一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片及制作方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，特别是涉及一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片及制作方法。

背景技术：

随着世界经济的高速发展，能源的需求也在不断增加，尤其是进入21世纪以来，煤炭、石油的价格持续上涨，消耗急剧增加，传统能源已经远远不能满足当今社会的发展需要。而风能、太阳能、水能等可再生能源开始走进人们的视野，其中风能则以储量大、分布广、开发门槛低、利用率高的特点，成为了目前世界能源结构中的重要组成部分。

风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量，空气流速越高则动能越大，风能的大小决定于风速和空气的密度，而全球的风能约为2.74×10⁹mw，其中可利用的风能约为2×10⁷mw，这比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

风力发电是风能利用的一种形式，风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，它利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电的经济效益日益提高，发电厂建设周期短，装机规模灵活，而且占地面积少，其中的塔架与监控、变电建筑仅占风电场的1％的土地，其余场地可供农、牧、林使用。

目前，垂直轴风力机有三种利用风能的形式：第一，升力型垂直轴风力机，其是目前应用比较广的，因为可以有更高的风能利用系数，同类型的升力型水平轴风力机已经广泛应用，但是作为升力型垂直轴风力机，由于叶片周期性运动，叶片只有在与来流呈正攻角的范围内才能做正功，才能为叶轮提供旋转动力，但在叶片圆周运动中叶片正攻角的范围是很小的，所能提供的升力有限，因此升力型垂直轴风力机的发电效率较低；第二，阻力型垂直轴风力机，是垂直轴风力机常用的形式，因其启动风速小，叶片结构简单，被广泛应用，但是其旋转阻力较大，转速不高，尖速比较小，发电效率也较低；第三，升阻混合型垂直轴风力机，其结合了升力型和阻力型各自的优点，但在尖速比较大的情况下，其阻力单元会成为整个风力机的阻力，导致升阻混合型垂直轴风力机的发电效率也不高。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片及制作方法，可以根据叶轮旋转角度的不同，使叶片在升力型与阻力型之间自动转换，能够大幅度提高垂直轴风力机的风能利用率和发电效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片，在叶片表面设置有若干鱼鳞增阻片，鱼鳞增阻片的根部固定粘接在叶片表面，全部鱼鳞增阻片的粘接方向相同，鱼鳞增阻片的根部朝向叶片前缘侧，鱼鳞增阻片的头部朝向叶片后缘侧；在所述叶片的展长方向上，鱼鳞增阻片在叶片表面设为若干列，相邻两列内的鱼鳞增阻片交错布置；在所述叶片的弦长方向上，相邻两列内的鱼鳞增阻片搭接布置，且位于叶片前缘侧的鱼鳞增阻片的头部在上，位于叶片后缘侧的鱼鳞增阻片的根部在下。

所述的鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取升力型垂直轴风力机叶片，测量出升力型垂直轴风力机叶片的弦长和展长；

步骤二：选取一尾鲤鱼，测量鱼身上相邻鳞片间搭接面积和单片鳞片面积，确定相邻鳞片间搭接面积与单片鳞片面积的比值；

步骤三：选取鱼身上任意一片鳞片，通过激光三维扫描技术获取鳞片的数字模型，并将鳞片的数字模型导入计算机；

步骤四：根据步骤一中获取的升力型垂直轴风力机叶片的弦长，调整鳞片数字模型的比例，使鳞片数字模型的长度等于升力型垂直轴风力机叶片的弦长的33.3％，但鳞片数字模型的厚度尺寸不变；

步骤五：将3d打印机接入计算机，通过计算机将鳞片数字模型导入3d打印机，利用3d打印机打印出设定数量的鱼鳞增阻片，鱼鳞增阻片的材质为塑料材质；

步骤六：按照步骤二确定的相邻鳞片间搭接面积与单片鳞片面积的比值，将打印好的鱼鳞增阻片粘接到升力型垂直轴风力机叶片上。

本发明的有益效果：

本发明的鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片及制作方法，可以根据叶轮旋转角度的不同，使叶片在升力型与阻力型之间自动转换，叶片在其运动方向上，当叶片前缘逆着气流运动时，鱼鳞增阻片会紧贴在叶片表面，使叶片具有大失速攻角及低阻力的特点，叶片具有较高的升阻比，增大了叶片做正功的角度范围，此时升力做正功；叶片在其运动方向上，当叶片前缘顺着气流运动时，此时的叶片后缘对着气流，气流会把贴覆在叶片表面的鱼鳞增阻片吹起，使鱼鳞增阻片形成若干个阻力翼，进而增加了叶轮旋转的动力，此时阻力做正功；由于升力和阻力能够交替转换做正功，因此大幅度提高垂直轴风力机的风能利用率和发电效率。

