CN102359435A - 垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置，该系统包括该风叶角度自动调节装置，其中的旋转架外侧与风叶的背面枢接，内侧连接在垂直轴风力发电系统的风叶支撑盘上且随风叶支撑盘的转动而转动；动力装置与定向轴的下端相关联，以驱动定向轴转动；回转曲轴与定向轴的上端相关联，可与定向轴同步转动；偏心轴设置在回转曲轴的偏心位置；偏心盘套装在偏心轴上，可以偏心轴为中心轴转动；风叶拉杆外端与风叶可转动地连接，内端与偏心盘可转动地连接，由旋转架、风叶拉杆、风叶等构成的机械结构自动调节风叶的迎风角度，当动力装置动作使定向轴与风向相关联时，风叶因此可以随风而动，将迎风面调节到最佳位置。

Description

垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置

本申请是申请人于2010年1月14日递交的、申请号为“201010022775.0”的、发明名称为“垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置。

背景技术

公开号为CN1858438的中国专利申请公开了一种垂直轴风力发电系统，它在风叶回转中心设有轴，风叶在支架上围绕该轴来回转动形成风轮，风叶在支架上来回转动时的角度范围由自动控制系统控制叶片转角而确定，叶片在不同的位置获得相应最佳的叶片转角。

但无论采取何种改变叶片转角的方法，会存在下述缺陷。

缺陷是转角叶片在迎顺风面，转角叶片不能和风向成为90度，无法叶片使最佳迎风，在迎逆风面，转角叶片不能和风向成为0度，因而无法充分利用风能。

公开号为CN101260865的中国专利申请提出了自调角度迎风叶片，利用叶片旋转轴与主轴直接用齿轮相啮合或链条传动。叶片转到最佳迎风位置。

但存在缺陷的是：因主轴和叶片的传动是通过齿轮相啮合或链条直接传动，这样会使叶片在转动时负荷太重，无法充分利用风能，也不利于产品的商业化开发。

公开号为CN200996359的中国专利申请对叶片的角度调节装置采用的是液压装置，如液压泵、液压油缸、液压控制阀及液压蓄能器等配件，来控制叶片横向和纵向的伸缩，使叶片转到最佳迎风面，充分利用风能。

但存在缺陷的是：采用的是液压装置，如液压泵、液压油缸、液压控制阀及液压蓄能器等配件，来控制叶片伸缩转向，增加系统控制装置，其装置本身耗电就大大降低发电效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种风叶自动调节迎风面的垂直轴风力发电系统及其风叶角度自动调节装置，其能通过连杆机构将随风而自动调节风叶迎风面角度。

为实现前述目的，本发明的垂直轴风力发电系统的风叶角度自动调节装置，特点是，包括：旋转架，外侧用于与风叶的背面枢接，内侧用于连接垂直轴风力发电系统的风叶支撑盘，该风叶支撑盘相对垂直轴风力发电系统的输入轴可转动；定向轴；动力装置，与定向轴的下端相关联，以驱动定向轴转动；回转曲轴，与定向轴的上端相关联，可与定向轴同步转动；偏心轴，设置在回转曲轴的偏心位置；偏心盘，套装在偏心轴上，可以偏心轴为中心轴转动；以及风叶拉杆，外端用于与风叶可转动地连接，内端与偏心盘可转动地连接。

动力装置带动定向轴，定向轴带动回转曲轴，回转曲轴带动偏心轴，动力装置驱动定向轴的方式可以与风向相关联，旋转架、风叶拉杆、风叶等构成四连杆机构，可通过该四连杆机构来调整风叶绕输入轴轴心回转过程中的自转角度，四连杆机构的动力即来自于风叶，一旦风力作用于风叶，风叶将自动调整迎风角度。

所述的风叶角度自动调节装置，其进一步的特点是，还包括风向仪，动力装置配置有控制装置，控制装置电连接传感器组件，传感器组件用于检测风向仪的偏转角度并据此向控制装置传递风向信号，控制装置根据传感器组件传递的风向来控制动力装置的运动，以使定向轴的转动与风向的转动相关联。动力装置由控制装置依据传感器传递的风向信号控制，从而将四连杆机构对风叶迎风角度的调整与风向关联起来，通过风向仪而不是风舵来测定风速，可以将使风叶的偏转角度更加精确。

所述的风叶角度自动调节装置，其进一步的特点是，还包括风速仪，传感器组件还用于检测风速仪的转动速度并据此向控制装置传递风速信号，控制装置还根据传感器组件传递的风速信号来控制动力装置的运动，以使定向轴的转动与风向的转动相关联。动力装置还由控制装置依据传感器组件传递的风速信号来控制，从而可更准确地将风叶随风向的改变调整到位。

