CN102128137A - 垂直型风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种垂直型风力发电设备，包括支撑柱；设置在所述支撑柱上的多个风轮，风轮通过横杆可旋转地连接到支撑柱；驱动机构，将风轮的转动传送到发电机，以驱动发电机进行发电，每个风轮上设有两片风叶，风叶的横截面为机翼型，两片风叶间隔地设置在横杆上，从而限定了两片风叶之间的风道，风道的中间部分较其两端部分窄。一种用于垂直型风力发电设备的风轮，所述风轮上设有至少一对风叶，所述风叶的横截面为机翼型，所述一对风叶间隔地设置在所述横杆上，从而限定了所述一对风叶之间的风道，所述风道的中间部分较其两端部分窄。包括所述垂直型风力发电设备的风力发电塔，支撑柱固定连接在该风力发电塔上部，并通过塔架固定在地基上。

Description

垂直型风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及立轴风力发电机(或称为垂直型风力发电机)。

背景技术

风能作为一种绿色能源，取之不尽、用之不竭，世界上许多国家早已经开始利用风力发电技术提供电力。传统的风力发电设备采用水平风机，风轮在风力的驱动下每分钟大致转动8-15圈。这种风力发电设备还需要风向跟踪装置的配合来进行风力发电，而该风向跟踪装置造价高并且容易损坏，也很难适应风向快速变化的风或者风向不稳定的风。现有的风力发电设备一般是水平轴式或垂直轴式。当前垂直风力发电机在世界上不如水平风力发电机普及。原因是，风能利用率较低；现有的垂直型风力发电机，其风机支撑柱随风轮旋转，结构不稳固，并且主轴的轴承极易磨损，所以难以建造大功率的垂直型风力发电机，至今还没有兆瓦级的垂直风力发电设备投入商用。

《风能：理论、应用与测试》(Jens-Peter Molly原著，张世惠翻译，德文原著1991年出版)记载了一种风道式风力机，该机通过结构上的措施将流动的空气集中，并大大提高了输电能力。风道式风力机构造为一个风筒，叶轮上升力沿径向变化，前面渐缩，后面渐扩，在气流变化过程中，产生反作用力。相对于自由流风力机，前方流动气流进入风筒被挤压。但这种类型的风力发电机还没有走出实验阶段，因为看不出比自由流场中的风力机在高成本与高效率之间有什么优越性。这种类型的风力发电机具有面积很大的外壳，即使在最佳设计时，它的长度也是风轮直径的2-3倍那么长，这使得结构造价十分昂贵。

垂直轴式风力发电设备通常由发电机、垂直轴和风轮组成，风轮与垂直轴固定，垂直轴驱动发电机。当风迎面吹向风轮，风轮上的风叶受到风力的推动而开始水平旋转，风轮的转动带动垂直轴。垂直轴式风轮发电装置能不受风向的变化进行旋转，也就是说任何方向的风对于该垂直轴式的风力发电装置的风轮来说都是迎面风。但是，大型风机的风轮重量较大，支撑风叶的转轴的支点容易损坏，一旦支撑风叶的转轴的支点损坏而需要维修或更换时，所需进行的工程比较复杂，不宜操作。因此，需要设计一种垂直轴式风轮发电机，其能够减轻风叶的转轴支点处的负荷，以便降低维修、更换的频率。

发明内容

根据本发明的一种垂直型风力发电设备，包括：支撑柱；设置在所述支撑柱上的多个风轮，所述风轮通过横杆可旋转地连接到该支撑柱；驱动机构，其将所述风轮的转动传送到发电机，以驱动该发电机进行发电，其特征在于，每个所述风轮上设有两片风叶，所述风叶的横截面为机翼型，所述两片风叶间隔地设置在所述横杆上，从而限定了所述两片风叶之间的风道所述风道的中间部分较其两端部分窄。

在本发明优选的实施例中，所述横杆的横截面是机翼型，使得风轮转动时，产生向上的升力。所述两片风叶在其上下端分别通过连接杆连接，所述连接杆是机翼型，使得风轮转动时，产生向上的升力。所述风叶的横截面为具有凸面和凹面的机翼型，每个风轮上的两片风叶的凸面相对地设置，优选地，所述风轮为3个。所述支撑柱上设置有可围绕支撑柱转动的转动件，所述横杆固定连接到所述转动件。所述驱动机构包括相互啮合的环形齿轮及第一齿轮和多节传动机构，所述环形齿轮与所述上端转动件同轴转动，使得与其啮合的所述第一齿轮输出在垂直平面内转动。

所述驱动机构还包括第一滑轮，该第一滑轮与所述另一个所述第一齿轮同轴转动，该第一齿轮并且与多节传动机构耦合，以便通过该多节传动机构驱动所述发电机。所述多节传动机构包括第一滑轮组，其中主动滑轮的转动半径大于从动滑轮的转动半径，该主动滑轮与所述第一滑轮相耦合。

