CN101865086B - 拉门式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种拉门式垂直轴风力发电机。在风机垂直轴上安装十字型平面交叉的能带动垂直轴或垂直轴皮旋转的槽轨，在槽轨上安装带有滚动轮的风叶，利用电机和/或在风机旋转中能够顶移风叶的顶轨将获得风能后的风叶象拉门一样从风机下风口直接回顶到风机上风口并立即开始截获风能。本发明以风叶的直线回移代替以往风叶的旋转式回移，从而大幅度缩小了风叶的回移面积和回移距离，减轻了回移的风力损耗，提高了风机的作功效率，所以本发明具有一定的开发价值。

Description

拉门式垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴式风力发电机。其可以用两种方式来实现：第一种是电动式，由风机垂直轴、十字型交叉槽轨、拉门式风叶、动力电机、发电机和带风舵的顶叶轨组成；第二种是自动式，是由固定立柱、连接架、矩型框、风舵板、定向支地轮、固定式顶叶轨、风机垂直轴、十字型交叉槽轨、拉门式风叶、发电机组成。 

背景技术

目前，不可再生能源的衰竭和全球变暖对人类生存已经构成了严重威胁，为此，人们在不断开发再生性或污染轻的新能源，由于风力资源既有再生性又无污染，使其具备了巨大的应用价值，因此，利用风力资源发电已经呈现出大范围普及的趋势。 

目前风力发电机分为水平轴和垂直轴两种。垂直轴风力发电机虽然在风力发电方面发挥着一定作用，但却因其发电效率不高，使其始终不能大批量开发应用和并网。那么为什么垂直轴风力发电机效率不高呢？这是因为垂直轴风力发电机上的风叶在获得风能中比水平轴风力发电机多了一个风叶回移到上风口的过程，这就减少了其一半作功效率；又因为其风叶都是以旋转方式顶风回移到上风口，使其回旋面无论怎样降低风阻系数都要进一步消耗风叶作功中的能量，这就大幅度降低了垂直轴风力发电机的旋转力，严重影响了其发电效率。而水平轴风力发电机则无此损耗。因此，到目前为止人们大都采用水平轴风力发电机发电。 

发明内容

为了解决上述垂直轴风力发电机因风叶回旋而降低其发电效率的问题，本发明者设计了这种拉门式垂直轴风力发电机。 

本发明的基本技术方案是：在十字型平面交叉且能带动垂直轴或垂直轴皮旋转的槽轨上，安装能象拉门一样来回移动的风叶，利用电机或能在风机旋转中顶移风叶的顶轨使截获完风能的风叶直接回移到风机的上风口，以此取消风叶回旋并消除其风阻。 

具体技术方案如下： 

一、利用电力驱动风叶： 

1、在垂直轴上下间隔一定空间安装两组平面交叉的风叶槽轨，上下槽轨相互对应，槽轨在外力的推动下能带动垂直轴或垂直轴皮旋转，槽轨的交叉点要紧靠垂直轴； 

2、制作拉门式风叶，风叶的下端设有滚动轮，在每对上下对应的槽轨空间安装一扇风叶，滚动轮能承载风叶在槽轨上象拉门一样来回移动；风叶宽度要小于槽轨长度的1/2，此设计的目的是：当一片风叶在自身槽轨一侧作功时能够让开槽轨交叉口，使旋转到风机下风口的其他槽轨上的风叶穿过交叉口移动到风机上风口； 

3、风叶下边框两面安有固定的传动齿条(也可以直接将下边框两面制成齿条状)，在风机下端安装动力电机，电机带动的齿轮安装在垂直轴上，当风叶内侧伸过槽轨交叉口后，风叶上的齿条正好能与垂直轴上的齿轮相咬合； 

4、在垂直轴下端槽轨下方的垂直轴上设置一个带风舵的顶叶轨，将风舵一端套在垂直轴上，另一端安装由厚渐薄并延伸至风机外边缘的顶叶轨，顶叶轨高于槽轨，使之在拦顶风叶的同时能使槽轨在其下方旋过；顶叶轨是通过支顶风叶上的侧滚轮而使风叶向风机中心移动的；风舵的作用是：使顶叶轨总是随风向转到风机下风口将风叶往上风口顶，从而不论风向如何变化风机总是向一个方向旋转； 

5、在有齿条的风叶框端设置能支顶到槽轨侧壁的横顶轮，其作用是：在齿条被电机咬合后，横顶轮能顶着槽轨侧壁滚动，以此避免风叶被电机齿轮顶到槽轨侧壁而不能移动； 

6、在槽轨外端和风叶两侧的相应位置设置能拉住风叶的弹性锁和锁鼻，当风叶被电机完全驱动到风机上风口时，槽轨上的弹性锁即刻锁住风叶，阻止其被风往回吹；当风叶旋转到风机下风口适当位置时，槽轨外端的开锁柄先被顶叶轨撞击而打开弹性锁，风叶随后即被顶叶轨推顶过垂直轴并与轴上齿轮相咬合； 

