CN104343640A

CN104343640A - 一种车载风力发电装置

Info

Publication number: CN104343640A
Application number: CN201410548464.6A
Authority: CN
Inventors: 温振雄; 温暖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-02-11

Abstract

本发明公开了一种车载风力发电装置，包括风叶、由风叶驱动的发电机，所述风叶包括中间竖直的转轴，风叶的转轴通过增速机构与发电机相连接，在转轴的上下两端分别设有圆形的支承板，在转轴的周围绕圆周方向等间距地设有若干竖直布置的叶片，所述叶片的横截面在转轴的径向上由内至外逐渐向一侧倾斜，叶片上远离转轴中心的外侧边的上下两端分别转动连接在转轴上下两端的支承板上，叶片通过转动限位结构形成一个转动初始位置，并通过定位弹簧弹性地定位在转动初始位置。本发明在风速增大时，离心力会使叶片向外转动以减小受风面积，从而使风叶转速稳定在一定的范围内，降低风速对风叶转速的影响，使输出电压和功率波动范围小、供电质量好。

Description

一种车载风力发电装置

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是涉及一种车载风力发电装置。

背景技术

随着石油资源的日益紧缺以及空气污染的日益严重，电动汽车越来越受到公众的重视，然而现有的电动汽车完全是依靠充电站进行充电的，因而依然需要消耗大量宝贵的电力资源，目前尚未有利用风能发电并充电的电动汽车。而现有的风力发电机的基本原理是利用一个可捕捉风能的风叶将风能转换成风叶转动的机械能，然后通过相应的增速机构带动发电机运转发电。目前，风力发电的风叶转轴通常是水平放置的，例如，在中国专利文献上公开的一种“风力发电机”，公开号为CN1811176A，其中的风叶采用的是具有三个叶片的风叶，而风叶的转轴水平放置。如果将此类风力发电装置应用在电动汽车上会存在如下问题：由于风叶需要一定方向的风才能正常有效地工作，而风力发电装置在工作时风向会不断地改变，因此，一方面使风能无法得到完全充分的利用，同时造成风力发电时输出功率的不稳定。为此，人们又发明了一种风叶转轴竖直布置的风力发电装置，其中风叶的叶片围绕竖直的转轴等间距布置，从而使风叶可捕捉不同方向的风能。例如，在中国专利文献上公开的另一种“风力发电机”，公布号为CN101806284A，包含一发电模块、一连接轴与复数片的扇叶，其中，发电模块是一可旋转的风力发电机模块，连接轴竖直地设置在发电模块土，复数片的扇叶则呈轴向并以环状配置方式平衡地分布在发电模块的外侧，并且在各扇叶上段与下段处分别朝连接轴方向伸出至少一连接叶片，各扇叶的至少一连接叶片是连接于连接轴上。当扇叶受风力作用旋转时，带动发电模块一并旋转并产生电能。此类风力发电装置虽然可接受来自各个方向的风能，但是仍然存在如下问题：由于发电时风速会有变化，从而导致风叶的转动速度产生变化，进而使输出的电能的电压、功率不稳定，波动范围大，因此必须通过相应的稳压装置才能给电动汽车的蓄电池充电。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的风力发电装置用于电动汽车充电时所存在的输出电能的电压、功率不稳定、波动范围大、无法直接充电的问题，提供一种能降低风速对风叶转速的影响从而使输出电压和功率波动范围小、可直接用于蓄电池充电的车载风力发电装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种车载风力发电装置，包括风叶、由风叶驱动的发电机，所述风叶包括中间竖直的转轴，在转轴的上下两端分别同轴地设有圆形的支承板，在转轴的周围绕圆周方向等间距地设有若干竖直布置的叶片，所述叶片的横截面在转轴的径向上由内至外逐渐向一侧倾斜，叶片上远离转轴中心的外侧边的上下两端分别转动连接在转轴上下两端的支承板上，叶片通过转动限位结构形成一个转动初始位置，并通过定位弹簧弹性地定位在转动初始位置，风叶的转轴通过增速机构与发电机相连接。

本发明的车载风力发电装置中叶片是竖直地呈圆环形等间距布置的，因而可接受任意方向的风力，从而可提高风能的利用效率。由于叶片是转动连接在上下两块支承板上的，并通过定位弹簧弹性地定位在转动初始位置，随着风叶的转动，倾斜的叶片会形成一个离心力。当风速超过额定风速时，叶片的离心力迅速增大，离心力在叶片的转动方向上的分力所形成的转动扭矩大于定位弹簧的弹力所形成的阻力矩，叶片绕着远离转轴中心的外侧边向外转动，此时相邻的叶片之间的内外侧边相互靠近，相邻叶片之间的空隙减小，从而使风力对风叶形成的转动扭矩降低，进而使风叶的转速降低，并维持在一个稳定的转速范围内。由于离心力的大小和转速的平方成正比，因此，当风叶的转速稍有提高时，叶片的离心力即大幅提高，从而使风力对风叶所产生的扭矩快速降低以回复到一个正常的变化范围。因而可有效地稳定发电机的输出电压和输出功率，直接通过充电器给汽车的蓄电池充电，并且无需因风速过大而停机。特别是，离心力在叶片的转动方向上的分力会随着叶片的向外转动而逐渐增大，因此，叶片在风速增大时可快速地向外转动，从而对风叶的转速形成反向抑制，从而确保发电机的输出电压维持在在一个稳定的范围内。

