CN102926926A - 叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，包括塔架和风轮；风轮包括主轴、轻质叶片、叶片轴支架和叶片轴；主轴竖直安装在塔架上，可自由旋转，叶片轴支架呈辐射状均匀固定于主轴上；在各对叶片轴支架的两端分别竖直安装叶片轴，并将轻质叶片固定安装在此叶片轴上，使轻质叶片可以相对叶片轴支架回转，回转角度为0~90°。该风力机具有风轮实度高：增加了轻质叶片阻风面积，提高了风轮实度，风能利用系数大，增加了旋转转矩，发电能力强。风轮起动风速小：微风发电能力强，起动风速小；忽略发电机阻力和摩擦力的情况下，启动风速低于1m/s，适合地区广，运行时间比例高。

Description

叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机

技术领域

本发明涉及一种偏距式垂直轴风力机，尤其涉及一种叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机。

背景技术

如今，石油、煤、天然气等不可再生能源均面临着储量枯竭、价格上涨、甚至地球环境的严重污染等。核裂变发电危险性高，核废料污染环境、处理困难；利用核聚变能发电现在还不可行。而太阳能和风能是可再生能源，对环境没有污染。因此，各国都大力开发以风能和太阳能为代表的清洁可再生能源。

在当前风能利用领域，现有的大多数大装机容量的风力发电机大都处于待、停机状态，风机利用效率极低。在某些特殊条件下，甚至为了使风机随时待机发电，还必须对风机输入控制电源，这使风机出现了负功率输出状态，极大降低了风能利用率。受到风力发电机风轮结构的影响，现有风力发电机主要存在的以下问题：1.启动风速和额定风速均太高，严重脱离实际情况。需研制适合大多数地区使用的风力机，其启动风速和额定风速都要很低；2.现有风轮的叶片细而长，实度极低，大部分从叶片之间的空隙漏走，风能没有被充分利用；3.风叶翼型设计不合理。当前使用最为广泛的风轮叶片是根据直升机的旋翼结构设计的。直升机的旋翼的结构设计是为了利用气流提高其升力，但风轮叶片需要克服这种力的作用，是相反的过程。4.多数风轮叶片扭转角是固定的，不能适应不同的风速。但是在实际应用中，风速大小是随机的。因此风轮一般工作在非设计工作状态，总体效率低，启动困难。

现有的偏距式叶片垂直轴风力发电机，叶片截面积增大，提高了捕风能力，降低启动风速。调整叶片倾斜角度可以调节风机旋转速度。叶片截面积的增大可以大幅减小叶片的长度，以致风轮叶片总重量大幅减少，能最大化地利用风能发电。占地面积少，全方向做功，启动快。

现有的偏距式叶片垂直轴风力发电机有三种方案。1.在垂直轴上安装叶片支架，叶片以偏距形式安装在叶片支架两端，叶片由电机控制。顺风时，控制使叶片竖直受风，把风能转化为叶轮的旋转机械能。而在逆风时，控制使叶片呈水平位置，对风不产生任何阻力。2.在垂直轴上安装叶片支架，叶片以偏距形式安装在叶片支架两端。叶片支架上安装有90度单方向限位装置，以使叶片单方向偏距不超过90度。任意方向来风时，叶片由于单方向限位作用一边保持原位，另一边叶片与风向相同进行旋转。3.在垂直轴上安装叶片支架，叶片以偏距形式在叶片支架两端以90度夹角安装叶片。在叶片支架上安装最大摆动角度为45度的限位装置。任意方向来风使叶片支架一端的叶片摆动到水平位置；叶片支架另一端的叶片在风力作用下摆动到竖直位置，风作用于竖直位置的叶片而使叶片带动叶轮旋转；当竖直位置的叶片摆动到顺风位置时，另一叶片支架的一叶片在风力作用下摆动到竖直位置，继续带动叶轮旋转。

但是，第一种方案中的叶片位置调整需要电机驱动旋转，需要耗费电力；第二种方案中的叶片在转速时由于离心而不能可靠复位。以上三种方案，虽然实度比常规风轮大许多，叶片截面积大，但其实度可以进一步提高。因此，有必要开发设计出更合理的风力机。

发明内容

为了克服现有风机的启动风速高、风轮实度低，风能利用系数小、风轮风叶翼型和扭转角是固定而不能适应不同的风速、驱动旋转需要耗费电力、叶片位置调整需要耗费电力驱动电机旋转，不能可靠复位等缺点，本发明提供了一种叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，进一步提高实度。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，包括塔架和风轮，所述风轮包括主轴、轻质叶片、叶片轴支架和叶片轴；所述主轴竖直安装在塔架的顶部并可自由旋转；

