CN101649812B - 竖轴集成水平自变桨式风力发电装置 - Google Patents

竖轴集成水平自变桨式风力发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，包括有发电机，所述发电机通过变速器与竖直设置的主轴相连接。在所述主轴的外圆上沿轴向水平设置有多个桨叶组件；桨叶组件包括水平设置在主轴外圆上的轴套，轴套内转动设置有桨叶转轴，所述桨叶转轴的两端分别设置有叶面相互垂直的桨叶；所述桨叶转轴的外圆上径向安装一卡销，轴套内壁上设置有宽度为1/4轴套圆周的限位槽，所述卡销沿限位槽的宽度方向摆动设置在限位槽内。本发明设计合理，结构新颖，转速高，转动力矩大，可带动大功率发电机工作，由于桨叶为水平旋转，旋转产生的风阻较小，因此能够在大风中高速旋转工作。

Description

竖轴集成水平自变桨式风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电装置，具体涉及一种竖轴集成水平自变桨式风力发电装置。
背景技术
目前，世界各国对能源的需求越来越大，尤其是在煤和石油等传统资源的日益枯竭以及传统能源对大气造成的污染日益严重的情况下，人们对清洁可再生能源的研究和利用越来越迫切和广泛。风能作为一种清洁可再生资源已经成为各国科学家研究的重要课题。目前，风能转换系统大多数采用的是横轴式风力发电机，即在水平轴上安装三个桨叶，该结构较为简单，投资相对较少，技术也较成熟，在微风条件下(风速大于3m/s)即可发电。但此种发电机的装机容量相对较小(一般小于30kW)，而且体积大，大功率风力发动机的桨叶直径在40m以上，在中风条件下(风速大于12m/s)就必须停止工作，因为桨叶在迎风面垂直旋转的工况下会产生很大风阻，对桨叶和基座都可能造成损害，因此，造成风能利用效率低下。近年来世界上对竖轴式的风力发电机研究方兴未艾，其基本原理是利用竖轴两侧的阻力差推动竖轴旋转，带动发动机进行发电。根据上述原理形成有多种技术方案，但目前这些方案尚不十分成熟，由于制造成本高、功率提升不大，此类竖轴式风力发电机还难以普及。要想对现有风力发电技术进行提高，必须在以下几方面有所突破：(1)增大扭矩，只有增大风能转换装置的扭矩才能带动更大功率的发电机组；(2)提高安全转速，只有提高安全转速才能更有效的利用风能，尤其是能量高的大风；(3)提高功率体积比，使风能利用范围更加广泛，利于在全方位普及推广。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种设计合理、结构新颖、转速高、转动力矩大的竖轴集成水平自变桨式风力发电装置。
本发明的技术方案是：一种竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，包括发电机，所述发电机通过变速器与竖直设置的主轴相连接，其特征在于：在所述主轴的外圆上水平设置有多个桨叶组件。
两相邻桨叶组件的水平夹角α为60°。
所述桨叶组件包括水平设置在主轴外圆上的轴套，轴套内转动设置有桨叶转轴，所述桨叶转轴的两端各设置有一桨叶，所述两桨叶的叶面相互垂直，在桨叶转轴与轴套上设置有转轴限位机构。
所述转轴限位机构包括径向连接在桨叶转轴上的一卡销和设置在轴套内壁上、宽度为1/4轴套圆周的限位槽，所述卡销沿限位槽的宽度方向摆动设置在限位槽内。
所述轴套与桨叶转轴之间设置有轴承。
所述桨叶转轴的轴线位于桨叶中心线的一侧。
所述桨叶的表面为曲面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明风力发电机能够根据风向自动调整迎风桨叶的叶面，顺风桨叶的叶面受风力作用自动下垂张开，逆风桨叶的叶面受风力作用自动水平收起，不论风向如何变化，始终保持同向旋转力矩；
(2)可将多组桨叶安装在垂直轴上，使受风面积加大，从而增大了主轴的旋转力矩，加快了转速，加大了适用风速的范围，能够带动更大功率的发电机工作，由于桨叶为水平旋转，旋转产生的风阻较小，因此可在大风下高速旋转工作；
(3)由于主轴竖直安装，因此发电机组可设在地面，从而降低了设备的重心和安装难度；
(4)本发明可以制成小型化便于拆装的家庭用风力发电机，方便无电地区的使用，甚至可以安装在坚固的建筑物顶端，适合于多种工作环境。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的B向视图。
图3为本发明桨叶组件的结构示意图。
图4为图3的A-A剖视图。
图5为图3的C-C剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明包括发电机1，所述发电机1通过变速器2与竖直设置的主轴6相连接，在主轴6的外圆上沿轴向、水平设置有多个桨叶组件；两相邻桨叶组件的水平夹角α为60°。
如图3和图4所示，每一桨叶组件包括水平设置在主轴6外圆上的一轴套4，轴套4内转动设置有桨叶转轴5，所述桨叶转轴5的两端各设置有一桨叶8，所述两桨叶的叶面相互垂直；在桨叶转轴5与轴套4上设置有转轴限位机构。
所述转轴限位机构包括径向连接在桨叶转轴5上的一卡销7和设置在轴套4内壁上、宽度为1/4轴套4圆周的限位槽9，所述卡销7沿限位槽9的宽度方向摆动设置在限位槽9内。
所述桨叶8的中心线位于桨叶转轴5的轴线一侧。
所述轴套4与桨叶转轴5之间设置有轴承10。
如图5所示，所述桨叶8的表面为弧形曲面。
本发明的工作时，由于每一桨叶组件上相对设置的两桨叶8迎风面积不同，因此产生阻力差，形成主轴6的旋转力矩，从而带动发电机1转动，产生电能。在竖直设置的主轴6上，以三个桨叶组件为一单元，通过轴套4水平连接在主轴6的外圆上，为加大受风面积，可将上述桨叶组件沿主轴6的轴向，自上而下安装多个单元，相邻两桨叶组件的水平夹角α为60°。在桨叶8转动工作时，为加大一侧桨叶受风的面积，减小另一侧桨叶受风的阻力，本发明将位于同一桨叶组件上、相对设置的两桨叶8的叶面相互垂直设置，当上述其中一个桨叶迎风工作时，由于桨叶8的中心线与桨叶转轴5的轴线不在同一直线上，因此在风力和重力的作用下，该桨叶就会发生转动并下垂，圆弧形的桨叶表面使该桨叶的受风面积达到最大，而与该桨叶相对设置的另一桨叶的叶面则处于水平位置，即受风面积最小，即风阻最小，从而提高了风能利用的效率，增大了主轴6的转速和转动力矩。设置在桨叶转轴5外圆上的卡销7和设置在轴套4内壁上的限位槽9对桨叶8的翻转起到限位作用，能够确保桨叶8围绕桨叶转轴5进行90°的往复旋转，使两相对设置的桨叶8根据工作中所处位置的不同，呈垂直状态或水平状态。随着主轴6的转动，两相对设置的桨叶交替完成顺风与逆风位置的转换和垂直状态与水平状态的转换，不论风向如何变化，桨叶8的位置与状态始终进行着上述转换，保持同向旋转力矩。在微风条件下工作时，桨叶8即使不能完全垂直或水平，也会发生倾斜而形成迎风角度，从而形成旋转力矩。在大风情况下，主轴6转速提高，但不会产生像横轴风机旋转时所产生的风阻，因而本发明主轴和桨叶可以适应更大的风速范围，从而提高风能利用效率。

