CN103233858A - 活门式垂直轴阻力型风力机 - Google Patents

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Abstract

活门式垂直轴阻力型风力机属于阻力型垂直轴风力发电机。是在一个垂直轴上对称安装了四个扇叶，扇叶由多个间隔安装成一横排并与上下扇叶框架垂直的活门和隔板组成。由于四个扇叶都有微小的上扬角度，使本发明在没有控制机构情况下实现了自起动和转动过程中的自行控制。活门与隔板接触形成了最大迎风面积，与隔板平行形成了最小阻风面积。阻力风机转动力矩与迎风面积成正比，转动阻力与阻风面积成正比。活门结构使迎风面积与阻风面积可达几百比一，这极大地提高了阻力型风力机的效率。结构决定其制造成本较低，增大面积就能提高功率，这使风力发电进入大功率低成本时代。

Description

活门式垂直轴阻力型风力机
一技术领域
本发明属于风力发电领域的垂直轴阻力型风力机。
二背景技术
1典型阻力型发电机
典型阻力型风力机产生转矩是因为其叶片两面有不同的阻力系数，在静止时其比值在1/2左右，其叶片在迎风与阻力位置的面积是不变的。这使得典型阻力型风力机产生的速度和力矩都很小，效率很低。
2一种垂直轴风力发电的采风装置(专号ZL201220026570.4)
“一种垂直轴风力发电的采风装置”存在以下缺点：
(1)“一种垂直轴风力发电的采风装置”上部不可伸缩的直角叶轮外壳，存在较大的阻风面积，影响其效率的提高；
(2)“一种垂直轴风力发电的采风装置”的活动叶片的转轴在叶片的边缘，在水平位置时紧挨着下面的固定叶片，因而在风雪或风沙的天气中容易在活动叶片和固定叶片之间存入雪或沙子造成风力机不能正常工作或加速风力机的损坏；
(3)“一种垂直轴风力发电的采风装置”没有自起动设置；
(4)“一种垂直轴风力发电的采风装置”没有减速或停机控制设置；
三发明内容
1本发明是一种阻力型风力机，但与典型阻力型风力机不同的是扇叶在迎风位置与阻风位置的面积产生了很大的变化，其比值可达到几百比一。阻力型风力机的推力与其迎风面积成正比，空气阻力与阻风面积成正比。因此，本发明的转动力矩和最高转速都比典型的阻力型风力机高得多。
具体实施(见图1)是在风力机垂直轴(8)上对称安装了四个扇叶框架(1)，在扇叶框架(1)内有竖起的成一横排间隔安装的多个隔板(2)和活门(3)，最里面靠近风力机垂直轴(8)的活门(3)变成加宽活门(7)。在风和离心力的作用下，迎风面积大且活门(3)和加宽活门(7)(参见图3、图4)宽侧迎风的扇叶的活门因为受到关闭的力，与隔板接触形成最大阻风面积，而迎风面积大且活门(3)和加宽活门(7)窄侧迎风的扇叶的活门因为受到打开的力，与隔板平行，形成最小阻力面积。因而使风力机产生较大的转动力矩而转动。
2采用活门转轴偏心结构(见图3、图4)，活门(3)和加宽活门(7)的轴线既不在最边缘处，也不在中心线位置(见图3)，这达到两个目的：(1)这使得隔板与活门在互相平行时能分开一定距离，使风能从二者之间通过，产生了抗风雪和风沙功效；(2)用相同的半径可以转动更大面积的活门，增加了风力机的效能。
3无附加控制机构，实现自起动。
具体实施是四个框架都有微小的上扬角度(见图1)，使活门在静止时因重力作用而处于半开状态。在风的作用下，迎风面积大且活门(3)和加宽活门(7)(参见图3)宽侧迎风的扇叶的活门受到风吹动与隔板接触形成最大迎风面积，而迎风面积大且活门窄侧迎风的扇叶的活门(3)和加宽活门(7)被风吹到与隔板平行位置，形成最小阻力面积。因而使风力机实现自启动功能。
4在转动过程中，机构自行控制，产生持续的转动力矩和转动。
具体实施是当扇叶框架(1)转到侧面迎风时，活门(3)及加宽活门(7)宽侧伸出扇叶框架(1)外的部分受到风吹而发生转动并与隔板接触，因而接受到风的推力产生转动力矩；当扇叶将转出做功位置时，加宽活门(7)伸出部分被风从背后吹到而产生转到与活门限位板(6)接触，并与隔板(2)平行位置的力，再加上离心力和空气阻力的合力作用，活门(3)和加宽活门(7)回到与隔板平行位置，形成自行控制。
5采用了活门动幅控制器，可按要求调节活门的开启幅度，以控制发电功率。
具体实施(见图3)是活门动幅控制器(4)由微型电机驱动，而微型电机可由电脑或外接摇控装置控制其动作，限制活门协动板的活动范围。当活门协动板(5)的顶杆在最短位置时，活门(3)和加宽活门(7)的动作幅度最大，而活门协动板(5)的顶杆在最长位置时，活门(3)和加宽活门(7)被限制在与隔板平行位置，则风力机迎风面积与阻风面积相同，转动力矩消失，可以轻松实现停机。当活门协动板(5)的顶杆在最短与最长之间的某个位置时，活门则打开相应的角度，实现减小转动速度的目的。
6采用了活门协动板，起到三个作用：(1)限制了活门的无序抖动，使一个框架内的活门动作一致；(2)增大活门静止时在重力作用下的关闭角度，增加自起动倾向；(3)与活门动幅控制器一起控制活门的开启角度，起到降低转速和停机的作用。
四附图说明
图1为结构示意图；
图2为俯视图；
图3为活门结构示意图；
图4为加宽活门结构示意图。
图中框架(1)隔板(2)活门(3)活门动幅控制器(4)活门协动板(5)活门限位板(6)加宽活门(7)，风力机垂直轴(8)。
五具体实施方式
参见图1，本发明的活门式风力机在静止时，因为扇叶框架(1)有轻微的上扬角度，使活门(3)和加宽活门(7)在重力作用下自动关闭一定的角度。当达到一定速度的风吹到静止的活门式风力机时，总有对称位置的两个扇叶处于迎风面积较大的状态，在风的作用下，迎风面积大且活门(参见图3、图4)宽侧迎风的扇叶的活门(3)和加宽活门(7)被风吹动与隔板接触形成最大迎风面积，而迎风面积大且活门窄侧迎风的扇叶的活门被风吹到与隔板平行位置，形成最小阻力面积。因而使风力机实现自启动功能。风力机转动后，没有处在迎风面上的框架内的活门在离心力和空气阻力的作用下开启到与活门限位板(6)接触同时与隔板(2)平行的位置，达到最小阻力效果。
当一扇叶框架(1)转到侧面迎着风时，其活门(3)和加宽活门(7)伸出框架的部分处于风力正吹的位置。于是活门被吹动与隔板接触，形成最大的迎风面积，因而风力机接受到风的持续推力使风力机连续转动。当转动到该扇叶框架(1)将摆脱风的推力时，跟在后面的扇叶框架(1)已接受到风的推力，重复其前面框架的动作继续推动风力机转动。框架转出做功区域时，活门失去风的正吹力而在离心力、重力和空气阻力的合力作用下回到阻风面积最小的位置。活门(3)和加宽活门(7))和隔板(2)在非做功区域转动到最大迎风面时，它们与风的相对速度为“风速+转速”，因而最大程度将活门和隔板上面的雪和沙子吹干净，达到自清理效果。
当风力过大时，通过遥控或电脑控制活门动幅控制器(4)动作，推动活门协动板(5)控制活门减小关闭幅度，使风部分通过框架以降低风力机的转速。当需要停机时，使活门动幅控制器(4)的顶杆伸到最长位置，活门就被限制在与隔板平行的位置而实现停机。
六本发明的缺点与优势
1本发明的风力机的转速可以达到典型阻力型风力机的数倍，但还属于低速风力机，其最大转速仍低于风速。而工作转速就更低。
但典型的阻力型风力机有良好的自起动功能，说明其低速时有强大的转矩。阻力型风力机转动力矩与迎风面积成正比，转动阻力与阻力面积成正比。活门结构使迎风面积与阻风面积可达几百比一，这使得本发明的活门式垂直轴阻力型风力机的转矩又比典型的阻力型风力机大得多。而本发明的垂直轴风力机的特点使增速和发电设备都可以安装在固定装置，这样通过可靠的增速可将强大的转矩转化成高效的发电。
2本发明主要结构由板材制造决定本发明的制造成本比较低，增大面积就能提高功率，因而增大功率变得简单，这使得风力发电进入大功率低成本时代。
3本发明具有高效的自起动性能使得可以利用更低的风速工作。
4本发明简单而可靠的控制使得阻力型风力发电安全而实用。

