[发明专利]组配型低重心高效垂直轴风力机

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力机，尤其是一种组配型低重心高效垂直轴风力机，属于风力发电设备技术领域。

背景技术

据申请人了解，目前市场上运行的风力发电机组中，所用风力机绝大多数为风轮转轴水平放置的水平轴涡轮式风力机，属于高风速风力机范畴，其中低风速性能差，在年均风速米/秒的地区运行经济效益不佳。此外，这类风力机运行噪音大、会产生次声波，不适合在都市和社区中使用，而且还会危害鸟类的生存环境。

此外，还有垂直轴风力机，此类风力机的特点是无风向性要求、噪音小、不产生次声波。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机可利用二维翼型叶片，既能利用叶片的升力、又能利用叶片的推力(也称阻力)；其风轮各叶片在风力机运行时不同时出力，而是依次接替轮换出力，叶片荷载周期性变化(垂直轴叶片转动一周，攻角经历360°变化，只有攻角在约±20°范围内叶片才能出力、在其他角度范围处于失速状态而不能出力)。垂直轴风力机的这些特点有利有弊，利用优点、抑制缺点是研发适用于年均风速米/秒地区和都市人居环境的垂直轴风力机技术的关键。

垂直轴风力机所用叶片有三类翼型：第一类是推力型叶片，采用该类叶片的风轮易自起转，但是该类叶片的风能利用系数Cp_max≤0.15且转速低，无法适用于高效的风力发电机；第二类是升力型的对称翼型叶片，该类叶片的翼型为NACA00xy(x=1或2；y=0,1,…,8或9)，其Cp_max高，某些叶片的Cp_max能达到0.45，但采用该类叶片的风轮无法自起转；第三类是升力型的吸力面为凸形、压力面有凹形的翼型叶片，该类叶片数量众多，其Cp_max在0.20—0.30之间，采用该类叶片的风轮能自起转，但起转力矩低于第一类叶片、且Cp_max对应的转速低于第二类叶片。

目前，利用升力型翼型叶片的垂直轴风力机，基本上采用Darrieus技术的“Φ”风轮或“H”风轮，这两种风轮的共有特征为主轴长度≥风轮高度，因而这两种风轮重心偏高，为了保证整个风轮的稳定性，要求风轮主轴具有很高的强度和刚度，导致主轴重量很重。其中，“Φ”风轮由“跳绳曲线”形的前述第二类叶片构成（通常采用薄翼型叶片），叶片两端直接连接于主轴(若要解决“Φ”风轮自起转，可将“S”形的前述第一类叶片也连接于主轴)。“Φ”风轮采用的叶片要有足够的柔性，其Cp_max对应的尖速比λ较高，导致“Φ”风轮的中低风速性能差。“H”风轮大多数由前述第三类叶片通过悬臂连接于主轴而成，为抑制叶片震颤，要求悬臂具有很高的强度和刚度，导致悬臂重量很重；同时，第三类叶片Cp_max对应的最佳叶片宽度(也称弦长)比前述第二类叶片要大50-60%，相应地，叶片重量也要重80-100%。受制于此，在相同高度下，“H”风轮的重量比“Φ”风轮要重1-2倍，其离心载荷更大，对主轴的强度和刚度要求更高。

由此可见，降低重心并减轻重量、增大高Cp_max翼型的起转力矩是设计高效风力机的两个技术突破点，特别是提高风力机中低风速性能的突破点。

本发明发明人于2010年4月4日申请的、专利号201010162074.7、授权公告号CN102213180B的中国发明专利公开了一种垂直轴(也称立轴)风力发电机组的风机。然而，该技术方案尚存在以下主要不利之处：（1）层间支撑部件过于臃肿，对气流干扰较大，影响叶片的风能利用性能；（2）层间支撑结构不够优化，导致其单位重量内的强度和刚度较低，要达到预期的强度和刚度仍需要较大的重量，不利于减轻风轮重量；（3）风轮的轮架与主轴之间的承接结构强度较差，然而为提高强度势必会增加风轮重量，这一问题导致风轮无法大型化；（4）无法实现风力机功率控制。亟需研制出单位重量内强度较高的层间支撑结构和承接结构，从而在达到预期强度的同时不会增加风轮重量、甚至减轻风轮重量；同时研制出能实现功率控制的结构，通过功率控制来扩大风力机运行的风速范围，提高发电量。

此外，本发明发明人于2004年12月20日申请的、专利号200410073422.8、授权公告号CN100392240C的中国发明专利公开了一种利用低速风能产生动力的风机翼片，属于低风速叶片，能有效利用较低风速的风能。目前同样亟需研制出能有效发挥该类叶片低速风能利用性能的垂直轴风力机。

发明内容