CN103277248A - 垂直轴流体发电机 - Google Patents

Abstract

本垂直轴流体发电机的叶片，几乎在360度范围均可捕能，显著提高捕能率，用于流水发电，具有发电稳定、成本低等优势。垂直轴风力发电机的支架5逆时针转动时，链条25带动固定在叶片3的叶片轴自转轮15逆时针转动，链条25由链条隔离37分成上下两层，绕过固定有流向尾巴23的支架轴流向轮21，流向尾巴23动态跟踪流向，叶片轴自转轮15的周长或齿数是支架轴流向轮21的两倍，支架5与流向1的夹角为θ，叶片3与流向1的夹角为Φ，恒有：Φ＝45度+0.5θ，叶片3在除θ＝270度的其余位置均能捕能，高架杆39将整个装置支在合理高度，定子固定在高架杆39上，转子固定在旋转的框架33上。

Description

垂直轴流体发电机

技术领域

本发明属于利用流体作动力、绕垂直于流体流动方向的轴——垂直轴转动发电，适用于垂直轴流水发电机、垂直轴风力发电机，以风力发电机进行叙述，其结果适合于流水发电机等垂直轴流体发电机，反之亦然，分类号：F03D3/06(2006.01)I 

背景技术

我国约68％的地区多数时间只有中小风速，这类地区大多人口稠密、工业集中、用电多、易缺电 

风力发电机分水平轴和垂直轴两种，水平轴指轴的方向平行于风流动方向；垂直轴指轴的方向垂直于风流动方向。垂直轴流体发电机的轴，可与水平面垂直或平行放置 

水平轴风力发电机，要求启动风速较大，在较大风速下效率较高，但提高抗台风能力的成本增加较大，在中小风速下效率较低；垂直轴风力发电机有启动风速较低、抗大风能力较强、在中小风速发电成本较低，但仍未低到财政补贴支持下并网商用程度，仅在远离电网、或风光电路灯等特殊环境中少量使用，但它在中小风速技术开发上，越来越受到世界重视，对我国更有实际意义。申请公布号CN102926926A，介绍的垂直轴风力发电机的叶片与支架间的夹角能在0到90度内改变，其结构在顺风的0到180度转动中获得风能，在逆风的180度到360度转动中，叶面可转到平行于风向，受到风阻较小；授权公告号CN202560428U，用多叶片代替单叶片，逆水时与此类似，叶面可转到平行于水流方向，减小叶片逆水移动的阻力，相对目前大多数技术而言，此两例逆风逆水损失能量较少，但能量利用率仍有待提高 

发明内容

本发明以下的若干特征或技术进步，均是在流向不变的理想条件下获得的理论结果，它是流向变化较小的实际情况的较好近似描述 

1、本垂直轴流体发电机，包括发电系统，垂直于流向的支架轴、绕该支架轴公转的支架、安装在该支架上同步公转的叶片等构成的捕能系统，特征：叶片(3，7，11)既公转，又绕固定在该叶片(3，7，11)上的叶片轴(2)自转，其理由如下 

2、在1所述垂直轴流体发电机中，当某叶片所在平面和固定该叶片的支架所在平面均垂直于流向处，该叶片每公转180度，它同时绕固定在该叶片上的叶片轴自转90度 

叶片旋转捕能过程，类似地球运动：即绕太阳公转，又绕自身轴自转，其目的：当固定叶片的支架所在平面垂直于流向且顺流移动时，该点是最大捕能点，该点的捕能最大化条件：该叶片所在平面垂直于流向；当固定叶片的支架由此位置转动180度，支架所在平面仍将垂直于流向而叶片逆流移动时，该点是最大损失能量点，损失能量最小化条件：叶片所在平面平行于流向；显然，叶片从最大捕能点到最大损失能量点公转180度的同时，绕自身叶片轴自转90度(由垂直于流向到平行于流向)，即：当某叶片和固定该叶片的支架所在的两平面均垂直于流向处(最大捕能点)，该叶片每公转180度，它同时绕固定在该叶片上的叶片轴自转90度。 

3、在1所述垂直轴流体发电机中，在叶片轴和支架轴上各自固定由链条、皮带等联动装置连接的叶片轴自转轮和支架轴流向轮 

4、可通过如下方式实现2所需(叶片每公转180度，它同时绕固定在该叶片上的叶片轴自转90度)条件： 

固定在叶片轴上的叶片轴自转轮的齿数或周长，是固定在支架轴上的支架轴流向轮齿数或周长的两倍 

实际运行中，因流向跟踪系统阻力造成跟踪滞后性，及流向不规则的变化，支架垂直于流向且顺向移动时，叶片面与流向夹角多数可在75至105度之间，支架转动180度，叶片面多数转动75至105度之间 

5、在4所述垂直轴流体发电机中，叶片轴自转轮和支架轴流向轮可是圆形、或椭圆形、或一个圆形和另一个椭圆形；还可选择由理论分析获得捕能最大化或近似最大化条件决定的形状；当是椭圆形时，支架与风向夹角在0度到180度位置，叶片平面与风向夹角，比圆形时更接近垂直，可进一步提高捕能率 

