本發(fā)明屬于風力發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種垂直軸風力發(fā)電機。

背景技術(shù)：

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為2.74×10⁹兆瓦，其中可利用的風能為2×10⁷兆瓦。中國風能儲量很大、分布面廣，開發(fā)利用潛力巨大。

近幾年出現(xiàn)的分布式能源系統(tǒng)概念的提出，為解決當前的能源問提供了新的方向，而風力發(fā)電是其中一個重要的組成部分。對風力發(fā)電設(shè)備，尤其是適用于分布式能源系統(tǒng)的中小型風力發(fā)電設(shè)備的研究具有重要的應(yīng)用價值。當然應(yīng)用相對較廣泛的中小型風力發(fā)電機時h型風力發(fā)電機，h型風力機屬于升力型垂直軸風力發(fā)電機，除適用于風電場外，還可以充分利用大型建筑物的集風作用和大型建筑物頂層的空間和高度。相對于中小型水平軸風力發(fā)電機，h型風力機額定轉(zhuǎn)速低，無噪聲，啟動風速小，比中、小型水平軸風力機具有更廣的應(yīng)用范圍。

然而，h型風力機葉片一般采用等截面翼型結(jié)構(gòu)，在大多數(shù)應(yīng)用場合如居民區(qū)、高層建筑等，風力一般較低，且風力機實際運行中，風速有可能不斷變化，風力機無法工作在最佳工作工況點，尤其是當風速變低時，來流攻角變小，風力機葉片上易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，葉片上的升力變小阻力增大，不能獲得最大的轉(zhuǎn)矩，只能低負荷運行，或者風速過低導(dǎo)致風力機不能啟動運行，造成風電設(shè)備年運行小時數(shù)低，仍然存在啟動風速高和輸出效率低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種垂直軸風力發(fā)電機，該垂直軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，拓寬了風力機葉片有效工作工況范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)低風速下風能的有效利用。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種垂直軸風力發(fā)電機，包括發(fā)電機、變速箱及風力機，風力機包括若干葉片以及垂直轉(zhuǎn)軸，葉片為等截面翼型葉片，每個葉片通過支撐板周向等距垂直安裝在垂直轉(zhuǎn)軸上；在葉片表面設(shè)有空腔，且空腔的開口處覆蓋柔性膜。

所述空腔位于葉片壓力面的前緣處，或者位于葉片吸力面的前緣處，或者位于葉片吸力面的后緣處。

在空腔內(nèi)至少設(shè)有一個能夠使柔性膜強迫振動的激振裝置；

所述激振裝置包括激振器、固定裝置及彈簧，激振器固定安裝在空腔底部，彈簧的一端通過固定裝置連接在激振器上，另一端固定在柔性膜的中心，通過激振器帶動彈簧動作，彈簧動作帶動柔性膜進行強迫振動。

空腔內(nèi)還設(shè)有用于支撐柔性膜，且能夠充、放氣的氣囊。

氣囊能夠充放氣。

柔性膜采用聚酯纖維薄片制成。

柔性膜采用壓電材料制成。

空腔內(nèi)至少設(shè)有一個壓電材料控制裝置，壓電材料控制裝置包括壓電傳感器、壓電控制單元，壓電傳感器用于測量柔性膜的振動頻率和位移，壓電控制單元用于輸出控制柔性膜的電流信號。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開了一種垂直軸風力發(fā)電機，包括風力機、變速箱、發(fā)電機，風力機包括垂直轉(zhuǎn)軸和若干葉片，葉片為等截面翼型葉片，每個葉片通過兩個支撐板環(huán)向等距垂直安裝在垂直轉(zhuǎn)軸上；葉片表面設(shè)有空腔，且在空腔的開口處覆蓋有柔性膜。本發(fā)明提供的垂直軸風力發(fā)電機，采用局部柔性葉片，相對于傳統(tǒng)剛性翼型有更加良好的氣動性能；同等風速下能夠有效提高風力機葉片升阻比，增大風力機輸出轉(zhuǎn)矩，拓寬風力機葉片有效工作工況范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)低風速下風能的有效利用，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。采用該結(jié)構(gòu)葉形的風力機葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形提高16％以上，阻力系數(shù)降低11％～15％。

進一步地，空腔設(shè)置于葉片前緣處，風力機葉片前緣剪切對于不同的外部擾動具有豐富的響應(yīng)譜，通過對這一區(qū)域施加適當?shù)臄_動，能夠改變流場結(jié)構(gòu)。

進一步地，空腔內(nèi)還設(shè)有氣囊，氣囊的體積與空腔相適應(yīng)，一方面能起到柔性支撐柔性膜的作用，另一方面可改善柔性膜振動性能。同時，該氣囊可充放氣，通過對氣囊充氣和放氣達到改變?nèi)~片葉型的作用。

進一步地，在空腔內(nèi)至少設(shè)有一個能夠使柔性膜強迫振動的激振裝置，激振器頻率從0hz～200hz可調(diào)，從而柔性膜的頻率也可調(diào)，以適應(yīng)流場，進一步優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)。