Claims (4)

1.一种竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，包括发电机(1)，所述发电机(1)通过变速器(2)与竖直设置的主轴(6)相连接，其特征在于：在所述主轴(6)的外圆上水平设置有多个桨叶组件；两相邻桨叶组件的水平夹角α为60°；所述桨叶组件包括水平设置在主轴(6)外圆上的轴套(4)，轴套(4)内转动设置有桨叶转轴(5)，所述桨叶转轴(5)的两端各设置有一桨叶(8)，所述两桨叶的叶面相互垂直；在桨叶转轴(5)与轴套(4)上设置有转轴限位机构；所述转轴限位机构包括径向连接在桨叶转轴(5)上的一卡销(7)和设置在轴套(4)内壁上、宽度为1/4轴套(4)圆周的限位槽(9)，所述卡销(7)沿限位槽(9)的宽度方向摆动设置在限位槽(9)内。
2.根据权利要求1所述的竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，其特征在于：所述轴套(4)与桨叶转轴(5)之间设置有轴承(10)。
3.根据权利要求1所述的竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，其特征在于：所述桨叶转轴(5)的轴线位于桨叶(8)中心线的一侧。
4.根据权利要求1所述的竖轴集成水平自变桨式风力发电装置，其特征在于：所述桨叶(8)的表面为曲面。
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