6、在1所述的垂直轴流体发电机中，它可由两套或多套并列、或共轴、或即并列又共轴的捕能系统构成；如可由两套或多套共轴的捕能系统构成一个捕能单元，将一个或多个这种捕能单元并列成一个捕能面；可将对称联动、并列的两个或多对捕能系统构成一个捕能系统单元，用固定架固定于河底附近适当高处，用于流水发电，还可共轴重叠多个捕能系 统，可用金属网将整个发电系统包围，可用固定在河底流水发电机之间的多根绳加固流水发电机，在水下发电机上方的水面，用浮力物及固定在河底的拉绳固定流水发电机，即发电又保护、提示水下发电机，水位下降后水面发电机可位于水下发电机之上游或下游，可用专门提示物浮于发电上方的水面，支架轴可水平或竖直放置 

7、在1和6所述的垂直轴流体发电机中，叶片与流向的跟踪方式有两种：A、直接由流向尾巴控制，此时流向尾巴固定在支架轴流向轮上、或固定能转动的两支架轴刚性连接架上；B、由流向尾巴由与电机串联的转换向开关控制，由流向控制转换开关，由转换开关控制电动机，由电动机驱动支架轴流向轮、或能转动的两支架轴刚性连接架 

在垂直轴流体发电机中，可由一套发电系统，或多套发电系统将捕获的机械能转换成电能 

本技术用于流水发电时，转动轴可垂直或平行于水平面、用船等浮力物、及固定于水底的拉力绳等将系统放置在水面附近或水中，如叶片长L＝2米，转动直径D＝4米，平均水速V＝2米/秒，效率K＝35％，则发电功率P，一年发电量W，得： 

P＝0.5KLDV＊V^2＝0.5KLDV^3(千瓦) 

P＝0.5＊0.35＊2＊4＊2^3＝0.35＊32＝11.2(千瓦) 

W＝365＊24＊P＝8760P＝8760＊11.2＝9.8万(度电/年) 

按每瓦造价5元，投资11.2＊1000＊5＝5.6万元，10年折旧，每年0.56万元，每度电成本0.56万元/9.8万＝0.057元/度电，如按国家政策分布式光伏电等可再生能源，上网价每度电1元，5.6万元/9.8万元＝0.57年，不到7个月收回投资；建卖给电网的河流发电场：浮于河面约6米宽、沉入水中2米深、并排两个2＊4米捕能面积的发电机组、隔10一组、2米/秒流水、1千米长，共200个发电机组，每个5.6万元，功率11.2KW，约投资1100万元，年约发2000万度电；若水较深、或河较宽，可放置更多发电机组，或水流较快，可发更多电 

水流速每秒1.5米时，成本或回收时间增加3.375倍：每度电成本0.19元，1年11个月收回投资 

水流速每秒1米时，成本或回收时间增加8倍：每度电成本0.46元，4年7个月收回投资，此条件发电成本低于电网用电，仍有投资价值 

在小型垂直轴风力发电机中，可以用网与布类材料结合做叶片 

下面结合实施案例进一步说明，常以叶片3及所在支架5的位置取图的名称 

附图说明

图1，三叶片支架90度叶片90度顺风俯视示意图 

图2，三叶片支架180度叶片45度顺风俯视示意图 

图3，三叶片支架270度叶片0度逆风俯视示意图 

图4，三叶片支架0度叶片45度顺风俯视示意图 

图5，三叶片链条连接叶片轴自转轮和支架轴风向轮俯视示意图 

图6，二叶片支架θ度叶片Φ度捕能系统俯视示意图 

图7，二叶片垂直轴流体发电机正视图 

图8，加高型二叶片垂直轴流体发电机正视图 

图中代码说明 

1-风向，2-叶片轴，3-叶片，4-支架逆时针转动，5-支架，6-支架轴，7-叶片，9-支架，11-叶片，13-支架，15-叶片轴自转轮，17-叶片轴自转轮，19-叶片轴自转轮，21-支架轴流向轮，23-流向尾巴，25-叶片链条，27-叶片链条，29-叶片链条，31-轴承，33-框架，35-发电机，37-链条隔离，39-高架杆 

具体实施方式

案例1、三叶片垂直轴风力发电机，参见图1至图5，在图1中，支架5与风向1成90度角时，叶片3平面与风向1成90度角顺风移动，叶片3受逆时针方向力矩；支架9与支架5夹120度角，叶片3与叶片7夹60度角(叶片移动角度是支架的一半，下同)，叶片7与风向1夹30度角，叶片7受逆时针力矩；同理，叶片11受逆时针力矩，三叶片(3，7，11)逆时针旋转，均受逆时针力矩，均能捕获风能；此结论，不仅适合图3至图4中每个叶片(3，7，11)，并适合除270度以外的任何位置，叶片(3，7，11)均能捕获风能 

