CN102182628A - 动力帆风能机及其自转和公转的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力帆风能机，包括主轴、引导盘、旋转支架及风帆组件，所述旋转支架能够绕所述主轴公转，所述风帆组件能够在所述旋转支架上自转；且所述自转与公转的方向相反；其中，所述引导盘上设置的导引轨道与所述风帆组件配合设置，并控制所述风帆组件以预设轨迹自转，所述自转为非匀速自转；于所述风帆组件的一个公转周期内，根据所述风帆组件的风帆与风向的不同夹角，包括有一对应一第一公转角的顺风最大阻力状态区域，于该顺风最大阻力状态区域内，所述风帆与风向垂直正交；本发明有效提高风帆的做功效率。

Description

动力帆风能机及其自转和公转的控制方法

技术领域

本发明涉及一种风能机，特别是一种有效提高风帆做功效率的动力帆风能机。

背景技术

目前风力发电机主要是水平轴螺旋桨式升力风能机，这种风机虽然技术已经很成熟，但有其与生俱来的局限：

1、效率低。

(1)帆片是升力工作原理，虽然做工时，其线速度高，但风叶的迎风面与背风面的风压差不大，很难充分利用风能。

(2)叶片做功面积只占“扫风面积”的10％以下，且整条叶片中只有中、根部是做功部分，越往叶片末端越往风能消耗趋势发展。

2、安全性有局限，材料技术要求高，价格昂贵

由于叶片顶端高于塔架顶端且随风转动，导致无法在最有利的部位加固塔架，使塔架体积粗大，占整个风机的比例很大；叶片越做越长(现已有60米以上的)，塔柱越来越粗高，就目前的材料技术很难有质的发展。

现有叶片都是采用高科技复合材料，整体制造运输安装维护难度大，费用高。

另外还有￠型叶片风能机和H型叶片风能机，二者的基本情况是消耗风能的运转面积与利用风能的运转面积几乎相等，效率无法提高，且技术上不很成熟，国外一台60米高的￠型风能机在中国试运行当中叶片很快损坏。

为了改变风机效率低、造价高的问题，人们还设计了具有自转和公转同时进行的风叶风能机，如申请号为201010185460.8的笼式风叶风力发电机，包括主轴、风叶和风叶框架，其中，在风叶框架上装有若干个风叶，每个风叶安装在风叶轴上，风叶轴安装在风叶框架上，可以自转；风叶框架安装在主轴上，围绕主轴公转；主轴上安装有固定的定向轮，风叶轴上安装有被动轮，定向轮和被动轮之间设有传动装置，定向轮和被动轮的传动比为2∶1，风叶的公转和自转方向相反；笼式风叶可以竖置或横置，并设置风向标调整受风面。

还有申请号为200510119803.7的一种动力传输装置，为一种多用途的利用叶片自转和公转相结合运转的动力传输装置。该动力传输装置包括叶片、叶片自转轴、叶片框架轮，还包括与叶片自转轴连接的自转控制机构，自转控制机构用于控制叶片自转轴的转速和旋转方向，使得叶片自转轴的旋转方向与叶片框架轮绕公转轴线的旋转方向相反，并且使得叶片自转轴的转速与叶片框架轮绕公转轴线的转速之比为1∶2。

上述两种具有自转和公转的风能机，虽然可以使风叶随风叶框架转动到特定的顺风点而能够使风叶与风向垂直，随风叶框架转动到特定的逆风点而能够使风叶与风向平行，从而增加了受风做功的面积，减少了逆风做功的面积，使得整个风能机运转效率得到提高，风能转化为机械能的效率得到了提升。但是，由于上述风能机风叶自转及公转是由特定的传动机构所带动，并且使风叶的自转轴与绕公转轴的转速比为1∶2，在整个公转周期中，只有当风叶到达了顺风点及逆风点时，才能够得到最高的运转效率，而风叶处于逆风侧的其他逆风位置时，风叶逆风做功仍然会产生很大的阻力，同时风叶处于顺风侧的其他位置时，与顺风点所能达到的运转效率相差甚远，形成一种缓慢提升和衰减的做功状态，影响了它的风能利用率。上述的风能机由于其对风叶自转和公转的传动控制采用所述特定传动结构的缘故，使其风能与电能的转化效率达到了一种瓶颈状态，无法提升。

故，为了进一步的提升风能的利用率，突破上述运转效率的瓶颈，更好的利用这种环保资源，减少环境污染，亟待一种更为进步、风能利用率更高的新的风能转换设备的出现，以符合人类社会及环境可持续发展的需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种动力帆风能机及其自转和公转的控制方法，以提高风能机的运转效率。