Claims (6)

1.活门式垂直轴阻力型风力机，包括扇叶框架(1)隔板(2)活门(3)活门动幅控制器(4)活门协动板(5)活门限位板(6)加宽活门(7)风力机垂直轴(8)，其特征是在风力机垂直轴(8)上对称安装了四个扇叶框架(1)，扇叶框架(1)内有竖起的成一横排间隔安装的多个隔板(2)和活门(3)，最里面靠近风力机垂直轴(8)的活门(3)变成加宽活门(7)，隔板(2)、活门(3)和加宽活门(7)与扇叶框架(1)上下横板垂直，活门(3)和加宽活门(7)有轴可以转动，活门(3)和加宽活门(7)可以与两边的隔板(2)或扇叶框架(1)的内侧面同时接触，又可转动到与活门限位板(6)接触，同时与隔板(2)平行的位置。
2.如权利要求1所述的活门式垂直轴阻力型风力机，其特征是四个框架(1)都有微小的扬角，静止时活门(3)和加宽活门(7)在重力的作用下关闭一定角度。
3.如权利要求1所述的活门式垂直轴阻力型风力机，其特征是活门(3)的转轴轴线既不在最边缘，也不在中心线位置，在活门(3)与隔板(2)平行时，二者存在距离。
4.如权利要求1所述的活门式阻力型风力机，其特征是加宽活门(7)的转轴轴线与窄侧距离不变，与宽侧的距离增大。
5.如权利要求1所述的活门式阻力型风力机，其特征是活门(3)的宽侧上面最外侧有轴与活门协动板(5)铰连，加宽活门(7)也有轴与活门协动板(5)铰连，活门(3)和加宽活门(7)的转轴与铰连轴距离相等。
6.如权利要求1所述的活门式阻力型风力机，其特征是活门动幅控制器(4)的顶杆在行程最小位置时，活门协动板(5)活动范围最大，活门(3)和加宽活门(7)可以与两边的隔板(2)或扇叶框架(1)的内侧面同时接触，活门动幅控制器(4)的顶杆在行程最大位置时，活门协动板(5)被限制不动，活门(3)和加宽活门(7)被限制在与隔板平行位置。
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