CN101517226A - 垂直轴风力发电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电机和至少两个涡轮叶片，其中每个涡轮叶片通过一支撑臂和一可被完全拉伸负载的连接元件被连接到旋转垂直轴上。根据本发明，可被完全拉伸负载的连接元件和支撑臂中，设置一叶片，其在由涡轮叶片限定的迎角侧凸起，并且在另一侧凹入。本发明还涉及一种制造风力发电机的方法。

Description

垂直轴风力发电机及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，该风力发电机包括一旋转的垂直轴和至少2个涡轮叶片，其中每个涡轮叶片具有一上端部和一下端部，每个涡轮叶片的至少一端通过一支撑臂连接到旋转垂直轴上，该支撑臂具有一连接到旋转垂直轴的近端，和一位于叶片的端部附近的远端，该风力发电机还具有可被完全拉伸负载的连接元件，其具有一连接到旋转垂直轴的近端，和一位于旋转垂直轴的远处的远端，其中

一可被完全拉伸负载的连接元件的近端在一位置连接到旋转垂直轴，该位置位于旋转垂直轴的涡轮叶片投射到旋转垂直轴上的部分的外侧；

一可被完全拉伸负载的连接元件的远端至少连接到(1)一支撑臂的远端和(2)连接到所述支撑臂的所述远端的涡轮叶片的端部中的一个。

背景技术

垂直轴风力发电机(VAWT)，也叫做Darrieus式风力发电机，是众所周知的。该发动机具有2个或更多个涡轮叶片(具有翼型)，该涡轮叶片相对于垂直轴对称旋转地设置。Darrieus式风力发电机相比水平轴风力发电机(HAWT)具有一个优点，其不需要在风力的方向上定位。另一个优点是VAWT产生的功可以以简单的方式来利用，通常使用一固定设置的发电机，这样风力发电机的构造将变轻并且可避免电缆缠绕，这使得垂直轴风力发电机比HAWT容易控制。最古老类型的VAWT的涡轮叶片是直的，垂直设置的涡轮叶片具有翼型。由于在旋转过程中产生的离心力，所述叶片受到很大的力。因此，后来的发展趋向于弯曲的涡轮叶片，其具有悬链线或troposkien(弯曲索)形状。具有一垂直轴的风力发电机的一个不利之处在于当风开始吹动时，它们不容易起动。因此，长期以来已知的是给这些发电机设置一萨伏纽斯转子以解决该问题。

为了与其他的产生能量的装置竞争，特别是为了与化石燃料竞争，减少风力发电机的制造费用一直都是必须的。然而，在风力发电机中，许多其他因素产生巨大影响，例如噪音污染，在大风时的强度，工作时的可靠性和控制时的灵敏性等等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直轴风力发电机，一方面其可以以简单的方式制造，另一方面在很大程度上其可以满足上述所提及的要求。

为此目的，根据本发明的风力发电机的特征在于，在可被完全拉伸负载的连接元件和支撑臂之间设置一叶片，所述的叶片在由涡轮叶片所限定的迎角侧凸起，并且在另一侧凹入，该叶片具有一迎角边缘，其中

a)由1)迎角边缘和2)支撑臂近端和远端之间的线在水平面上投影而形成的线，彼此以锐角设置，并且

b)将迎角边缘投射到水平面上而形成的第一线具有一第一长度，将迎角边缘投射到穿过可旋转的垂直轴和支撑臂的远端的垂直平面上而形成的第二绳索，具有第二长度，且第一长度大于第二长度。

