CN105240209A - 动态调节型风力采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动态调节型风力采集装置，由叶片、支撑杆、连杆机构、滚轮、主轴、空间圆柱凸轮、转盘组成。本发明是一种全新的动态智能调节型风力采集装置，本装置通过增加连杆机构和齿轮齿条机构及凸轮结构，利用该机构传递运动，在运动过程中将叶片旋转使叶片在阻力面减少阻力，在动力面增加相对动力。再加上风向标定位、控制系统智能控制蜗轮蜗杆旋转及定位，真正实现智能风向识别，大大提高了风能利用率。

Description

动态调节型风力采集装置

技术领域

本发明属于机械行业，具体来说涉及一种动态调节型风力采集装置。

背景技术

以往的风力采集装置以达里厄风力机和直线翼垂直轴风力机为代表的升力型垂直轴风力机，虽然形状相对简单，但其气动特性非常复杂。

(1)以往的垂直轴风机存在风能利用率低的缺点。迎风面除了动力面还有阻力面。风作用到风力机时，动力面可以推动轴旋转，但是同时阻力面也会产生阻力，使旋转速度变慢。

(2)以往的垂直轴风力机受叶片旋转位置周期性变化的影响，气流作用在翼型上的扭矩也呈周期性变化。使轴的寿命降低，垂直轴风力机的寿命也降低。

(3)因为动力面和阻力面的相对作用，导致相对动力减小，从而导致了启动风速较高。

发明内容

本发明的目的在于改进现有的垂直轴风力机而提供的一种高效动态调节型风力采集装置。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

动态调节型风力采集装置，由叶片、支撑杆、连杆机构、滚轮、主轴、空间圆柱凸轮、转盘组成；

所述叶片与支撑杆用螺栓连接，支撑杆与转盘连接；转盘与空间圆柱凸轮轴承连接，可相对转动；滚轮与连杆机构和空间圆柱凸轮的凹槽配合；连杆机构与支撑杆用齿轮齿条连接或连杆机构与叶片用销连接；

其中，所述叶片能够通过风的吹动而转动，用于收集风能；

所述支撑杆用于连接和支撑叶片，带动叶片转动；

所述滚轮与空间圆柱凸轮配合，根据空间圆柱凸轮凹槽的变化推动连杆机构平动；

所述主轴与转盘销连接，与转盘一起转动，主轴制动的同时转盘也被制动；

所述空间圆柱凸轮与蜗轮刚性连接，被蜗轮带动转动，与滚轮配合，推动连杆平动；

所述转盘被叶片带动转动，将转矩传到主轴。

所述连杆机构由连杆齿条和齿轮组成；

所述连杆齿条与滚轮配合，与齿轮啮合，将平动转换为转动；

所述齿轮与支撑杆固定连接，与连杆齿条啮合，通过连杆齿条的平动带动支撑杆的转动。

另一种，所述连杆机构由大连杆、中连杆、小连杆和滑块组成；

所述大连杆与滚轮配合，与中连杆连接，用于传递运动和力；

所述中连杆连接滑块与大连杆，用于传递运动和力；

所述小连杆与叶片和滑块连接，通过滑块的滑动来拉动叶片，使叶片翻转；

所述滑块与中连杆和小连杆连接，用于传递运动和力。

所述动态调节型风力采集装置中设置有风向标；

所述风向标具有定位功能，能够实时测量和定位风向，根据风向标定位调节叶片的运动轨迹，提高风能利用率。

所述动态调节型风力采集装置中设置有控制中心；

所述控制中心根据分析风向标反馈回来的信息而智能调节动态调节型风力采集装置的定位角度，使动态调节型风力采集装置始终保持采集风力的最大能量。

所述动态调节型风力采集装置中设置有蜗轮和蜗杆；

所述蜗轮与空间圆柱凸轮刚性连接在一起，传递力矩，带动空间圆柱凸轮转动；

所述蜗杆受控制系统控制，传递力矩；

所述蜗轮和蜗杆具有自锁功能；

所述控制中心调节智能调节动态调节型风力采集装置的定位角度时，控制电机转动由蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动空间圆柱凸轮旋转，重新定位O位基点，定位成功后控制电机停止转动，蜗轮蜗杆完成自锁，空间圆柱凸轮被固定。

