CN101985915B - 垂直轴风力发电风车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直轴风力发电风车,它包括中心轴、多个叶片、固定架,固定架上设有多个用于与叶片转动连接的连接单元,连接单元上设置有用于限定叶片摆动角度的挡块,挡块包括用于限定叶片初始位置的第一挡块和限定叶片最大迎风面位置的第二挡块,连接单元包括第一连接单元和第二连接单元,当叶片与第一挡块接触时,和第一连接单元相连的三根固定杆中间那一根的延长线与该叶片弧面端点D,E的连线的夹角β为80度至100度,当叶片与第二挡块接触时,和第一连接单元相连的三根固定杆中间那一根的延长线与该叶片弧面端点D,E的连线的夹角γ为140度至160度。本发明的优点是:该垂直轴风力发电风车能够最大限度利用风能。

Description

垂直轴风力发电风车
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力发电风车。
背景技术
风能是一种清洁的可再生能源,不仅蕴量巨大,而且不受地域限制。据估计地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦,是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量,只有风力在一年内所提供能量的三分之一。现在普遍使用风车收集风能,将其转化为电能使用。
现有技术下,风能发电行业主要使用水平轴风力发电技术,而水平轴风力发电技术有如下缺点:首先水平轴风力发电技术要求叶片旋转平面必须对准来风方向,即必须设置一个对风机构,但这个对风机构会造成发电机机构庞大,结构复杂。其次为了满足叶片高强度的需求,叶片往往重量较大,但水平轴风力发电设备的叶片仅可进行单端固定,所以水平轴风力发电设备在风速过大时存在极大的安全隐患。有部分地区使用垂直轴风力发电风车,但是现有垂直轴风力发电风车在运行过程中发电效率低下,风能利用率低。有的厂家给垂直轴风车加上了遮风导流罩,提高了风车的性能,但是阻碍了风车大型化的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用方便、能够最大限度利用风能、安全且发电效率高的垂直轴风力发电风车。
为了达到上述目的,本发明公开了一种垂直轴风力发电风车,它包括中心轴、用于接收风力的多个叶片、设置在所述的中心轴和多个叶片间用于固定各叶片的固定架,所述的中心轴沿纵向设置,所述的固定架与所述的中心轴连接,各叶片平行于所述的中心轴设置且通过与各自的叶片转轴与固定架转动连接,所述的固定架上设置有多个用于与叶片转动连接的连接单元,连接单元上设置有用于限定各叶片摆动角度的挡块,各叶片的叶片转轴的位置为叶片宽度的1/3至2/5处,一般优选1/3处。
进一步,当叶片与第一挡块接触时,和第一连接单元相连的三根固定杆中间那一根的延长线与该叶片两弧面端点的连线的夹角β为80度至100度,优选90度,当叶片与第二挡块接触时,和第一连接单元相连的三根固定杆中间那一根的延长线与该叶片两弧面端点的连线的夹角γ为140度至160度,优选150度。
进一步,叶片为瓦形,且叶片由框架、叶片转轴和蒙皮组成,蒙皮蒙在框架的弧形外侧构成整个叶片。
进一步,所述的叶片转轴到所述的中心轴距离相等。
进一步,固定架上还设置有用于固定所述的连接单元相对位置的与叶片相同数量的支撑杆,同时该支撑杆还起到增加整个固定架的牢固性的作用。
进一步,固定架在中心轴上设置有法兰盘,法兰盘包括上法兰盘和下法兰盘,固定架上还设置有用于加固架体的加固杆,加固杆一端连接支撑杆的下端,另一端连接在上法兰盘上,与固定架内部形成三角形结构,这样能增加整个固定架的牢固性。
进一步,连接单元包括第一连接单元和第二连接单元。
进一步,第一连接单元包括支撑杆孔、第二固定螺孔和叶片转轴孔,支撑杆孔与支撑杆相连固定连接单元的相对位置,第一连接单元通过其上的第二固定螺孔和在固定杆头上的第一固定螺孔与固定杆头固定连接,叶片转轴穿过叶片转轴孔并连接。