所述叶片轴支架为多对，且在水平面上相互交叉呈辐射状均匀固定于主轴上，每对叶片轴支架的两端分别竖直安装叶片轴，所述叶片轴与叶片轴支架转动配合；

所述轻质叶片固定安装在叶片轴上，轻质叶片相对于叶片轴支架的回转角度α为0~90°。

作为本发明的一种优选方案，每对叶片轴支架均包括叶片轴支撑上杆和叶片轴支撑下杆，所述叶片轴支撑上杆和叶片轴支撑下杆均与主轴垂直并固定在主轴上，每对叶片轴支架的叶片轴支撑上杆和叶片轴支撑下杆在竖直方向上对应；叶片轴支撑上杆的两端与对应的叶片轴支撑下杆的两端之间分别竖直安装叶片轴。

作为本发明的另一种优选方案，所述轻质叶片为钢丝绷帆布。

与现有技术相比，本发明的叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机具有以下优点：

1、风轮实度高：增加了轻质叶片阻风面积，提高了风轮实度，风能利用系数大，增加了旋转转矩，发电能力强。

2．风轮起动风速小：微风发电能力强，起动风速小；忽略发电机阻力和摩擦力的情况下，启动风速低于1m/s，适合地区广，运行时间比例高。

附图说明

图1为叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机的立体结构示意图；

图2为叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机的俯视结构示意图。

附图中： 1—轻质叶片； 2—主轴； 3—叶片轴支架； 31—叶片轴支撑上杆； 32—叶片轴支撑下杆； 4—叶片轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、2所示，叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，包括塔架和风轮。风轮包括主轴2、轻质叶片1、叶片轴支架3和叶片轴4。塔架竖直固定在地面上，用于支持风轮。风轮的主轴2竖直安装在塔架上，可自由旋转。

其中，叶片轴支架3为多对，一般为两或三对，且在水平面上相互交叉呈辐射状均匀固定于主轴2上，每对叶片轴支架3的两端分别竖直安装叶片轴4，叶片轴4与叶片轴支架3转动配合。本实施例中，叶片轴支架3为三对，每对叶片轴支架3均包括叶片轴支撑上杆31和叶片轴支撑下杆32，叶片轴支撑上杆31和叶片轴支撑下杆32均与主轴2垂直并固定在主轴2上，每对叶片轴支架3的叶片轴支撑上杆31和叶片轴支撑下杆32在竖直方向上对应。叶片轴支撑上杆31的两端与对应的叶片轴支撑下杆32的两端之间分别竖直安装叶片轴4，对应一侧的叶片轴支撑上杆31、叶片轴支撑下杆32和叶片轴4构成一门框结构，轻质叶片形成一可转动的门。

轻质叶片1可采用钢丝绷帆布，其质量和惯性小，在由顺风转变为逆风时产生的冲击小，保证整个装置重心稳定，状态变化迅速。轻质叶片1固定安装在叶片轴4上，使轻质叶片1可以相对叶片轴支架3回转，轻质叶片1相对于叶片轴支架3的回转角度α为0~90°。

轻质叶片1在O1和O6附近的位置时，角度为0°，在顺风风压作用下形成对主轴2的逆时针转矩。而当轻质叶片1旋转至O2位置时，在风压下迅速展开，回转到90°角度位置并开始逆风旋转，由于轻质叶片1的偏距，在逆风风压作用下也形成对主轴2的逆时针转矩，直至轻质叶片1与来风顺向而对风无阻力。当轻质叶片1旋转至O5位置后，又重复恢复阻风作用，从而带动主轴2旋转。逆风时，此风力机不仅无反向转矩，还能产生与顺风相同方向的转矩。实度为0.4~0.75，比现有偏距式垂直轴风力机的最大值约0.4大。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，包括塔架和风轮，其特征在于：所述风轮包括主轴（2）、轻质叶片（1）、叶片轴支架（3）和叶片轴（4）；所述主轴（2）竖直安装在塔架的顶部并可自由旋转；

所述叶片轴支架（3）为多对，且在水平面上相互交叉呈辐射状均匀固定于主轴（2）上，每对叶片轴支架（3）的两端分别竖直安装叶片轴（4），所述叶片轴（4）与叶片轴支架（3）转动配合；

所述轻质叶片（1）固定安装在叶片轴（4）上，轻质叶片（1）相对于叶片轴支架（3）的回转角度α为0~90°。

2.根据权利要求1所述的叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，其特征在于：每对叶片轴支架（3）均包括叶片轴支撑上杆（31）和叶片轴支撑下杆（32），所述叶片轴支撑上杆（31）和叶片轴支撑下杆（32）均与主轴（2）垂直并固定在主轴（2）上，每对叶片轴支架（3）的叶片轴支撑上杆（31）和叶片轴支撑下杆（32）在竖直方向上对应；叶片轴支撑上杆（31）的两端与对应的叶片轴支撑下杆（32）的两端之间分别竖直安装叶片轴（4）。

3.根据权利要求1或2所述的叶片限位旋转的偏距式垂直轴风力机，其特征在于：所述轻质叶片（1）为钢丝绷帆布。

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