所述动态调节型风力采集装置中设置有制动系统；

所述制动系统根据控制中心的信号决定是否工作，调节空间圆柱凸轮时，用来制动主轴和转盘。

所述空间圆柱凸轮轨迹能够改变，能够带动动态调节型风力采集装置，使叶片实现翻转功能。

所述叶片为旋转叶片的结构形式。

所述叶片的个数为1-n，其中n为自然数。

本发明所述的调动态调节型风力采集装置：

(1)该装置由于风力采集叶片采用旋转叶片的结构形式则大大减小了阻力面的阻力，叶片的相对动力加大，输出轴的旋转速度提升，输出扭矩加大，风能利用率也大大增加。

(2)该装置使用n个叶片个数(视情况确定叶片的个数)，以减少扭矩的周期性变化，提高轴的疲劳强度。使轴的使用寿命增加，垂直轴风力机的寿命也增加。

(3)该装置由于风力采集叶片采用旋转叶片的结构形式则将阻力面的阻力大大减小，使相对动力增加，启动风速降低。

(4)增加了风向标定位功能，能够实时测量和定位风向，根据风向标定位调节叶片的运动轨迹，提高风能利用率。

(5)增加了智能控制环节，该控制环节根据风向标反馈回来的风向信息而智能调节机构的定位角度，使风力采集装置始终保持采集风力的最大能量。

(6)利用了蜗轮蜗杆自锁功能。当控制环节根据风向标反馈回来的风向信息而需要调节机构的定位角度时，控制电机转动由蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动整体的凸轮旋转重新定位O位基点，定位成功后电动机停止转动，蜗轮蜗杆完成自锁，凸轮被固定。

(7)利用凸轮的轨迹改变，带动机构使叶片实现翻转功能，从而达到减小阻力面的阻力的目的。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种全新的动态智能调节型风力采集装置，本装置通过增加连杆机构和齿轮齿条机构及凸轮结构，利用该机构传递运动，在运动过程中将叶片旋转使叶片在阻力面减少阻力，在动力面增加相对动力。再加上风向标定位、控制系统智能控制蜗轮蜗杆旋转及定位，真正实现智能风向识别，大大提高了风能利用率。

附图说明

图1为方案一动态调节型风力采集系统正面结构图；

图2为方案一动态调节型风力采集系统内部结构图；

图3为方案一动态调节型风力采集系统外部结构图；

图4是方案一凸轮运动曲线图；

图5为方案二动态调节型风力采集系统正面结构图；

图6为方案二动态调节型风力采集系统内部结构图；

图7为方案二动态调节型风力采集系统外部结构图；

图8是方案二凸轮运动曲线图。

其中，11-第三叶片；12-第三支撑杆；13-第三连杆齿条；14-第二连杆齿条；15-第二支撑杆；16-第二叶片；17-第二滚轮；18-主轴；19-空间圆柱凸轮；110-第一滚轮；111-第三滚轮；112-转盘；113-风向标；114-第一连杆齿条；115-第一支撑杆；116-第一叶片；117-控制中心；118-蜗轮；119-制动系统；120-蜗杆；121-第一齿轮；122-第三齿轮；123-第二齿轮。

其中，21-第三中连杆；22-第三大连杆；23-第一叶片；24-第二大连杆；25-第二滑块；26-第二支撑杆；27-第二叶片；28-第二滚轮；29-蜗杆；210-主轴；211-蜗轮；212-第一滚轮；213-空间圆柱凸轮；214-第三滚轮；215-第三支撑杆；216-第三叶片；217-转盘；218-风向标；219-第一大连杆；220-第一滑块；221-第一支撑杆；222-控制中心；223-制动系统；224-第二小连杆；225-第二中连杆；226-第一小连杆；227-第一中连杆；228-第三滑块；229-第三小连杆。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

方案一：

工作原理：

如图1-3所示，利用风向标113的定位功能，使空间圆柱凸轮19的零点位置与风向标113的指向一致，此时叶片的初始位置为：第一叶片116在零点位置，与地面平行，第二叶片16在逆时针120度，与地面垂直，第三叶片11在逆时针240度，与地面夹角60度。因为主轴18逆时针旋转，所以当风作用于叶片时，第二叶片16为迎风面，受力为动力。