所述的风叶角度自动调节装置，其进一步的特点是，定向轴可转动地设置在所述输入轴的轴孔中，回转曲轴固定在定向轴的上端，动力装置是微型电机，动力装置连接有减速器，该减速器通过联轴器与定向轴相连接。定向轴贯穿于输入轴的轴孔中，使得整个装置结构紧凑。

为实现所述目的，本发明的垂直轴风力发电系统，包括输入轴、风叶以及风叶支撑盘，风叶支撑盘相对垂直轴风力发电系统的输入轴可转动地设置，其特征在于，还包括风叶角度自动调节装置，该风叶角度自动调节装置包括：旋转架，外侧与风叶的背面枢接，内侧连接在垂直轴风力发电系统的风叶支撑盘上且随风叶支撑盘的转动而转动；定向轴；动力装置，与定向轴的下端相关联，以驱动定向轴转动；回转曲轴，与定向轴的上端相关联，可与定向轴同步转动；偏心轴，设置在回转曲轴的偏心位置；偏心盘，套装在偏心轴上，可以偏心轴为中心轴转动；以及风叶拉杆，外端与风叶可转动地连接，内端与偏心盘可转动地连接。

动力装置带动定向轴，定向轴带动回转曲轴，回转曲轴带动偏心轴，动力装置驱动定向轴的方式可以与风向相关联，旋转架、风叶拉杆、风叶等构成四连杆机构，可通过该四连杆机构来调整风叶绕输入轴轴心回转过程中的自转角度，四连杆机构的动力来自于风力对风叶的作用，一旦风力作用于风叶，风叶将自动调整迎风角度，风叶一边以输入轴为中心轴回转，一边在四连杆机构的作用下自转，因此可以实现在顺风时调大迎风面，而在逆风时调小迎风面。

所述的垂直轴风力发电系统，其进一步的特点是，还包括风向仪，动力装置配置有控制装置，控制装置电连接传感器组件，传感器组件用于检测风向仪的偏转角度并据此向控制装置传递风向信号，控制装置根据传感器组件传递的风向来控制动力装置的运动，以使定向轴的转动与风向的转动相关联。

所述的垂直轴风力发电系统，其进一步的特点是，还包括风速仪，传感器组件还用于检测风速仪的转动速度并据此向控制装置传递风速信号，控制装置还根据传感器组件传递的风速信号来控制动力装置的运动，以使定向轴的转动与风向的转动相关联。

所述的垂直轴风力发电系统，其进一步的特点是，定向轴可转动地设置在所述输入轴的轴孔中，回转曲轴固定在定向轴的上端，动力装置是微型电机，动力装置连接有减速器，该减速器通过联轴器与定向轴的下端相连接。

通过风速和风向来控制定向轴的转动，可以精确准时地将定向轴的转动与风向的变化相关联。

所述的垂直轴风力发电系统，其进一步的特点是，偏心轴在回转曲轴上的偏心方向垂直于风向，在风叶拉杆和旋转架的共同作用下，风叶在绕输入轴的中心轴线回转的过程中具有最大迎风位置以及最小迎风位置，在最大迎风位置，风叶的迎风面垂直迎风，在最小迎风位置，风叶的迎风面平行于风向；在工作过程中，风叶从最大迎风位置转过180度后达到最小迎风位置，风叶从最小迎风位置随风转过180度后达到最大迎风位置。

所述的垂直轴风力发电系统，其进一步的特点是，所述减速器是蜗轮蜗杆减速器。

当风向时，风叶在偏心轴的偏心方向为0度，此时风叶迎风面垂直迎风，使风叶迎风面受风力最大；当风向不变(动力装置或电机无需动作)，风叶围绕输入轴旋转到90度位置，此时风叶的迎风面(自转向90度)受风力最小，实现了自动调整风叶角度的功能，并且风叶自动调节迎风面，最大可能地充分利用风能资源，既使很微小的风也能推动风叶启动；弥补了风力发电机要在风速较大时才能达到所设计的额定功率；大大提高风力发电机设备利用率，减少风力发电机设备的闲置。

附图说明

图1至图6为本发明的第一实施例的构造的示意图，其中：

图1为本发明的风叶自动调节迎风面的垂直轴风力发电系统的立体示意图；

图2为风叶于垂直风向并仰面向上角度为0.01-85度的立体示意图；

图3为风叶拉杆拉动风叶的转向位置示意图，其中(a)为初始位置的示意图，(b)为转过90度的位置示意图，(c)为转过180度的位置示意图，(d)为转过270度的位置示意图；