進一步地，柔性膜采用壓電材料制成，空腔內(nèi)至少設(shè)有一個壓電材料控制裝置，壓電傳感器采集柔性膜的振動位移和頻率，并將位移和頻率數(shù)據(jù)傳送給控制單元，由控制單元產(chǎn)生電流信號對壓電材料進行主動控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的水平軸風力發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1的風力機葉片的剖面示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例2的風力機葉片的剖面示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例3的風力機葉片的剖面示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例4的風力機葉片的剖面示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例5的風力機葉片的剖面示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例6的風力機葉片的剖面示意圖；

圖8為本發(fā)明實施例7的風力機葉片的剖面示意圖。

圖中，1為柔性膜；2為空腔；3為激振器；4為彈簧；5為固定裝置；6為氣囊。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

風力機的效率和工況主要取決了葉片的性能，而影響葉片性能的關(guān)鍵因素是流動分離的發(fā)生。通過延遲甚至消除流動分離，能夠有效增加葉片升力，減小葉片阻力，進而提高風力機效率，拓寬風力機工況范圍。本發(fā)明通過在葉片表面適當位置設(shè)置柔性膜來實現(xiàn)這一目的。在風力機工作時，由于來流空氣或者其他激振源的激勵，葉片表面柔性膜發(fā)生振動，通過振動促進邊界層與主流的動量交換，將主流區(qū)域的能量遷移至邊界層區(qū)域，籍此提高邊界層的空氣流速，降低邊界層的壓力，延遲甚至消除流動的分離。

實施例1

如圖1所示，垂直風力發(fā)電機包括發(fā)電機、垂直轉(zhuǎn)軸和5個葉片，風力機葉片為等截面翼型葉片，風力機葉片環(huán)向等距垂直安裝在垂直轉(zhuǎn)軸上，風力機的翼型葉片吸力面朝向垂直轉(zhuǎn)軸，葉片前緣壓力面設(shè)有一個幾乎與葉片等長的空腔，圖2為帶空腔的風力機葉片截面圖，圖3為設(shè)有空腔2和柔性膜1結(jié)構(gòu)的風力機葉片示意圖，空腔2的開口用與空腔2開口形狀相同的柔性膜1覆蓋，柔性膜1邊緣與空腔2開口邊緣緊密固定。

研究表明，風力機葉片產(chǎn)生的升力主要來源于葉型的前段，尤其是靠近葉片葉型前緣1/3的地方，而風力機葉片前緣剪切對于不同的外部擾動具有豐富的響應(yīng)譜。通過對這一區(qū)域施加適當?shù)臄_動，能夠改變流場結(jié)構(gòu)。

本實施例中開設(shè)空腔處葉形弦長為500mm，空腔前緣與葉片前緣距離重合，空腔后緣距風力機葉形前緣距離為50mm。柔性膜采用聚酯纖維材料。當有風力作用時，來流對柔性膜產(chǎn)生激勵，從而使柔性膜產(chǎn)生自激振動，進一步，柔性膜的振動又反過來對葉型前緣附近的來流產(chǎn)生影響。采用cfd軟件fluent的數(shù)值模擬表明，對于2m/s風速的來流，攻角10°，采用該結(jié)構(gòu)葉形的風力機葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形提高了21％，阻力系數(shù)降低15％左右。

實施例2

如圖4所示，與實施例1基本相同，不同之處在于空腔內(nèi)部還固定設(shè)有一個激振器3，激振器3上的固定裝置5(曲軸)與彈簧4一端連接，彈簧4另一端固定連接在柔性膜1上，通過激振器3使彈簧4產(chǎn)生一定頻率的拉伸和壓縮，進而使柔性膜1也以該頻率振動。激振器3頻率從0hz～200hz可調(diào)，從而柔性膜的頻率也可調(diào)，以適應(yīng)流場，進一步優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)。采用cfd軟件fluent的數(shù)值模擬表明，對于2m/s風速的來流，攻角10°，采用該結(jié)構(gòu)葉形的風力機葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形提高了16％，阻力系數(shù)降低11％左右。

實施例3

如圖5所示，與實施例1基本相同，不同之處在于空腔2內(nèi)部還設(shè)有一個體積與空腔相適應(yīng)的氣囊6，該氣囊6一方面能起到柔性支撐柔性膜1的作用，另一方面可改善柔性膜1振動性能。進一步，該氣囊6可充放氣，通過對氣囊6充氣和放氣達到改變?nèi)嵝阅?振動效果的作用。

實施例4

與實施例1基本相同，不同之處在于空腔處覆蓋壓電材料柔性膜，膜上設(shè)有壓電傳感器，并在空腔內(nèi)設(shè)置控制單元，所述壓電傳感器采集柔性膜的振動位移和頻率，并將位移和頻率數(shù)據(jù)傳送給控制單元，由控制單元產(chǎn)生電流信號對壓電材料進行主動控制。

實施例5

如圖6所示，與實施例1基本相同，不同之處在于空腔2和柔性膜1設(shè)在葉形前緣的壓力面處。

實施例6

如圖7所示，與以上各實施例不同的是，葉形前緣的吸力面和壓力面處均設(shè)有空腔和柔性膜。

實施例7

如圖8所示，與以上各實施例不同的是，葉形后緣的吸力面處均設(shè)有空腔和柔性膜。