一种自适应恒定攻角自由叶片垂直轴风力机

本发明涉及风力发电，具体为一种自适应恒定攻角自由叶片垂直轴风力机。

背景技术：

1、全球能源结构加速向清洁低碳转型，风电作为核心可再生能源，是实现新型电力系统、降低化石能源依赖的关键支撑。当前陆上集中式风电以水平轴风力机为主，技术成熟、大功率场景优势突出，但应用边界存在明显短板：水平轴风机需配套偏航机构追踪风向、塔架高耸、占地大、对场地开阔度与稳定单向风要求严苛，无法适配城市、园区、机场、山区、沿海湍流区等风向多变、空间受限、低风速分散式场景。

2、垂直轴风力机因其重心低、噪音小、安装维护简单、对风场要求低，与水平轴风力机适用条件形成互补，有其巨大的发展潜力。垂直轴风力机分为阻力型（萨沃纽斯型）和升力型（达里厄型）两种基本类型。现有垂直轴风力机多在这两种基本型基础上演变和综合发展而来。然而，无论是阻力型还是升力型垂直轴风力机，工作时每旋转一周，叶片均经历转动力矩由大到小甚至降为负力矩的周期变化，旋转产生周期性交变载荷，主轴和机架振动幅值大，既影响风力机的效能，也影响风力机的可靠性和寿命。

3、为解决上述问题，现有技术提出了多种垂直轴风力机变桨技术。例如，公开号为cn102889177a的中国发明专利申请公开了一种h型垂直轴风力发电系统变桨距角结构及控制方法，通过实时采集风向、风速及叶片位置信号，结合风向给出桨距角变化，以提高垂直轴风力机的自启动能力与风能利用率，但其控制逻辑复杂，响应时间长，存在变桨滞后的问题；

4、公开号为cn111622904a的中国发明专利申请公开了一种对称翼型垂直轴风力机的变桨控制方法及系统，通过风速仪、风向仪与角度传感器采集数据，给定桨距角控制规律，采用变桨机构输出最优桨距角，但其最优桨距角计算公式变量较多，还需计算气动力系数，导致桨距角变化不连续，影响叶片稳定性；

5、公开号为cn116123030a的中国发明专利申请公开了一种可自适应变桨的垂直轴风力机，采用叶片桨距角可变结构以降低气动载荷，但其通过液压缸和弹簧机构实现变桨，结构复杂，且液压系统存在泄漏和维护困难的问题；

6、此外，公开号为cn102011702b的中国发明专利公开了一种用磁力与风力控制垂直轴风力机桨距角的机构，属于被动变桨方式，但被动变桨结构易受离心力影响，叶片整体绕风力机旋转中心旋转时，离心力导致叶片向外偏转，不利于降低气动载荷和提高气动效率。

7、综上所述，上述现有技术方案均通过调整叶片桨距角来改变叶片攻角，但存在以下共性缺陷：

8、（1）控制逻辑复杂，需要实时采集风速、风向、叶片位置等多路信号并进行复杂计算；

9、（2）变桨执行机构结构复杂，包含电机、减速器、传动机构等，制造成本高、维护困难；

10、（3）变桨响应存在滞后，难以在风速和风向快速变化的环境中实现精确控制；

11、（4）叶片在旋转一周内桨距角持续变化，无法维持恒定攻角，导致叶片气动力波动大，运行平稳性差；

12、（5）低风速下自启动困难，风能利用率低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自适应恒定攻角自由叶片垂直轴风力机，以解决现有技术中垂直轴风力机变桨控制复杂、响应滞后、无法维持恒定攻角、运行平稳性差以及低风速自启动困难的技术的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自适应恒定攻角自由叶片垂直轴风力机，包括固定支撑架和垂直动力输出轴，所述垂直动力输出轴的顶部固定设有水平横梁，所述水平横梁的一端顶部转动设有叶片，所述叶片的后缘端转动设有副翼；

3、所述水平横梁相对应叶片位置的底部固定设有副翼偏角控制开关壳体，所述副翼偏角控制开关壳体的内壁转动设有铰接杆，所述铰接杆位于副翼偏角控制开关壳体外的位置固定设有方向片，且铰接杆位于副翼偏角控制开关壳体内的位置设有电源触发组件，所述电源触发组件用于在方向片和铰接杆不同方向偏转时形成不同电流回路；

4、所述叶片的内部设有驱动副翼偏转的副翼偏角控制组件，并在形成电流回路时，驱动副翼转动，以使叶片受风速产生的力矩与副翼产生的相反力矩相等时，总力矩为零，达到稳定平衡。

5、优选地，所述水平横梁一端的顶部固定连接有叶片轴，且叶片通过轴承转动连接在叶片轴的表面，所述叶片的重心位于叶片轴的轴心，且叶片轴的中心位于叶片焦点与前缘之间，所述叶片为等截面矩形机翼，所述副翼为等截面矩形控制面。

6、优选地，所述叶片相对应副翼位置的一端开设有安装缺口，且安装缺口的内壁固定连接有副翼轴，所述副翼通过轴承转动连接在副翼轴的表面，所述副翼的展长为叶片展长的10%～30%。