这样一个大的流通表面，其决定了能够产生的能量的数量，该表面利用一个由可被完全拉伸负载的连接元件和支撑臂形成的可靠的结构，通过涡轮叶片和轴之间的大距离而形成。该支撑臂是一压力负载元件。与连接元件相连的术语“可被完全拉伸负载”是一技术用语，其表示拉力不是通过连接元件的弯曲而吸收，而是在连接元件的近端和远端之间的方向。该叶片，其本身并不对涡轮叶片和旋转垂直轴连接的强度做出实质贡献，而是作为萨伏纽斯式叶片工作。这样，以便宜的方式，能够容易地启动垂直轴风力发电机。该叶片与可被完全拉伸负载元件和支撑臂中的至多1个一体形成(例如形成一片)，但是实际上是单独制造的元件，其连接到可旋转的垂直轴、可被完全拉伸负载元件、支撑臂中的至少一个。有利的，该叶片由金属板或塑料板制成。更具体的，该叶片可以是单独制造的塑料元件，其通过模具预成型。在本申请中与迎角侧有关的，提到了“由涡轮叶片所限定”，那么这意味着该叶片的形状决定了风力发电机的旋转方向，其中旋转方向限定了迎角侧。该叶片的迎角边缘由叶片的那些点限定，为了到叶片在水平面上的投影上的旋转垂直轴的距离，这些点被设置最大距离远离水平面和垂直面之间的交叉线，垂直面穿过旋转轴和支撑臂的远端。在本申请中，术语旋转垂直轴可以和术语转轴互换。在a)中限定的锐角设置在支撑臂的远端附近。

优选的，可被完全拉伸负载的连接元件呈带状。

该带价格便宜，特别是由于相比于同样厚度的绷绳，它的宽度较大，因而可以吸收大的力，并且可以以简单的方式连接到涡轮叶片上。

一有利的实施例，其特征在于该带在它的远端具有一个结，并且连接到涡轮叶片的末端。

这样，通过简单的方式，在大表面区域上提供了牢固的连接。这通过，例如，在涡轮叶片端部安装压力负载的漏斗体，并在该处通过贯穿螺栓或类似连接来连接可完全拉伸负载的连接元件的远端和涡轮叶片的端部。

一个重要的实施例，其特征在于，叶片防护1)可完全拉伸负载的连接元件的远端，2)可完全拉伸负载的连接元件，3)支撑臂中的至少一个。

这样，限制了噪音污染，可以避免对空气动力学成型的连接元件和/或支撑臂的需要。同样，可以避免螺栓和螺母的凸出头的噪音污染，同时该结构保持简单。优选的，至少1)和3)，和最优选的2)和3)-其中2)包括1)-被保护。

根据一个重要的实施例，从迎角侧看，该叶片具有三角形形状。

该三角形有效地通过a)连接元件和支撑臂的连接，b)支撑臂至该轴的连接，和c)连接元件至该轴的连接而限定。虽然不希望被任何理论所限制，可以相信的是萨伏纽斯转子的相对低的的叶尖速度比可以与Darrieus转子的高的叶尖速度比和谐地结合，在用于生产风能的有利的条件下，萨伏纽斯转子不会过度减少风力发电机的产出。

本发明还涉及一种垂直轴风力发电机的制造方法。

本发明的特征在于，轴设置有一支撑臂、可被完全拉伸负载的连接元件和一涡轮叶片，以及设置在支撑臂和可被完全拉伸负载的连接元件之间的叶片，其在由涡轮叶片限定的迎角侧凸起和在另一侧凹入，该叶片具有一迎角边缘，其具有一垂直该轴的方向元件。

这样，低成本就可以提供一个容易启动的垂直轴风力发电机。该叶片连接到支撑臂、轴和可完全拉伸负载的连接元件中的至少一个，在其中的顺序是任意的，但是通常优选最后安装叶片。

一简单实施例，其特征在于，该叶片是一个单独制造的叶片，其与可完全拉伸负载的连接元件和支撑臂都连接。

这将充分维持该叶片的形状，即使它被设计的相对薄(并且廉价)。

与FI934351相比较，在本发明中对于该结构的每一部分，可以使用的是具有最佳的性能和最低的成本的元件。这可应用于性能例如空气动力学性能，其不再在支撑臂和/或可完全拉伸负载的连接元件中起作用，其产生的结果是这些元件可以根据它们的强度，对所连接的其他元件(轴，叶片)的适合性和材料性能来选择。优选的，可被完全拉伸负载的连接元件，支撑臂和叶片中的至少一个由钢铁制成。

