可調(diào)葉片攻角雙層式風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可調(diào)葉片攻角雙層式風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，是一種能應(yīng)用于極地環(huán)境利用風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動極地科考機器人的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在南極應(yīng)用的機器人中，大部分都是采用電池或燃料發(fā)動機來提供動力，活動范圍都非常有限。南極的風(fēng)力資源豐富，如果采用風(fēng)能作為能源，機器人的活動不再受能源因素的制約，則可以大大擴大活動范圍和活動時間，這樣就可以實現(xiàn)機器人在冰蓋中的“無限”續(xù)航漫游。極地科考機器人要實現(xiàn)無限漫游，適合機器人風(fēng)力驅(qū)動的應(yīng)該是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
[0003]風(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機械能，再把機械能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。風(fēng)力機是利用空氣穿過葉片后產(chǎn)生的阻力或者升力，帶動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動能。風(fēng)力機根據(jù)其轉(zhuǎn)動軸的方向分為兩大類:水平軸風(fēng)力機(HAWT)和垂直軸風(fēng)力機(VAffT)0水平軸風(fēng)力機通過一個螺旋槳式轉(zhuǎn)子和它的回轉(zhuǎn)軸來獲得風(fēng)能，其轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)向平行。垂直軸風(fēng)力機直接使用直或彎葉片轉(zhuǎn)子捕獲風(fēng)能，其回轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的流動方向，它們可以捕獲到任何方向的風(fēng)能。目前水平軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)型式單一而且簡單，擁有流線型的整體，升阻比良好。對啟動風(fēng)速要求不高，在高速運行時有較大的風(fēng)能利用系數(shù)。再加上國內(nèi)外研宄較多、技術(shù)較為先進，目前商業(yè)化的風(fēng)力發(fā)電機組絕大多采用水平軸風(fēng)力發(fā)電機。但是大型水平軸風(fēng)力機存在固有的缺陷，如對風(fēng)性差，抗風(fēng)能力弱和動態(tài)失速；另外水平軸風(fēng)力機塔架高，高空維護困難，費用高，葉尖及傳動噪聲較遠。
[0004]垂直軸風(fēng)力機的風(fēng)輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)。根據(jù)其葉片類型不同，大致把垂直軸風(fēng)力機分為兩個類別:一是利用翼型的氣動阻力做功產(chǎn)生驅(qū)動力矩，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速較低，S型風(fēng)輪是此類風(fēng)力機最為常見的結(jié)構(gòu)。另一類是利用翼型的氣動升力做功，最典型的是達里厄型風(fēng)力機。該風(fēng)力機風(fēng)輪的葉片形狀主要分為直葉片和彎葉片，具體包括有φ型、H型、或拋物面型等，最常用于風(fēng)力發(fā)電。其優(yōu)點是系統(tǒng)壽命長、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；無需偏航裝置，結(jié)構(gòu)簡單；成本低，維修方便，啟動噪聲較小。小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有靈活和高效率的特點，在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)中占有重要的地位。美國Mag-Wind公司推出的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品，相比同類廣品在
性能方面更勝一籌的基礎(chǔ)上，還具備了良好的可靠性。加拿大Cleanfield Energy公司設(shè)計的VAWT是以達里厄風(fēng)輪H型的變形，它具備良好的空氣動力學(xué)性能和特殊的扭矩設(shè)計，使得這種風(fēng)力發(fā)電機具有良好的抗風(fēng)和啟動性能等優(yōu)點。芬蘭Windside公司開發(fā)一種外形獨特的VAWT系統(tǒng)供野外儀器在最惡劣的環(huán)境下隨時隨地發(fā)電。我國對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研宄還不深入不完整，特別是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研宄。山東博峰主打的垂直軸直線翼風(fēng)力發(fā)電機(VAWT)采用了 H型葉片和三角形雙支點設(shè)計，主要受力點集中于輪轂，整體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。深圳泰瑪推出的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機采用陀螺形風(fēng)機，風(fēng)筒呈S狀。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機也存在一些缺點:垂直軸風(fēng)力發(fā)電機啟動性能和風(fēng)能利用率的矛盾；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的主要部件是風(fēng)輪，而風(fēng)輪最外端的葉片是受力最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，是影響整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的主要來源；與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的控制技術(shù)還不夠完善，相關(guān)的理論有待株入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對以上問題，提出一種可調(diào)葉片攻角雙層式風(fēng)輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，能滿足在極地環(huán)境中利用風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動極地科考機器人，保證機器人的續(xù)航能力。