本发明的技术解决方案是：

一种动力帆风能机，其特征在于，该动力帆风能机包括主轴、引导盘、旋转支架及风帆组件，所述旋转支架能够绕所述主轴公转，所述风帆组件能够在所述旋转支架上自转；且所述自转与公转的方向相反；其中，所述引导盘上设置的导引轨道与所述风帆组件配合设置，并控制所述风帆组件以预设轨迹自转，所述自转为非匀速自转；于所述风帆组件的一个公转周期内，根据所述风帆组件的风帆与风向的不同夹角，包括有一对应一第一公转角的顺风最大阻力状态区域，于该顺风最大阻力状态区域内，所述风帆与风向垂直正交。

一种上述权利要求所述的动力帆风能机自转和公转的控制方法，其中，该控制方法包括：所述引导盘能够以所述主轴为轴心而绕所述主轴转动；所述风帆组件能够随着所述旋转支架以所述主轴为轴心作公转转动；所述风帆组件的风帆及引导臂能够以所述固定轴为轴心作自转转动；在一个公转周期内，经由所述导引轨道控制所述风帆的自转和公转过程包括：于所述第一公转角范围内，所述风帆的平面与风向垂直正交，形成顺风最大阻力状态；于一第三公转角范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成一角度，形成渐进升力过渡状态；于所述第二公转角范围内，所述风帆的平面与风向平行，形成逆风最小阻力状态；于一第四公转角范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成另一角度，形成渐退升力过渡状态；所述第一、第三、第二及第四公转角依次相邻，且其角度之和为360°。

本发明所述第一、第三、第二及第四公转角在下文中分别依次对应公转角A、B、C、D。

由以上说明得知，本发明的一种动力帆风能机确实具有如下的优点：

1、风帆为阻力式做功面积占整机扫风面积的60％以上，效率高，每只风帆运行到做功位置(公转角A)时，与风向保持垂直角度，以顺风最大阻力状态运行，行程约占其公转行程的四分之一以上；运行到逆风最小阻力状态(公转角C)时，与风向保持零角度(平行)，以逆风最小阻力状态进入风能消耗区域，这种逆风最小阻力行程约占公转行程的四分之一以上；两种状态之间过渡时，以两次升力过渡状态以升力角度相对风向做功，两次升力过渡状态分别约占公转行程的四分之一以下；使整机做功面积大于风能损耗面积。

2、其结构简单，制造、安装容易，对材料、工艺没有特殊要求，相对流行机型造价低。

3、由于风帆有较大平面，可安装太阳能电池板发电，充分利用整机空间(风电一体)，提高整机利用率。

4、在需要的地方(如公路旁，废河道等)设立此种风机，可利用动力帆两侧的平面做商业广告，每公转一周风帆自动转换广告面，效果独特。

5、遇破坏性强风能自动收扬帆，实现自我保护，具有较强的野外生存能力。

6、传动部分可以放在地面，减轻对主轴的要求，维修调整方便；也能够设计成直驱式发电机。

7、由于最高端无旋转阻碍，可以用拉线加固，稳定性好，这样在理论上可以设计到很大的直径，而对其它设计无特殊要求。

8、本发明的动力帆风能机能够在没有计算机系统的控制的情况下，具有较强的自我调整能力；也可以配合计算机系统，进行更为全面和复杂的控制。

附图说明

图1为本发明的动力帆风能机的一具体实施例的整体结构示意图；

图2为本发明的该具体实施例的引导盘的俯视示意图；

图2A为图2中F-F线的剖面示意图；

图2B为图2中H-H线的剖面示意图；

图3为本发明动力帆风能机的引导臂的俯视示意图；

图3A为本发明动力帆风能机的引导臂的侧视示意图；

图3B为本发明动力帆风能机的滚轮式引导体的结构示意图；

图4为本发明的动力帆风能机一个公转周期过程中风帆的自转示意图。

主要元件标号说明：

1：引导盘                11：导引轨道         12：引导盘轴

2：旋转支架              21：轴孔             22：传动带槽

3：风帆组件              31：风帆             32：固定轴

33：帆片                 34：固定框架         4：引导臂

41：引导体               411：轮轴            412：滚轮

413：橡胶套              5：固定座            51：主轴

6：旋转方向限定装置      7：传动带            8：风速仪

9：风向仪                A、B、C、D：公转角

具体实施方式

本发明的一种动力帆风能机包括主轴、引导盘、旋转支架及风帆组件，所述旋转支架能够绕所述主轴公转，所述风帆组件能够在所述旋转支架上自转；且所述自转与公转的方向相反；其中，所述引导盘上设置的导引轨道与所述风帆组件配合设置，并控制所述风帆组件以预设轨迹自转，所述自转为非匀速自转；于所述风帆组件的一个公转周期内，根据所述风帆组件的风帆与风向的不同夹角，包括有一对应一第一公转角(公转角A)的顺风最大阻力状态区域，于该顺风最大阻力状态区域内，所述风帆与风向垂直正交。