图4为偏心曲轴的立体示意图；

图5为齿轮与输入轴的结构示意图；

图6为图5中A处的局部放大示意图。

图7到图8为本发明的第二实施例的构造的示意图，其中：

图7为风向跟踪机构的结构示意图；

图8为装配有图7所示风向跟踪装置垂直轴风力发电机装置的立体示意图。

具体实施方式

第一实施例

如图1、图5和图6所示，本发明的风叶自动调节迎风面的垂直轴风力发电系统包括多个风叶1、旋转架4、风叶支撑盘5、垂直发电机输入轴11、风叶支撑盘5与输入轴11之间的传动机构。

如图5所示，风叶1背面设置有上、下固定支架2a、2b，旋转架4的外侧与风叶1背面的上、下固定支架2a、2b枢接(以枢轴相接，二者可以以该枢轴为中心轴相对转动，或者其等同变型)或铰连接或者说可绕一轴线转动地连接，风叶1可以上、下固定支架2a、2b与旋转架4的铰连接处的连线为轴心旋转，旋转架4的内侧固定在支撑盘5上。风叶1的背面上端安装有稍高于上固定支架2的外支架3，风叶拉杆6的外端与外支架3铰连接。

如图6所示，风叶拉杆6的内端与偏心连接盘13铰连接，偏心连接盘13可转动地套装在曲轴12的偏心轴16上。同时参照图4，曲轴12通过轴承设置在输入轴11上端，偏心轴16的上端固定设有风舵15，风舵15的旋转中心与曲轴12同一轴心(在本实施例中，即输入轴11的轴心)，风舵15的迎风方向与偏心轴16的偏心方向(即曲轴12的轴向)垂直。

可以理解到，风叶的角度自动调节机构主要包括旋转架4、风叶拉杆6、曲轴12、偏心轴16、偏心连接盘13以及风舵15。

继续参照图6，风叶支撑盘5与输入轴11之间的传动机构包括风叶齿轮7、第一过桥齿轮8、第二过桥齿轮9以及输入轴齿轮10。支撑盘5与风叶齿轮7固定连接，风叶齿轮7通过轴承14同心套装在输入轴11上，风叶齿轮7与第一过桥齿轮8啮合，第一过桥齿轮8与第二过桥齿轮9同一轴心并且固定连接，第二过桥齿轮9与输入轴齿轮10啮合，输入轴齿轮10同轴固定在输入轴11上。

上述齿轮传动机构的传动比2∶1或3∶1，传动比可根据当地风场环境的要求而定，传动比2∶1或3∶1能提高风力发电机转速。传动比1∶2或1∶3使微风能启动风力发电机。上述齿轮传动机构，也可以由皮带传动和链轮传动替代。

本发明的风叶自动调节迎风面垂直轴风力发电系统，也可以不用传动机构，由风叶支撑盘5直接同轴固定在输入轴11上，同步转动。

本发明的风叶自动调节迎风面的垂直轴风力发电系统的运转方式如下：

同时参照图5、6以及图3，风叶1背面的上、下固定支架2a、2b与旋转架4的外侧连接，使风叶1能在旋转架4上自由转动。风叶1背面上端的外支架3通过风叶拉杆6与偏心连接盘13围绕偏心轴16旋转。如图1所示，当风叶1处于与偏心同方向位置时，外支架3离输入轴11的轴心最远，并且使风叶1迎风面与风向b垂直，风叶1沿方向C旋转(公转)，在图1中为了增强结构强度，各个旋转架4由支撑杆17连接在一起。当风叶1处于偏心反方向位置时，外支架3离输入轴11的轴心最近，并且使风叶1迎风面转向90度迎风。如图3中(a)-(c)所示，当风确定风舵15方向时，偏心轴16以风舵15的垂直方向设为0度，即风叶1在偏心轴16的偏心方向为0度，此时风叶1迎风面垂直迎风，使风叶1迎风面受风力最大。当偏心轴16与风舵15的方向不变，风叶1围绕输入轴11旋转到180度位置，此时风叶1的迎风面(自转向90度)受风力最小。

如图2所示，风叶1不仅可以竖直设置还可以于垂直风向并仰面向上角度β为0.01-85度。

第二实施例

第一实施例的风叶角度自动调整机构存在不足之处：转角叶片在迎顺风面时，由于转角叶片上的风叶拉杆对偏心盘有较小的推力，这时风舵会对风向偏向，无法叶片使最佳迎风，在迎逆风面，转角叶片不能和风向成为0度，因而无法充分利用风能。另外，若要风舵对风向不偏向，则有风舵做成很大，这不利于中等以上的风力发电装置发展，也不利于产品的商业化开发。

第二实施例在第一实施例的基础上对风叶角度自动调整机构进行了改变，取消了风舵。如图7所示，风叶角度自动调整装置包括电机100、定向轴180、回转曲轴190、偏心轴110、偏心盘111，当然也与第一实施例一样，包括风叶拉杆和旋转架，旋转架的设置与第一实施例也一样，风叶拉杆的内端连接在偏心盘111上而外端与第一实施例一样连接在风叶上。