为了简单可靠地连接涡轮叶片，一个优选的方法其特征在于，提供具有一个结的可被完全拉伸负载的连接元件，其中连接元件的扭结部分连接到涡轮叶片。

最优选的，该叶片设置成这样，使得该叶片防护1)可被完全拉伸负载的连接元件的远端，2)可以是完全拉伸负载的连接元件和3)支撑臂中的至少一个。

附图说明

本发明将通过附图示出，其中

附图1描绘了根据本发明的垂直轴风力发电机的侧视图；

附图2示出了附图1中沿线II-II的横截面图；

附图3示出了附图1中沿线III-III的横截面图；

附图4示出了附图1中的风力发电机的部分俯视图。

具体实施方式

在附图1中示出了，一个Darrieus转子1具有一个垂直轴2和转子叶片，其中示出了转子叶片3。转子叶片3在其末端通过支撑臂4，4’连接到垂直轴2。该支撑臂4，4’是可以为压力负载的支撑臂，并且具有矩形横截面的(附图2)。转子叶片的端部通过可被完全拉伸负载的带5，5’也连接到轴2。支撑臂4，4’和可被完全拉伸负载的带5，5’的结合构成了一个可靠的和高强度的结构。带5，5’，支撑臂4，4’和轴2例如可由钢铁制成。

根据本发明，叶片6设置在可被完全拉伸负载的带5(5’)和支撑臂4(4’)之间。在附图1中，叶片6’被省略，其从实际的观点来看是确实可能的，但是优选的，叶片在上方和下方都呈现。不言而喻，从稳定的观点出发，连接到轴上的Darrieus转子部分的重心与轴2相一致。例如，由于Darrieus转子具有奇数个转子叶片3，这意味着所有的转子叶片3或者都在它们顶部设置有叶片6；或者都在它们底部设置有叶片6’；或者在它们顶部和底部上都设置有叶片6，6’。相对于风的流动，叶片6彼此协作，萨伏纽斯转子依靠其运转。这同样应用于叶片6’。

叶片6，6’可由例如塑料板或薄钢板形成，并优选的连接到可被完全拉伸负载的带5，5’和支撑臂4，4’。任何这样的结构都是廉价的和有效的。叶片6，6’优选保护带5，5’和支撑臂4，4’(例如从迎角侧看不到它)，为了获得该保护，带5，5’和支撑臂4，4’可以设计成非空气动力学的，这样费用更低。这样成形的凸起在贯穿旋转轴和支撑臂的远端的垂直面上的叶片6，6’具有三角形形状，在其中，萨伏纽斯转子的相对低的最佳的叶尖速度比可以与Darrieus转子的高的最佳的叶尖速度比协调结合。

支撑臂4和垂直轴2之间的角度α通常是70-110度，优选85至95度，并且垂直轴2和带5之间的(封闭)角度β通常是60-90度，优选70-80度。

叶片6具有一个风首先达到的部分，迎角边缘13，这里用虚线表示。角度γ优选为(α+β)/2，其由在垂直轴2，支撑臂4，4’和带5，5’构成的平面上凸起的迎角边缘13形成。

附图2描述了沿着附图1中线II-II的横截面。这儿，可以看见支撑臂4，在该实施例中，其为非空气动力学设计，特别是矩形的轮廓。进一步，带5和叶片6被示出，叶片6同时将带5和支撑臂围起来，保护它们不受风(箭头；在该图中迎角侧位于左侧)。叶片6通过胶接、空心铆钉等连接到支撑臂4和带5。叶片6不是轴承类型的，但确实具有足够的形状刚性，可以承受由风施加的压力而不变形。叶片6和胶接是柔韧性(不易碎的)，根据风力发电机1的旋转速度，它们可以吸收支撑臂4和带5经受的微小的变形和/或角度的变化。

附图3示出了沿附图1的线III-III的横截面，并更详细地示出了支撑臂4和带5与涡轮叶片3的上端部的连接。由于涡轮叶片3必须要轻，在实际中它们被设计为中空的(例如航空级别的压制铝)。为了有效的将端部连接到支撑臂4和带5，可以将压力负载的填充体7插入涡轮叶片的端部(填充体7以阴影线示出)。支撑臂4和带5在它们相应的端部(例如远端，设置在离垂直轴2的远处)具有扭结元件11和12(附图1示出了配对物11’和12’)，其通过螺栓接合彼此连接。该螺栓接合包括螺栓8和螺母9。由于螺栓接合和支撑臂4与带5的远端部分可能造成噪音污染，优选安装一个具有翼形的帽子10。该帽子10由塑料制成，并且通常由两个半边组成，例如，其通过吻合连接彼此连接。该帽子10优选与叶片6领接，或在帽子10和叶片6之间有部分重叠。

