CN104131952A - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents

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陈国良
丁春雷
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Abstract

本发明提供一种垂直轴风力发电机,包括风叶、盘式电机、风叶支架和立柱,其特征在于:所述垂直轴风力发电机还包括挡风集风板、风速传感器、控制器、角度调节装置和尾翼;所述挡风集风板呈锥体且包括有大口的集风口和小口的排风口,所述风叶和所述盘式电机设置在所述挡风集风板锥体内的所述排风口处,所述挡风集风板通过轴承与立柱连接;通过在所述垂直轴风力发电机上设置所述挡风集风板可在风速小于额定风速时搜集风提高风能利用率,在风速大于额定风速时,挡风限制发电机转速保护发电机及电路安全,通过挡风的限速原理使限速机构与风力发电机构分离不直接相连从而风力发电机构更加稳定,无需使用更高强材料来克服不稳定性带来的影响。

Description

一种垂直轴风力发电机
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电机械领域,尤其涉及一种垂直轴风力发电机。
背景技术
[0002] 风能是一种取之不尽,用之不竭的可再生新兴绿色能源。因此,世界各国和政府把风力发电行业提高到一个重要的地位,大力推动和扶持。我国是最先研制出垂直轴风力发电机的国家之一,垂直轴风力发电机相比水平风力发电机优点是噪声小,风能利用率高和启动风速小等。现有技术中,垂直轴风力发电机主要分为阻力型和升力型两类。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力差作为驱动力的,而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中,随着转速的增加阻力急剧减小,而升力反而会增大,所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。但是,目前无论阻力型还是升力型的垂直轴风力发电机都普遍存在着以下缺陷:起动扭矩小、结构复杂、而且在强风时,风轮迎风面积及受力大,而使发电机输出功率过大,容易导致电机超出额定发电功率而损坏,目前的一般的解决办法是通过在旋转轴部位设置摩擦或者是变速装置,此种方法使发电机变得易磨损,不稳定,而且结构繁琐不易普遍实现;还有些解决方法是设置弹簧变桨装置,通过改变扇叶方向来增加旋转阻力从而达到限速的目的,此种装置不稳定,而且对材料强度要求更高,增加了成本。如专利申请CN98209672.0自动调节叶片角度的垂直轴风力机,它是在风力机轮辐上安装了机械装置使轮辐转动90度来实现叶片随之转动90度,风机每转一圈变化两次。这样的变化不平稳不连续,而且机械转动装置复杂安全性差,在大型风力机上很难应用。又如专利申请CN200710060159.2全迎风同步垂直轴风力发电机,它的调控叶片方向是用凸轮,链条,球的组合来实现调控叶片方向实现风轮机运转。这个系统过于复杂,制造安装精度要求高,在运转过程中机械磨损精度难于保证,难于长期运行。又如专利申请CN20071016748.6,双层叶片并网垂直轴风力发电机。它的变叶片方向是靠凸轮,链条,风力控制器,变速箱多个机械来实现的,而且开始运转还需要外电驱动。又如专利申请CN201110113520.X,变桨叶式垂直轴风力发电机,是一种靠扇叶和重锤的离心力调节弹簧来自动控制变桨叶方向的垂直轴风力发电机,但是随着风速的易变,弹簧的变化跟所需限速阻力保持协调从而导致不稳定,而且此种设置对高速运行的扇叶和连接装置的强度要求更高,成本更高。
发明内容
[0003] 为克服现有技术中垂直轴风力发电机的不易启动和限速装置结构复杂、不稳定和成本高的问题,本发明提供一种垂直轴风力发电机,包括风叶、盘式电机、风叶支架和立柱,它还包括挡风集风板、风速传感器、控制器、角度调节装置和尾翼。
