CN101592123A - 双侧风能全利用竖直风车 - Google Patents

Abstract

在竖直塔上分层安装能水平旋转的力臂，相邻层力臂的旋转方向相反。平面型桨叶可绕力臂翻转，迎风呈竖直，逆风转水平。力臂每转一周，桨叶翻转两次，翻转是靠力臂旋转的强大推力和控制环片的相互作用，强制内齿螺旋轮位移，推动外齿螺旋轮转90度角完成的。在伺服跟踪装置的调节下，能确保桨叶适时翻转；并能确保桨叶处于翻转方位时，相邻层力臂错开45度角。桨叶上排列的弹性叶片有泄风功能，保持强风时正常运转。风车运行不用辅助启动，启动时正反转都可以。特点是：结构新颖、制作简便、受风面积大、逆风阻力小、双侧风能全利用、风能转换效率极高，适合于大型风力发电场使用。

Description

双侧风能全利用竖直风车

所属技术领域

本发明涉及风电和水电技术领域，是一种竖直式风能或水能的流体动能接收装置。

背景技术

为保护环境节约资源，人类正在加大风能、水能和太阳能等可再生资源的开发力度，特别是提高风能和水能的开发利用效率，正是人们努力攻克的重点目标。现常用风力发电装置——水平轴风车，存在三桨叶片迎风面积小，桨叶运动方向与风向垂直，风能利用率低，启动和运行风速要求高，对桨叶的外形、材质、重量和强度要求极高，加工难度大等问题。而现有的垂直轴风车，虽然能解决桨叶迎风面积不足和运动方向与风向不一致的问题，但逆风阻力仍然较大的难题还有待克服，并且只能利用一侧风能。同样，目前的水力开发也存在拦河筑坝建设周期长、投资成本高的问题。所以，必须要为风能和水能的开发利用，寻找更科学有效的途径。本发明正是基于这样的思路，提出一种新颖高效的解决方案。

发明内容

本发明是一种大型塔式竖直风车，适合大型风力发电场使用。它能有效解决多种垂直轴风车逆风阻力仍然较大，另侧风能不好利用的难题。该风车不仅桨叶迎风面积大，逆风阻力小，还做到了双侧风能全利用，且无需辅助启动，启动时正反转都可以。装置稍加简化，同样适合于水能的开发利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

在竖直塔上分层安装可旋转的大型内齿齿轮，内齿齿轮上固定联接4根(3到6根都可以，4根为宜)水平力臂，每根力臂上安装可翻转的平面型桨叶，迎风时竖直，逆风时转为水平。桨叶每周翻转两次，是靠沿力臂移动的内齿螺旋轮，推动外齿螺旋轮转90度角实现的，桨叶的每次翻转都是在不承载风力的方位时快速完成。内齿螺旋轮的移动距离和方位，受控制环片的控制，能够保证桨叶跟踪风向及时翻转；控制环片通过风向跟踪齿轮，受伺服跟踪装置调节。桨叶由多个具有泄风功能的弹性叶片排列组成，既对桨叶起保护作用，也有利于风车平稳运转。

如果风车仅用单层4个桨叶组成，总会有一侧风能白白浪费。为了达到风能的充分利用，本发明将风车设计成多层，每相邻层之间旋转方向相反。为减少处于翻转方位时桨叶的数量，同时避免相邻层间的桨叶翻转时碰擦，采用伺服跟踪装置调节，确保桨叶处于翻转方位时，相邻层的力臂错开45度角。伺机服跟踪装置在对同一方向旋转的力臂偏转调节时，有时需要强迫桨叶顶风旋转一定角度，必须提供较大力矩；但由于调节的偏转角度不大，时间又很短暂，消耗能量并不大；况且，对大型风电场来说，风向相对稳定，变化不是很频繁。为充分利用双侧风能，进行这样的跟踪调节还是非常值得。另外，为减少风向跟踪调节次数，可以设定风向超过允许误差角度范围，才进行跟踪调节。

