專利名稱：一種垂直軸風力發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電機領域，尤其涉及一種垂直軸風力發(fā)電機。
背景技術：
如圖1和圖2所示，現(xiàn)有的垂直軸風力發(fā)電機包括一縱向中心軸91以及至少兩個沿中心軸91軸向設置的平直狀的風葉92，中心軸91上同軸設有一發(fā)電機(未示出)，風葉 92和中心軸91之間通過多個橫梁93連接，并組成一個風輪。風葉92在垂直軸風力發(fā)電機中的作用為風葉92是將風能通過旋轉機構(輪轂，連桿等)產(chǎn)生發(fā)電機轉子和定子之間的旋轉運動，從而產(chǎn)生輸出的電能，是整個發(fā)電機系統(tǒng)中核心部件，風葉92的氣動性能直接影響了風力發(fā)電機的輸出功率(發(fā)電量)的效率。如圖1 圖4所示，目前的垂直軸風力發(fā)電機的風葉92是直的，風葉92在風力的驅動下，會出現(xiàn)如圖3所示的不同風葉92在同一時刻位置上的變化，圖3和圖4結合起來看，我們就會發(fā)現(xiàn)圖4中的α角對于不同的風葉92，在同一時刻和不同的時刻都是不一樣的。這個α角，在航空動力學中定義為攻角(Angle of Attack)，是風葉92的弦長與入流速度方向的夾角；這個角度，在飛機中是飛機或機翼與水平面的夾角，機翼的前緣和后緣的連線稱作為弦線，而相對氣流和弦線的角度就是作戰(zhàn)飛機的攻角，飛機增大攻角，達到增加升力快速起飛的目的。而對于垂直軸的風力發(fā)電機而言，增大攻角，達到增加升力快速起動和提高發(fā)電量的目的。每種風葉92的翼型都有其最佳攻角，所謂最佳攻角，就是在這個最佳攻角時，風能利用系數(shù)Cp最大，這也意味著這時風力發(fā)電機的輸出功率(也就是發(fā)電量)最大。如圖 5所示，風葉92在的攻角α大約為0度時，風能利用系數(shù)Cp最大。風力發(fā)電機的輸出功率P(也就是發(fā)電量)和風能利用系數(shù)(Cp)之間的關系為 P = 0. 5 P AV*V*V*Cp* η (等式 1)其中P =氣壓(kPa) ；A =風輪的掃風面積；η =機械傳動效率和電子轉換效率；V =風速(m/s)。從等式1中可以看出，對于同一個垂直軸風力發(fā)電機，輸出功率P(也就是發(fā)電量) 和風能利用系數(shù)(Cp)是成正比的關系，Cp越大，P也就越大。換就話說，就是說在最佳攻角時，風力發(fā)電機的輸出功率P(也就是發(fā)電量)是最大的。那么攻角α是怎么影響Cp的呢？我們需要引入升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd和微積分公式dP = K*Cx* δ r*V (等式 2)其中dP=風力發(fā)電機的輸出功率P(也就是發(fā)電量)；K=對于一定的結構的風力發(fā)電機的結構系數(shù)；Cx =法向系數(shù)；r =風輪半徑r的函數(shù)；V =風速；Cx = Clcos Ψ+Cdsin Ψ (等式 3)其中ψ是入流角，Cl是升力系數(shù)，Cd是阻力系數(shù)。如圖4中所示，Ψ反映風葉 92的入流速度與風輪旋轉平面間的夾角。
ψ=α+β (等式4)其中α是攻角，β是安裝角。根據(jù)圖4，安裝角β是指風葉92的弦長(即翼型的前后緣連線)與風輪旋轉平面的夾角)，對于垂直軸風力發(fā)電機，當風葉92機械固定后，這個安裝角β就固定了，為一個
恒定值。結合等式2，等式3，等式4，我們不難看出Cl，Cd和α直接在風葉92的轉動中決定了 dp =風力發(fā)電機的輸出功率P(也就是發(fā)電量)。而Cl，Cd和α之間的關系如圖6所示，升力系數(shù)Cl和和阻力系數(shù)Cd隨攻角α 變化，在實用范圍內的Cl-α基本為線性關系；當攻角α增大到一定程度時，升力系數(shù)Cl 達到最大值Clmax，風葉獲得最大的升力；升力系數(shù)Cl達到最大值Clmax時的攻角α就是最佳攻角，在這時的Cp也就是最大的風能利用系數(shù)。根據(jù)能量守恒原則，在攻角α就是最佳攻角時，在相同的風速下，此時的風葉產(chǎn)生了最大的推力Fmax和最大的輸出功率Pmax，Pmax = Fmax*V (等式 5)其中Rnax =最大的輸出功率；Fmax =最大的推力；V =風速。