CN101280766A - 变攻角阻力型垂直轴风-光互补式发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种变攻角阻力型垂直轴风-光互补式发电机。它包括发电箱、发电机齿轮、套筒齿轮、发电机、主轴、悬臂支架，叶片；主轴外套有套筒，悬臂支架固定在套筒上，悬臂支架设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风速风向仪，悬臂支架上设置有太阳能电池；太阳能电池板经光电板控制器输出的直流电、发电机输出的低压交流电经整流或输出的直流电汇集在一起充入蓄电池组；叶片转动装置以蓄电池组为电源；风速风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。本发明集风-光发电为一体，采用阻力型垂直轴风车形式，可根据风速风向仪测得的风速和风向自动调节叶片的角度，使风机始终处于可产生最大力矩的状态，有效地降低了启动风速。

Description

变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机

(一)技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机，特别是一种集风力与太阳能于一体的发电机。

(二)背景技术

风力发电机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。按风轮轴的不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。能量驱动链(即风轮、主轴、增速箱、发电机)呈水平方向的，称之为水平轴风力机。能量驱动链成垂直方向的，称之为垂直轴风力机。垂直轴风力发电机可分为阻力型和升力型两类。

已有技术中关于利用风能、太阳能以及其组合的发电装置的公开报道较多。但是，一般的垂直轴风力发电机的风轮采用升力型，叶片形状复杂，制造成本较高，叶片的轴线和垂直轴平行，风轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。由于叶片与悬臂支架的角度固定不变，因此，叶片产生的驱动力矩的大小和方向是不断变化的，不可能产生攻角始终为90°时的最大力矩，同时还会产生较大的阻力矩，所以现有的垂直轴风力发电机的启动风速较大且风能利用率不高，环境适应性不强。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种叶片攻角可调节、风光互补、能提高发电机的风能利用率和环境适应能力以及降低启动风速的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机。

本发明的目的是这样实现的：

它包括发电箱，安装在发电箱中的发电机齿轮、套筒齿轮和发电机，主轴，安装在主轴上的悬臂支架，安装在悬臂支架上的叶片；主轴外套有套筒，悬臂支架固定在套筒上，悬臂支架设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风速风向仪，悬臂支架上设置有太阳能电池；太阳能电池板经光电板控制器输出的直流电、发电机输出的低压交流电经整流或输出的直流电汇集在一起充入蓄电池组；叶片转动装置以蓄电池组为电源；风速风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。

本发明还可以包括这样一些特征：

1、所述的叶片转动装置的组成包括电机、丝杆、叶片齿轮、丝杆支撑架和齿条，电机与丝杠相连，齿条设置有与丝杆配合的内螺纹，丝杠与叶片齿轮相啮合，叶片齿轮安装在叶片转轴上，悬臂支架上有齿条导向槽。

2、所述的太阳能电池呈伞形，它由伞形电池板安装支撑面和分布于电池板安装支撑面上的太阳能电池板组成。

3、主轴与套筒之间设置有角接触球轴承和深沟球轴承，发电机齿轮安装在发电机轴上，套筒齿轮固定在套筒上，发电机齿轮与套筒齿轮相啮合。

4、叶片转轴设定在叶片的中心处。

本发明的太阳能电池伞由太阳能电池板和电池板安装支撑面两部分组成，其中多组太阳能电池板安装在伞状的电池板安装支撑面上，支撑面与悬臂支架固连，即太阳能电池伞可以和整体叶轮一起绕主轴旋转。

叶片相对于其连接的悬臂支架可做水平转动，为使叶片在旋转过程中能耗最低，叶片转轴设定在叶片的中心处，即叶片相对于转轴在形状和重量上都对称。

套筒和悬臂支架固连在一起，可通过角接触球轴承和深沟球轴承绕主轴旋转。

风速风向仪可测得风向和风速，可把该信号转化为电信号，控制叶片转动装置的电机。

齿条与叶片齿轮啮合，齿条的长度使齿轮旋转角度范围不小于180°。

齿条包括有可与丝杆配合的内螺纹结构，在齿条导向槽的作用下，丝杆的旋转运动可转化为齿条的直线运动。

本发明在工作过程中，可根据风速风向仪测得的风速风向信号通过控制系统有效地调节叶片攻角，使垂直轴风力发电机达到如图3的效果，即叶片能产生最大的驱动力矩，而不会产生阻碍力矩。

本发明的叶片转动装置在调节叶片转动的过程中，需消耗一些能量，但由于叶片的对称结构，风力相对于叶片转轴产生的力矩为0，所以电机只克服摩擦做功，电机损耗的能量很小。

本发明的所配置的太阳能电池伞使太阳能电池板伞状形式安装，且可以绕主轴旋转，使电池板均匀受光，可有效地利用太阳能，使本发明实现风—光互补式发电，增强了垂直轴风力发电机的环境适应能力。

