升阻互补型垂直轴风力机设计

现代用于并网运行的大型风力机大多为水平轴风力机，且技术已经相对成熟，随着垂直轴风力机技术的发展，其风能利用率逐渐赶上水平轴风力机的水平。而且垂直轴风力机具有维护方便、不需要对风装置、结构相对简单等优点。

阻力型垂直轴风力机由于较低的叶尖速比，功率利用率较低；但转矩很大，有很好的启动性能。升力型风力机有较高的叶尖速比，功率利用率不低于水平轴风力机，但启动性能不理想，切入风速很高，较低风速时不能自行启动，需要人工启动。因此这里阻力型垂直轴风力机叶尖速比较低与升力型垂直轴风机叶尖速比较高构成主要矛盾，属于同一参数之间的矛盾即物理矛盾，考虑使用分离原理，利用空间分离原理，将两种垂直轴风力机互补在一起使用，使其分处不同空间，目的是提高升力型风力机的启动性能，降低切入风速，使其在低风速时也能自行启动，同时高速时又能保证较好的风能利用率。

利用空间分离原理，河海大学蔡新、舒超、潘盼等提出了一种新型升阻互补型垂直轴风力发电机，^[1]如图6-1所示为升阻互补型垂直轴风力机Ⅰ。同时考虑空间分离原理与时间分离原理，南通大学曹阳、吴国庆等^[2]提出了另一种升阻互补型垂直轴风力机，如图6-2所示为升阻互补型垂直轴风力机Ⅱ。

图6-1　升阻互补型垂直轴风力机Ⅰ

1—达里厄式风轮；2—S型萨沃纽斯阻力型风轮；3—立轴；4—轴承；5—坝式底座

图6-2　升阻互补型垂直轴风力机Ⅱ

1.升阻互补型垂直轴风力机Ⅰ(www.xing528.com)

目前大多数升阻互补型风力机都是将阻力型风力机叶片安置在升力型叶片尾流影响区域内，这样由于升力型叶片转动产生的湍流混杂在尾流中，尾流撞击阻力型叶片产生不规则振动，大大降低了阻力特性，并加剧了机组的疲劳损伤。因而设计一种互不影响的升阻互补型垂直轴风力机具有重要意义。

为了克服上述缺陷，该发明提供一种升阻互补型垂直轴风力机，使得阻力型叶片不受升力型叶片旋转导致的气流扰动对其产生的影响，让其更好地发挥启动性能，同时其在有效运行的叶尖速比范围内的运转过程中增加转矩。

为了实现上述目的，该发明采用的技术方案为：升阻互补型垂直轴风力机Ⅰ包括达里厄式风轮、一对S型萨沃纽斯阻力型风轮、用于固定达里厄式风轮和萨沃纽斯阻力型风轮的立轴、轴承、埋藏发电机的坝式底座。其特征在于，达里厄式风轮位于立轴中部，一对萨沃纽斯风轮分别位于立轴上下两端。

该发明提供了一种升阻互补型垂直轴风力机，利用空间分离原理，在合适的位置布置不同类型的垂直轴风力机，获得创新解决方案。在该风力机中，达里厄式风轮通常在较高的叶尖速比下，即时产生最高风能利用系数，但是启动性能较差；而阻力型萨沃纽斯风轮在叶尖速比较低时，达到最佳风能利用率。在达里厄式风力机较高的风能利用系数和叶尖速比的基础上，将小风轮半径的S型阻力型叶片放置在升力型叶片的上下端部，使得阻力型叶片不受升力型叶片旋转导致的气流扰动对其产生的影响，让其更好地发挥启动性能，同时其在有效运行的叶尖速比范围内的运转过程中增加转矩。当转速过快时，阻力型叶片输出负转矩，降低整个转子的转矩，降低对电机的负荷，使得其在大风速下能够安全工作。

2.升阻互补型垂直轴风力机Ⅱ

南通大学曹阳、吴国庆等人提出适用于低风速或风况复杂环境的垂直轴升阻耦合型风力机^[3]。垂直轴风力发电机主要有Savonius型、Darrieus型、H型和涡轮型。Savonius型自动转矩大，低风速时风能捕捉能力好，但风能利用率低，使得该型机在大型机组应用上缺乏竞争力；Darrieus型效率较高但自启动能力差；H型是英国在研究直叶式达里厄型过程中发展起来的，其自启动能力好；涡轮型则对空气密度较低的环境适应性好。对于风力资源欠丰富的村镇和高楼林立风况复杂的城市地区，一般的垂直轴风力发电机不适用。现有的垂直轴风力发电机大部分采用的是升力型风力机，在居民区因风速低常处于停机状态或不稳定工作状态；而阻力型风力机因其风能转换效率不高，较少使用。

该发明的具体解决方案如图6 2所示的升阻互补型垂直轴风力机Ⅱ，一种用于风力发电的垂直轴升阻耦合型风力机。其特征是：包括基础平台，基础平台中央上表面设置立轴，立轴上部装配有两个轴承，且两个轴承间的距离为叶片高度的1/3，两个轴承上分别盖装轴承盖，且轴承外盖与轴承盖内孔配合，有多个叶片沿立轴轴向均布，每个叶片与轴承盖之间通过支撑杆连接，构成风轮；所述叶片为带有上下封盖的空心结构，上下封盖与活动式栅板连接。栅板的上下端通过轴承机构与叶片的上下封盖连接。栅板三个为一组，每个叶片配一组，每组三个栅板上端和下端分别以连杆形成联动机构，保证三个栅板同时摆动相同角度；栅板闭合时刚好首尾相接，保证叶片能获得最大升力效果。所述栅板为长条形薄片结构，栅板宽度大于叶片开口弦长的1/2，栅板高度小于叶片长度，栅板两端的金属销与封盖上的轴承相配合，使栅板可以绕金属销摆动，栅板摆动角度范围为50°～70°，栅板材料为玻璃钢或铝合金或白铁皮。叶片为中空薄壳结构，在其一侧由叶尾至前缘切除3/4，呈半包围结构，叶片曲面采用美国航空标准翼型NACA0018。栅板可以围绕叶片某一轴线摆动，与叶片弧形面形成张开或闭合情形。叶片绕垂直于风向的轴旋转时会形成顺风和迎风两个状态，叶片顺风时，空气由叶尾流向前缘，栅板受风力作用而张开，根据国家标准，此时叶片属于阻力型叶片；叶片迎风时，空气由前缘流向叶尾，栅板自动闭合，此时叶片属于升力型叶片。每个叶片可根据气流情况实现阻力做功状态与升力做功状态自动切换。在风力作用下，每个叶片围绕风轮轴旋转一周，栅板完成由张开—闭合—张开的连续变化，使得风轮始终有半边呈现阻力型风力机特征，另半边则呈现升力型风力机特征，或全部呈现闭合，呈现升力型风力机特征。风速低时，阻力做功为主，整机呈现阻力型风力机特征；风速高时，升力做功为主，使得背风侧叶片的线速度大于风速，因此迎风侧叶片和背风侧叶片上的栅板均处于闭合状态，整机是一个升力型风力机。

该发明结构合理，利用空间分离原理，把不同类型垂直轴风力机有机整合在不同的空间中，并同时使用时间分离原理，在不同工作时间切换不同工作状态克服了升力型风力机低风速不能启动、阻力型风力机风能转换效率不高的缺点。