[发明专利]一种垂直轴风力发电机

说明书

技术领域

本发明属于风力发电机领域，尤其涉及一种垂直轴风力发电机。

背景技术

如图1和图2所示，现有的垂直轴风力发电机包括一纵向中心轴91以及至少两个沿中心轴91轴向设置的平直状的风叶92，中心轴91上同轴设有一发电机(未示出)，风叶92和中心轴91之间通过多个横梁93连接，并组成一个风轮。风叶92在垂直轴风力发电机中的作用为：风叶92是将风能通过旋转机构(轮毂，连杆等)产生发电机转子和定子之间的旋转运动，从而产生输出的电能，是整个发电机系统中核心部件，风叶92的气动性能直接影响了风力发电机的输出功率(发电量)的效率。

如图1～图4所示，目前的垂直轴风力发电机的风叶92是直的，风叶92在风力的驱动下，会出现如图3所示的不同风叶92在同一时刻位置上的变化，图3和图4结合起来看，我们就会发现图4中的α角对于不同的风叶92，在同一时刻和不同的时刻都是不一样的。这个α角，在航空动力学中定义为攻角(Angle of Attack)，是风叶92的弦长与入流速度方向的夹角；这个角度，在飞机中是飞机或机翼与水平面的夹角，机翼的前缘和后缘的连线称作为弦线，而相对气流和弦线的角度就是作战飞机的攻角，飞机增大攻角，达到增加升力快速起飞的目的。而对于垂直轴的风力发电机而言，增大攻角，达到增加升力快速起动和提高发电量的目的。

每种风叶92的翼型都有其最佳攻角，所谓最佳攻角，就是在这个最佳攻角时，风能利用系数Cp最大，这也意味着这时风力发电机的输出功率(也就是发电量)最大。如图5所示，风叶92在的攻角α大约为0度时，风能利用系数Cp最大。

风力发电机的输出功率P(也就是发电量)和风能利用系数(Cp)之间的关系为：P＝0.5ρAV*V*V*Cp*η(等式1)

其中：ρ＝气压(kPa)；A＝风轮的扫风面积；η＝机械传动效率和电子转换效率；V＝风速(m/s)。

从等式1中可以看出，对于同一个垂直轴风力发电机，输出功率P(也就是发电量)和风能利用系数(Cp)是成正比的关系，Cp越大，P也就越大。换就话说，就是说在最佳攻角时，风力发电机的输出功率P(也就是发电量)是最大的。

那么攻角α是怎么影响Cp的呢？我们需要引入升力系数Cl和阻力系数Cd和微积分公式：

dP＝K*Cx*δr*V(等式2)

其中dP＝风力发电机的输出功率P(也就是发电量)；K＝对于一定的结构的风力发电机的结构系数；Cx＝法向系数；r＝风轮半径r的函数；V＝风速；

Cx＝Clcosψ+Cdsinψ(等式3)

其中：ψ是入流角，Cl是升力系数，Cd是阻力系数。如图4中所示，ψ反映风叶92的入流速度与风轮旋转平面间的夹角。

ψ＝α+β(等式4)

其中：α是攻角，β是安装角。

根据图4，安装角β是指风叶92的弦长(即翼型的前后缘连线)与风轮旋转平面的夹角)，对于垂直轴风力发电机，当风叶92机械固定后，这个安装角β就固定了，为一个恒定值。

结合等式2，等式3，等式4，我们不难看出Cl，Cd和α直接在风叶92的转动中决定了dP＝风力发电机的输出功率P(也就是发电量)。

而Cl，Cd和α之间的关系如图6所示，升力系数Cl和和阻力系数Cd随攻角α变化，在实用范围内的Cl-α基本为线性关系；当攻角α增大到一定程度时，升力系数Cl达到最大值Clmax，风叶获得最大的升力；升力系数Cl达到最大值Clmax时的攻角α就是最佳攻角，在这时的Cp也就是最大的风能利用系数。

根据能量守恒原则，在攻角α就是最佳攻角时，在相同的风速下，此时的风叶产生了最大的推力Fmax和最大的输出功率Pmax，

Pmax＝Fmax*V(等式5)

其中Pmax＝最大的输出功率；Fmax＝最大的推力；V＝风速。

所以，尽量接近和保持最佳攻角，垂直轴风力发电机可以产生较大和最大的输出功率P(也就是较大和最大的发电量)。

总之：具有直片风叶92的垂直轴风力发电机的一个影响发电量问题就是由于攻角α是个动态值，α值将随风轮的旋转而不断改变，在低风速时(此时风轮不能进行连续的360°周期转动)，影响风能利用系数Cp和升力系数Cl，最后降低了输出功率P，甚至风轮直接停止转动，导致不能在低风速时发电。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可在低风速时正常发电且风叶始终具有最佳攻角的垂直轴风力发电机。