7、优选地，所述电源触发组件包括电连接柱和弧形接电导向槽，所述电连接柱固定嵌入在铰接杆的顶部，所述弧形接电导向槽开设在副翼偏角控制开关壳体相对应电连接柱位置的内壁上，所述弧形接电导向槽内壁的两端分别设有电触点，以使电连接柱随铰接杆偏转并与弧形接电导向槽两端的电触点接触时，分别形成不同的电流回路。

8、优选地，所述副翼偏角控制组件包括安装槽、两个电磁铁、电工纯铁板和两个定位弹簧，所述安装槽开设在叶片相对应安装缺口的位置，且安装槽与安装缺口相连通，两个所述电磁铁分别固定连接在安装槽内壁的两端，所述电工纯铁板固定连接在副翼相对应安装槽位置的一端，且电工纯铁板随副翼绕副翼轴在安装槽内摆动，两个所述定位弹簧分别固定连接在电工纯铁板的两端与安装槽的内壁之间，两个所述电磁铁分别与弧形接电导向槽内壁两端的电触点通过设置于叶片轴和叶片内的碳刷滑环实现电性连接，以使电连接柱分别移动至弧形接电导向槽两端位置时，不同电流回路使两个电磁铁分别不同时通电，并配合电工纯铁板驱动副翼正反转动。

9、优选地，所述电源触发组件包括固定连接在副翼偏角控制开关壳体两端内壁的霍尔开关，所述铰接杆的顶部为磁性材料构件，以使铰接杆不同方向偏转时触发不同霍尔开关，所述霍尔开关通过继电器配合设置于叶片轴和叶片内的碳刷滑环与电磁铁实现电性连接。

10、优选地，所述方向片的数量与叶片的数量相等，且方向片的数量至少为三个，所述副翼偏角控制开关壳体的内壁固定连接有铰接轴，且铰接轴转动连接在铰接杆的中部，所述方向片和铰接杆整体的重心位于铰接轴的轴心，所述铰接轴垂直于叶片轴和垂直动力输出轴之间的连线。

11、优选地，所述固定支撑架的顶部固定设有顺桨控制组件，所述顺桨控制组件用于在风速超过阈值时切断所有所述电流回路，并使副翼在定位弹簧复位作用下居中复原，使副翼偏转角为零，叶片攻角为零，实现顺桨，进而保护叶片，所述顺桨控制组件包括固定连接在固定支撑架顶部的转速开关，所述转速开关用于控制电流回路的通断，所述转速开关输入轴的顶部固定连接有风轮，通过风轮和转速开关相配合可实现以下两点：

12、当风速较大超过阈值时，即当风轮转速过快时，风轮带动转速开关切断电流回路，电磁铁电磁力消失，在定位弹簧的作用下，副翼回到中立位置，叶片的攻角在副翼复原后逐渐为零，实现对叶片的顺桨；

13、当风速小于顺桨阈值时，即当风轮转速放慢时，此时转速开关重新接通电流回路，风力机开始新的运行。

14、工作原理：当叶片处于迎风区域，方向片偏向动力轴的方向，副翼偏角控制组件中对应的电磁铁通电，电工纯铁板在磁力作用下带动副翼顺时针偏转，产生附加力矩，使叶片绕叶片轴逆时针转动，增加攻角，升力增加，同时产生并增加绕动力轴逆时针转动的正功力矩和绕叶片轴顺时针转动的力矩，当增加到绕叶片轴顺时针转动的力矩与和副翼产生的绕叶片轴逆时针转动的力矩相等时，得到平衡，维持恒定攻角，直到背风面；

15、当叶片处于背风区域，方向片偏向叶片的方向，副翼偏角控制组件中对应的另一个电磁铁通电，电工纯铁板在磁力作用下带动副翼逆时针偏转，产生附加力矩，使叶片绕叶片轴顺时针转动，增加攻角，升力增加，同时产生并增加绕动力轴逆时针转动的正功力矩和绕叶片轴逆时针转动的力矩，当增加到绕叶片轴逆时针转动的力矩和副翼产生的绕叶片轴顺时针转动的力矩相等时，得到平衡，维持恒定攻角，直到迎风面，开始下一个转动循环。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、本发明通过叶片绕叶片轴自由转动且重心位于轴心、副翼随方向片感知风向自动偏转维持固定角度并产生附加气动力矩，与叶片气动力矩实时自适应平衡，使叶片在旋转全程除风速与切线速度方向重合或相反的瞬时位置外均保持恒定攻角运行，从而彻底避免传统垂直轴风机攻角周期性变化导致的交变载荷与负功输出，显著提升风能利用率；同时省去复杂变桨机构、传感器及伺服控制系统，结构大幅简化，成本降低、可靠性提高；此外，任意方位角下副翼均能快速建立正攻角，实现低风速自启动，并借助离心式顺桨组件在超风速时自动将副翼居中复原、攻角归零，实现可靠顺桨保护，有效拓宽工作风速范围，运行平稳、振动小，适用于中小型及大型垂直轴风力机在风向多变、空间受限等分散式场景中的高效应用。