附图4示出了在俯视图中的风力发电机的部分，特别是转轴2，转子叶片3和迎角边缘13。该风力发电机是旋转对称的。

根据本发明的风力发电机已经被公开作为一种具有垂直轴的风力发电机。原则上，也可以一个不与地球表面垂直的角度为轴设置风力发电机，通过改变在风的方向的横向上的平面内的轴，例如90度。这样，本发明的优点被保留。任意这样的设置的缺点在于，该风力发电机不能在每个风向都同样好地运行，或该风力发电机要根据风而定位，就像HWAT。在本发明中提及了水平面，指的是在风力发电机的旋转轴的横向的平面。本发明提及了垂直面，指的是由旋转轴和支撑臂端部所限定的平面。

Claims (10)

1.一种垂直轴风力发电机，该风力发电机包括一旋转的垂直轴和至少2个涡轮叶片，其中每个涡轮叶片具有一上端和一下端，每个涡轮叶片的至少一端通过支撑臂连接到旋转垂直轴，该支撑臂具有一连接到旋转垂直轴的近轴端，和一位于涡轮叶片的端部附近的远端，该风力发电机还具有可被完全拉伸负载的连接元件，其具有一连接到旋转垂直轴的近端，和一远离旋转垂直轴的远端，其中

-可被完全拉伸负载的连接元件的近端在一位置连接到旋转垂直轴，该位置位于可旋转的垂直轴的涡轮叶片投射到可旋转的垂直轴上的部分的外侧；

-可被完全拉伸负载的连接元件的远端至少连接到(1)一支撑臂的远端，和(2)连接到支撑臂的所述远端的涡轮叶片的端部中的一个；

其特征在于，在可被完全拉伸负载的连接元件和支撑壁之间设置叶片，所述的叶片在由涡轮叶片所限定的迎角侧凸起，并且在另一侧凹入，该叶片具有一迎角边缘，其中

a)由1)迎角边缘和2)支撑臂近端和远端之间的线投射到水平面上而形成的线，互相以锐角设置，并且

b)将迎角边缘投射到水平面上而形成的第一绳索具有一第一长度，将迎角边缘投射到穿过可旋转的垂直轴和支撑臂的远端的垂直平面上而形成的第二绳索，具有第二长度，且第一长度大于第二长度。

2.如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，可被完全拉伸负载的连接元件呈带状。

3.如权利要求2所述的风力发电机，其特征在于，该带在它的远端具有一个结，并且连接到涡轮叶片的端部。

4.如以上任一项权利要求所述的风力发电机，其特征在于，该叶片至少防护1)可被完全拉伸负载的连接元件的远端，2)可被完全拉伸负载的连接元件和3)支撑臂中的一个。

5.如以上任一项权利要求所述的风力发电机，其特征在于，从迎角侧看，该叶片具有三角形的形状。

6.如以上任一项权利要求所述的垂直轴风力发电机的制造方法，其特征在于，该轴设置有支撑臂、可被完全拉伸负载的连接元件和涡轮叶片，并且该叶片设置在支撑臂和可被完全拉伸负载的连接元件之间，其在由涡轮叶片限定的迎角侧凸起，在另一侧凹入，叶片具有迎角边缘，该迎角边缘具有一方向元件，其基本垂直于该轴。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述叶片是单独制造的叶片，其同时连接可被完全拉伸负载的连接元件和支撑臂。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，可被完全拉伸负载的连接元件，支撑臂和所述叶片中的至少一个由钢铁制成。

9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，提供一个结的可被完全拉伸负载的连接元件，其中连接元件的结部分连接到涡轮叶片。

10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其中该叶片至少防护1)可被完全拉伸负载的连接元件的远端，2)可被完全拉伸负载的连接元件和3)支撑臂中的一个。

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