本发明还提出了一种动力帆风能机自转和公转的控制方法，采用上述本发明的动力帆风能机，通过以下的控制方法，能够使动力帆风能机运转效率得到极大的提高。请一并参阅图4所示，该控制方法包括：所述引导盘能够以所述主轴为轴心而绕所述主轴转动；所述风帆组件能够随着所述旋转支架以所述主轴为轴心作公转转动；所述风帆组件的风帆及引导臂能够以所述固定轴为轴心作自转转动；在一个公转周期内，经由所述导引轨道控制所述风帆的自转和公转过程包括：于所述第一公转角(公转角A)范围内，所述风帆的平面与风向垂直正交，形成顺风最大阻力状态；于一第三公转角(公转角B)范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成一角度，形成渐进升力过渡状态；于所述第二公转角(公转角C)范围内，所述风帆的平面与风向平行，形成逆风最小阻力状态；于一第四公转角(公转角D)范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成另一角度，形成渐退升力过渡状态；所述第一、第三、第二及第四公转角(公转角A、B、C、D)依次相邻，且其角度之和为360°。

由于社会的进步、工业的发展而使人们对可再生的环保能源的需求更为迫切，本发明的动力帆风能机不仅相较于现有的风车式风能发电机具有较高的风能运转效率，而且还成功的突破了现有风帆式风能机风能运转效率的瓶颈，解决了风帆式风能机风能运转效率低的问题，有效的利用了风能，为能源紧缺而又注重环保的社会发展状态提供了有力的能源支持。

如上所述，本发明的动力帆风能机能够有效的控制风帆在自传和公转的过程中，有效地以接近极限的状态减小了逆风最小阻力侧的受风面积，同时以接近极限的状态使顺风最大阻力侧的受风面积最大化，突破动力帆风能机运转效率的瓶颈，在最小阻力侧及最大阻力侧之间的两次过渡中又以升力过渡状态继续做功，该风能机能够以逆风最小阻力侧无风能消耗的状态工作。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明的动力帆风能机的一个具体实施例的整体结构示意图。从图中可知，本发明的动力帆风能机包括：支承座5、引导盘1、旋转支架2及多个风帆组件3，其中：

支承座5，支承座5上设有一主轴51；该支承座5支撑整个风能机，且该支承座5可以为多种形式，例如直接与水平面固定连接的平底座或支架，也可以是与特殊固定物连接的结构，如：能够设置于具有倾斜角度的壁面的侧向固定座等等，而所述主轴51具有足够的刚性强度，满足支撑风能机旋转运动的强度需求。

引导盘1，其平板面的中心位置具有一垂直向上的引导盘轴12，引导盘轴12可枢转地套设于主轴51外；较佳的，引导盘1具有圆盘状的平板面，由于引导盘1的圆盘状平板面与引导盘轴12之间可焊接固定，所以，引导盘1能够随着引导盘轴12转动而转动。较佳的，引导盘轴12为一中空筒状的管柱，套设在主轴51的外侧，并且引导盘轴12与主轴51之间枢接，而使引导盘轴12连同整个引导盘1能够以主轴51为轴心作旋转运动。其中，本发明的引导盘的结构可以为一种框架结构或具有部分板面的结构，所述引导盘只需要满足能够按预设轨迹设置导引轨道即可，并非限定为实心板的结构。

旋转支架2，其一侧靠近引导盘1，且其中心枢设于引导盘轴12外周侧，于旋转支架2外周缘处设有多个轴孔21；较佳的，为上下侧面呈多边形或圆形的笼式柱体支架结构，具有一顶部框架及一底部框架，顶部和底部框架经由侧面圆周上的多个支撑杆连接，为了加强旋转支架2的结构强度，也可以通过添加各种加强筋的方式予以加固。旋转支架2的底部框架靠近引导盘1的顶面设置，且旋转支架2顶面及底面的中心处分别通过枢转连接的方式与引导盘轴12连接，使旋转支架2能够以主轴51为轴心相对于引导盘轴12旋转。另外，较佳的，旋转支架2顶面及底面的外周缘的框架上相对应设有多个相互等间距设置的轴孔21，用以设置风帆组件3。本发明的一较佳实施例中，旋转支架2外周缘设有传动带槽22，传动带槽22上设有传动带7而与外部传动装置连接；通过连接外部传动装置而将风能转化为其他需要的动力能源，以供人们使用。较佳地，所述传动带7为软绳、钢丝绳、皮带或链条等软传动。