作为优选，所述风叶的外面竖直地设有6个固定的导风板，导风板围绕风叶的转轴呈环形等间距分布，导风板的横截面在转轴的径向上由内至外向着风叶的叶片倾斜方向一侧倾斜，从而在两个相邻的导风板之间形成一个与转轴的径向具有倾斜角度的导风口。

6个导风板两两之间即可构成6个具有倾斜角度的导风口，此时风叶的一侧的大部分风力被倾斜的导风板阻挡在风叶外，而风叶另一侧的风力则被导风口引导进入到风叶内，从而有利于风力更好地驱动风叶转动。

作为优选，叶片上靠近转轴中心的内侧边上设有插孔，插孔内滑动地设有插杆，所述定位弹簧为设置在插孔内的压簧，压簧一端抵压插杆位于插孔内的端部，另一端抵压插孔的底部，所述转动限位结构包括设置在支承板上的导向槽，插杆伸出插孔的一端滑动连接在导向槽内，所述导向槽从靠近转轴中心的一端至远离转轴中心的一端逐步靠近叶片的转动中心。

由于导向槽从靠近转轴中心的一端至远离转轴中心的一端逐步靠近叶片的转动中心，因此，当风速增大使叶片向外转动时，插杆受到导向槽的挤压作用克服压簧的弹力而向插孔内移动。导向槽一方面构成叶片的转动限位结构，同时与压簧配合使叶片弹性地定位在转动初始位置，因而有利于简化结构。特别是，通过导向槽的合理设计，我们可使叶片在转动时压簧的压缩量尽量减小，从而在确保叶片具有一定的初始定位扭矩的前提下，使叶片在向外转动打开所受到的阻力扭矩的增量值尽量减小，进而有利于提高风叶对风速的反应灵敏度，使风叶能维持在一个较为稳定的转速上。

作为优选，所述叶片上远离转轴中心的外侧设有贯穿上下两侧的销钉孔，销钉孔内设有销钉，销钉的上下两端分别固连在风叶的上下两个支承板上，所述转动限位结构包括设置在销钉的圆周面上的弧形限位槽，叶片的外侧面上螺纹连接有伸入弧形限位槽内的限位销钉，所述定位弹簧为设置在支承板上靠近叶片的转动中心处的卷簧，卷簧的伸缩端部连接在叶片上靠近转轴中心的内侧边上。

通过限位销钉和弧形限位槽可方便可靠地限定叶片的转动角度，同时有利于简化结构，便于装配。由于卷簧具有极大的伸缩量，也就是说，当卷簧少量伸长时，其弹力的递增值较小，从而有利于提高叶片对风速的反应灵敏度。特别是，由于卷簧设置在支承板上靠近叶片的转动中心处，因此，当叶片转动时，卷簧的伸长量很小，从而进一步确保叶片对风速的反应灵敏度，以维持输出电压的稳定。

作为优选，所述叶片上设有与销钉孔同轴的弧形同步齿，一同步带绕设在各叶片的弧形同步齿上，使各叶片构成联动。从而可确保各叶片具有相同的转动角度，有利于叶片转速的均匀。

因此，本发明具有如下有益效果：能降低风速对风叶转速的影响从而使输出电压和功率波动范围小、可直接用于电动汽车的蓄电池充电。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是图1中A-A处的的一种横向剖视图。

图3是图2中B处的放大图。

图4是转动限位结构及定位弹簧的一种结构示意图。

图5是转动限位结构的另一种结构示意图。

图6是定位弹簧的另一种结构示意图。

图中：1、风叶 11、转轴 12、支承板 121、导向槽 13、叶片 131、销钉孔 132、插孔 14、销钉 141、弧形限位槽 15、弧形同步齿 2、发电机 3、导风板 31、导风口 4、定位弹簧 5、限位凸起 6、插杆 7、限位销钉 8、同步带。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所示，一种车载风力发电装置，包括上部的风叶1、下部由风叶驱动的发电机2，风叶包括中间竖直的转轴11，风叶的转轴通过增速机构（图中未示出）与下部发电机相连接，在转轴的上下两端分别同轴地固定连接圆形的支承板12，在转轴的周围绕圆周方向等间距地设置若干竖直布置的叶片13，该叶片的横截面形状呈弧形，叶片的一个侧边为转动侧，转动侧的上下两端分别转动连接在转轴上下两端的支承板上，相应地，叶片的另一侧为悬空侧，叶片的横截面在转轴的径向上由内侧的悬空侧至外侧的转动侧逐渐向一侧倾斜，叶片通过转动限位结构形成一个转动初始位置，并通过定位弹簧4弹性地定位在转动初始位置。