7、在垂直轴上配置电源感应开关，当顶叶轨将风叶顶到其齿条与垂直轴齿轮咬合时，风叶的某个部位能立即感应到电源开关使电机立即通电，通电后的电机立即驱动风叶快速通过槽轨交叉口向风机上风口移动，当风叶完全脱离开垂直轴后，电源开关自动断电； 

8、在槽轨各端安装缓冲弹簧，以缓和风叶冲击力； 

9、在风机下端安装发电机使其能被风机带动发出电能。 

通过上述电力驱动技术手段，即能取消垂直轴的风叶回旋，进而消除其风阻。 

若增加本发明中的缓冲弹簧强度，也可以直接用弹簧将风叶弹过垂直轴与电机相咬合而不用顶叶轨，但要安装带有风舵的撞击风叶锁机关，另外，拉动风叶的电动机力度要达到风叶脱离开齿轮后还能利用自身惯性继续前移与槽轨上的锁扣相咬合。超过一定高度的风机其槽轨应该增加封口边沿以防风叶脱轨。对于大型风机可以在其上下端都安装电力驱叶系统。对应的上下槽轨外端可以用立框相接，以增加槽轨的稳固性 

二、单独用顶叶轨借助风机旋转实现风叶移动： 

本技术方案的主要特征是：将一个矩型框用连接架与一个固定立柱相连接；在矩型框上安装多个无电驱系统和顶叶轨的本风力发电机；在矩型框下方安装一个定向支地轮；在矩型框和固定立柱之间安装一个总的风舵板，使矩型框和框上的多个风力发电机总是处在立柱的下风口；在矩型框上端为每个风机设置两个固定的顶叶轨。上述设计的目的是为了固定住顶叶轨，增大其抗冲击强度，以此实现利用风机自转力直接将风叶顶拉到风机前方。 

具体技术方法如下： 

1、制作一个立柱，两个连接架，和一个下框有定向支地轮的矩型框； 

2、将立柱直立起来并使其稳固，在立柱上下端各套一个承重轴承，将两个连接架顶端与上下承重轴承连接； 

3、将带有支地轮的矩型框直立并将上下框与安装到立柱上的连接架相连； 

4、在矩型框和固定立柱之间安装一个与矩型框平面垂直的风舵板，其作用是：无论风向如何变化矩型框平面始终与风向呈90度角； 

5、在矩型框上安装多个风机垂直轴，在垂直轴上下分别安装平面交叉的能带动垂直轴旋转的风叶槽轨，在相互对应的槽轨上镶入带滚动轮的拉门式风叶； 

6、在矩型框上框前后给每个风机安装固定的风叶顶轨(前后各一个)，前顶轨在风机内迎其转向呈凸型向外延伸，后顶轨由风机外边缘迎其转向呈凹型向内延伸，在风叶上端两侧各安装一个高于槽轨的横滚轮(前顶轨根部要高于横滚轮，防其阻挡槽轨在风机上旋转)。以上设计所产生的作用是：当槽轨旋转到矩型框下风口时，后顶轨拦住风叶后横滚轮推顶风叶在槽轨上象拉门一样向上风口移动，而此时槽轨在后顶轨下方正常旋过，当风叶前移到一定位置时，其前横滚轮滚入前顶轨并在前顶轨的支顶下继续前移，而后滚轮则脱离开了后顶轨；当风叶完全被前顶轨推顶到槽轨前端时，其前横滚轮从前顶轨轨尖滚过，而风叶即刻被槽轨上的弹性锁锁住而完成其全部前移过程，此时风叶开始截获风能并向下风口旋转，而其他风叶则借助该风叶的旋转力正在接近后顶轨，并即将在后顶轨的支顶下开始向上风口移动。 