由于风车可任意方向旋转启动，统一输出力矩的方向也会随之改变。尽管风车可以输出正反两个方向的力矩，但不会影响发电机按原方向正常运转，因为只要在发电机前安装一个变向齿轮箱，就能将不同方向的输入力矩，自动转换成相同方向的输出力矩。

本发明稍加简化，更适合于水能的开发利用。由于河流的流向和流速相对平稳，可取消伺服跟踪装置，把控制环片固定联接在竖直塔上；还可取消弹性叶片，把桨叶做成整体平面板。考虑到水流不会中断，且流速变化不大，变化也很缓慢，只要适当人为调节，就能让发电机发出比较稳定的电流，可直接提供民用，还能节约蓄电池转换的成本。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是风车结构全图。

图2是桨叶翻转原理图。

图3是控制环片及控制沟槽图。

图4是传动齿轮和风向跟踪齿轮结构图。

图中：1.竖直塔，2.大型内齿齿轮，3.力臂，4.桨叶，5.控制环片，6.内齿螺旋轮，7.外齿螺旋轮，8.弹性叶片，9.传动齿轮，10.风向跟踪齿轮。

具体实施方式

图1中：竖直塔(1)上分层安装可转动的大型内齿齿轮(2)、可转动的控制环片(5)。在大型内齿齿轮(2)上等角度地联接4根水平力臂(3)。在力臂(3)上安装桨叶(4)、内齿螺旋轮(6)、外齿螺旋轮(7)。桨叶(4)是由弹性叶片(8)排列组成。桨叶每周翻转两次，保持迎风时面积最大、逆风时阻力最小。相邻层力臂的旋转方向相反，使得竖直塔的双侧风能全利用。

图2中：桨叶(4)(图中只画出部分)与外齿螺旋轮(7)固定联接，并能绕力臂(3)翻转，迎风时呈竖直，逆风时转为水平。桨叶是由若干弹性叶片(8)排列组成，每个弹性叶片都能向两个方向偏转或弯曲，其弹性从内向外逐渐变弱，强风时释放过大风力，既可保护桨叶免受损害，又能维持风车运转平稳。

内齿螺旋轮(6)和外齿螺旋轮(7)是带有类似“来福线”状纹的螺旋齿轮，相互配套时，一个主动做直线运动，另一个就被动做旋转运动。内齿螺旋轮(6)套在外齿螺旋轮(7)上，并能作距离为m的移动，推动外齿螺旋轮(7)转90度角，从而带动桨叶(4)翻转。内齿螺旋轮(6)移动的距离和方位，受控制环片(5)的控制。

图3中：控制环片底部的控制沟槽，是大小不同半径的半圆弧形槽，通过两条直槽平滑过渡连成一圈，大小半圆弧的半径之差为m。当内齿螺旋轮(6)上的滑块，在控制沟槽内运行时，受旋转力臂的强力推动，被强制作距离为m的径向位移。

图4中：安装在竖直塔内的传动齿轮(9)，在传递动力的同时，限定相邻层间的力臂同速反向旋转，还能将不同方向的旋转力矩，转换为统一方向的输出力矩。另外，受伺服服跟踪装置的调节，确保桨叶处于翻转方位时，相邻层力臂正好错开45度角。由于风车启动时，力臂旋转方向不受限制，虽然会造成统一输出力矩的方向改变，但只要通过转向齿轮箱调节，仍能自动保持发电机按正常方向运转。由于桨叶是迎风水平旋转，不会发生低速停转现象；所以，可适当加大输出负载，让风车始终保持慢速旋转。这样既有利于桨叶承载更大风力，也有利于减小逆风阻力和机械磨损，同时也为桨叶留下足够的翻转时间。

在用于水能转换时，结构可以简化。由于水流方向固定，流速相对稳定，伺服跟踪装置不需要了，控制环片(5)可以固定联接在塔身上；桨叶(4)可以做成完整的平面板，不需要由弹性叶片(8)排列组成。