为了便于叶片的安装，如图3所示，我们可在叶片上远离转轴中心的转动侧设置贯穿上下两侧的销钉孔131，销钉孔内穿设销钉14，该销钉可从上部的支承板穿入，在穿过销钉孔后从下部的支承板穿出，然后在穿出下部支承板的销钉端部螺纹连接一个固定螺母，或者直接在下部的支承板上设置螺纹孔，从而将穿过销钉孔后的销钉下端螺纹连接在下部支承板的螺纹孔内，以便使销钉的上下两端分别固连在风叶的上下两个支承板上，而叶片则可绕着销钉转动。

由于本发明的风力发电装置中叶片是竖直地呈圆环形等间距布置的，并且叶片在转轴的径向上由内侧的悬空侧至外侧的转动侧逐渐向一侧倾斜，从而使得风叶在风向上的径线两侧的叶片形成不对称受力，进而形成一个驱动枫叶转动的转动力矩。由于风叶从任意方向看结构都是一致的，因而可接受任意方向的风力，从而可有效地提高风能的利用效率。当风力驱动风叶转动时，即可驱动发电机运转发电，进而通过充电装置给电动汽车的蓄电池充电，而增速机构可采用现有的齿轮变速机构。

由于叶片是转动连接在上下两块支承板上的，并通过定位弹簧弹性地定位在转动初始位置，此时的叶片之间具有较大的空隙，即使较低的风力也可比较容易地驱动风叶转动，而定位弹簧则形成一个阻止叶片转动的阻力矩。随着风叶的转动，倾斜的叶片会产生一个向外的离心力，离心力在叶片的转动方向上的分力即形成一个驱动叶片转动的转动扭矩。由于离心力和风叶转速的平方成正比，因此，当风速增加使得风叶转速稍有提高时，叶片的离心力会迅速增大。当风速超过第一额定值时，离心力对叶片所形成的转动扭矩大于定位弹簧的弹力对叶片所形成的阻力矩，此时叶片即绕着远离转轴中心的转动侧内的销钉向外转动，从而使相邻的叶片之间的内外侧边相互靠近，相邻叶片之间的空隙减小，这样，叶片在相同风速下所承受的风力作用减小，从而可极大地抵消风速的增加对风叶转速的影响。也就是说，当风速增加很多时，风叶的转速只会有少量的增加。当风速超过第二额定值时，叶片完全向外打开，各叶片围成圆环状，从而使得风叶在风向上的径线两侧的叶片形成接近相同的受力，此时风速的增加对风叶的转速增加基本不起作用，这样，风叶可维持在一个基本稳定的转速范围内，可有效地稳定发电机的输出电压和输出功率，进而可直接用于蓄电池的充电，避免充电装置因电压波动范围过大而损坏，并且无需因风速过大而停机。需要说明的是，风叶中的叶片在横截面上的形状可以是弧形或其它合适的形状，由于其属于现有技术，再次不做过多的描述。

为了进一步提高风能的转换效率，我们可在风叶的周围竖直地设置6个固定的导风板3，导风板围绕风叶的转轴呈环形等间距分布，导风板的横截面在转轴的径向上由内至外向着风叶的叶片倾斜方向一侧倾斜，从而在两个相邻的导风板之间形成一个与转轴的径向具有倾斜角度的导风口31。这样，吹到导风板上风从倾斜的导风口中进入，从而倾斜地吹到风叶上，提高风叶在风向上的径线两侧的叶片受力的不对称性，有利于风力更好地驱动风叶转动。需要说明的是，导风板以及风叶、发电机可设置在一个支架上，该支架则固定连接在电动汽车的车身顶部，从而有利于接受风力。

此外，如图2所示，本发明中的定位弹簧可以采用简单的拉簧，其一端连接在支承板上，另一端则连接在叶片悬空侧的边缘，并且可在上下两个支承板上分别设置一个拉簧。另外，我们可简单地在支承板上设置一个限位凸起5，叶片的悬空侧抵靠在限位凸起上，从而构成叶片的转动限位结构。