7、将槽轨上的弹性开锁柄设在其能撞到后顶轨尖上的位置，并设计成弹性锁被撞开后风叶上的后滚轮才滚入到后顶轨上。 

8、在矩型框上的每个垂直轴上安装发电机。 

对于具有本发明特征的大型风力发电机，可以将多个矩型框连接成立体框架或安装多个支地轮，以增强矩型框和立柱的稳固性。 

至此，本发明的仅用顶叶轨实现驱动风叶的技术方法已经阐述完。 

为简化说明，本发明中属于现有技术的组件和安装程序，未做祥细阐述。 

与其他垂直轴风力发电机相比本发明的优势如下： 

1、节省了大量制作风叶的原料。由于消除了风叶的回旋程序，使其节省了一倍风叶用量，即两个风叶能顶四个风叶使用。 

2、降低了制作风叶难度和成本。因将风叶制成了平面，使其技术含量和制造成本大为降低，同时也拓宽了风叶选材范围，这对降低风力发电成本具有重要的现实意义。 

3、截获的风能多有利于微风和低空发电。由于风叶几乎占据了垂直轴风机全部能作功的区域面积，使其能截获大量风能，对微风和低空发电具有重要意义。 

4、作功效率高。由于风叶侧端面积极小，并且移动距离短，使其由风机后方向前方移动的阻力远远小于风叶回旋时所产生的阻力，使风机提高了作功效率； 

5、结构简单又灵活，利于维护和保养。风叶可以随时取下和安装上，利于维修和保养以及可以随时更换，同时也增强了对自然灾害的防预能力； 

6、本发明若超高落地式和大数量安装，则能起到防风沙作用，可以有效阻止土地沙漠化； 

7、在风机作功的同时又可将风叶当作广告牌使用，因其动感强烈广告效果会更佳。 

附图说明

图1是电动式中风叶1即将被顶叶轨顶起时的风机俯视结构示意图。 

图中：1、风向，2、风机垂直轴，3、十字型交叉槽轨，4、拉门式风叶1，5、拉门式风叶2，6、风叶齿条，7、驱动电机，8电机带动的轴上齿轮，9、顶叶轨上的风舵，10、顶叶轨，11、侧滚轮 

为使附图清析反映电机驱动情况，特将其设计成传动带式，此种情况要将电机安装到槽轨下方和风舵板上方空间。 

图2是风叶1穿过轨道交叉点并与轴上齿轮相咬合的风机俯视结构示意图。 

图3是当槽轨与风向平行时风叶1所处位置的风机俯视结构示意图。 

图4是风叶1完全移动到风机上风口的俯视结构示意图。 

图5是带风舵的顶叶轨立体图。 

图中：1、风机垂直轴，2、风舵板，3、顶叶轨。 

图6是电动式风叶主视结构示意图。 

图中：1、风叶齿条，2、滚动轮，3、横顶轮，4、锁扣鼻，5、侧滚轮 

图7是风叶1移动到风机上风口时的右视结构示意图。 

图中：1、风机垂直轴，2、风叶上轨，3、风叶下轨，4、风叶1，5、风叶2，6、槽轨交叉口，7、轴上驱动齿轮，8、弹性锁，9、风舵板，10顶叶轨，11、电源感应开并，12、风向。 

图8是自动式中风叶被后顶轨支顶向上风口移动的俯视结构示意图。 

图中：1、风向，2、固定立柱，3、连接架，4、矩形框，5、支地轮，6风向板，7、前固定顶轨，8、后固定顶轨，9、风机垂直轴，10、十字型交叉槽轨，11、拉门式风叶，12、风叶上端的后顶轮，13、风叶上端的前顶轮。 

图9是自动式中风叶后顶轮脱离开后顶轨而前顶轮正被前顶轨推顶前移和风叶完全进入垂直轴上风口的俯视结构示意图。 

为清析反映发明要点，以上所有附图中均未标示发电机。 

具体实施方式

本发明中的电动式实施方式结合附图描述如下： 

1、用一根长6M、直径8CM的圆钢制做垂直轴杆，用8根长5M宽8CM槽钢焊接成2个十字交叉型槽轨，在槽轨各端内部安装缓冲弹簧并在外部设置稳定风叶的弹性锁； 

2、将十字型槽轨相隔5M相对并呈×状直立，将垂直轴架到两个十字槽轨交叉口上方并焊接牢固； 

3、将组装后的垂直轴杆连带十字槽轨直立起来； 

4、根据上下两轨空隙用适当规格的角架和玻璃丝布制作拉门式风叶两个，风叶下端安有滚动轮、横顶轮、齿条，风叶两侧下部安装侧滚轮和锁鼻，将风叶镶入槽轨上； 

5、在垂直轴下部与风叶侧滚轮和风叶弹性锁相应位置，安装顶叶轨。具体做法是：取长5.3M规格为8CM*8CM角钢一根，角钢外端焊接高0.4M宽0.2M立板，将两根长3M宽为8CM的钢条煨成圆弧型并且半月牙状焊在立板上部，使之成为顶叶轨，顶叶轨位置要调整到在撞开风叶弹性锁之后再使侧滚轮滚入顶叶轨，而槽轨则在角钢和顶叶轨之间旋过；角钢另一端用轴承套到下端槽轨下方的垂直轴上；将高0.5M，长4M的风舵板安装在角钢下部，风舵板低部内端也用轴承安装到垂直轴上，以加强风舵和顶叶轨的稳定性，上述设计会使风舵板始终与风向平行，使顶叶轨始终在风机的下风口将风叶往上风口顶； 