多个风帆组件3，每个所述风帆组件3包括：固定轴32、风帆31、引导臂4及旋转方向限定装置。

其中，固定轴32平行于引导盘轴12，且枢设于旋转支架2顶部和底部框架对应的轴孔21中；较佳的，如上所述的旋转支架2的周缘的轴孔21是上下对应的，且固定轴32两端分别穿过旋转支架2顶面及底面周缘的对应轴孔21，并且枢设在轴孔21中；风帆31为与固定轴32固定连接的几何平面结构，且固定轴32固定于风帆31的平面的中轴线处；多个引导臂4固定连接于固定轴32，且靠近并平行于引导盘1的表面设置，较佳的，引导臂4固定于固定轴32凸出旋转支架2底面的一端，且引导臂4一端部垂直连接于固定轴32上，另一端部悬空，且引导臂4靠近并平行于引导盘1的平板面；为了使本发明的风能机的风帆31和旋转支架2能够按照预先设计的旋转方向运转而设置有旋转方向限定装置6，旋转方向限定装置6套设于固定轴32上，且与旋转支架2固定连接，旋转方向限定装置6能够限制固定轴32相对于旋转支架沿一个方向转动，而阻止固定轴相对于旋转支架向另一个方向转动；风能机运转过程中，风帆31的自转动力源来自风能，因为设置有旋转方向限定装置6，而使风帆31带动固定轴32的转动时只能往一个方向旋转，控制风帆31能够实现做功过程中与风向保持正确的角度，风帆31受力并推动旋转支架2绕主轴51转动；较佳地，所述旋转方向限定装置6可为棘轮或超速离合器。

如上所述，固定轴32为一从旋转支架2顶面的轴孔21插入并一直穿过旋转支架2底面的轴孔21的直杆，较佳地，该固定轴32也可以是与风帆31上下两侧边中部一体连接的两段直杆，这两段直杆也位于风帆平面的中轴线上，并且对应穿过旋转支架2的顶面及底面的轴孔21而枢设于旋转支架2上，同时也可以分别在这两段直杆和风帆31的上下两侧边之间设置加强筋，增强风帆31的结构强度，以满足风帆31受风力旋转做功的结构强度要求；这样的连接方式更能够使风帆21的两侧面完全显露出来，而不存在任何遮挡，在不降低结构强度的前提下，使风能机的外观更为美观。

如图1所示，较佳地，本发明的动力帆风能机的风帆31上可以设置有太阳能电池板，充分利用了风帆的有效面积，以提高环保能源的利用率；另外，也可以在风帆31上设置广告，以提高本发明的经济效益。

上述的引导臂4末端部靠近引导盘1的一侧凸设有引导体41，而引导盘1的表面对应引导体41设有导引轨道11，引导体41相对导引轨道11能够移动地配合设置；通过引导盘1上的导引轨道11和引导臂4的相互作用，使引导臂4的引导体41被限制在导引轨道11内移动。这是由于在风帆31随着旋转支架2绕主轴51旋转的过程中，引导臂4也一同随着风帆31同步旋转，当引导臂4的引导体41旋转到引导盘1表面上方时便能够进入导引轨道11，引导臂4伴随着自身的自转以及导引轨道11所限制的路径而在旋转支架2上绕主轴51作公转运动。

在本实施例中，本发明的动力帆风能机设有一个引导盘1，较佳地，在引导盘1的上下表面都设有导引轨道11配合引导臂4工作，但并不以此为限，本发明的动力帆风能机也可以设有多个的引导盘1，根据旋转运动路径的需要而在各个引导盘1对应表面上设置导引轨道11，同时对应这些导引轨道11在固定轴32上固定连接有引导臂4。

更进一步的说，本发明的动力帆风能机至少设有两个引导臂4；如图2、图2A、图3及图3A所示设有六个引导臂的情况，这些引导臂4对应导引轨道11设置而且在水平面上等份分布。在本实施例中，本发明的动力帆风能机设有十二个引导臂4(图中未示)，并且对应引导盘1的上下表面分为两层(每层六个)垂直地固定于固定轴32上，且上下两层引导臂4呈交叉错开等份分布，上层的引导臂4末端的引导体41位于该引导臂4的下表面而对应引导盘1上表面的导引轨道11设置，下层的引导臂4末端的引导体41位于该引导臂4的上表面而对应引导盘1下表面的导引轨道11设置；在风能机运转过程中，本实施例中的动力帆风能机至少有五个引导臂4上的引导体41处于引导盘1的导引轨道11中运动，且上下两层至少各有两个引导臂4中的引导体41处于引导盘1的导引轨道11中，使得引导体在沿导引轨道11前进时能够顺利越过导引轨道的交叉部位，从而准确控制风帆31的旋转状态。本发明的引导盘一侧的引导臂可以是一引导臂所在平面的板状结构，在对应的点上设有引导体，故，引导臂并不一定是杆状的，只要能够使引导体按照设定位置固定在引导臂所在平面上即可，而引导臂的数量也可以是三个、四个、五个或以上等等，只要能实现对风帆组件的旋转控制即可，并不以此为限。由于引导臂的数量越多，导引轨道的交叉进出口就越小，精度需求越高，风帆组件转动越流畅；相反引导臂数量越少，导引轨道的交叉进出口就越大，对精度的要求不高，风帆组件旋转的流畅性相对较差。