当然，如图4所示，我们也可在叶片上靠近转轴中心悬空的内侧边上水平地设置一个伸入叶片内的插孔132，插孔内滑动地设置一根插杆6，而定位弹簧4则采用压簧，压簧设置在插孔内，压簧一端抵压插杆位于插孔内的端部，另一端抵压插孔的底部，从而对插杆形成一个向外伸出的推力。相应地，转动限位结构包括设置在支承板上的导向槽121，插杆伸出插孔的一端通过滑轮滑动连接在导向槽内。当插杆伸出插孔的一端位于导向槽内靠近转轴的一端时，叶片处于转动初始位置，当插杆伸出插孔的一端位于导向槽内远离转轴的一端时，叶片处于转动终止位置，并且导向槽从靠近转轴中心的一端至远离转轴中心的一端逐步靠近叶片的转动中心。这样，当风速增大使叶片向外转动时，插杆受到导向槽的挤压作用克服压簧的弹力而向插孔内移动。导向槽一方面构成叶片的转动限位结构，同时与压簧配合使叶片弹性地定位在转动初始位置，因而有利于简化结构。特别是，通过导向槽的合理设计，我们可使叶片在转动时压簧的压缩量尽量减小，从而在确保叶片具有一定的初始定位扭矩的前提下，使风叶在转速稍有上升时叶片可快速向外转动打开，进而有利于提高风叶对风速的反应灵敏度，使风叶能维持在一个较为稳定的转速上。

或者，上述转动限位结构以及定位弹簧也可采用如下结构：如图5所示，转动限位结构包括设置在销钉14的圆周面上的弧形限位槽141，叶片转动侧的外侧面上螺纹连接一个伸入弧形限位槽内的限位销钉7。如图6所示，定位弹簧4则可采用卷簧，卷簧设置在支承板上靠近叶片的转动中心处，卷簧的伸缩端部连接在叶片上靠近转轴中心的悬空侧的侧边上。通过限位销钉和弧形限位槽可方便可靠地限定叶片的转动初始位置和转动终止位置，同时有利于简化结构，便于装配。由于卷簧具有极大的伸缩量，也就是说，当卷簧少量伸长时，其弹力的递增值较小，从而有利于提高叶片对风速的反应灵敏度。特别是，由于卷簧设置在支承板上靠近叶片的转动中心处，因此，当叶片转动时，卷簧的伸长量很小，从而进一步确保叶片对风速的反应灵敏度，以维持输出电压的稳定。

最后，如图2、图3所示，我们可将叶片的转动侧的侧边制成半圆柱面，然后在半圆柱面上设置可与同步带啮合的弧形同步齿15，再将一根同步带8绕设在各叶片的弧形同步齿上，从而使各叶片构成联动，以确保各叶片转动角度的一致，有利于叶片的匀速转动。

Claims

1.一种车载风力发电装置，包括设置在车身顶部的风叶、由风叶驱动的发电机，其特征是，所述风叶包括中间竖直的转轴，在转轴的上下两端分别同轴地设有圆形的支承板，在转轴的周围绕圆周方向等间距地设有若干竖直布置的叶片，所述叶片的横截面在转轴的径向上由内至外逐渐向一侧倾斜，叶片上远离转轴中心的外侧边的上下两端分别转动连接在转轴上下两端的支承板上，叶片通过转动限位结构形成一个转动初始位置，并通过定位弹簧弹性地定位在转动初始位置，风叶的转轴通过增速机构与发电机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种车载风力发电装置，其特征是，所述风叶的外面竖直地设有6个固定的导风板，导风板围绕风叶的转轴呈环形等间距分布，导风板的横截面在转轴的径向上由内至外向着风叶的叶片倾斜方向一侧倾斜，从而在两个相邻的导风板之间形成一个与转轴的径向具有倾斜角度的导风口。

3.根据权利要求1所述的一种车载风力发电装置，其特征是，叶片上靠近转轴中心的内侧边上设有插孔，插孔内滑动地设有插杆，所述定位弹簧为设置在插孔内的压簧，压簧一端抵压插杆位于插孔内的端部，另一端抵压插孔的底部，所述转动限位结构包括设置在支承板上的导向槽，插杆伸出插孔的一端滑动连接在导向槽内，所述导向槽从靠近转轴中心的一端至远离转轴中心的一端逐步靠近叶片的转动中心。

4.根据权利要求1所述的一种车载风力发电装置，其特征是，所述叶片上远离转轴中心的外侧设有贯穿上下两侧的销钉孔，销钉孔内设有销钉，销钉的上下两端分别固连在风叶的上下两个支承板上，所述转动限位结构包括设置在销钉的圆周面上的弧形限位槽，叶片的外侧面上螺纹连接有伸入弧形限位槽内的限位销钉，所述定位弹簧为设置在支承板上靠近叶片的转动中心处的卷簧，卷簧的伸缩端部连接在叶片上靠近转轴中心的内侧边上。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种车载风力发电装置，其特征是，所述叶片上设有与销钉孔同轴的弧形同步齿，一同步带绕设在各叶片的弧形同步齿上，使各叶片构成联动。