基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置

本发明提供了一种基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，属于风力发电。

背景技术：

1、风力机作为风力发电领域的主要设备，是吸收风能的机械装置。按风力机结构设计的不同，风力机主要可以分为水平轴风力发电机(hawt)和垂直轴风力发电机(vawt)两大类。升力型垂直轴风力涡轮机的翼型设计与研究已经成熟，但由于升力型翼型结构的气动特性，无法在低风速下自行启动，造成低风速能量的浪费。虽然阻力型风力机具有良好的自启动性能，但高速状态下的风能利用效率低。

2、长期以来，水平轴风力机在高风速条件下得到了极大的推广和发展，这就导致了对于一些低风速地区的风能造成了浪费，而现在对于具有较低质量的风力资源的地点已经开始被考虑用于新的风力发电场，这其中垂直轴风力机的利用正在日趋成熟。虽然这些风场风速相对来说虽然比较小，但是同样是有大量能量的，对升力型垂直轴风力机来说显然难以启动，无法进行正常发电，发电效率低下。所以这长期以来一直困扰着研究机构和科研人员，只有设计一定的阻力型叶片，以此来提升自启动效率，同时利用自适应的升阻变换实现运动过程中的升阻变化，保证任何时刻风力机总保持最佳运行。

技术实现思路

1、本发明为了解决低风速情况下升力型垂直轴风力机难以启动导致发电效率低的问题，提出了基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，包括多个通过导轨式连杆连接在主轴外围的升力型叶片，每个升力型叶片内部均设置有阻尼卷轴装置，通过阻尼卷轴装置连接导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的一端，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的另一端连接有导轨式位移块，所述导轨式连杆上开设有导轨，导轨式位移块在导轨式连杆上的导轨内进行滑动；

3、所述阻尼卷轴装置包括一对相互啮合的齿、转轴和弹簧，所述弹簧套设在导轨式连杆上，所述弹簧的一端连接升力型叶片，弹簧的另一端连接导轨式位移块，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片在弹簧的作用下根据风力机转速在导轨式连杆上进行收放。

4、所述转轴与导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的一端相连。

5、所述导轨式连杆上开设有限位槽，所述导轨式位移块的初始位置位于限位槽内。

6、所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片采用柔性压电材料制作。

7、所述限位槽开设在导轨式连杆的二分之一处，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片自然状态下由弹簧和限位槽限于导轨式连杆的二分之一处，随转速增加受到的离心力，在风速达到8m/s时，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片完全卷于升力型叶片内部。

8、所述升力型叶片的翼型采用naca0018升力型叶片。

9、所述升力型叶片的数量为6，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片作为阻力型叶片，数量为6。

10、所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片和导轨式连杆均呈小角度弧形。

11、所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的面积为主轴与升力型叶片之间面积的一半，另一半为中空的。

12、本发明相对于现有技术具备的有益效果为：

13、1、初始启动阶段考虑到naca0018升力型叶片的启动速度较慢，故在来流风的作用下，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片作为阻力双驱型叶片可使风力机迅速加速，这样即实现了低风速下的快速启动。同时在风力机逐渐加速过程中，使压电薄膜振动产生压电能，实现了能量的二次利用，即风能-压电耦合发电。

14、2、导轨式柔性压电材料自适应复合叶片在随风力机运动过程中会受到离心力的作用，在限位槽、弹簧、阻尼卷轴装置的作用下，可实现自适应调节。在初始状态下由限位槽限制在导轨式连杆中部，随着速度的逐渐增加，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片在离心力的作用下逐渐向外滑移，最终在风速达到8m/s时导轨式柔性压电材料自适应复合叶片完全闭合在naca0018升力型叶片内部，实现自适应升阻变换。

15、3、导轨式柔性自适应压电薄膜复合叶片设计为阻力型双驱叶片，即在任意方向来流风下前后两个导轨式柔性压电材料自适应复合叶片没有空隙，处于全封闭状态，大大提升了启动速度。

16、4、导轨式柔性压电材料自适应复合叶片和导轨式连杆呈小角度弧形，更有利于阻力型叶片对风能的吸收。

17、5、导轨式连杆与导轨式柔性压电材料自适应复合叶片设计为柔顺连接，避免了自适应缩放过程中卡死情况的发生。

18、6、导轨式连杆在中部二分之一处设计限位槽，风力机内部二分之一为中空，更有利于来流风的通过，阻力型双驱叶片可以更好的发挥作用。

19、7、通过naca0018升力型叶片与导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的配合，可以实现升力型叶片的低风速启动，来流风2.1m/s就可以启动风力机，现有的naca0018升力型风力机启动风速为3m/s，同时自适应变换的阻力型叶片在风速达到8m/s时全部收缩又可转变为升力型风力机。

技术特征：

1.基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，包括多个通过导轨式连杆连接在主轴外围的升力型叶片，其特征在于：每个升力型叶片内部均设置有阻尼卷轴装置，通过阻尼卷轴装置连接导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的一端，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的另一端连接有导轨式位移块，所述导轨式连杆上开设有导轨，导轨式位移块在导轨式连杆上的导轨内进行滑动；

2.根据权利要求1所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述转轴与导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的一端相连。

3.根据权利要求2所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述导轨式连杆上开设有限位槽，所述导轨式位移块的初始位置位于限位槽内。

4.根据权利要求3所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片采用柔性压电材料制作。

5.根据权利要求3所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述限位槽开设在导轨式连杆的二分之一处，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片自然状态下由弹簧和限位槽限于导轨式连杆的二分之一处，随转速增加受到的离心力，在风速达到8m/s时，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片完全卷于升力型叶片内部。

6.根据权利要求5所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述升力型叶片的翼型采用naca0018升力型叶片。

7.根据权利要求6所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述升力型叶片的数量为6，所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片作为阻力型叶片，数量为6。

8.根据权利要求1所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片和导轨式连杆均呈小角度弧形。

9.根据权利要求5所述的基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，其特征在于：所述导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的面积为主轴与升力型叶片之间面积的一半，另一半为中空的。

技术总结
本发明提供了基于柔性压电材料的自适应双驱升阻复合风力发电装置，属于风力发电技术领域；解决了低风速情况下升力型垂直轴风力机发电效率低的问题，包括多个升力型叶片，每个升力型叶片内部均设置有阻尼卷轴装置，通过阻尼卷轴装置连接导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的一端，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片的另一端连接导轨式位移块，导轨式连杆上开设有导轨，阻尼卷轴装置包括一对相互啮合的齿、转轴和弹簧，弹簧套设在导轨式连杆上，弹簧的一端连接升力型叶片，弹簧的另一端连接导轨式位移块，导轨式柔性压电材料自适应复合叶片在弹簧的作用下根据风力机转速在导轨式连杆上进行收放；本发明应用于风力发电。

技术研发人员：高梦尧,王茗儿,卫宣辰,石超然,李亚宁,廉帅,王涛
受保护的技术使用者：太原科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15