请一并参照图2、图2A及图3B所示，本实施例中，引导盘1上下表面均设置有导引轨道11，导引轨道11为设置于引导盘1表面的长条槽体或者单边的阻挡壁结构；而引导臂4上的引导体41为与这些长条槽体相配合的圆柱块或球体，并且其直径小于这些槽体的宽度，使引导体41能够在导引轨道11内移动。较佳地，引导体41可以是设置在引导臂4末端的滚轮412，并且这些滚轮能够在导引轨道11槽体的侧壁上滚动，而减少风帆组件3旋转运动过程中与引导盘1之间的摩擦力。更进一步的，为更好的减少摩擦阻力，较佳地，本发明的引导体41和导引轨道11可以采用磁性材料(如磁铁)做成，而且引导体41与导引轨道11的磁性相反，形成类似磁悬浮轨道效果的低阻力导轨，有效减少摩擦力所导致的风能消耗；以引导体41为磁性滚轮412结构为例，进一步的可以在滚轮412(磁铁)的外周包覆一层橡胶套413，以减少和避免引导体41与导引轨道11之间的碰撞磨损，同时也可以有效的消除本发明动力帆风能机在运转过程中的噪声。

如上所述的风帆组件3，较佳地，本发明的动力帆风能机在旋转支架2上至少设有两个风帆组件3，并且各风帆组件3间的间距相等，以便于使旋转支架2能够平稳的旋转。本发明的动力帆风能机在旋转支架2上等间距设有五个风帆组件3(如图4所示)。

在具体的组装设置过程中，当风帆组件3设置在旋转支架2上之后，通过在旋转支架2绕主轴51公转一周的过程中，调整风帆31于各个位置上风帆31平面与一特定风向的夹角关系，并确定在这个过程中各引导体41在引导盘1的对应表面的投影轨迹，进而据此轨迹在引导盘1上的对应表面设置导引轨道11，将该预先设定的引导盘1与风向之间的对应关系称之为“对准位置”，对应“对准位置”，每只风帆始终按设计要求与风向保持在“对准位置”的状态。较佳地，本发明的动力帆风能机，其风帆组件3的自转方向与旋转支架2的公转方向相反；由于本发明特定的转动角度限定关系，本发明的动力帆风能机的风帆31的自转过程是一种非匀速自转运动。

较佳地，本发明的动力帆风能机还设有风向仪9，风向仪9可以设置在引导盘轴12的顶端或者引导盘上，当然也可以设置于其他适合的地方，用于风向导航。本发明的动力帆风能机在引导盘1底面凸设有齿轮盘(图中未示)，齿轮盘与设置于一电动机输出轴上的传动齿轮啮合，电动机与支承座5固定连接设置。借由上述结构，风向仪9根据风向的变化，通过控制电动机的启动、关闭及转动方向来控制引导盘1的转动，以使引导盘1与实时风向之间的角度与预设角度一致，时刻保持在“对准位置”。另外，为了更好的实现风向仪9控制风能机到达对准位置，本发明的风能机上设置的风向仪9安装有双向微动开关，使风向仪能够实时地对引导盘1进行导向控制。

本发明的动力帆风能机，其风帆31平面与风向之间的夹角关系为预先确定的并借由导引轨道11与引导臂4相互作用而实现的，在上述“对准位置”的状态下，本发明的动力帆风能机在一个公转周期内设有四个不同的工作状态，如图4所示，其中：

在公转角A范围内，风帆31的平面与风向保持垂直正交(顺风最大阻力状态)；在公转角B范围内，风帆31的平面与风向成一角度(升力过渡状态)；在公转角C范围内，风帆31的平面与风向保持平行(逆风最小阻力状态)；在公转角D范围内，风帆31的平面与风向成另一角度(升力过渡状态)；公转角A、B、C、D依次相邻，且其角度之和为360°；较佳的，其中公转角A、C大于等于90°，公转角B、D小于等于90°，但并不以此为限，也可以根据导引轨道、引导臂及风帆组件之间的配合和实际使用需要设置，确定公转角A、B、C、D为其他可能的角度。

以下是本发明的较佳实施方式，公转角A、B、C、D大小均为90°，在公转角B、D范围内，由于旋转方向限定装置的作用，风帆平面与旋转支架成一固定角度；较佳地，在公转角B、D内，所述固定角度大小为45°，但并不以此为限。通过上述角度关系的设定，使顺风最大阻力状态下风帆组件3在围绕主轴51的工作角度为90°(保持较长弧线距离最大阻力状态)；风帆组件3在逆风最小阻力状态与顺风最大阻力状态的两次转换中，均以升力过渡状态运行，在升力过渡状态过程中，风仍然推动风帆31做功，这样风帆31处于推动旋转支架做功的总角度大于整机扫风圆周的二分之一，而耗能(逆风最小阻力状态下做功)的总角度小于公转总角度的二分之一，因此，本发明的动力帆风能机在一个公转周期的工作过程中，风帆31的运转基本上只在顺风方向上正向做功，当风帆31公转到公转方向与风向有逆向分量的区域时，具有一风帆31与风向平行的逆风最小阻力区域，使反向阻力做功接近零。