继续参照图7，(微型)电机100连接减速器120，减速器120连接联轴器140，联轴器140连接定向转轴180，定向转轴180通过轴承150可转动地设置在垂直轴风力发电机的动力输入轴170的轴孔中。电机100以及减速器120由支撑架130支撑在输入轴170的下方，定向轴180的上端固定连接回转曲轴190，回转曲轴190的偏心位置固定地安装有偏心轴110，偏心轴110上可转动地设置有偏心盘111。偏心盘111是以偏心轴110为枢轴转动，偏心轴110是以定向轴180为中心轴转动，电机100工作时，电机100的输出动力由减速器120减速增矩后传递到联轴器140、定向轴180，从而驱使定向轴180在输入轴170的轴孔中转动。

电机100还电连接传感器组件115，传感器组件115用于感应风向仪112的转动以及风速仪113的转动，电机100配置有电气控制装置，该电气控制装置接收传感器组件115检测到的风向信号和风速信号来控制电机100的转速和转向。

同时参照图8，与第一实施例不同的是，风叶拉杆6的内端连接在图7中的偏心盘111上。与第一实施例一样，旋转架4的外端连接风叶1而内端连接在风叶支撑盘上。

如图8所示，以固定在偏心轴110上的箭头200(可以是虚拟的)为风向参考，与第一实施例一样地(可参照图3)，偏心轴110的偏心方向(即偏心轴110在回转曲轴190上的设置位置与回转曲轴190的中心的连线确定的方向)与风向垂直时，风叶迎风面垂直迎风，使风叶迎风面受风力最大；当风向不变时，风叶围绕输入轴转过180度位置，风叶的迎风面与风向的角度逐渐变小，并在转过180度位置时，风叶的迎风面与风向平行，此时风叶的迎风面受风力最小，实现了自动调整风叶角度的功能，并且风叶自动调节迎风面，最大可能地充分利用风能资源。

若风向有变动，则可通过电机控制定向轴的转动来控制偏心轴与风向进行一致性的转动(即其偏心位置始终与风向垂直)，而电机控制定向轴180的转动量可以通过传感器组件115检测风向仪112的转动而确定，电机控制定向轴180的转速可以通过传感器组件115检测风速仪113的转动而确定，从而可精确地确定风向，并进而精确地调节风叶的角度。减速器120可以是蜗轮蜗杆减速器，也可以是齿轮减速器，通过设置减速比，可以使得从电机100、减速器120、联轴器140、定向轴180到回转曲轴190的传动为单向传动，因为由于风叶调整作用于曲轴190的外力不足以带动减速器120。减速器120若为蜗轮蜗杆减速，在图中，电机是水平横置的，定向轴与蜗轮蜗杆的蜗轮轴向同心，蜗轮轴向与电机轴成90度布置。

上述实施例只是用来说明、并非限定本发明如何实施。本技术领域的技术人员在不脱离本发明要求保护的范围的情况下还可作出许多改变，例如除了通过传感器来决定定向轴方向外，还可由手动电源开关来控制定向轴的转向或转动。因此，本发明要求保护的技术方案应由附后的权利要求书限定。

Claims (2)

1.一种垂直轴风力发电系统，包括输入轴、风叶以及风叶支撑盘，风叶支撑盘相对垂直轴风力发电系统的输入轴可转动地设置，其特征在于，还包括风叶角度自动调节装置，该风叶角度自动调节装置包括：

旋转架，外侧与风叶的背面枢接，内侧连接在垂直轴风力发电系统的风叶支撑盘上且随风叶支撑盘的转动而转动；

定向轴，可转动地设置在所述输入轴的轴孔中，回转曲轴固定在定向轴的上端，动力装置是微型电机，动力装置连接有减速器，该减速器通过联轴器与定向轴的下端相连接；

动力装置，与定向轴的下端相关联，以驱动定向轴转动；

回转曲轴，与定向轴的上端相关联，可与定向轴同步转动；

偏心轴，设置在回转曲轴的偏心位置，偏心轴在回转曲轴上的偏心方向垂直于风向，在风叶拉杆和旋转架的共同作用下，风叶在绕输入轴的中心轴线回转的过程中具有最大迎风位置以及最小迎风位置，在最大迎风位置，风叶的迎风面垂直迎风，在最小迎风位置，风叶的迎风面平行于风向；在工作过程中，风叶从最大迎风位置转过180度后达到最小迎风位置，风叶从最小迎风位置随风转过180度后达到最大迎风位置；

偏心盘，套装在偏心轴上，可以偏心轴为中心轴转动；以及

风叶拉杆，外端与风叶可转动地连接，内端与偏心盘可转动地连接。

2.如权利要求1所述的垂直轴风力发电系统，其特征在于，所述减速器是蜗轮蜗杆减速器。

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