可行性分析

运行在控制环片(5)控制沟槽中的滑块，在旋转力臂的强力推动下，能够产生足够的径向位移力，因为控制环片(5)的直径较大，大小半圆弧形槽半径差距不大，又是平滑过渡，就两层正反旋转的8根力臂整体分析，每转45度角有两个桨叶翻转，同时却有3根力臂在做功，其中1个力臂处于产生最大力矩方位。

另外，通过加长外齿螺旋轮(7)的长度，增加内齿螺旋轮(6)位移的距离，可以增强翻转推力；同样，加大控制环片的半径，减少位移量m与半径的比值，可使两个半圆弧之间的过渡更加平缓，有利于提高滑块的位移推力。所以，该项发明的实施具有很强的可行性。

伺服跟踪装置是现有常用技术，目前的大型水平轴三桨风车的伺服跟踪装置，能对塔顶几十吨重的电机和风叶进行风向调节，用于双侧风能全利用竖直风车的跟踪调节，应该不存在技术问题。

有益效果

解决现有风车风能转换效率不高、启动风速要求高、造价高、桨叶制造技术难度大的弊端，可为社会提供更廉价、洁净的风能电力。用于水力发电，同样投资省、见效快；可以沿着河流大批量地安装，能发挥出优良的综合经济效益。

本发明为可再生能源的充分利用，提供了更有效的手段，既有利于缓解能源危机、保护资源环境，也有利于促进人类社会的长远发展和科学发展。

Claims (8)

1、一种双侧风能全利用竖直风车，其特征是：在竖直塔(1)上分层安装可转动的大型内齿齿轮(2)和控制环片(5)，在大型内齿齿轮(2)上固定连接4根水平力臂(3)，力臂(3)上安装平面型桨叶(4)，力臂在桨叶(4)的带动下绕竖直塔(1)水平旋转，相邻层力臂的旋转方向相反。

2、根据权利要求1所述的力臂(3)，其特征是：力臂(3)上还安装有内齿螺旋轮(6)和外齿螺旋轮(7)，内齿螺旋轮(6)套在外齿螺旋轮(7)上，当内齿螺旋轮(6)前后移动时，可推动外齿螺旋齿轮(7)来回转90度角。

3、根据权利要求1所述的桨叶(4)，其特征是：桨叶(4)与外齿螺旋齿轮(7)固定联接，在内齿螺旋轮(6)的推动下，能够竖直或水平翻转，力臂(3)每旋转一周桨叶(4)翻转两次。

4、根据权利要求1或3所述的桨叶(4)，其特征是：桨叶(4)是由可泄风的弹性叶片(8)排列组成，弹性叶片(8)可双向偏转或弯曲，能在不同风向时释放过大风力。

5、根据权利要求1所述的控制环片(5)，其特征是：控制环片(5)带有内齿，通过风向跟踪齿轮(10)受伺服跟踪装置的调节，能对风向适时跟踪。

6、根据权利要求1或5所述的控制环片(5)，其特征是：控制环片(5)向下的一面，有两个半径不同的半圆弧形沟槽，通过两条直线沟槽平滑过渡连成一圈，能控制内齿螺旋轮(6)上的滑块，在沟槽中滑移的方位和距离。

7、根据权利要求1所述的大型内齿齿轮(2)，其特征是：大型内齿齿轮(2)的旋转力矩，是通过设置在竖直塔(1)内的传动齿轮(9)传递的，传动齿轮(9)既能将各层的旋转力矩，整合为一个方向的输出力矩，又能在伺服跟踪装置的调节下，限定桨叶处于翻转方位时，相邻层力臂错开45度角。

8、根据权利要求1、2、3、6、7所述的双侧风能全利用竖直风车，其特征是：在用于水能转换时，控制环片(5)固定联接在竖直塔上，伺服跟踪装置取消；同时桨叶(4)做成整体平板，弹性叶片(8)取消。

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