更详细的说，如图4所示，其中公转角A的90°范围内为顺风最大阻力状态，公转角B的90°范围内为渐退升力过渡状态，公转角C的90°范围内为逆风最小阻力状态，公转角D的90°范围内为渐进升力过渡状态；

当风帆从逆风最小阻力状态进入到渐进升力过渡状态的瞬间，风帆仍然与风向平行，此刻风帆中心和圆心之间的连线与Y轴之间成45°角，旋转支架继续公转的同时，由于旋转方向限定装置和风力的作用，风帆停止自转，也就是说在公转角D范围内，风帆与旋转支架之间公转圆周切线间的角度保持45°不变，由于旋转支架的继续公转运动，风帆平面相对于风向开始形成有夹角关系，且夹角逐渐增大；在公转角D的90°范围内，风力F作用在风帆上形成了X、Y两个方向的分力，Y方向的分力由支架和旋转限制装置形成反作用力而抵消，X方向所产生的分力(如图所示)为与X轴正向相同的方向的分力，该分力推动旋转支架沿公转方向做功；而当风帆随公转而进入公转角A的顺风最大阻力状态的瞬间，风帆的中心与圆心的连线和X轴成45°角，风帆平面与旋转支架公转的圆周切线之间依然保持45°的夹角关系，而恰好使风帆平面与风向垂直；风帆继续公转，进入顺风最大阻力状态的公转角A范围内时，由于引导盘上的导引轨道的限制作用，使风帆平面在公转角A范围内一直与风向保持垂直正交关系，因此，随着旋转支架的公转运动，风帆平面开始沿着与公转方向相反的方向自转，此时，旋转限定装置无作用；当风帆随公转进入公转角B的渐退升力过渡状态的瞬间，风帆中心与圆心的连线和Y轴成45°角，与公转角D的过程相同，风帆由于旋转方向限定装置的作用，风帆平面与旋转支架间保持固定角度不变，风帆的自转停止，而在旋转支架公转的作用下，风帆平面与风向的夹角越来越小，而风力F在风帆平面上所产生的X、Y两个方向的分力中，Y方向的分力由旋转支架和旋转限定装置的反作用力抵消，而X方向的分力则推动旋转支架沿公转方向做功；当风帆随公转进入公转角C的逆风最小阻力状态的瞬间，风帆平面正好与风向平行，由于导引轨道的限制作用，风帆平面在公转角C范围内一直与风向保持平行，此时，旋转方向限定装置无作用，风帆开始沿与公转方向相反的方向自转；之后，风帆再次进入渐进升力过渡状态，循环往复进行。如上所述的旋转过程中，由于，旋转限定装置的作用，在两个升力过渡状态中，风力作用在风帆上的时候，由于风帆相对旋转支架没有转动，所以，相较于现有的风能机来说，在升力过程中，风力能更好的作用在风帆上，而不会因为在升力过渡状态中，风帆的自转，风作用在旋转中的风帆上时，而形成了类似于“卸力”的情况；另外，公转角A、B、C、D均为90°的设置在使轨道限制引导体运动的过程中不会出现风帆逆向自转的复杂情况下，使公转角A、C最大化。

综上所述，本发明的风能机在整个公转旋转过程中形成了无阻力的风力做功过程。这样一种风能转化效率，使得本发明的动力帆风能机及其自转和公转的控制方法突破了现有技术于最大阻力状态时只有一个点的瓶颈，大幅度提高了风能机的风能利用率。上述过程只是本发明的一个较佳实施方式，本发明的旋转过程可以包括上述过程中的一个或多个过程，并不以此为限。

本发明的动力帆风能机及其自转和公转的控制方法，在实现其高效率的运转功能的同时，还具有自动收扬帆的功能(图中未示)；这个功能不仅能够人性化地根据需求设定动力帆风能机的工作效率，也能够在风能机遭遇强风的时候，收起风帆31，减少受力，实现自我保护，以延长本发明动力帆风能机的使用寿命，使其具有较强的野外生存能力。

较佳地，本发明的动力帆风能机的风帆由多个帆片组成，且其外周缘设有一固定框架，本发明的动力帆风能机还包括有风速仪及设置于固定框架上的收扬帆动力机构。通过风速仪8监控风速，当所测的风速达到预设的上限值时，本发明的动力帆风能机启动收扬帆动力机构，收起风帆31；并且于风速小到预设的下限时，自动启动扬起风帆。

较佳地，如图1所示，本发明的动力帆风能机，其风帆31的相邻帆片33之间可以为相互铰接结构，且收扬帆动力机构设有一电动机以提供收扬帆的动力，电机能够带动一卷轮卷收(或放出)与各帆片33连接的传动带，而使各帆片33向固定框架34的侧边折叠(或展开)。当然风帆帆片33的收放幅度也可以根据风力的大小对应控制。

