CN101302994B - 一种垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力机，用于有效利用风力，合理控制风轮的功率输出。本发明方法包括：主叶片，连接器，转轴，控制系统，支撑轴以及塔架；所述主叶片通过连接器与转轴连接，主叶片与转轴平行，可绕转轴作圆周运动；所述转轴与所述支撑轴为同心轴，转轴套于支撑轴之外，所述支撑轴的底端与控制系统相连，可根据所述控制系统的控制进行上下运动；所述连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴；所述控制系统与所述塔架相连，所述转轴的底端固定于所述塔架。本发明可以有效利用风力，合理控制风轮的功率输出。

Description

一种垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及机械领域，尤其涉及一种垂直轴风力机。
背景技术
风力作为自然界中绿色能源，目前正受到广泛的关注，风力机是有效利用风力能源的一种方式。
现有技术中的风力机主要有两种实现方式，分别为水平轴三桨叶风力机以及垂直轴风力机。其中，水平轴是指桨叶的轴心线与地面水平，垂直轴是指桨叶的轴心线与地面垂直。
水平轴三桨叶风力机是应用最广泛的风力机，其技术日益精湛，但水平轴风力发电机组设备初期投资大，运行、维护成本高，机构、系统、控制设备复杂，风能有效利用率并不高。
垂直轴风力机相对于水平轴风力机来说有很多优点，如主要设备离地近、易于运行和维护，不需要对风系统等。
但由于风力机的输出功率与速度的立方、掠风面积、风能利用系数等参数成正比，风速增加时，特别是在大风时，风力机的输出功率大幅度上升，转速迅速增加，超出发电机的额定功率时会烧坏发电机，因此水平轴风力机可以通过变桨距、变对风角度等方式可以有力的控制大风时的功率输出使其输出功率大小保持平稳，而垂直轴风力机一般无法或者不易实现变桨距，所以抗大风的能力弱，在大风的情况下，不得不采用刹车的方式防止输出功率超过发电机的使用范围，降低了风能利用率；
此外，垂直轴风力机转轴垂直于风向，小风时风能利用系数低，自启动的性能较差。
发明内容
本发明实施例提供了一种垂直轴风力机，能够有效利用风力，合理控制风轮的功率输出。
本发明实施例提供的垂直轴风力机，包括：主叶片，连接器，转轴，控制系统，支撑轴以及塔架；所述主叶片通过连接器与支撑轴连接，主叶片与支撑轴平行，可绕支撑轴作圆周运动；所述转轴与所述支撑轴为同心轴，转轴套于支撑轴之外，所述支撑轴的底端与控制系统相连，可根据所述控制系统的控制进行上下运动；所述连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴；所述控制系统与所述塔架相连，所述转轴的底端固定于所述塔架。
可选地，所述连接器包括：
第一轴承，第一连杆以及第二轴承；
所述第一轴承与所述第二轴承分别位于所述第一连杆的两端；
所述第一轴承与所述主叶片的一端相连，使得所述第一连杆与所述主叶片之间可折叠。
可选地，当所述支撑轴向上运动时，所述支撑轴带动相连的第一轴承向上运动，使得与所述第一轴承相连的第一连杆，第二轴承以及所述主叶片向上运动；
当所述支撑轴向下运动时，所述支撑轴带动相连的第一轴承向下运动，使得与所述第一轴承相连的第一连杆，第二轴承以及所述主叶片向下运动。
可选地，垂直轴风力机还包括：
辅助叶片，第二连杆以及转轴销；
所述辅助叶片与所述主叶片平行，所述辅助叶片通过所述第二连杆以及转轴销与所述主叶片活动连接。
可选地，所述垂直轴风力机还包括：
第三连杆以及第四连杆；
所述第三连杆的一端与所述辅助叶片的一端连接，所述第三连杆的另一端与所述转轴连接；
所述第四连杆的一端与所述辅助叶片的一端连接，所述第四连杆的另一端与所述转轴连接。
可选地，所述主叶片为两叶片，或三叶片，或多叶片。
可选地，所述叶片为直叶片或弯叶片。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例中，由于连接主叶片与支撑轴的连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴，因此当风力大的时候可以减小主叶片与支撑轴之间的距离以减少掠风面积，防止风力机烧毁，当风力小的时候可以增大主叶片与支撑轴之间的距离以增大掠风面积，提高风能利用率。
附图说明
图1为本发明实施例中风力机结构示意图；
图2为本发明实施例中风力机展开示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种垂直轴风力机，用于有效利用风力，合理控制风轮的功率输出。
本实施例中的风力机包括如下组件：
主叶片，连接器，转轴，控制系统，支撑轴以及塔架；
所述主叶片通过连接器与支撑轴连接，主叶片与支撑轴平行，可绕支撑轴作圆周运动；
所述转轴与所述支撑轴为同心轴，转轴套于支撑轴之外，所述支撑轴的底端与控制系统相连，可根据所述控制系统的控制进行上下运动；
所述连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴；
所述控制系统与所述塔架相连，所述转轴的底端固定于所述塔架。
本实施例中，由于连接主叶片与支撑轴的连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴，因此当风力大的时候可以减小主叶片与支撑轴之间的距离以减少掠风面积，防止风力机烧毁，当风力小的时候可以增大主叶片与支撑轴之间的距离以增大掠风面积，提高风能利用率。
