与第二叶片330靠近第一立轴310的弧形凹陷段相对设置，即如图2中方位所示，第一叶片320的s形叶片靠近第一立轴310的弧形段是向右凸出的，第二叶片330的s形叶片靠近第一立轴310的弧形段是向左凸出的，与此对应的，第一副叶340是向左凸出的弧形段，第二副叶350是向右凸出的弧形段；且第一副叶340逐渐向靠近第一叶片320的方向向外延伸，第一副叶340的向外延伸长度(即两端间的直线宽度距离)为第一叶片320向外延伸长度的1/5-1/3，第二副叶350逐渐向靠近第二叶片330的方向向外延伸，第二副叶350的向外延伸长度为第二叶片330向外延伸长度的1/5-1/3，第一副叶340和第二副叶350的曲率不大于第一叶片320和第二叶片330的弧形段曲率。

同样地，第二立轴410的两侧设置有第三副叶440和第四副叶450，第三副叶440和第四副叶450均为弧形叶片且两者在第二立轴410两侧形成中心对称的s形结构，第三副叶440的弧形凹陷方向与第三叶片420靠近第二立轴410的弧形凹陷段相对设置，第四副叶450的弧形凹陷方向与第四叶片430靠近第二立轴410的弧形凹陷段相对设置，第三副叶440逐渐向靠近第三叶片420的方向向外延伸，第四副叶450逐渐向靠近第四叶片430的方向向外延伸，第三副叶440的向外延伸长度为第三叶片420向外延伸长度的1/5-1/3，第四副叶450的向外延伸长度为第四叶片430向外延伸长度的1/5-1/3，第三副叶440和第四副叶450的曲率不大于第三叶片420和第四叶片430的弧形段曲率。本实施例通过设置副叶结构，有助于进一步提高风能利用率，副叶与靠近的叶片弧形段形成逐渐收缩区域，有助于储存气流形成涡流，提高风力推力，使叶片转动更持久，且副叶设置有助于多向促进叶片旋转，风向转变时也能保持平衡稳定转动，风能利用率更高。

本实施例中第一立轴310和第二立轴410上的锥齿轮与传动杆240上锥齿轮的速比均为1：2。

实施例3

本实施例的一种风力发电系统，基本结构同实施例2，更进一步地，本实施例中叶片还包括切叶，具体地，第一叶片320远离第一立轴310的一侧沿高度方向设置有第一切叶360，第二叶片330远离第一立轴310的一侧沿高度方向设置有第二切叶370，第一切叶360向靠近第一副叶340的方向倾斜延伸，并与第一副叶340相对向内收缩，且第一切叶360沿远离第一叶片320的方向厚度逐渐缩小，且第一切叶360的顶端沿远离第一叶片320的方向向下倾斜延伸，第一切叶360的底端沿远离第一叶片320的方向向上倾斜延伸；同样地，第二切叶370向靠近第二副叶350的方向倾斜延伸，并与第二副叶350相对向内收缩，第二切叶370沿远离第二叶片330的方向厚度逐渐缩小，且第二切叶370的顶端沿远离第二叶片330的方向向下倾斜延伸，第二切叶370的底端沿远离第二叶片330的方向方向向上倾斜延伸。

同样地，本实施例中第三叶片420远离第二立轴410的一侧沿高度方向设置有第三切叶460，第四叶片430远离第二立轴410的一侧沿高度方向设置有第四切叶470，第三切叶460向靠近第三副叶440的方向倾斜延伸，并与第三副叶440相对向内收缩，且第三切叶460沿远离第三叶片420的方向厚度逐渐缩小，且第三切叶460的顶端沿远离第三叶片420的方向向下倾斜延伸，第三切叶460的底端沿远离第三叶片420的方向向上倾斜延伸；第四切叶470向靠近第四副叶450的方向倾斜延伸，并与第四副叶450相对向内收缩，且第四切叶470沿远离第四叶片430的方向厚度逐渐缩小，且第四切叶470的顶端沿远离第四叶片430的方向向下倾斜延伸，第四切叶470的底端沿远离第四叶片430的方向向上倾斜延伸。本实施例通过在叶片两侧设置厚度渐薄的切叶，在叶片两侧形成前缘薄叶，易切入气流，使运行阻力更小，提高动能转化，风能利用效率更高，且切叶和对应的副叶相配合，在叶片两侧形成相对收缩的区域，有利于进一步形成气流涡旋，促进叶片旋转，提高风能利用率。本实施例中第一叶片320、第二叶片330、第三叶片420和第四叶片430也分别沿远离立轴的方向厚度逐渐变薄，为渐变式薄翼结构，转动时能更好地切入气流，减小阻力，提高风能利用率。

本实施例中第一立轴310和第二立轴410上的锥齿轮与传动杆240上锥齿轮的速比均为1：2.5。

实施例4

本实施例的一种风力发电系统，基本结构同实施例3，更进一步地，本实施例中叶片上还均匀间隔开设有通孔500，如图4所示，具体地，叶片靠近立轴的弧形段上均匀间隔设置有通孔500，即第一叶片320和第二叶片330均在靠近第一立轴310的弧形段上开设通孔500；第三叶片420和第四叶片430均在靠近第二立轴410的弧形段上开设通孔500。本实施例中沿叶片的厚度方向通孔500的孔径尺寸是渐变的，具体地，每片叶片上均匀间隔设置两种反向的渐变孔，沿叶片的同一厚度方向通孔500的孔径渐缩或渐扩，即每片叶片上沿高度方向开设有多列通孔500，相邻列的通孔500的孔径渐变方向是相反的，通孔500的渐变式设计使得气流在通过时能有宽到窄进行加速，增加能流密度，实现负压引射，进一步增强动能转化，提高风能利用率，且通孔500开设在靠近副叶的叶片弧形段上，与副叶相配合效果更好；多列反向通孔500设计则能实现对各个方向的风力气流的均衡利用。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。