低速高效机翼型立轴风力发电机

低速高效机翼型立轴风力发电机

技术领域

本发明涉及低速高效机翼型立轴风力发电机的制备方法。属于能源、电力、住宅、建筑、材料、控制、空气动力学领域。

背景技术

小型风力发电机已是成熟的产品，不存在应用上的瓶颈。由于风力发电具有成本低、利用的可持续性高等特点，使小型风力发电走向城市、走向家庭、走向了更巧妙的实用阶段是小型风力发电机日益普及的必然之路。在众多的小型风力发电机生产厂商中，一直在探索重量轻、体积小、噪声小、低转速的微风启动发电的小型风力发电机，解决这个问题的瓶颈在于风力发电机的结构、翼型、转速启动力矩等技术难题。

经过几年的实际应用和国内外用户使用的反馈建议，我们在原小型风力发电机(专利：200710193833.4；200810136200.4；200910151201.0)的基础上，开发了出了低速高效飞机升力翼型立轴风力发电机。其特点在于转速低、无噪声、扭矩大、翼型采风效率高，电机发电能力强、整机使用寿命长，又适合用于欧、美和具有鸟保护法的国家。

目前，生产该类型垂直轴风力发电产品最多的是日本(2002年开始研究)，还有英国、加拿大等国目前也在研制中，这些国家的大部分产品在风轮设计当中采用平行连接杆，这种方式对发电机输出轴要求较高，并且结构相对复杂，现场安装程序也偏多。另外，从力学方面分析，H型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差，所以立轴风机的功率只能小于5KW。

经济性和社会效益分析和未来前景

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机，以3级风(相当风速3.4-5.4m/s)以上的平均时间按12小时计算，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机电能输出日发电量可达10度以上，每度电1.2元计算，则每日可节约电费12元。低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机按8000元价格计算，则4年左右即可收回全部投资。如按每套使用20年计算的话，则可节约电费在6万元以上。

按发1度电耗煤0.4千克计算，如每套自备电站使用20年的话，则可相当节约煤炭40吨、减少二氧化碳排放1500吨。由此可以看出，立轴滚筒1000W风力发电机的电能输出的经济性和社会效益分析都是十分显著的。

近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2006年全球风电资金中9％投向了中国，总额达16.2亿欧元(约162.7亿元人民币)。2007年，中国风电装机容量已排名世界第五。中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。

由于风电属于新能源范畴，无论是成本还是技术同传统的火电、水电相比还有较 大的差距。

中国正逢风电发展的大好时机，风电设备市场需求增加。小型风力发电机的市场增长潜力巨大。因此中国风电设备制造业景气持续。纵观风电发展迅速的国家如德国、西班牙、印度，无一例外地都要有自主产品，注重国内风电设备制造“两个字”，我们要发展民族产业、创造自主品牌。

发明内容

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机具备重量轻、体积小、噪声小、微风发电的能力。最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构(Φ型或称为达里厄)，由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，部分厂家做了一些尝试，但效果始终不理想。为何当初采用Φ型设计而没有用现在这种H型结构呢？实际上，由于H 型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气洞力学计算以及数字模拟计算。为小型风力发电机投入巨大的成本不值得，再加上实验成本也相当高。

我们发明的低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的翼型是以航空动力学作基础理论结合立轴风力发电机力矩、转速要求的特点完成以下设计指标：

额定转速250rpm；

风速3m/s可以启动，12m/s满负荷，25m/s为最大风速。

联杆长度600mm；

额定输出功率1000w。

根据之前的理论分析，现初步设定叶片翼型设计的指标，如下：

最大升力系数C_Lmax≥1.5；失速迎角α|C_Lmax≥15°；最大升阻比C_L/C_d-max≥40；C_L，α＝0≥0.4。

以上要求为风速10m/s时同时满足。

本报告定义如下变量符号：

尖速比 有效拉力系数C_T＝C_L sinα-C_d cosα

根据资料λ＝5时，风机的效率达到最大，接近0.4。此时对应的风速V＝30m/s。考虑性能要求，设定V＝10m/s。此时λ＝15。叶片弦长c＝0.3m。

现已确定的机械参数为：

R＝0.6m；N_b＝5；ω＝250rpm

空气动力学参数为：

温度T＝288.15K＝15℃；空气密度ρ＝1.225kg/m³；风速V＝10m/s；雷诺数 

计算工具的说明及翼型选型计算结果：

通过求解NS方程来计算粘性流动下翼型的气动特性。并且通过相关程序的修改，使之适应超低速下的翼型的气动计算要求。

采用空气动力学原理，针对垂直轴旋转的风动模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等。它用垂直直线5个叶片组成，采风面积大切 风速度快，5角形形状的轮毂固定，连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

该技术原理根据空气动力理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果。

具体实施方式

由于此种设计结构采用了特殊空气动力学原理、三角形向量法的连接方式以及增速结构的原理，风轮的受力主要集中于轮毂上，这种结构不可能轮毂有较快的转速，但是这种结构抗风能力较强，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点，特别还体现在人类对自然环境的保护法上，未来的小型风力发电机应用，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机是主流产品。