较佳地，本发明的动力帆风能机，其风帆31的帆片33也可以是分别独立地枢设于所述固定框架34上的结构，收扬帆动力机构设有一电动机以提供收扬帆的动力，根据风速的变化，电动机能够带动一组设置于固定框架34上且与各帆片33的枢轴连接的传动齿轮而转动各帆片33，使每个帆片以33枢轴为轴心翻转，从而实现风帆31帆片33的收起功能，减小强风对风能机的破坏。更进一步的，本发明的动力帆风能机能够根据所述风速仪8的输出信号自动调整帆片33的翻转角度，控制风帆33受风面积。不仅能够避免强风的破坏，而且还可以通过控制系统，对风帆31实施翻转控制，改变风帆31的受风面积，从而控制风能转化的效率适应不同使用场所的需求。

同时，所述风速仪可以通过电子信号控制收扬帆传动机构或者通过机械结构控制，例如本发明中的风速仪内安装有离心式控制开关，该离心式控制开关内设有能够随风速仪旋转的重锤，该重锤随旋转的速度(离心力)的大小能够上升或下降，而采用非接触式的开关控制方式在上下多个对应点设置开关，当重锤随着风速的大小上升或下降时，启动上方或下方的开关而触发收扬帆传动机构，实现以机械的方式根据风速的大小自动控制风帆的收扬帆状态。

本发明的动力帆风能机，不仅能够以上述风能机的设置方向工作，也可以将主轴设置为水平方向，使整个风能机的风帆在竖直方向上进行公转，而相应的，引导盘的位置可以设置在旋转支架的两侧。

更进一步的，通过对上述本发明的动力帆风能机的结构进行部分的改动，便可以得到本发明动力帆风能机的另一个实施例，该实施例中的动力帆风能机是以直驱的方式进行动力传输的，其具体结构包括：支承座、引导盘、旋转支架及多个风帆组件。

其中，支承座，该支承座上枢设有一主轴；引导盘，于其中心位置设有一盘孔，该主轴能够转动地穿设于该盘孔中；旋转支架，为上下侧面呈多边形或圆形的笼式柱体结构，其一侧靠近所述引导盘，且该旋转支架中心位置固定于所述主轴的外周侧，该旋转支架靠近外周缘处设有多个轴孔；多个所述风帆组件，每个风帆组件包括：固定轴、风帆、多个引导臂及旋转方向限定装置。

其中，固定轴平行于所述主轴，且枢设于所述旋转支架的轴孔中；风帆为与所述固定轴固定连接的几何平面结构，且所述固定轴位于该风帆平面的中轴线处；多个引导臂固定连接于所述固定轴，且靠近并平行于所述引导盘的表面设置；旋转方向限定装置设于所述固定轴上，且与所述旋转支架固定连接，所述旋转方向限定装置限制所述固定轴相对于所述旋转支架沿一个方向转动；所述引导臂末端部靠近所述引导盘的一侧凸设有引导体，所述引导盘对应所述引导体的一侧设有所述导引轨道，所述引导体相对所述导引轨道能够移动地配合设置；

而主轴下端与一动力传输结构或发电装置配合设置，形成直驱式动力传输装置或直驱式风能发电机。

综上所述，本发明的动力帆风能机，通过上述结构设置，具有在长时间工作中无需人员或计算机系统控制的优点，具有较强的自我调整能力。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种动力帆风能机，其特征在于，该动力帆风能机包括主轴、引导盘、旋转支架及风帆组件，所述旋转支架能够绕所述主轴公转，所述风帆组件能够在所述旋转支架上自转；且所述自转与公转的方向相反；其中，所述引导盘上设置的导引轨道与所述风帆组件配合设置，并控制所述风帆组件以预设轨迹自转，所述自转为非匀速自转；于所述风帆组件的一个公转周期内，根据所述风帆组件的风帆与风向的不同夹角，包括有一对应一第一公转角的顺风最大阻力状态区域，于该顺风最大阻力状态区域内，所述风帆与风向垂直正交。

2.如权利要求1所述的动力帆风能机，其特征在于，所述风帆组件的一个公转周期内，还包括有一对应一第二公转角的逆风最小阻力状态区域，该逆风最小阻力状态区域内，所述风帆与风向平行。