所述多节传动机构还至少包括第二滑轮对，该第二滑轮对的主动滑轮的转动半径大于该第二滑轮对的从动滑轮的转动半径，所述第一滑轮组的从动滑轮与该第二滑轮对的主动滑轮同轴安装。所述多节传动机构还包括链条。

根据本发明的风力发电设备，还包括该风力发电设备的支撑架，所述支撑柱固定在地基上，该支撑架一端固定在该支撑柱上、下端转动件的下方，该支撑架的另一端固定在地基上。所述多节传动机构设置在所述支撑柱内部，所述发电机设置在所述支撑柱外部、电机房内部。

根据本发明提供的一种用于垂直型风力发电设备的风轮，所述风轮上设有至少一对风叶，所述风叶的横截面为机翼型，所述一对风叶间隔地设置在所述横杆上，从而限定了所述一对风叶之间的风道，所述风道的中间部分较其两端部分窄，形成半风道式风叶结构。

本发明还提供了一种风力发电塔，其包括如前所述的垂直型风力发电设备，所述支撑柱固定连接在该风力发电塔上部，该风力发电塔具有塔架，从而将该风力发电塔固定在地基上。该风力发电塔还包括所述多节传动系统的保护罩，在该保护罩内容纳所述多节传动机构。

本发明设计的垂直型风力发电设备结构稳固，使得建造兆瓦级的垂直风力发电设备成为可能；并且半风道式风叶提高了垂直型风力发电机的风能利用率。

本领域中熟练的技术人员从下面的详细描述中就会明白本发明的这些以及其它的目的、特征、方面和优点，这些详细描述结合附图公开本发明的优选实施例。

附图说明

图1所示的是本发明的垂直型风力发电设备；

图2所示的是本发明的垂直型风力发电设备的俯视图，该风力发电设备具有三个风轮；

图3所示的是本发明的风力发电塔。

具体实施方式

现参考附图对本发明的已选实施例进行说明。本领域中熟练的技术人员从本公开会明白下面的对本发明的实施例的描述仅是为了说明，而并不是对本发明的目的进行限制，本发明的目的由所附的权利要求书以及等同于权利要求书的范围所限定。

图1示出了本发明的垂直型风力发电设备，支撑柱1设置在地面上，其也可以根据实际需要设置在地基上，该支撑柱1也可以是管型支撑柱。风机可设有多个风轮，在图1仅仅示出一个风轮，以作为示例，实际应用中可在一个支撑柱上设置三个风轮。风轮设有两个横杆5、6，横杆5、6的一个末端分别连接轴承14、15，从而将风轮嵌套地固定在支撑柱1上，以便在工作时绕支撑柱1转动。

每个风轮上间隔地设置有两片风叶8、9，每片风叶的横截面呈具有凸面和凹面的机翼型，并且两片风叶之间限定出风道。在本发明中，风叶的凸面相对地设置，使得该风道的中间部分较其两端部分窄(图1未示出该设置，将在对图2的描述中具体说明)。

用连接杆10、11分别连接两片风叶8、9的上端、下端。该连接杆10、11也呈机翼形，并且凸面在上。在风力发电设备工作时，该连接杆10、11也跟随风轮绕支撑柱1转动，由于其横截面的机翼形状，会产生上升力，托起风轮，抵消部分重力，令风轮半浮运转，减小了轴承的摩擦，以减少功率损失及磨损。在两根连接杆10、11之间也可设置一条拉绳7，从而增强风轮的稳定性。

如图1所示，轴承14设置在支撑柱1的顶端，一环形齿轮16与轴承14同轴转动地固定。该环形齿轮16可以是一锥形齿轮或斜齿轮，第一齿轮17与该环形齿轮16啮合，从而将环形齿轮16在水平面内的转动转换为第一齿轮17在垂直面内的转动。

在该支撑柱1内设置多节传动机构，上端转动件或滑轮18与第一齿轮17同轴转动地设置。该多节传动机构具有多个滑轮组，例如图1所示的第一滑轮组20、21，第二滑轮组32、24，另外滑轮18和滑轮19也是一组滑轮组。每个滑轮组的主动滑轮和从动滑轮都同轴转动地安装；滑轮组之间通过链条连接。为了实现增速的效果，在每一组滑轮组中，主动滑轮的半径大于从动滑轮的半径，例如滑轮20的半径大于滑轮21的半径，滑轮32的半径大于滑轮24的半径。