6、在与风机下轨平行的垂直轴上安装一个外滚面呈齿轮状的轮毂电机，其外齿能与风叶齿条相咬合； 

7、在垂直轴适当位置上，在不影响风叶移动的前提下，安装感应式电源开关，使之当风叶经过时其自动通电使电机转动，风叶离开后其自动断电； 

8、将垂直轴杆下端安装在发电机上。 

9、按上述方法再制做两台相同规格的风力发电机，将三台风力发电机品字型排列并将三台风机轴杆的顶端用每个角都有轴承的三角架固定住，三角架每边中间的地面上立一个固定立柱与三角架连接固定，将三台风力发电机底部也用角钢相互焊接固定。 

至此本发明中的电动驱叶具体实施方式全部完成。 

本发明中的单独采用顶叶轨使风机自动驱动风叶的具体实施方式描述如下： 

1、制作直径为0.5M高为8M的钢管立柱一根，立柱两端各安装水平承重轴承；用10CM*10CM的角钢制作夹角为90度的连接架两个，两连接架顶端各焊接一个直径为0.5M的套环，连接架腿长6M；用10CM*10CM槽钢制作高4M，宽12.5M矩型框一个，在该框下方中间位置安装一个能承重的定向支地轮； 

2、将连接架套在钢管立柱两端，直立钢管立柱并将其稳固，直立矩型框并使其支地轮与地面相接，将立柱上端的连接架与矩型框上框焊接，将立柱下端的连接架与矩型框下框焊接； 

3、用角架和玻璃丝布制作高4M宽3M风舵板一块，安装在立柱和矩型框之间并与矩型框表面垂直； 

4、用两根长4M、直径8CM的圆钢制做两根垂直轴杆，用两根长3M直径为10CM的钢管制成两根轴皮，用16根长3M宽8CM槽钢焊接成4个十字交叉型槽轨，在上端槽轨外部设置稳定风叶的弹性锁； 

5、将十字型槽轨两两相对并相隔3M呈×状直立，将两根钢管轴皮分别架到两两相对的十字槽轨交叉口上方并焊接牢固； 

6、将两根垂直轴杆穿入两根钢管轴皮用轴承组装，将两个组装后的垂直轴杆连带轴皮和十字槽轨安装到矩型框上形成两个风机框架； 

7、根据上下槽轨空隙用适当规格的角架和玻璃丝布制作拉门式风叶4个，风叶下端安有滚动轮、横顶轮、齿条，风叶上端安装锁鼻，将风叶镶入两风机槽轨上； 

8、根据槽轨和风叶规格用5CM*5CM角钢和8CM钢条制作两个风叶前顶轨和两个后顶轨； 

9、将前后顶轨固定在矩型框上框的相应位置(也可以将前后顶轨安装到连接架或其他固定架上，哪个部位合适就安装到哪个部位)，前顶轨在上风口，后顶轨在下风口，后顶轨要能撞击到风机槽轨的弹性锁柄；取消风叶上的原侧滚轮，在风叶上端两侧各安装一个横滚轮，横滚轮要高于风叶上端槽轨，并能在槽轨的旋转中滚入前后顶轨； 

10、因风机上轨顶部中间有供横滚轮轴移动的缝隙，所以，要在不影响横滚轮通过和槽轨旋转的前提下，在风机上部槽轨的交叉口上端用固定件固定住槽轨，在不影响风叶移动的前提下，在槽轨之间安装支顶杆以进一步稳固槽轨。 

11、将发电机组安装到风机下部。 

至此只采用顶叶轨实现风叶移动的具体实施方式也已完成。 

风叶的拉门式直线回移是垂直轴风力发电的一个创新措施，风叶的两侧在风机上内外来回替换及其直线移动，缩短了风叶回移到上风口的矩离，而因其侧端风阻面积极小，又进一步减小了风叶回移到上风口的风阻，所以其具有很高的开发应用价值。 

Claims (1)

1.一种拉门式垂直轴风力发电机，其主要技术特征是：在风机垂直轴上安装十字型平面交叉的槽型轨道，并使其能在风叶的推动下带动垂直轴或垂直轴皮旋转，在槽型轨道上安装能象拉门一样来回移动的风叶，利用电机或在风机旋转中能够顶移风叶的顶轨将截获完风能的风叶由风机的下风口直接驱动到风机的上风口。

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