3.如权利要求1或2所述的动力帆风能机，其特征在于，该动力帆风能机还包括有支承座，该支承座上设有所述主轴；

所述引导盘，其平板面的中心位置具有一垂直向上的所述引导盘轴，该引导盘轴能够枢转地套设于该主轴外；

所述旋转支架，为上下侧面呈多边形或圆形的笼式柱体结构，其一侧靠近所述引导盘，且该旋转支架中心枢设于所述引导盘轴外周侧，该旋转支架靠近外周缘处设有多个轴孔；

多个所述风帆组件，每个所述风帆组件包括：

固定轴，平行于所述引导盘轴，且枢设于所述旋转支架的轴孔中；

所述风帆，为与所述固定轴固定连接的几何平面结构，且所述固定轴固定于该风帆平面的中轴线处；

多个引导臂，固定连接于所述固定轴，且靠近并平行于所述引导盘的表面设置；

旋转方向限定装置，设于所述固定轴上，且与所述旋转支架固定连接，所述旋转方向限定装置限制所述固定轴相对于所述旋转支架沿一个方向转动；

所述引导臂末端部靠近所述引导盘的一侧凸设有引导体，所述引导盘对应所述引导体的一侧设有所述导引轨道，所述引导体相对所述导引轨道能够移动地配合设置；

所述旋转支架外周缘设有传动带槽，该传动带槽上设有传动带而与外部传动装置连接。

4.如权利要求1所述的动力帆风能机，其特征在于，所述引导盘的上下表面均设有导引轨道；所述旋转支架上设有至少两个风帆组件，且所述风帆组件间的间距相等；每一所述风帆组件设有至少两支所述引导臂，所述引导臂等份分布。

5.如权利要求3所述的动力帆风能机，其特征在于，所述引导体及所述导引轨道由具有磁性的材料构成，且所述引导体与所述导引轨道的磁性相反；所述引导体为与所述导引轨道配合设置的方块、圆柱块或滚轮结构；该风能机还设有控制所述引导盘转动的风向仪，该风向仪安装有双向微动开关；所述传动带为软绳、钢丝绳、皮带或链条；所述风帆上还设置有太阳能电池板，所述旋转方向限定装置为棘轮或超速离合器。

6.如权利要求3所述的动力帆风能机，其特征在于，所述风能机的风帆包括相互铰接的多个帆片及其外周缘所设有的一固定框架，该风能机还设有风速仪及设置于所述固定框架上的收扬帆动力机构，所述收扬帆动力机构设有一电动机，且该电机能够带动一卷轮卷收与所述帆片连接的传动带，而使所述帆片向所述固定框架的侧边折叠，该风速仪上设有离心式控制开关。

7.如权利要求3所述的动力帆风能机，其特征在于，所述风能机的风帆包括设于其外周缘的一固定框架及分别独立枢设于所述固定框架上的多个帆片；该风能机还设有风速仪及设置于所述固定框架上的收扬帆动力机构，所述收扬帆动力机构设有一电动机，且该电动机能够带动一组与所述帆片的枢轴连接的传动齿轮而转动所述帆片，该风速仪上设有离心式控制开关。

8.如权利要求1或2所述的动力帆风能机，其特征在于，所述风能机包括有支承座，该支承座上枢设有所述主轴；

所述引导盘，于其中心位置设有一盘孔，该主轴能够转动地穿设于该盘孔中；

所述旋转支架，为上下侧面呈多边形或圆形的笼式柱体结构，其一侧靠近所述引导盘，且该旋转支架中心位置固定于所述主轴的外周侧，该旋转支架靠近外周缘处设有多个轴孔；

多个所述风帆组件，每个所述风帆组件包括：

固定轴，平行于所述主轴，且枢设于所述旋转支架的轴孔中；

所述风帆，为与所述固定轴固定连接的几何平面结构，且所述固定轴位于该风帆平面的中轴线处；

多个引导臂，固定连接于所述固定轴，且靠近并平行于所述引导盘的表面设置；

旋转方向限定装置，设于所述固定轴上，且与所述旋转支架固定连接，所述旋转方向限定装置限制所述固定轴相对于所述旋转支架沿一个方向转动；

所述引导臂末端部靠近所述引导盘的一侧凸设有引导体，所述引导盘对应所述引导体的一侧设有所述导引轨道，所述引导体相对所述导引轨道能够移动地配合设置；

所述主轴下端与一动力传输结构或发电装置配合设置，形成直驱式动力传输装置或直驱式风能发电机。

9.一种上述权利要求所述的动力帆风能机自转和公转的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

所述引导盘能够以所述主轴为轴心而绕所述主轴转动；

所述风帆组件能够随着所述旋转支架以所述主轴为轴心作公转转动；

所述风帆组件的风帆及引导臂能够以所述固定轴为轴心作自转转动；

在一个公转周期内，经由所述导引轨道控制所述风帆的自转和公转过程包括：

于所述第一公转角范围内，所述风帆的平面与风向垂直正交，形成顺风最大阻力状态；

于一第三公转角范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成一角度，形成渐进升力过渡状态；

于所述第二公转角范围内，所述风帆的平面与风向平行，形成逆风最小阻力状态；

于一第四公转角范围内，所述风帆的平面与所述旋转支架成另一角度，形成渐退升力过渡状态；

所述第一、第三、第二及第四公转角依次相邻，且其角度之和为360°。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述第一、第二公转角大于等于90°，所述第三、第四公转角小于等于90°，所述第三、第四公转角范围内，所述风帆平面与旋转支架保持固定角度。

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