进一步,第二连接单元上包括第一挡块、第二挡块和第三固定螺孔,第二连接单元上的第三固定螺孔通过螺钉与第一连接单元的第二固定螺孔连接。
进一步,第二挡块包括缓冲块、螺钉、弹簧和壳体,缓冲块、螺钉和弹簧位于壳体内,缓冲块与螺钉的头部相连,弹簧套在螺钉头部下方、螺钉的外部。第二挡块不受力时,由于弹簧的弹力作用,缓冲块位于壳体外部,螺钉不与壳体底部接触。受力时,缓冲块和弹簧起缓冲作用,使得叶片柔和地与第二连接单元碰撞。
与现有技术状况相比,本发明具有以下优点:
1、该风车的风叶在顺风段工作时,叶片能在风力作用下自动摆动到外挡块位置,风能利用率高,在相同迎风面积的情况下,功率密度大于水平轴风力发电机。
2、该风车的风叶为两端固定式,以相同重量计算时,强度大大增加,抗强风能力明显。
3、变速箱和发电机可安装在地面或塔架中部较低的位置,安装比较方便。
4、能够最大限度利用风能。
附图说明
附图1为本发明垂直轴风力发电风车的结构示意图。
附图2为本发明垂直轴风力发电风车的俯视图。
附图3为本发明垂直轴风力发电风车初始状态的俯剖视图。
附图4为本发明垂直轴风力发电风车工作状态的俯剖视图。
附图5为本发明垂直轴风力发电风车初始状态的A处放大图。
附图6为木发明垂直轴风力发电风车工作状态的B处放大图。
附图7为本发明垂直轴风力发电风车第一连接单元的结构示意图。
附图8为本发明垂直轴风力发电风车第二连接单元的结构示意图。
附图9为本发明垂直轴风力发电风车第二连接单元的C处放大图。
附图10为本发明垂直轴风力发电风车中连接杆的结构示意图。
附图11为本发明垂直轴风力发电风车叶片的结构示意图。
附图12为本发明垂直轴风力发电风车叶片的俯视图。
附图13为本发明垂直轴风力发电风车带有加固杆的固定架的结构示意图。
附图14为本发明垂直轴风力发电风车的受力示意图。
图中:1一中心轴,2一叶片,3一固定架,31一回定杆,32一固定杆头,33一第一固定螺孔,4一挡块,41一第一挡块,42一第二挡块,421一缓冲块,422-螺钉,423一弹簧,424一壳体,5一支撑杆,6一连接单元,61一第一连接单元,611一支撑杆孔,612一第二固定螺孔,613一叶片转轴孔,62一第二连接单元,621一第三固定螺孔,7一法兰盘,71一上法兰盘,72一下法兰盘,8一叶片转轴,9一框架,10一蒙皮,11一加固杆。
具体实施方式
以下结构附图,具体说明本发明。
参见附图1和附图2,一种垂直轴风力发电风车,它包括沿纵向设置的中心轴1,用于接收风力的8个叶片2,8个叶片均为向内凹的瓦形,8个叶片2上均固定设置有用于与固定架3转动连接的叶片转轴8的18个叶片2到中心轴1距离相等,在中心轴1和8个叶片间设置有用于固定8个叶片的固定架3,固定架3与中心轴1转动连接,固定架3上下两侧的平而各设置有8个连接单元6,固定架3上还设置有用于固定连接单元6相对位置的8个支撑杆5,8个叶片2纵向平行于中心轴1设置且均通过各自的叶片转轴8与固定架3上下两侧的连接单元6转动连接,每个连接单元6上还均设置有用于限定叶片2摆动角度的挡块4,挡块4包括用于限定8个叶片2初始位置的第一挡块41和用于限定8个叶片2最大迎风面位置的第二挡块42,8个叶片2各自叶片转轴8的位置约为各叶片的叶片宽度的1/3至2/5处。
附图3为本发明垂直轴风力发电风车初始状态的俯剖视图,8个叶片2初始位置均位于第一挡块41处。
参见附图11和附图12,叶片2的各自叶片转轴8的位置为各叶片的叶片宽度的1/3处,且叶片2由框架9和蒙皮10组成。
