可自动调节迎风截面的垂直轴式风力发电机风叶结构.pdf

本发明属风力发电设备技术领域，具体为一种垂直轴式风力发电机风叶结构。该风叶由2－3层叠加组合而成。层间用叶片支架隔开，每层由2－6个叶片等角度安装于发电机转轴上。每个叶片支架中有1个或多个片条组成的耗风门，每个耗风门与叶片支架之间由较弱的弹性片连接；每个耗风门内设有一个或多个耗风窗，每扇耗风窗由较强的弹性片与耗风窗框架连接，而耗风窗可以有多种结构形式。本发明设计的风叶结构紧凑，能自动调节迎风截面的角度，因而可输出比较稳定的电压，而且在微风和强风下都能连续运行发电，本发明可广泛用于海岛、城市、山区、平原、荒漠等地区的风力发电设备。

1、  一种能自动调节迎风截面的垂直轴风力发电机风叶结构，其特征在于采用双叶片或三叶片或多叶片布局，且为一层或多层风叶叠加形式，层间由风叶架(1)隔开，每层有2-6个叶片等角度组装于发电机的转轴上；其中，每个叶片纵向为长方形，横向截面为弧线形，或为层流翼型，形成正面为凸面、背面为凹面的凹凸结构；每个叶片支架(1)中设有一个或2-6个/片条组成的耗风门(2)，每扇耗风门(2)与叶片支架(1)之间由弱弹簧片或弹性片(3)连接，或者耗风门(2)与叶片支架(1)用轴承(4)或轴套连/接，在连接处安装弱弹簧片或弱弹性片(3)，调节耗风门的开与关；每扇耗风门(2)内设一个或多个耗风窗(5)，每扇耗风窗(5)用强弹簧片或弹性片(6)与耗风窗框连接，或者耗风窗(5)与耗风窗框轴套接连，在连接处安装弹簧片或弹性片(6)，用以调节强风时耗风，窗(5)的开与关。

2、  根据权利要求1所述的风叶结构，其特征在于所述耗风窗(5)采用如下一种或几种结构的组合形式：耗风窗的弹簧片(6)为外延式，耗风窗的弹簧片(6)为内嵌式，且同一耗风门中各个耗风窗连成一体；耗风窗的弹簧片(6)为内嵌，且同一耗风门中各个耗风窗相互分开，可单独开启；耗风窗的弹簧片(6)为内嵌式，且一个耗风窗就是一个耗风门。

3、  根据权利要求1所述的风叶结构，其特征在于所述耗风门2面积为叶片框架面积的90％～110％。

4、  根据权利要求1所述的风叶结构，其特征在于单叶叶片为三角形，双叶构成V字形；或者单叶叶片为平面喇叭形，双叶构成双平面喇叭形；或者单叶叶片为方形，双叶构成杠铃形。