(1)风向不变时：第二叶片16由于风力作用带动第二支撑杆15和转盘112逆时针旋转30度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置未改变，第二叶片16保持与地面垂直。第一叶片116随着转盘112逆时针旋转30度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的改变，第一连杆齿条114根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而向上平动。第一连杆齿条114与第一齿轮121啮合，带动第一齿轮121、第一支撑杆115和第一叶片116旋转，第一叶片116翻转到与地面夹角30度，处于迎风面，承受的风力为动力。第三叶片11由于转盘112带动逆时针旋转30度，因为空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的改变，第三连杆齿条13根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而向上平动，第三连杆齿条13与第三齿轮122啮合，带动第三齿轮122、第三支撑杆12和第三叶片11旋转，使第三叶片11翻转到与地面平行，处于泄压状态，阻力大大减小。

(2)此时第一叶片116在逆时针30度位置，为迎风面，承受的风力为动力。第一叶片116由于风力作用带动第一支撑杆115和转盘112再逆时针旋转60度，第一叶片116翻转到与地面垂直，受风面积最大。第二叶片16随着转盘112逆时针旋转60度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的改变，第二连杆齿条14根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而向上平动，第二连杆齿条14与第二齿轮123啮合，带动第二齿轮123、第二支撑杆15和第二叶片16旋转，使第二叶片16翻转到与地面夹角30度。第三叶片11由于转盘112带动旋转60度，因为空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的未改变，第三叶片11，保持与地面平行。

(3)此时第一叶片116在逆时针90度位置，叶片与地面垂直，受风面积最大，由于风力作用带动第一支撑杆115和转盘112再逆时针旋转60度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的未改变，第一叶片116仍然保持与地面垂直。第二叶片16随着转盘旋转60度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨曲线位置的迹改变，第二连杆齿条14根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而向上平动，第二连杆齿条14与第二齿轮123啮合，带动第二齿轮123、第二支撑杆15和第二叶片16旋转，使第二叶片16翻转到与地面平行。第三叶片11由于转盘112带动逆时针旋转60度，因为空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的改变，空间圆柱凸轮19带动第三连杆齿条13向下平动，第三连杆齿条13与第三齿轮122啮合，带动第三齿轮122、第三支撑杆12和第三叶片11旋转，使第三叶片11翻转到与地面夹角60度，处于迎风面，承受的风力为动力。

(4)此时第一叶片116在逆时针150度位置，叶片与地面垂直，随着转盘112逆时针再旋转60度，由于空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的改变，第一连杆齿条114根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而向上平动，第一连杆齿条114与第一齿轮121啮合，带动第一齿轮121、第一支撑杆115和第一叶片116旋转，使第一叶片116翻转到与地面夹角30度。第三叶片11处于迎风面，承受的风力为动力，由于风力作用带动第三支撑杆12和转盘112逆时针旋转60度，根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而第三连杆齿条13向下平动，第三连杆齿条13与第三齿轮122啮合，带动第三齿轮122、第三支撑杆12和第三叶片11旋转，第三叶片11翻转到与地面垂直。第二叶片16由于转盘112带动旋转60度，因为空间圆柱凸轮19凹槽轨迹曲线位置的未改变，第二叶片16保持与地面平行。

(5)此时叶片所处的位置与第二步重合，重复第二步第三步和第四步，叶片带动转盘112旋转，连杆齿条根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而上下平动，带动齿轮支撑杆和叶片旋转，以达到减小阻力，增大相对动力的目的。

(6)风向改变时：利用风向标113测定风向，将信号反馈给控制中心117，控制中心117通过分析反馈回来的信号。若风向标偏转角度在±30度以内(±30度为设定参数值)，则控制中心117不需要调节机构的定位角度。若风向标113偏转角度超出±30度，则控制中心117需要调节机构的定位角度，从而发出信号使制动系统119运作，制动转盘112。同时发出信号控制电机转动由蜗杆120带动蜗轮118旋转，蜗轮118带动空间圆柱凸轮19旋转重新定位零位基点，定位成功后电动机停止转动，蜗轮118、蜗杆120完成自锁，空间圆柱凸轮19被固定。完全调整完毕后，控制中心117发出信号关闭制动系统119，转盘112正常工作，由于风力作用，叶片带动转盘112旋转。连杆齿条根据空间圆柱凸轮19凹槽轨迹的改变而上下平动，带动齿轮支撑杆和叶片旋转，以达到减小阻力目的。

如图4所示，叶片处于0度位置时与地面平行，处于0度到90度位置之间时由于齿轮齿条作用而逆时针翻转，到90度位置时与地面垂直，90度到180度位置叶片一直保持与地面垂直。叶片处于180度到270度位置之间时由于齿轮齿条作用而顺时针翻转状态，到270度位置时与地面平行，270度到360度位置之间时叶片一直保持与地面平行。叶片到360度位置时与地面平行。