[0004] 进一步地,所述挡风集风板呈锥体且包括有大口的集风口和小口的排风口,所述风叶和盘式电机设置在所述挡风集风板锥体内的排风口处,所述挡风集风板通过轴承与立柱连接;所述挡风集风板的排风口上部固定有竖直的立杆,所述控制器和角度调节装置设置在所述立杆上,所述角度调节装置通过导线与控制器的控制电路连接;所述风速传感器设置在所述立杆上顶端,所述风速传感器通过数据线与控制器连接;所述尾翼头部设置在角度调节装置上,所述尾翼的形状为风向标形状;风速传感器将风速信号传输给控制器,控制器分析风速信号,当风速大于风力发电机的额定风速时,所述控制器控制角度调节装置使所述尾翼的尾部偏转0° -180°的夹角。
[0005] 进一步地,所述尾翼的一面的侧面积大于所述挡风集风板一面的侧面积,所述尾翼的长度大于挡风板长度的2倍。
[0006] 进一步地,所述尾翼有两个,所述两个尾翼的夹角在15° -30°。
[0007] 进一步地,在风速小于风力发电机的额定风速时,所述尾翼的尾部朝向与排风口方向一致。
[0008] 优选地,所述风叶上还设置有启动风杯。
[0009] 优选地,所述盘式电机上还设置有不可逆转圆盘,所述不可逆转圆盘上设置有启动风杯。
[0010] 进一步地,所述挡风集风板上部还设置有太阳能电池板,所述太阳能电池板通过导线连接风速传感器和控制器。
[0011] 优选地,所述风速传感器上设置有小型发电机,所述小型发电机由风速传感器带动,所述小型发电机向控制器供电。
[0012] 使用上述结构后本发明的有益效果是:通过在垂直轴风力发电机上设置挡风集风板可在风速小于额定风速时搜集风提高风能利用率,在风速大于额定风速时,挡风限制发电机转速保护发电机及电路安全,通过挡风的限速原理使限速机构与风力发电机构分离不直接相连从而风力发电机构更加稳定,无需使用更高强材料来克服不稳定性带来的影响。
附图说明
[0013] 图1是一种垂直轴风力发电机的正面的结构示意图;
[0014] 图2是一种垂直轴风力发电机的侧面的结构示意图;
[0015] 图3是实施例2 —种垂直轴风力发电机的局部结构不意图;
[0016] 图4是实施例3 —种垂直轴风力发电机的局部结构不意图。
具体实施方式
[0017] 以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0018] 实施例1:一种垂直轴风力发电机,包括风叶1、盘式电机2、风叶支架3和立柱4,所述垂直轴风力发电机还包括挡风集风板5、风速传感器6、控制器7、角度调节装置8和尾翼9 ;风速传感器6用于感应风速,将风速信号传递给控制器7,控制器7分析风速信号,当风速大于风力发电机的额定风速时控制器7控制角度调节装置8改变尾翼9的角度使挡集风板5挡风,从而限制风叶I的转速,当风速小于风力发电机的额定风速时控制器7控制角度调节装置8改变尾翼9的角度使挡集风板5集风,从而搜集风能提高风叶I的转速,如此设计也可以使限速装置跟风叶I和盘式发电机2分离,不会影响发电机的稳定性,也不会出现任何快速磨损部件的情况。
[0019] 所述挡风集风板5呈锥体且包括有大口的集风口 51和小口的排风口 52,所述风叶I和盘式电机2设置在所述挡风集风板5锥体内的排风口 52处,所述挡风集风板5通过轴承53与立柱4连接,所述挡风集风板5的排风口 52上部固定有竖直的立杆91,所述控制器7和角度调节装置8设置在所述立杆91上,所述角度调节装置8通过导线与控制器7的控制电路连接;所述风速传感器6设置在所述立杆91的上顶端,所述风速传感器6通过数据线与控制器7连接;所述尾翼9头部设置在角度调节装置8上,所述尾翼9的形状为风向标形状;风速传感器6将风速信号传输给控制器7,控制器7分析风速信号,当风速大于风力发电机的额定风速时,所述控制器7控制角度调节装置8使所述尾翼9的尾部偏转0° -180°的夹角,如此设计可以使椎体的挡风集风板5在收集风能时更有效。
[0020] 所述尾翼9的一面的侧面积大于所述挡风集风板5 —面的侧面积,所述尾翼9的长度大于挡风板5长度的2倍,如此设计可以使尾翼9在风力作用下有效控制挡风集风板的方向。
[0021] 所述尾翼9有两个,所述两个尾翼9的夹角在15° -30°,如此设计可以增大尾翼对风的阻力,从而使尾翼尾部保持朝向逆风方向。
[0022] 在风速小于风力发电机的额定风速时,所述尾翼9的尾部朝向与排风口 52方向一致,如此可以保证在风速小于风力发电机的额定风速时尾翼9可以控制集风口朝向与风向—致。
[0023] 实施例2:在实施例1的基础上,所述风叶I上还设置有启动风杯11,由于风叶I转动需要较大的力才能启动,如此设计在风速较小时,转动风杯可以提供转动力带动风叶转动,可以避免使用启动电机来驱动风叶转动。