所以，盡量接近和保持最佳攻角，垂直軸風力發(fā)電機可以產(chǎn)生較大和最大的輸出功率P (也就是較大和最大的發(fā)電量)。總之具有直片風葉92的垂直軸風力發(fā)電機的一個影響發(fā)電量問題就是由于攻角α是個動態(tài)值，α值將隨風輪的旋轉而不斷改變，在低風速時(此時風輪不能進行連續(xù)的360°周期轉動)，影響風能利用系數(shù)Cp和升力系數(shù)Cl，最后降低了輸出功率P，甚至風輪直接停止轉動，導致不能在低風速時發(fā)電。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種可在低風速時正常發(fā)電且風葉始終具有最佳攻角的垂直軸風力發(fā)電機。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種垂直軸風力發(fā)電機，包括一縱向中心軸以及至少兩個沿所述中心軸軸向設置且彎折為螺旋形的風葉，所述中心軸上同軸設有一發(fā)電機，所述風葉與中心軸之間通過橫梁連接，所述各風葉圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪。優(yōu)選地，所述風葉為三個。具體地，所述風葉的螺旋方向為左旋或右旋。具體地，所述風葉的螺旋角度介于90° 140°之間。具體地，所述風葉的螺距為0. 1米 100米。具體地，所述風葉采用高強度、高剛度、低密度、長壽命的材料制成。具體地，所述各風葉的重量偏差不超過+/_50g。具體地，所述風葉澆鑄成型、鉚接成型、彎曲成型、翻砂成型或粘合成型。本發(fā)明采用螺旋形風葉圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪，保證了風輪360° 迎風，從而使得風輪旋轉時，風葉始終都有最佳攻角，便于風輪在低風速時的啟動，避免了風輪在同樣的條件下的停止轉動的可能，保證了發(fā)電機能在低風速時發(fā)電，解決了現(xiàn)有的直片式風葉在低風速時風輪旋轉造成的攻角的改變而帶來的輸出功率P降低和在低風速下容易停止轉動的問題。


圖1是現(xiàn)有技術提供的具有直片風葉的垂直軸風力發(fā)電機的示意圖2是圖1中的1[片風葉的示意圖3是圖1中的1[片風葉在同一時刻、不同位置時的示意圖4是圖1中的1[片風葉的截面與氣流速度之間的關系圖5是圖1中的1[片風葉的最大風能利用系數(shù)Cp與攻角α之間的關系圖6是圖1中的i[片風葉的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd與攻角α之間的關系圖
圖7是本發(fā)明實施例提供的具有螺旋形風葉的垂直軸風力發(fā)電機的立體示意圖
圖8是圖7中的垂直軸風力發(fā)電機的主視圖9是圖7中垂1[軸風力發(fā)電機的俯視圖10是圖7中的螺旋形風葉的示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖7 圖10所示，本發(fā)明實施例提供了一種垂直軸風力發(fā)電機，包括一縱向中心軸11以及至少兩個沿中心軸11軸向設置且彎折為螺旋形的風葉12，中心軸11上同軸設有一發(fā)電機13，風葉12與中心軸11之間通過橫梁14連接，各風葉12圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪。其中，中心軸11用于固定風葉12和發(fā)電機13的位置，構成旋轉機構；風葉12將風能通過旋轉機構轉換成發(fā)電機13的定子和轉子之間的旋轉動作；發(fā)電機13將定子和轉子之間的旋轉動能轉換成電能，從而實現(xiàn)了將風能轉換成電能的目的。與現(xiàn)有的垂直軸風力發(fā)電機不同，本發(fā)明的垂直軸風力發(fā)電機采用螺旋形的風葉 12，各風葉12圍合成一個完整的360°風輪，保證了風輪360°迎風，從而使得風輪旋轉時， 風葉12始終都有最佳攻角α，便于風輪在低風速時的啟動，避免了風輪在同樣的條件下的停止轉動的可能，保證了發(fā)電機13能在低風速時發(fā)電，解決了現(xiàn)有的直片式風葉在低風速時風輪旋轉造成的攻角的改變而帶來的輸出功率降低和在低風速下容易停止轉動的問題。優(yōu)選地，本實施例中，垂直軸風力發(fā)電機安裝有三個螺旋形風葉12。下面以具有三個螺旋形風葉12的垂直軸風力發(fā)電機為例子來說明螺旋形風葉12的作用，但是不局限于三個螺旋形風葉12的垂直軸風力發(fā)電機。由圖9可看出，本發(fā)明的三個螺旋形風葉12組成了一個完整的360°無間隙、完全閉合的風輪，也就是說，在任何時候，無論風從哪個方向來，由螺旋形風葉12組成的風輪，必然有一個風葉12的截面處在最佳攻角位置，從而可以保證風力發(fā)電機在低風速時， 輸出更多的電能和更好地在低風速時啟動。而現(xiàn)有的直片式的風葉組成的風輪，是不能形成360°的完全閉合的風輪，其始終是個有間隙的風輪，這就意味著，當風輪轉動，風向改變后，攻角會改變，造成了在低風速時輸出功率不大甚至風輪停止轉動的問題。