参见附图14和附图4,风从风车的左侧吹来,叶片21、叶片22,叶片23、叶片28均为凹部受力,均停在第二挡块42附近,叶片25、叶片26、叶片27均为凸部受力,均停在第一挡块41附近,叶片24为从第一挡块41附近转到第二挡块42附近的过渡状态,基本处于不受力的平衡状态,因为叶片2各自叶片转轴8的位置为各叶片的叶片宽度的1/3处,所以相同的风力情况下,各凹部受力的叶片21,叶片22,叶片23,叶片28的迎风面能充分展开,各凸部受力的叶片25,叶片26,叶片27的处于背面受风,迎风面不能充分展开,故各凹部受力的叶片在垂直来风面上的投影大于各凸部受力的叶片在垂直来风而上的投影,即各凹部受力的叶片的有效受风面积大于各凸部受力的叶片的有效受风面积。同时,分析各叶片2的受力方向,图中,F表示各叶片受到的合力,该力垂直于各叶片,该合力F可以分解成垂直各固定杆31的力F1和平行于各固定杆31的力F2。其中,F1垂直于各力臂能形成有效力矩而做功,而F2平行于各力臂故不输出功。而叶片27受到的合力F基本平行于固定杆31,故其不做功。当风从左边吹来时,风车逆时针旋转,通过对力的分解可知,叶片25,叶片26通过力F1做负功,叶片21,叶片22,叶片23,叶片28也通过力F1做正功,叶片24,叶片27基本不做功,且作用在叶片25,叶片26上的力F1小于作用在叶片21,叶片22,叶片23,叶片28上的力。该状态下,由于做负功的叶片无论是有效受风面积还是力矩均小于做正功的叶片,故该垂直轴风力发电风车能有效利用风能。
同时,由于8个叶片2转动后,各叶片依次转到下一个叶片的位置,故该风车能持续有效地利用风能,并产生稳定的功率输出。
参见附图5、附图6和附图10,固定架3包括各固定杆31和位于固定杆31一端的固定杆头32以及固定杆头32上的第一固定螺孔33,连接单元6包括第一连接单元61和第二连接单元62,第二连接单元62上包括第一挡块41和第二挡块42。叶片2能通过各叶片转轴8在第一挡块41和第二挡块42之间摆动,该摆动受风力控制自动完成。
如图5,为了最大限度利用风能,当叶片2与第一挡块41接触时,和第一连接单元61相连的三根固定杆31中间那一根的延长线与该叶片2弧面端点D,E的连线的夹角β为80度至100度,优选90度。
如图6,为了最大限度利用风能,当叶片2与第二挡块42接触时,和第一连接单元61相连的三根固定杆31中间那一根的延长线与该叶片2弧面端点D,E的连线的夹角γ为140度至160度,优选150度。
附图7为第一连接单元61的结构示意图,第一连接单元61包括支撑杆孔611、第二固定螺孔612和叶片转轴孔613,支撑杆孔611与支撑杆5相连固定连接单元6的相对位置,第二固定螺孔612与固定杆头32上的第一固定螺孔33对齐,并通过螺钉固定,叶片转轴孔613与叶片转轴8连接。
参见附图8,第二连接单元62上包括第一挡块41、第二挡块42和第三固定螺孔621,第三固定螺孔621通过螺钉与第一连接单元61的第二固定螺孔612连接。
附图9为本发明垂直轴风力发电风车的第二连接单元62的C处放大图,可见第二挡块42由缓冲块421、螺钉422、弹簧423和壳体424构成,缓冲块421,螺钉422和弹簧423均装在壳体424内,缓冲块421与螺钉422的头部相连,缓冲块421材质可为柔软的塑料、橡胶等构成,弹簧423套在螺钉422头部下方、螺钉422的外部。不受力时,由于弹簧423的弹力作用,缓冲块421位于壳体424外部,螺钉422不与壳体424底部接触。受力时,缓冲块421和弹簧423起缓冲作用,使得叶片柔和地与第二连接单元62碰撞。
为了便于产品的大型化,本实施例中,各叶片2的上下两端均设置连接单元6,保证了叶片2在强风下可稳定地固定在固定架3上,减小了安全隐患。当然在风力较小的地区,或是产品体积较小的情况下,也可仅在叶片2的一端均设置连接单元6,可以节约固定材料,减少生产成本。
参见附图13,在中心轴1上设置有法兰盘7,法兰盘7包括上法兰盘71和下法兰盘72,固定架3上还设置有用于加固架体的加固杆11,加固杆11一端连接支撑杆5的下端,另一端连接在上法兰盘71上,增加了加固杆11后,固定架3内部形成三角形结构,使固定架3更加的坚固。