5、  根据权利要求1所述的风叶结构，其特征在于在叶片上安装有薄膜太阳能电池。

可自动调节迎风截面的垂直轴式风力发电机风叶结构
技术领域
本发明属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种风力发电机的风叶结构。
背景技术
垂直(竖)轴式风力发电机是利用自然界中的风能使之转化为电能的发电装置，风大、风小都能发电，且任何方向吹来的风都能使风叶转动而发电。目前，市场上的垂直轴式和水平轴式风力发电机发电的电压都随风能的大小变化增大或减小，输出的电压不稳定。当风速较小时，垂直轴式和水平轴式风叶轮转动较慢，而当风速较大时，风叶轮转动很快，这样发出的电压就相差很大。所以这二种风力发电机都要安装一套复杂的控制风速的调节器，这样会严重影响风能的利用。这是因为安装了控制风速的调节器，增加了风力发电机的负荷，降低了风能的发电效力。当风速超过9级大风，风车会自动停机以保护叶片和发电设备。而特别是风速很小时(小于3级)就不能发电。所以水平轴式螺旋桨风力发电机使用中存在上述问题。目前世界上垂直轴式风力发电机效率低于水平轴式，故使用很少。
发明人设计的《风力发电机自然风定向风叶结构》(专利号：ZL03231399.3)和《螺旋浆风力发电机风叶结构》(专利号：ZL200420081013.8)仍存在某些不足，需加以改进。并在《风力发电机新型风叶结构》(发明专利申请号：200610024103.7)的基础上设计出另一种垂直轴风叶结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能自动调节迎风截面即转速、因而使输出电压比较稳定的垂直轴式风力发电机风叶结构。
本发明提出的垂直轴式风力发电机风叶结构，为凹凸型风叶迎风截面自动调节的结构形式，采用双叶片(S型)、三叶片(人型)或多叶布局，且为一层或多层叠加形式，是发明人对上述专利的新颖改进设计。
本发明中，风叶由1-3层叶片叠加组合而成，层间用风叶架1隔开，其结构如图1-图3所示。每层由2-6个叶片等角度组装于发电机的旋转轴上。其中，每个叶片纵向为长方形，或者为多边形等其他几何形状，横向截面为弧线形，或为层流翼型，形成正面为凸面，背面为凹面的凹凸结构形式，整个风叶可略呈弧型弯曲；每个叶片支架1上设有一个或多个(如2-6个)片条组成的耗风门2，每扇耗风门2与叶片支架1之间由弱弹簧片(或弹性片)3连接，或者耗风门2与叶片支架1用轴承4或轴套连接，在连接处安装弱弹簧片或弱弹性片3，用于调节耗风门的开与关；每扇耗风门2内设一个或多个(如2-6个)耗风窗5，而耗风窗可制成如图中所示各种形状，用其一种或多种组合，每扇耗风窗5用强弹簧片或弹性片6与耗风窗框连接，或者耗风窗5与耗风窗框轴套接连，在连接处安装强弹簧片或强弹性片6，作为调节强风时耗风窗5的开与关。风力发电机每层的风叶叶面由单扇耗风门或多扇耗风门组成，风力发电机其它部件的结构与通常的垂直轴式风力发电机相关部件基本相同，但没有复杂的控制风速的调节机构和调向系统。
本发明中，风叶结构可以有多种造型，如图4所示，单个叶片呈三角形，双叶片呈V字形。如图5所示，单个叶片呈平面喇叭形，双叶片呈双平面喇叭形。如图6所示，单个叶片呈方形，双叶片呈杠铃形，中间可以没有风叶。
本发明中，风叶的叶片上还可安装薄膜太阳能电池，作为太阳能发电。
本发明中，耗风门2的面积可以为叶片框架面积的90％-110％。
本发明是充分利用了耗风门(即百叶窗)与弹簧(片)或弹性片的特性而设计的风叶结构新技术。其工作过程如下：
当来自任何方向的风吹向风叶1时，凸面上的耗风门(百叶窗)2便被吹开(因为此时凸面上的耗风窗5不起作用，而其反面的弹簧片3较薄，弹性不大，耗风门2就容易被风吹开)，风从被吹开的凸面耗风门中穿过一部分，而凹面的耗风门2不能被吹开(因为耗风窗与耗风门框之间的弹簧6较厚，弹性很大，耗风窗吹不开，故耗风门2不容易被吹开)，这样风就吹动凹面的风叶转动。通过转轴7装在发电机8上，推动了发电机8发电工作。