方案二：

工作原理：

如图5-7所示，利用风向标218定位功能，使空间圆柱凸轮213的零点位置与风向标218的指向一致，此时叶片的初始位置为：第一叶片23处于零点位置与第一支撑杆221夹角180度，第二叶片27在逆时针120度方向，与第二支撑杆26夹角180度，第三叶片216在逆时针240度，向后翻转与第三支撑杆215夹角120度。因为主轴210逆时针旋转，所以当风作用于叶片时，第二叶片27为迎风面，受力为动力。

(1)风向不变时：第二叶片27由于风力作用带动第二支撑杆26和转盘217逆时针旋转30度，第二叶片27保持与第二支撑杆26夹角180度。第一叶片23随着转盘217逆时针旋转30度，由于空间圆柱凸轮213凹槽轨迹未改变，第一叶片23保持第一支撑杆221夹角180度，处于迎风面，承受的风力为动力。第三叶片216由于转盘217带动旋转30度，因为空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第三大连杆22，第三大连杆22通过第三中连杆21拉动第三滑块228，第三滑块228带动第三小连杆229的转动和移动将第三叶片216向后翻转与第三支撑杆215垂直，此时第三叶片216与风的方向相同，阻力大大减小。

(2)此时第一叶片23在逆时针30度位置处于迎风面，承受的风力为动力。第一叶片23由于风力作用带动第一支撑杆221和转盘217再逆时针旋转60度，第一叶片23与第一支撑杆221夹角180度，受风面积最大。第二叶片27随着转盘217逆时针旋转60度，由于空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第二大连杆24，第二大连杆24通过第二中连杆225拉动第二滑块25，第二滑块25带动第二小连杆224的转动和移动将第二叶片27向后翻转，与第二支撑杆26夹角150度。第三叶片216由于转盘217带动逆时针旋转60度，因为空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第三大连杆22，第三大连杆22通过第三中连杆21拉动第三滑块228，第三滑块228带动第三小连杆229的转动和移动将第三叶片216向前翻转，与第三支撑杆215夹角150度。

(3)第一叶片23在逆时针90度位置，受风面积最大，由于风力作用带动第一支撑杆221和转盘217再逆时针旋转60度，第一叶片23保持与第一支撑杆221平行。第二叶片27随着转盘217逆时针旋转60度，由于空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第二大连杆24，第二大连杆24通过第二中连杆225拉动第二滑块25，第二滑块25带动第二小连杆224的转动和移动将第二叶片27向后翻转与第二支撑杆26垂直。第三叶片216由于转盘217带动逆时针旋转60度，因为空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第三大连杆22，第三大连杆22通过第三中连杆21拉动第三滑块228，第三滑块228带动第三小连杆229的转动和移动将第三叶片216翻转与第三支撑杆215夹角180度，处于迎风面，承受的风力为动力。

(4)第一叶片23在逆时针150度位置，随着转盘217再逆时针旋转60度，由于空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第一大连杆219，第一大连杆219通过第一中连杆227拉动第一滑块220，第一滑块220带动第一小连杆226的转动和移动将第一叶片23向后翻转到与支撑杆夹角150度。第二叶片27由于转盘217带动逆时针旋转60度，因为空间圆柱凸轮213凹槽轨迹改变，推动第二大连杆24，第二大连杆24通过第二中连杆225拉动第二滑块25，第二滑块25带动第二小连杆224的转动和移动将第二叶片27向前翻转与第二支撑杆26夹角150度。第三叶片216处于迎风面，承受的风力为动力，由于风力作用带动第三支撑杆215和转盘217逆时针旋转60度，第三叶片216保持与第三支撑杆215夹角180度。

(5)此时叶片所处的位置与第二步重合，重复第二步第三步和第四步，叶片带动转盘217旋转，大连杆根据空间圆柱凸轮213凹槽轨迹的改变而上下平动，大连杆通过中连杆拉动滑块，带动小连杆的转动和移动将叶片翻转，以达到减小阻力，增大相对动力的目的。