下面对本发明实施例中的风力机进行详细描述，请参阅图1，本发明实施例中的风力机包括：
主叶片101，辅助叶片102，第二连杆103，第二连杆104，转轴销105，第二轴承106，第一连杆107，第一轴承108，支撑轴109，支撑杆110，第四连杆111，转轴112，第三连杆113，控制系统114，塔架115；
外侧主叶片101绕转轴112旋转所经过的区域在风向上的投影即为风力机的掠风面积，与主叶片101的长度和其旋转半径成正比。
主叶片101和辅助叶片102之间，利用第二连杆103和104、四个转轴销105实现活动联接。
主叶片101可以为两叶片，或三叶片，或多叶片，叶片为直叶片或弯叶片。
主叶片101和辅助叶片102之间形成叶栅效应，可以使风轮的气动效率提高，提高风轮的输出功率，在小风即低风速时易于启动。
通过控制系统114控制支撑轴109的升降。
大风时，支撑轴109向上顶起，使第一轴承108上升，第一连杆107带动第二轴承106上升，向上拉起主叶片101，于是主叶片101逐渐靠近转轴112，旋转半径减小，掠风面积减小，能在大风时有效降低风轮的输出功率，防止发电机烧坏。
第二连杆103和104外形设计成叶片形式可以改善流场，其产生的升力还能减轻整个风轮对塔架的载荷。
第三连杆113和辅助叶片102与转轴112固定，第二连杆103和104可以绕辅助叶片上下两端的转轴销转动，风轮和控制系统114固定在塔架115上。
下面介绍本实施例中当风力减小时的情况，即需要提高支撑轴109的位置，具体请参阅图2：
图2展示的是支撑轴109上升到某一位置时风轮的外形。
主叶片101的旋转半径减小，掠风面积也迅速减小。其最小旋转半径为支撑杆110的长度。
支撑轴109升到最高时，主叶片101和辅助叶片102贴在一起。最大旋转半径为支撑杆110的长度加上第一连杆107的长度。
支撑杆109处于最低位置时，主叶片101和辅助叶片102与第二连杆102以及104垂直。
工作过程中，转轴112、辅助叶片102、第三个连杆112和塔架115是固定的。
主叶片101，第二连杆103，104，第一连杆107、支撑杆110和第四连杆111通过支撑轴109的升降而运动。
控制系统114可根据风速传感器提供风速的大小来控制支撑轴109升降的高度，以此实现整个风轮掠风面积的改变。
本实施例中，由于连接主叶片与支撑轴的连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴，因此当风力大的时候可以减小主叶片与支撑轴之间的距离以减少掠风面积，防止风力机烧毁，当风力小的时候可以增大主叶片与支撑轴之间的距离以增大掠风面积，提高风能利用率；
其次，由于本实施例中设置有辅助叶片，可以在主叶片和辅助叶片之间形成叶栅效应，提高气动效率，改善启动性能，因此在风小时仍能提高风能利用率；
再次，主要连杆或者所有连杆外形可以采用叶片形式，产生的升力可以减小整个风轮对塔架和基础的压力，降低载荷。
上述实施例中，第二连杆103以及104与辅助叶片102还可以做成固定装置，由第二连杆103以及104作为导轨，主叶片101可以沿导轨向转轴方向移近或远离，同样可以实现掠风面积的改变。
以上对本发明所提供的一种垂直轴风力机进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种垂直轴风力机，其特征在于，包括：
主叶片，连接器，转轴，控制系统，支撑轴以及塔架；
所述主叶片通过连接器与支撑轴连接，主叶片与支撑轴平行，可绕支撑轴作圆周运动；
所述转轴与所述支撑轴为同心轴，转轴套于支撑轴之外，所述支撑轴的底端与控制系统相连，可根据所述控制系统的控制进行上下运动；
所述连接器为折叠式，当所述支撑轴向上运动时，所述连接器撑开，主叶片向所述支撑轴靠近，当所述支撑轴向下运动时，所述连接器收拢，主叶片远离所述支撑轴；
所述控制系统与所述塔架相连，所述转轴的底端固定于所述塔架。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述连接器包括：
第一轴承，第一连杆以及第二轴承；
所述第一轴承与所述第二轴承分别位于所述第一连杆的两端；
所述第一轴承与所述主叶片的一端相连，使得所述第一连杆与所述主叶片之间可折叠。
3.根据权利要求2所述的垂直轴风力机，其特征在于，
当所述支撑轴向上运动时，所述支撑轴带动相连的第一轴承向上运动，使得与所述第一轴承相连的第一连杆，第二轴承以及所述主叶片向上运动；
当所述支撑轴向下运动时，所述支撑轴带动相连的第一轴承向下运动，使得与所述第一轴承相连的第一连杆，第二轴承以及所述主叶片向下运动。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述垂直轴风力机还包括：
辅助叶片，第二连杆以及转轴销；
所述辅助叶片与所述主叶片平行，所述辅助叶片通过所述第二连杆以及转轴销与所述主叶片活动连接。
5.根据权利要求4所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述垂直轴风力机还包括：
第三连杆；
所述第三连杆的一端与所述辅助叶片的一端连接，所述第三连杆的另一端与所述转轴连接。
6.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述主叶片为多叶片。
7.根据权利要求6所述的垂直轴风力机，其特征在于，所述叶片为直叶片或弯叶片。
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