通过上述实施方式,不难看出本发明是一种使用方便、安全且发电效率高的垂直轴风力发电风车。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例,但本发明并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直轴风力发电风车,它包括中心轴(1)、用于接收风力的多个叶片(2)、设置在所述的中心轴(1)和多个叶片(2)间用于固定各叶片(2)的固定架(3),所述的中心轴(1)沿纵向设置,所述的固定架(3)与所述的中心轴(1)连接,各叶片(2)平行于所述的中心轴(1)设置且通过各自的叶片转轴(8)与固定架(3)转动连接,所述的固定架(3)上设置有多个用于与叶片(2)转动连接的连接单元(6),连接单元(6)上设置有用于限定各叶片摆动角度的挡块(4),各叶片(2)的叶片转轴(8)的位置为叶片(2)宽度的1/3至2/5处,其特征在于:所述挡块(4)包括用于限定叶片(2)初始位置的第一挡块(41)和用于限定叶片(2)最大迎风面位置的第二挡块(42),连接单元(6)包括第一连接单元(61)和第二连接单元(62),且当叶片(2)与第一挡块(41)接触时,和第一连接单元(61)相连的三根固定杆(31)中间那一根的延长线与该叶片(2)弧面端点D,E的连线的夹角β为80度至100度,当叶片(2)与第二挡块(42)接触时,和第一连接单元(61)相连的三根固定杆(31)中间那一根的延长线与该叶片(2)弧面端点D,E的连线的夹角γ为140度至160度。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:所述夹角β为90度,夹角γ为150度。
3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:叶片(2)为瓦形,且叶片(2)由框架(9)、叶片转轴(8)和蒙皮(10)组成。
4.权利要求1所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:所述的叶片转轴(8)到所述的中心轴(1)距离相等。
5.权利要求1所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:固定架(3)上还设置有用于固定所述的连接单元(6)相对位置的与叶片(2)相同数量的支撑杆(5)。
6.权利要求5所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:固定架(3)在中心 轴(1)上设置有法兰盘(7),法兰盘(7)包括上法兰盘(71)和下法兰盘(72),固定架(3)上还设置有用于加固架体的加固杆(11),加固杆(11)一端连接支撑杆(5)的下端,另一端连接在上法兰盘(71)上,与固定架(3)内部形成三角形结构。
7.根据权利要求1或6所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:连接单元(6)包括第一连接单元(61)和第二连接单元(62)。
8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:第一连接单元(61)包括支撑杆孔(611)、第二固定螺孔(612)和叶片转轴孔(613),支撑杆孔(611)与支撑杆(5)相连固定连接单元(6)的相对位置,第一连接单元(61)通过第二固定螺孔(612)、第一固定螺孔(33)与固定杆头(32)固定连接,叶片转轴(8)穿过叶片转轴孔(613)并连接。
9.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:第二连接单元(62)上包括第一挡块(41)、第二挡块(42)和第三固定螺孔(621),第三固定螺孔(621)通过螺钉与第一连接单元(61)的第二固定螺孔(612)连接。
10.根据权利要求9所述的垂直轴风力发电风车,其特征在于:第二挡块(42)包括缓冲块(421)、螺钉(422)、弹簧(423)和壳体(424),缓冲块(421)、螺钉(422)和弹簧(423)位于壳体(424)内,缓冲块(421)与螺钉(422)的头部相连,弹簧(423)套在螺钉(422)头部下方、螺钉(422)的外部。 
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