在图5中，叶片轴自转轮(15，17，19)与支架轴流向轮21由链条(25，27，29)连接。带虚线的圆表示叶片轴心运动轨迹，链条(25，27，29)其实是一根链条，绕成多个圈，分四层绕过支架轴风向轮21(未画，参考图6二叶片情况)，也可以用三根单独链条分别连接三个叶片轴自转轮(15，17，19)与同轴的三个支架轴流向轮21(图中未画)；固定 在支架轴流向轮21上的流向尾巴23随时跟踪风向，使捕能系统随时处于较佳捕能状态，由于流向尾巴23只转动宽度较窄的叶片，比水平轴流向尾巴转动长度较长的叶片、带有发电机等较重的系统，灵巧快捷 

案例2、二叶片垂直轴风力发电机，参见图6至图8，支架5逆时针转动时，链条25带动固定在叶片3的叶片轴自转轮15逆时针转动，链条25由链条隔离37分成上下两层，绕过固定有流向尾巴23的支架轴流向轮21，流向尾巴23动态跟踪风向，使捕能系统随时处于较佳捕能状态，叶片轴自转轮15的周长或齿数是支架轴流向轮21的两倍，支架5与流向1的夹角为θ，叶片3与流向1的夹角为Φ，恒有：Φ＝45度+0.5θ，即θ＝90度+2Φ，叶片3在除θ＝270度的其余位置均捕风能，显著提高捕能率，高架杆39将整个装置支在合理的高度，发电机定子固定在高架杆39上，发电机转子固定在旋转的框架33上 

由图1至图6或上式及上面叙述，可得出发明效果A中的结论 

双重增加捕能率，从实施例中可直观看出(也可用严格的数学证明，此略)：在支架所在平面与流向夹角在0到180度时，本技术旋转叶片平面与流向夹角，比目前技术固定叶片与流向夹角更接近直角，捕能率更高；在支架所在平面与流向夹角在180到380度时，由于固定叶片逆行受流体阻力，目前技术将损失能量，而本技术叶片平面受到的液体作用力产生的力矩方向，在任何位置都是相同的，即本技术理论上，除270度位置外，在其余几乎360度范围均可捕能 

双重增加捕能率是在不考虑叶片厚度的条件下得到，它是叶片做得较薄的较好近似结果，其余旋转装置，在顺风或逆风旋转过程中，获得或损失的能量相当，相互基本抵消，忽略不计 

二叶片垂直轴风力发电机，原理与三叶片装置类似，结构更简单，减少故障率及小型装置时的成本，但增加调平衡难度，在大力矩、低速旋转的流水发电机中，叶片稍不平衡影响较小，可忽略。也可用四叶片组成捕能系统，在轴的每一端控制同轴的两个叶片自转，其结构与二叶片相似，在三叶片捕能系统中；在流向稳定的流水发电机中，可不用流向尾巴23；由并列、反转的两组流水发电机构成一个发电单元，以抵消横向力矩 

本发明实施例可作若干更改和变化，凡在本发明精神之内所作的修改、改进等，均应包含在本发明保护范围内。 

Claims (7)

1.一种垂直轴流体发电机，包括发电系统，垂直于流向的支架轴(6)、绕支架轴(6)公转的支架(5，9，13)、安装在该支架(5，9，13)上同步公转的叶片(3，7，11)，其特征是：叶片(3，7，11)既公转，又绕固定在该叶片(3，7，11)上的叶片轴(2)自转。

2.根据权利要求1所述垂直轴流体发电机，其特征是：当某叶片(3，7，11)所在平面和固定该叶片(3，7，11)的支架(5，9，13)所在平面均垂直于流向处，该叶片(3，7，11)每公转180度，它同时绕固定在该叶片(3，7，11)上的叶片轴(2)自转90度。

3.根据权利要求1所述垂直轴流体发电机，其特征是：在叶片轴(2)和支架轴(6)上各自固定由链条(25，27，29)等联动装置连接的叶片轴自转轮(15，17，19)和支架轴流向轮(21)。

4.根据权利要求2所述垂直轴流体发电机，其特征是：固定在叶片轴上的叶片轴自转轮(15，17，19)的齿数或周长，是固定在支架轴上的支架轴流向轮(21)齿数或周长的两倍。

5.根据权利要求4所述垂直轴流体发电机，其特征是：叶片轴自转轮(15，17，19)和支架轴流向轮(21)可是圆形、或椭圆形、或一个圆形和另一个椭圆形。

6.根据权利要求1所述垂直轴流体发电机，其特征是：它可由两套或多套并列、或共轴、或即并列又共轴的捕能系统构成。

7.根据权利要求1和6所述垂直轴流体发电机，其特征是：叶片(3，7，11)与流向的定位方法有两种：A、直接由流向尾巴(23)控制，此时流向尾巴(23)固定在支架轴流向轮(21)上、或固定能转动的两支架轴(6)刚性连接架上；B、由流向尾巴(23)由与电机串联的转换向开关控制，由流向控制转换开关，由转换开关控制电动机，由电动机驱动支架轴流向轮(21)、或能转动的两支架轴(6)刚性连接架。

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