[0024] 实施例3:在实施例1的基础上,所述盘式电机2上还设置有不可逆转圆盘21,所述不可逆转圆盘21上设置有启动风杯22,如此设计在启动时由转动风杯22带动风叶1,起到降低启动风速的作用,在风速增大时,启动风杯22受到的阻力增大更快,风叶I转速更大不会受风杯影响。
[0025] 实施例4:在实施例3的技术上,所述挡风集风板上部还设置有太阳能电池板,所述太阳能电池板通过导线连接风速传感器6和控制器7,如此设计可利用太阳能发电供应传感器6和控制器7无需从挡风板外部接入电线。
[0026] 实施例5:在实施例4的基础上,所述风速传感器6上设置有小型发电机8,所述发电机8由风速传感器6带动,所述发电机8向控制器7供电,如此设计可利用风速传感器6的转动带动小型发电机8发电供应传感器6和控制器7无需从挡风板外部接入电线。
[0027] 本发明在使用时,风速传感器6将风速信号传输给控制器7,控制器7分析风速,在风速小于风力发电机的额定风速时,控制器7控制角度调节装置8使尾翼9处于初始位置即尾翼9的尾部方向或者是两个尾翼9的夹角的角平分线与排风口 52方向一致,从而使排风口 52处于被风面,集风口 51处于迎风面可以搜集风,提高风能利用率,也可以起到降低启动风速的效果;在风速大于风力发电机的额定风速时,控制器控制角度调节装置8使尾翼9偏转一定的角度,从而使挡风集风板5挡住吹向风叶I的一部分风,限制风叶I转速过高而损坏风机。
[0028] 上述说明示出并描述了本发明的优选实施例,如前所述,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述发明构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种垂直轴风力发电机,包括风叶、盘式电机、风叶支架和立柱,其特征在于:所述垂直轴风力发电机还包括挡风集风板、风速传感器、控制器、角度调节装置和尾翼,所述挡风集风板呈锥体且包括有大口的集风口和小口的排风口,所述风叶和所述盘式电机设置在所述挡风集风板锥体内的所述排风口处,所述挡风集风板通过轴承与立柱连接。
2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述挡风集风板的排风口上部固定有竖直的立杆,所述控制器和所述角度调节装置设置在所述立杆上,所述角度调节装置通过导线与所述控制器的控制电路连接;所述风速传感器设置在所述立杆上顶端,所述风速传感器通过数据线与所述控制器连接;所述尾翼头部设置在所述角度调节装置上,所述尾翼的形状为风向标形状;所述风速传感器将风速信号传输给所述控制器,所述控制器分析所述风速信号,当风速大于所述垂直轴风力发电机的额定风速时,所述控制器控制所述角度调节装置使所述尾翼的尾部偏转0° -180°的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述尾翼的一面的侧面积大于所述挡风集风板一面的侧面积,所述尾翼的长度大于所述挡风集风板长度的2倍。
4.根据权利要求3所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述尾翼有两个,所述两个尾翼的夹角为15° -30°。
5.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:在风速小于所述垂直轴风力发电机的额定风速时,所述尾翼的尾部朝向与所述排风口方向一致。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述风叶上还设置有启动风杯。
7.根据权利要求1-5任一项所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述圆盘电机上还设置有不可逆转圆盘,所述不可逆转圆盘上设置有启动风杯。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述挡风集风板上部还设置有太阳能电池板,所述太阳能电池板通过导线连接所述风速传感器和所述控制器。
9.根据权利要求1-5任一项所述的一种垂直轴风力发电机,其特征在于:所述风速传感器上设置有小型发电机,所述小型发电机由所述风速传感器带动,所述小型发电机向所述控制器供电。
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