当吹来的风较大时，凸面风叶上的耗风门2就开得很大，漏出的风能就很多，而凹面的耗风多扇门上的耗风窗5就被吹开，虽然很小，但是有漏风，风机转的速度就稍大一些。
当吹来的风很大时，凸面风叶上的耗风门2就开得最大，即直角90°，漏出的风能就最多，而凹面的耗风多扇门上的耗风窗5就被吹开得大，漏风多一些，风机转的速度就较大一些。
当吹来的风较小时，凸面风叶上的耗风门2就开得较大，漏出的风能就较大一些，而凹面的耗风多扇门上的耗风窗2不能被吹开，风机转的速度就稍慢一些。
因此，耗风多扇门上的耗风窗2可以调节风能吹动风机转动的速度，从而使发电机发出的电力较为稳定。
如图所示，凹面风叶上迎风一面的弹簧3较弱，凸面的弹簧6则较强。
风叶转动结构的核心在于风叶上设计了多扇耗风门(百叶窗)2，并在门内设有多扇耗风窗5以及强弹力的凸面弹簧6和弱弹力的凹面弹簧3的组合结构形式，使弱风(1.5级左右)及强风(11级以上)飓风能更有效的被利用。其优点如下：
1、风力发电设备结构紧凑，制造规格可大可小，不同功率规格的发电设备在微风(1.5级左右)状态下都能旋转发电工作，在飓风(11级以上)情况下也能连续工作。而一般垂直轴式和水平轴式风力发电设备需要三级以上风能才能吹动风叶旋转而工作，当风力过9级以上时，风力发电机就停止工作，以防止风叶折断和发电机被烧坏，风能利用率低。所以本发明的风力发电设备具有适用风力范围广，风能利用率极高，发电时间长和效率高的重要优势。
2、与同等功率的风力发电设备相比，适用本风叶结构风力发电设备，制造成本低廉，无须调速器和刹车装置，实用率高、拆装方便、适用范围广、不需要定向风力场。可安装在房顶、楼顶四周、路灯、航标灯、车船尾部、高速公路隔离栅、大桥两侧、大楼外凉台和窗户外等处。
3、由于本发明风叶结构特殊，它可倒置或者水平放置于流水中，利用瀑布、小溪、小河或大河边的急流发电，也可将本发电设备水平放置于海平面里，利用海浪或者波涛来发电。
综上所述，本发明的风力发电设备应用范围极广，无论海岛、海岸线、车辆尾部、城市路灯、渔船、山区、平原、荒漠等等，凡是有1.5级以上风能的地区都可利用其发电。
附图说明
图1为本风叶的立体结构图。
图2为本风叶结构的俯视图。
图3为本风叶结构正视简图。
图4为风叶呈V字形的结构图示。
图5为风叶呈双喇叭形的结构图示。
图6为风叶呈杠铃形的结构图示。
图7为风叶为三叶的结构俯视图，其中每片叶片截面成弧形。
图中标号：1为风叶框架，2为耗风门，3为凸面弱弹簧(片)，4为轴承或轴套，5为耗风门内的多扇不同形状的耗风窗，其中，5A为耗风窗的弹簧片6为外延式，5B为耗风窗的弹簧片6为内嵌式，且同一耗风门中各个耗风窗连成一体；5C为耗风窗的弹簧片6为内嵌，且同一耗风门中各个耗风窗相互分开，可单独开启；5D为耗风窗的弹簧片6为内嵌式，且一个耗风窗就是一个耗风门。6为凹面强弹簧(片)，7为转轴，8为发电机，9为整件支架，10变电储存箱
具体实施方式
根据风力发电机周围环境而定需发电的大小及其风叶的尺寸。例如，单层形状则每个叶片为150cm，宽为80cm，横截面为弧线型，每个叶片上设有一个或数个耗风门2，同样大小或大小不同，布置在叶片中靠近中心部分也可以不安装耗风门2。凸面上的弹簧片6为强力，是凹面弹簧片3的数倍。耗风门2的面积与风叶框架1的面积根据外型结构，相互配合。耗风门2中的耗风窗5可采用如下几种结构形式：耗风窗的弹簧片6为外延式，耗风窗的弹簧片6为内嵌式，且同一耗风门中各个耗风窗连成一体；耗风窗的弹簧片6为内嵌，且同一耗风门中各个耗风窗相互分开，可单独开启；耗风窗的弹簧片6为内嵌式，且一个耗风窗就是一个耗风门。叶片共有2-6个，等角度安装于转轴7上，转轴7装于发电机8，从而使风叶1的转动带动发电机工作。如图1-图3所示。材料可选用不锈钢或者钛合金、铝合金。
此外，在叶片上也可装薄膜太阳能电池，作为太阳能发电。
另外，叶片结构也可制成如图4-图6所示的形式。