以下為本實施例的風葉12的具體技術要求(1)風葉12表面處理，要耐腐蝕，耐生銹；(2)風葉12的任一截面形狀為任何適合做風葉的標準翼形，或為根據(jù)標準翼形而修改的非標準翼形；(3)風葉12尺寸公差均為國標5級；(4)風葉12表面不能破，不能有明顯的變形；(5)風葉12的材料任何高強度、高剛度、低密度、長壽命的材料，比如玻璃纖維、
碳素纖維、鋁合金、銅等；(6)風葉12的螺旋方向為左旋或右旋；(7)風葉12的螺旋角度介于90° 140°之間；(8)風葉12的螺距為0. 1米 100米；(9)每一組風輪里的各風葉12的重量偏差不超過+/_50g ；(10)風葉12在250轉/分鐘的轉速下，不能有超過5毫米的抖動；(11)風葉12所有的連接出不能松；(12)風葉12的轉速-功率曲線特征符合設計的要求；(13)風葉12的成型的方法(a)澆鑄成型-澆鑄機+模具；(b)鉚接成型-沖床 +壓鉚機+模具；(c)彎曲成型-彎曲成型機+模具；(d)翻砂成型-模具；(e)采用玻璃纖維鋼粘合成型。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種垂直軸風力發(fā)電機，包括一縱向中心軸，所述中心軸上同軸設有一發(fā)電機，其特征在于還包括至少兩個沿所述中心軸軸向設置且彎折為螺旋形的風葉，所述風葉與中心軸之間通過橫梁連接，所述各風葉圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪。
2.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉為三個。
3.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉的螺旋方向為左旋或右旋。
4.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉的螺旋角度介于90° 140°之間。
5.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉的螺距為0.1 米 100米。
6.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉采用高強度、高剛度、低密度、長壽命的材料制成。
7.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述各風葉的重量偏差不超過+/_50g。
8.如權利要求1所述的一種垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于所述風葉澆鑄成型、鉚接成型、彎曲成型、翻砂成型或粘合成型。
全文摘要
本發(fā)明適用于風力發(fā)電機領域，提供了一種垂直軸風力發(fā)電機，包括一縱向中心軸以及至少兩個沿中心軸軸向設置且彎折為螺旋形的風葉，中心軸上同軸設有一發(fā)電機，風葉與中心軸之間通過橫梁連接，各風葉圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪。本發(fā)明采用螺旋形風葉圍合成一俯視圖為圓形的360°風輪，保證了風輪360°迎風，從而使得風輪旋轉時，風葉始終都有最佳攻角，便于風輪在低風速時的啟動，避免了風輪在同樣的條件下的停止轉動的可能，保證了發(fā)電機能在低風速時發(fā)電，解決了現(xiàn)有的直片式風葉在低風速時風輪旋轉造成的攻角的改變而帶來的輸出功率降低和在低風速下容易停止轉動的問題。
文檔編號F03D3/06GK102251931SQ20111014990
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者易兵 申請人:易兵