本发明采用阻力型垂直轴风车形式，可根据风速风向仪测得的风速和风向自动调节叶片的角度，使风机始终处于可产生最大力矩的状态，有效地降低了启动风速。所以，本发明不必像传统风机那样必须架起10多米高，以获得足够的启动风速。这种启动风速较低的优势使得本发明便于隐藏，例如，隐藏在山区树丛中，或者作为水面浮漂物，以提供部队用电，运用于国防军事。

(四)附图说明

图1是本发明的整体机构示意图。

图2是叶片转动装置的机构示意图。

图3是本发明的剖面图。

图4是本发明的风轮旋转时叶片攻角变化的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明的主轴8固定于地面，风速风向仪7可根据实际风向相对于主轴自由转动，由悬臂支架6、太阳能电池伞1、叶片2、套筒4以及其它附属件构成的大叶轮也可在风力驱动作用下相对于主轴8独立转动，并且通过发电机齿轮5-1和套筒齿轮5-2增速，将动能传递给发电机5-3，由发电机将动能转化为电能。

结合图2-3，叶片转动装置3配置在悬臂支架6上，悬臂支架上设有齿条导向槽3-6。当电机3-1带动丝杠3-2转动时，具有内螺纹结构的齿条3-5在导向槽的作用下，沿着丝杠3-2做直线运动，从而驱动叶片齿轮3-3转动，使叶片2旋转，调节叶片攻角。

本发明在开始工作时，由风速风向仪7测出风向，并把风向信号提供给控制系统，控制系统根据风轮与风向的初始角度，调节叶片的角度，如图4所示，使风向右侧叶片的攻角变为90°，而风向左侧叶片的攻角变为0°，从而使风车获得最大的启动力矩。

当风车旋转时，由编码器(示意图未指出)或类似电器元件测出风车转动时的位置以及风车的旋转速度，通过位置闭环和速度闭环结合控制叶片2相对于悬臂支架6旋转，使叶片攻角在风车旋转的任何位置都达到图4所示状态，始终处于最大力矩驱动状态。

当风速过大时，可根据风速风向仪7反馈的风速信号，自动调节处于风向右侧的叶片攻角，使叶片攻角小于90°，减小驱动力矩，降低风车转动速度，以防止转速过大时损坏发电机。

在风车旋转时，在风车顶部的太阳能电池伞1也相对于大地旋转，所配置的太阳能电池板1-1均匀受光，产生电能，经光电板控制器输出为直流电；风车驱动发电机5-3输出的低压交流电整流成直流电，并与光电控制器输出的直流电汇集在一起，充入蓄电池组，蓄电池输出的直流电可接直流负载，也可经逆变器转换为交流电供交流负载使用。这样可有效地利用太阳能和风能，使垂直轴发电机达到风—光互补式的发电效果，从而适应不同的天气环境。

Claims (9)

1、一种变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，它包括发电箱，安装在发电箱中的发电机齿轮、套筒齿轮和发电机，主轴，安装在主轴上的悬臂支架，安装在悬臂支架上的叶片；其特征是：主轴外套有套筒，悬臂支架固定在套筒上，悬臂支架设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风速风向仪，悬臂支架上设置有太阳能电池；太阳能电池板经光电板控制器输出的直流电、发电机输出的低压交流电经整流或输出的直流电汇集在一起充入蓄电池组；叶片转动装置以蓄电池组为电源；风速风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。

2、根据权利要求1所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：所述的叶片转动装置的组成包括电机、丝杆、叶片齿轮、丝杆支撑架和齿条，电机与丝杠相连，齿条设置有与丝杆配合的内螺纹，丝杠与叶片齿轮相啮合，叶片齿轮安装在叶片转轴上，悬臂支架上有齿条导向槽。

3、根据权利要求1或2所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：所述的太阳能电池呈伞形，它由伞形电池板安装支撑面和分布于电池板安装支撑面上的太阳能电池板组成。

4、根据权利要求1或2所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：主轴与套筒之间设置有角接触球轴承和深沟球轴承，发电机齿轮安装在发电机轴上，套筒齿轮固定在套筒上，发电机齿轮与套筒齿轮相啮合。

5、根据权利要求3所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：主轴与套筒之间设置有角接触球轴承和深沟球轴承，发电机齿轮安装在发电机轴上，套筒齿轮固定在套筒上，发电机齿轮与套筒齿轮相啮合。

6、根据权利要求1或2所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：叶片转轴设定在叶片的中心处。

7、根据权利要求3所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：叶片转轴设定在叶片的中心处。

8、根据权利要求4所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：叶片转轴设定在叶片的中心处。

9、根据权利要求5所述的变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机，其特征是：叶片转轴设定在叶片的中心处。

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