(6)风向改变时：利用风向标218测定风向，将信号反馈给控制中心222，控制中心222通过分析反馈回来的信号。若风向标218偏转角度在±30度以内(±30度为设定参数值)，则控制中心222不需要调节机构的定位角度。若风向标218偏转角度超出±30度，则控制中心222需要调节机构的定位角度，从而发出信号使制动系统223运作，制动转盘217。同时发出信号控制电机转动由蜗杆29带动蜗轮211旋转，蜗轮211带动空间圆柱凸轮213旋转重新定位零位基点，定位成功后电动机停止转动，蜗轮211、蜗杆29完成自锁，空间圆柱凸轮213被固定。完全调整完毕后，控制中心222发出信号关闭制动系统223，转盘217正常工作，由于风力作用，叶片带动转盘217旋转。大连杆根据空间圆柱凸轮213凹槽轨迹的改变而上下平动，带动连杆滑块翻转叶片，以达到减小阻力目的。

如图8所示，叶片处于0度位置时与支撑架夹角180度，处于0度到180度位置之间时叶片一直保持与支撑架夹角180度，处于180度到270度位置之间时叶片正在被连杆拉动，与支撑架的夹角逐渐减小。到270度位置时与支撑架夹角90度，处于270度到360度位置之间时叶片正在被连杆推动，与支撑架的夹角逐渐增大。叶片到360度位置时与支撑架夹角180度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.动态调节型风力采集装置，其特征在于：

由叶片、支撑杆、连杆机构、滚轮、主轴、空间圆柱凸轮、转盘组成；

所述叶片与支撑杆用螺栓连接，支撑杆与转盘连接；转盘与空间圆柱凸轮轴承连接，可相对转动；滚轮与连杆机构和空间圆柱凸轮的凹槽配合；连杆机构与支撑杆用齿轮齿条连接或连杆机构与叶片用销连接；

其中，所述叶片能够通过风的吹动而转动，用于收集风能；

所述支撑杆用于连接和支撑叶片，带动叶片转动；

所述滚轮与空间圆柱凸轮配合，根据空间圆柱凸轮凹槽的变化推动连杆机构平动；

所述主轴与转盘销连接，与转盘一起转动，主轴制动的同时转盘也被制动；

所述空间圆柱凸轮与蜗轮刚性连接，被蜗轮带动转动，与滚轮配合，推动连杆平动；

所述转盘被叶片带动转动，将转矩传到主轴。

2.根据权利要求1所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述连杆机构由连杆齿条和齿轮组成；

所述连杆齿条与滚轮配合，与齿轮啮合，将平动转换为转动；

所述齿轮与支撑杆固定连接，与连杆齿条啮合，通过连杆齿条的平动带动支撑杆的转动。

3.根据权利要求1所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述连杆机构由大连杆、中连杆、小连杆和滑块组成；

所述大连杆与滚轮配合，与中连杆连接，用于传递运动和力；

所述中连杆连接滑块与大连杆，用于传递运动和力；

所述小连杆与叶片和滑块连接，通过滑块的滑动来拉动叶片，使叶片翻转；

所述滑块与中连杆和小连杆连接，用于传递运动和力。

4.根据权利要求1所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述动态调节型风力采集装置中设置有风向标；

所述风向标具有定位功能，能够实时测量和定位风向，根据风向标定位调节叶片的运动轨迹，提高风能利用率。

5.根据权利要求4所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述动态调节型风力采集装置中设置有控制中心；

所述控制中心根据分析风向标反馈回来的信息而智能调节动态调节型风力采集装置的定位角度，使动态调节型风力采集装置始终保持采集风力的最大能量。

6.根据权利要求5所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述动态调节型风力采集装置中设置有蜗轮和蜗杆；

所述蜗轮与空间圆柱凸轮刚性连接在一起，传递力矩，带动空间圆柱凸轮转动；

所述蜗杆受控制系统控制，传递力矩；

所述蜗轮和蜗杆具有自锁功能；

所述控制中心调节智能调节动态调节型风力采集装置的定位角度时，控制电机转动由蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮带动空间圆柱凸轮旋转，重新定位0位基点，定位成功后控制电机停止转动，蜗轮蜗杆完成自锁，空间圆柱凸轮被固定。

7.根据权利要求6所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述动态调节型风力采集装置中设置有制动系统；

所述制动系统根据控制中心的信号决定是否工作，调节空间圆柱凸轮时，用来制动主轴和转盘。

8.根据权利要求7所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述空间圆柱凸轮轨迹能够改变，能够带动动态调节型风力采集装置，使叶片实现翻转功能。

9.根据权利要求8所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述叶片为旋转叶片的结构形式。

10.根据权利要求9所述的动态调节型风力采集装置，其特征在于：

所述叶片的个数为1-n，其中n为自然数。