在该实施例中，滑轮24也作为终端链轮，其与飞轮25啮合或同轴安装，从而向发电机26输入转动，而发电机26在飞轮25的驱动下进行发电。

多节传动机构可设置在支撑柱1的管状主体内部。如果支撑柱1的管状主体内部空间足够大，设置发电机26的电机房27也可安置在支撑柱1内部。

在支撑柱1的下部设有多根顶杆28、29，以加固整套设备的结构稳定性，以便抵御较强的飓风，同时减轻支撑柱的载荷，从而免去了使用过粗、过重支撑柱的需要。

图2示出了本发明的风力发电设备的俯视图，其中该风力发电设备共有三个风轮，分别由横杆2、3、4固定连接到支撑柱(因为俯视图的关系，从图2只能看到每个风轮的一根横杆，实际上每个风轮由上、下两根横杆支撑)。该风力发电设备是半风道式，风从左侧吹向风叶8、9，由于风叶8、9之间限定的风道入口由宽变为狭窄，根据气流原理，风在风道内得到加速，流速加快，风叶两边的风速差加大，令风叶上升力加大，风轮获得的功率也得以提高。本技术领域的技术人员理解，从能量角度分析，气流被挤压进入两风叶之间，流入的风能量增大，令风叶捕获的风能增多，从而提高风能利用率。

如图3所示，本发明的风力发电设备的支撑柱也可采用塔架的形式，在塔架30的顶端安装风轮，塔架30内设有传动系统保护罩31，以保护多节传动系统。

虽然仅选择已选实施例来对本发明进行说明，但本领域中熟练的技术人员从本公开会明白可对本发明进行各种各样的变化和修改，而并不背离由所附的权利要求书所限定的本发明的范围。而且，前面的对根据本发明的实施例的描述仅为了说明而提供，而并不是为了限制由所附的权利要求书所限定的本发明的范围的目的。

Claims (18)

1.一种垂直型风力发电设备，包括：

支撑柱；

设置在所述支撑柱上的多个风轮，所述风轮通过横杆可旋转地连接到该支撑柱；

驱动机构，其将所述风轮的转动传送到发电机，以驱动该发电机进行发电，

其特征在于，

每个所述风轮上设有两片风叶，所述风叶的横截面为机翼型，所述两片风叶间隔地设置在所述横杆上，从而限定了所述两片风叶之间的风道，所述风道的中间部分较其两端部分窄。

2.如权利要求1所述的风力发电设备，所述横杆的横截面是机翼型，使得风轮转动时，产生向上的升力。

3.如权利要求1或2所述的风力发电设备，所述两片风叶在其上下端分别通过连接杆连接，所述连接杆是机翼型，使得风轮转动时，产生向上的升力。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的风力发电设备，所述风叶的横截面为具有凸面和凹面的机翼型，每个风轮上的两片风叶的凸面相对地设置。

5.如权利要求1所述的风力发电设备，所述风轮为3个。

6.如权利要求1-5任一项所述的风力发电设备，所述支撑柱上设置有可围绕支撑柱转动的转动件，所述横杆固定连接到所述转动件。

7.如权利要求6所述的风力发电设备，所述驱动机构包括相互啮合的环形齿轮及第一齿轮和多节传动机构，所述环形齿轮与所述上端转动件同轴转动，使得所述第一齿轮输出在垂直平面内转动。

8.如权利要求7所述的风力发电设备，所述驱动机构还包括第一滑轮，该第一滑轮与所述第一齿轮同轴转动，该第一滑轮并且与多节传动机构耦合，以便通过该多节传动机构驱动所述发电机。

9.如权利要求7或8所述的风力发电设备，所述多节传动机构包括第一滑轮组，其中主动滑轮的转动半径大于从动滑轮的转动半径，该主动滑轮与所述第一滑轮相耦合。

10.如权利要求9所述的风力发电设备，所述多节传动机构还至少包括第二滑轮对，该第二滑轮对的主动滑轮的转动半径大于该第二滑轮对的从动滑轮的转动半径，所述第一滑轮组的从动滑轮与该第二滑轮对的主动滑轮同轴安装。

11.如权利要求7所述的风力发电设备，其中所述多节传动机构还包括连接链条。

12.如权利要求1-11中任意一项所述的风力发电设备，还包括该风力发电设备的支撑架，该支撑架一端固定在该支撑柱上、下端转动件的下方，该支撑架的另一端固定在地基上。

13.如权利要求7-12中任意一项所述的风力发电设备，所述多节传动机构设置在所述支撑柱内部。

14.如权利要求1-13中任意一项所述的风力发电设备，所述发电机设置在所述支撑柱外部、电机房内部。

15.如权利要求1-14中任意一项所述的风力发电设备，所述支撑柱固定在地基上。

16.一种用于垂直型风力发电设备的风轮，所述风轮上设有至少一对风叶，所述风叶的横截面为机翼型，所述一对风叶间隔地设置在所述横杆上，从而限定了所述一对风叶之间的风道，所述风道的中间部分较其两端部分窄。

17.一种风力发电塔，其包括如权利要求1-14中任意一项所述的垂直型风力发电设备，所述支撑柱固定连接在该风力发电塔上部，该风力发电塔具有塔架，从而将该风力发电塔固定在地基上。

18.如权利要求17所述的风力发电塔，还包括所述多节传动系统的保护罩，在该保护罩内容纳所述多节传动机构。

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