使用低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机优越性非常明显，此种设计的瓶颈是风叶和电机，H型垂直轴风力发电机的电机必须是低速的，我使用永磁电机通过我设计的增速器以1∶4的比值完成实验，当轮毂转动60转/min时，电机已进入满负荷的正常发电 转速。风叶的材料是全铝合金拉伸工艺重量轻、强度高、互换性好，表面采用纯阳极氧化然后电泳处理，可在任何条件的自然环境下使用寿命达20年。

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机结构特点：

a.结构简单零部件少

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机是按GB/T13981-1992设计。

永磁风力发电机、铝合金风叶、增速器、中心旋转轴、铝合金风叶连杆，共五个大件。

b.结构牢固运转灵活

中心旋转轴轮辙与连杆是用螺丝相连然后加装锁紧丝母，连杆和轮辙都是铝合金结构既有强度又不会生锈，安装特别简单方便，连杆和轮辙牢固不会松动、不会位移。

c.中心旋转轴

中心旋转轴在支承座套中采用了两级不同类型的滚珠轴承组合形式，风机的转动中，中心旋转轴可以承受巨大的轴向力作用和径向力作用，而且运转非常灵活。

d.飞机翼型迎风面积大、切风速度快、风能利用率高

五片风叶结构形式是根据立轴风机功率的要求，设计圆周运动的半径长度，优化设计出叶片数，当风轮在风力的作用下转动超过200转/秒时，这时风机的外围结构形成为立体面形式，他的风通量立刻小于每秒4-6m/s，此时的风机自动降低转速，使风机不能跑疯。这样就使风机减速，保护了风机和控制器，我利用了机械的物理结构限速，是本设计的一个小技巧。

e.增速器

增速器使用尼龙齿轮增速比1∶4，这种材料免维护、耐高低温、运动无噪声。

f.发电机是我们的专利技术已得到广泛应用。

四、低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的加工工艺

严格按照GB/T13981-1992设计、加工，具有良好的互换性。

五、低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的可靠性说明

风机全部组件采用铝合金加工，设备安装简单，具有良好的互换性。

1000W风机重量只有68Kg。免维护系统，运动无噪声。耐腐蚀、防老化，表面采用高强度电泳处理。电机出力大、发电能力强、系统转动惯量持续。

低速、高效、机翼型立轴风力发电机结构，就是为了风力发电机在启动风速低的情况下，保持电机具有足够的出力，此项技术的应用适合中国的决大部分城市和乡村，只要夜晚年平均风力在每秒6米以上，风吹的有效时间在四小时以上，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机风力发电机发出的电能就可以将100Ah的蓄电池充满。低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的采翼型用硬质合金铝压制具有重量轻体积小，在任何风向的情况下都可以具有良好的采风效果，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机总重量小于68公斤。翼型支架为合金铝圆形6mm厚铝管，两端设计有防水圆盘及电机轴承固定装置。下面有导入底座，可以安装在直径40mm支架的管内。工作噪声小于65dB，对使用环境无干扰。

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机，电机外部部件匀采用耐盐雾、无磨损的纳米材料使用寿命20年以上。适用于海岛、牧场、通讯站、石油勘探等；及电网不能连到的农、牧、鱼地区。本产品属于市场前景广泛的应用产品。

六、低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的设计依据和应用效果

6.1低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的设计依据

风力发电机的各项技术指标完全符合GB10760.1-89《小型风力发电机技术条件》的要求。

线路由半圆型支架导入底座，然后进入控制器、蓄电池、逆变电装置。他不用偏航系统控制风机迎风，无论在何时、何种风向滚筒都会顺时针方向转动，两端设计有防水圆盘及电机轴承固定装置。下面有导入底座，可以安装在直径40mm支架的管内。导线接入全桥把交流变成直流48/96VDC或220VAC电，通过风力发电机控制器，电能会自动向蓄电池储存。储 存的电能可在没有风能的情况下通过蓄电池向用户供电，也可以通过逆变器直接并网使用。

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机风力发电机翼型身高1.5-1.8米，离地安装高度为6-10米。可以安装在路灯杆上，也可以安装在特制的支架上，底座可以用螺栓固定，也可以水泥浇注方式，安装方便、工作可靠性高、结构简单、免维护、工作噪声小于65dB，对使用环境无干扰。

直交流逆变

通过DC/AC(直流电/交流电)转换器，将蓄电池组的直流电源转化成电压和频率稳定的交流电源。

照明自动切换

照明自动切换器可以自主分析，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的电能输出状况和照明或其它用电设备的功率需求，自动地在低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的电能输出、蓄电池组电能输出和市电之间进行切换，可最大限度地利用，低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机电能输出，同时切换过程可做到完全无缝，不影响或干扰照明或其它用电设备的使用。

6.4低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的典型应用

低速、高效、飞机翼型立轴风力发电机的电能输出还可以在风力条件合适的任何用电地点使用，如农场、河滩果园、高原兵站、戈壁滩等。典型应用情况如下：

牧区或草原上的牧民，用电设备为2只灯泡、一台彩电视机、一台卫星接收机，用电量300W。

偏远地区的哨所，用电设备包括多个照明灯泡、电视机、电脑总功率约为600W以内。

渔场，主要需要供给照明及一台500W水泵用电。