附图说明

图1为本发明的一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片的结构示意图；

图2为图1中a向视图(鱼鳞增阻片紧贴在叶片表面)；

图3为图1中a向视图(鱼鳞增阻片被吹起形成阻力翼)；

图中，1—鱼鳞增阻片，2—叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片，在叶片2表面设置有若干鱼鳞增阻片1，鱼鳞增阻片1的根部固定粘接在叶片2表面，全部鱼鳞增阻片1的粘接方向相同，鱼鳞增阻片1的根部朝向叶片2前缘侧，鱼鳞增阻片1的头部朝向叶片2后缘侧；在所述叶片2的展长方向上，鱼鳞增阻片1在叶片2表面设为若干列，相邻两列内的鱼鳞增阻片1交错布置；在所述叶片2的弦长方向上，相邻两列内的鱼鳞增阻片1搭接布置，且位于叶片2前缘侧的鱼鳞增阻片1的头部在上，位于叶片2后缘侧的鱼鳞增阻片1的根部在下。

所述的鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：选取升力型垂直轴风力机叶片，测量出升力型垂直轴风力机叶片的弦长和展长；

步骤二：选取一尾鲤鱼，测量鱼身上相邻鳞片间搭接面积和单片鳞片面积，确定相邻鳞片间搭接面积与单片鳞片面积的比值；

步骤三：选取鱼身上任意一片鳞片，通过激光三维扫描技术获取鳞片的数字模型，并将鳞片的数字模型导入计算机；

步骤四：根据步骤一中获取的升力型垂直轴风力机叶片的弦长，调整鳞片数字模型的比例，使鳞片数字模型的长度等于升力型垂直轴风力机叶片的弦长的33.3％，但鳞片数字模型的厚度尺寸不变；

步骤五：将3d打印机接入计算机，通过计算机将鳞片数字模型导入3d打印机，利用3d打印机打印出设定数量的鱼鳞增阻片1，鱼鳞增阻片1的材质为塑料材质；

步骤六：按照步骤二确定的相邻鳞片间搭接面积与单片鳞片面积的比值，将打印好的鱼鳞增阻片1粘接到升力型垂直轴风力机叶片上。

通过查取翼型手册，选取叶片翼型为对称翼型naca0018，按照选取的翼型制作两组叶片，每组内的叶片数量均为四个；第一组叶片为传统叶片，第一组叶片为本发明的鱼鳞式升阻转换型垂直轴风力机叶片，两组叶片均为木质结构，叶片弦长为100mm，叶片展长为500mm。

上述准备工作结束后，分别将两组叶片组装到垂直轴风力试验机上，先对安装有传统叶片的垂直轴风力试验机进行试验。在试验过程中，传统叶片进行工作时，叶片与空气来流相遇后，需要依靠叶片本身的升力在旋转圆周切向分力来产生动力，只有在叶片正攻角范围内，叶片才能提供动力，做正功角度小，风力机启动风速大，启动后用转速仪测量转速，转速不高，而且在一定角度时，风力机处于死角位置，风机不能启动，此时决定了在传统叶片下，垂直轴风力试验机的风能利用率不高。

接下来，对安装有本发明叶片的垂直轴轴风力试验机进行试验。在试验过程中，四个叶片中只有一个叶片上的鱼鳞增阻片1是处于张开状态的，此时的叶片是阻力型，鱼鳞增阻片1的阻力提供了叶片旋转的动力，风机在低风速下启动，启动风速比传统叶片低了近50％。当叶片转过一定角度，叶片前缘逆气流时，叶片上的鱼鳞增阻片1闭合并紧贴在叶片表面，此时的叶片是升力型，由于鱼鳞增阻片1的作用增加了叶片的失速攻角，叶片做正功角度增大。经实际测算，在同一风速下，与传统叶片相比，安装有本发明叶片的垂直轴轴风力试验机的风轮转速提供了近40％。因此，当垂直轴轴风力试验机安装了本发明的叶片后，能够进一步提高垂直轴风力试验机的风能利用率。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。