[0006]為了達到上述要求，本發(fā)明的構(gòu)思是:
本發(fā)明采用H型葉片構(gòu)成的兩層風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，兩層風(fēng)輪之間呈60度夾角，能夠更好的接受各個方向的來風(fēng)，增加風(fēng)輪穩(wěn)定性，提高風(fēng)能發(fā)電效率。極地一年之間風(fēng)速變化較大，每層風(fēng)輪上都固定有一套攻角調(diào)節(jié)裝置，能夠根據(jù)風(fēng)速儀測得的風(fēng)速同步調(diào)節(jié)兩層葉片的攻角，讓風(fēng)葉一直處于最佳受風(fēng)角度，從而有效地提高風(fēng)能利用率。
[0007]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種可調(diào)葉片攻角雙層式風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，包括一個垂直軸風(fēng)輪與一個發(fā)電機相連而固定安裝在一個支架上，其特征在于:所述垂直軸風(fēng)輪為葉片攻角可調(diào)的雙層式葉輪，其結(jié)構(gòu)是:一根中心圓筒的上、中、下部分別固定著上圓盤、中圓盤和下圓盤，所述的上圓盤通過固定連接的三根周向均布的上輻條與上層風(fēng)輪的三片葉片的上端鉸連；所述的中圓盤分別通過固定連接的六根周向均布的中輻條與所述的上層風(fēng)輪的葉片的下端和下層風(fēng)輪的三片葉片的上端相鉸接，使上下層相鄰的葉片之間成60°夾角分布；所述下圓盤通過固定連接的三根下輻條與所述下層葉輪三片葉片的下端相鉸連；所述的上圓盤和中間盤上分別各安裝一套葉片攻角調(diào)節(jié)裝置，該兩套葉片調(diào)節(jié)裝置分別聯(lián)動上下層風(fēng)輪葉片而調(diào)節(jié)葉片攻角。
[0008]所述的發(fā)電機為永磁體發(fā)電機，發(fā)電機通過長螺栓固定于所述支架的一個上支架圓盤上，而向上的發(fā)電機轉(zhuǎn)軸伸出部與所述下圓盤固定連接。所述的葉片翼型為NACA4412，采用PLA
材料經(jīng)過3D打印制成，翼型準確，且葉片質(zhì)量輕、強度高、表面光滑。
[0009]所述的兩套攻角調(diào)節(jié)裝置相同，為上攻角調(diào)節(jié)裝置和下攻角調(diào)節(jié)裝置，均由風(fēng)速儀、連桿、舵機構(gòu)成；其中上攻角調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)是:所述的風(fēng)速儀固定連接在中支架圓盤，用于測量環(huán)境風(fēng)速。上舵機的通過法蘭上的四個周向螺紋孔定位與所述上圓盤固定連接，而向上的上舵機轉(zhuǎn)軸伸出部通過一個上鎖緊螺母與一個上舵機盤固定連接，三根周向均布的上連桿一端與上舵機盤的上端鉸連，另一端與葉片鉸連；所述的下攻角調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)是:下舵機的通過法蘭上的四個周向螺紋孔定位與所述中圓盤固定連接，而向上的下舵機轉(zhuǎn)軸伸出部與一個下舵機盤固定連接，所述三根周向均布的下連桿與下舵機盤的上端鉸連；所述的下攻角調(diào)節(jié)裝置特別之處在于下連桿通過中心圓筒下部三個周向均布的扇形透孔伸出，鉸連于所述下層葉輪的葉片；所述的兩套攻角調(diào)節(jié)裝置工作原理是:所述的風(fēng)速儀測量環(huán)境風(fēng)速，控制器根據(jù)風(fēng)速信號聯(lián)動調(diào)節(jié)上下舵機轉(zhuǎn)角，與上下舵機盤鉸連的上下連桿帶動上下葉輪的葉片改變攻角；不同的風(fēng)速范圍對應(yīng)不同攻角，能夠提高風(fēng)力發(fā)電機效率，同時增大風(fēng)力發(fā)電機啟動力矩。
[0010]所述的支架為可拆卸的鋁型材支架，其結(jié)構(gòu)是:一個上支架圓盤與一個支撐鋼管固連，支撐鋼管通過中支架圓盤和一個下支架圓盤的方形孔相連，中支架圓盤和下支架圓盤與一個歐標40鋁型材通過T型螺栓固連，鋁型材支架具有拆卸方便，穩(wěn)定性高，運輸方便的特點。
[0011]所述的上、中、下輻條均采用碳纖維材料制成的碳纖維輻條，強度高，變形小，耐疲勞性好，耐腐蝕性好，質(zhì)量輕，采用碳纖維輻條能夠提高風(fēng)力發(fā)電機效率。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
Cl)風(fēng)輪葉片選用NACA4412翼型，采用PLA材料經(jīng)3D打印制成，翼型輪廓準確，表面光滑，質(zhì)量輕且輕度高；
(2)采用H型葉片構(gòu)成的兩層風(fēng)輪結(jié)構(gòu)，兩層風(fēng)輪之間呈60度夾角，能夠更好的接受各個方向的來風(fēng)，增加風(fēng)輪穩(wěn)定性，提高風(fēng)能發(fā)電效率；
(3)攻角調(diào)節(jié)裝置能夠根據(jù)風(fēng)速改變風(fēng)輪葉片的攻角，讓風(fēng)葉一直處于最佳受風(fēng)角度，從而有效地提尚風(fēng)能利用率；
(4)通過雙層垂直軸風(fēng)輪進行再生能源利用，實現(xiàn)長續(xù)航長距離的野外極地機器人的電能供應(yīng)。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的整體立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是圖1的俯視圖。
[0015]圖3是葉片攻角調(diào)節(jié)裝置示意圖。
[0016]圖4是上下兩個葉片攻角調(diào)節(jié)裝置剖視圖。
[0017]圖5是可拆卸的銷型材底座不意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例作進一步的說明。
[0019]實施例一:
參見圖1一圖5，可調(diào)葉片攻角雙層式風(fēng)輪的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，包括一個垂直軸風(fēng)輪
(I)與一個發(fā)電機(5)相連而固定安裝在一個支架(6)上，其特征在于:所述垂直軸風(fēng)輪(I)為葉片攻角可調(diào)的雙層式葉輪，其結(jié)構(gòu)是:一根中心圓筒(8)的上、中、下部分別固定著上圓盤(10)、中圓盤(3)和下圓盤(4)，所述的上圓盤(10)通過固定連接的三根周向均布的上輻條(9)與上層風(fēng)輪(7)的三片葉片(11)的上端鉸連；所述的中圓盤(3)分別通過固定連接的六根周向均布的中輻條(9’)與所述的上層風(fēng)輪(7)的葉片(11)的下端和下