CN105298743A - Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，包括同轴设置的Darrieus型风机叶片、Savonius型风机叶片以及驱动机构，其特征在于，还包括传动机构；所述Darrieus型风机叶片一端根据转速大小可进行轴向的伸缩；所述传动机构将Darrieus型风机叶片的轴向伸缩位移转变为Savonius型风机叶片的转动位移。本发明当风机启动时，由阻力型的Savonius型风机叶片提供动力，当风机达到一定转速后，Φ形Darrieus型风机叶片的离心力会导致主动活塞向下移动，并通过传动装置使Savonius型风机叶片合拢在风机筒上。本发明既利用了Savonius型风机叶片提供较大的转矩使风机能够自启动，又避免了在高转速时Savonius型风机叶片造成风阻。

Description

Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体是涉及一种新型Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机。

背景技术

垂直轴风力发电机具有发电机可以安装在地面、不需要对风装置、维护方便等优点。现有的垂直轴风力发电机分为升力型和阻力型两种。阻力型垂直轴风力发电机以Savonius型风机为代表，具有可以提供较大启动转矩的优点，但是风能利用效率较低。升力型垂直轴风力发电机以Darrieus型风机为代表，具有风能利用效率高的优点，但是无法从静止状态下自启动。现在大规模应用的垂直轴风力发电机均是Darrieus型的。现有的大型Darrieus型风机依靠电动机进行启动，不仅需要额外电源而且控制系统复杂。

现有的小型Darrieus型风机依靠同轴布置的Savonius型风机提供启动力矩，但是在高转速下Savonius型风机会造成风阻，降低风力发电机的风能利用效率。

例如申请号为201310111985.0的专利文献公开了一种新型自启动式Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力机，其包括S型风力机、超越离合器、发电机、D型风力机和若干立杆等结构。

再例如，申请号为201520138194.1的专利文献公开了一种用于垂直轴风力发电机的组合型风轮，其将Savonius式风轮和Darrieus式风轮相结合。所述的Savonius式风轮包括三个半圆弧叶片、三个挡风片以及固定半圆弧叶片和挡风片的上、下圆形托板，三个半圆弧叶片均匀分布在圆形托板上，互成120°夹角；所述的Darrieus式风轮为Darrieus式型风轮。

上述两种方案中，Savonius式风轮和Darrieus式风轮均独立设置，无法根据风速实时调整。

因此，改变现有的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机的结构，使得在低转速下Savonius型风机叶片处于展开状态，而高转速下Savonius型风机叶片处于收起状态则可以有效改善垂直轴风力发电机的风能利用效率。

发明内容

为了解决在高转速下Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机的Savonius型风机叶片造成风阻，本发明提出了一种新型Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，在低转速下Savonius型风机叶片处于展开状态，可以提供较大的启动力矩，在高转速下Savonius型风机叶片处于收起状态，避免造成风阻。

本发明采用的技术方案是：

一种Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，包括同轴设置的Darrieus型风机叶片、Savonius型风机叶片以及驱动机构，还包括传动机构；所述Darrieus型风机叶片一端根据转速大小可进行轴向的伸缩；所述传动机构将Darrieus型风机叶片的轴向伸缩位移转变为Savonius型风机叶片的转动位移。

采用该技术方案，低转速下Darrieus型风机叶片处于展开状态，此时Savonius型风机叶片处于展开状态，可以提供较大的启动力矩；高转速下，Darrieus型风机叶片处于收缩状态，传动机构作用下，Savonius型风机叶片自动转变为收起状态，避免造成风阻。

本发明中，所述的驱动机构可采用现有的结构，例如可包括变速箱和发电机，此时发电机输出轴与变速箱输入轴对接，变速箱输出轴与Darrieus型风机叶片、Savonius型风机叶片的转轴同轴连接。

作为优选，所述Darrieus型风机叶片为Φ形Darrieus型风机叶片，所述传动机构包括：

液压筒；

设置在液压筒内的主动活塞和被动活塞；

所述主动活塞的活塞杆穿过液压筒与所述Darrieus型风机叶片一端固定，主动活塞在所述Darrieus型风机叶片带动下进行轴向伸缩移动；所述被动活塞的活塞杆穿过液压筒通过传动件与所述Savonius型风机叶片一端固定，Savonius型风机叶片在被动活塞作用下进行周向转动；

所述Darrieus型风机叶片另一端与所述液压筒相对固定。

上述技术方案中，所述液压筒内盛放有液压油，主动活塞通过液压油向被动活塞传递动力，主动活塞受Darrieus型风机叶片的驱动，主动活塞移动，会导致被动活塞的移动，例如当主动活塞向液压筒内移动时，推动液压油运动，此时液压油压力增加，几乎同时推动被动活塞向外移动；从而实现Darrieus型风机叶片工作状态对Savonius型风机叶片工作状态的控制，而Darrieus型风机叶片工作状态由受转速的影响。

作为优选，还包括同轴设置在液压筒外侧的风机筒，风机筒上设有用于铰接Savonius型风机叶片的第一铰接轴。风机筒的设置，一方面方便了Savonius型风机叶片的安装固定，同时也保护内壁的液压筒免受损坏。

作为优选，所述主动活塞同轴设置在液压筒一端，其活塞杆端部安装有用于与Darrieus型风机叶片一端固定的安装板；所述主动活塞的活塞杆上套设有复位弹簧，该复位弹簧一端与安装板相抵，另一端与液压筒外端相抵。复位弹簧的设置，保证在风机筒转速降低时，主动活塞能够快速复位，进而实现Darrieus型风机叶片的快速复位，进一步提高风机性能。

作为优选，所述液压筒上设有向内凹陷的口结构，所述被动活塞位于该口结构内，并与口结构内壁滑动密封配合。采用该技术方案，口结构的设置，进一步提高了整个发电机的紧凑型，同时完美的将主动活塞的竖直位移转化为被动活塞的水平位移。所述风机筒上一般设有与上述口结构对应的避让孔，避免与被动活塞的活塞杆产生干涉。

作为优选，所述被动活塞的活塞杆上设有第二铰接轴；所述Savonius型风机叶片端部设有第三铰接轴；所述传动件包括两个分别与第二铰接轴和第三铰接轴轴接的轴套以及将两个轴套相对固定的连接件。采用该技术方案，通过轴套结构，是的传动件能够将被动活塞的线性位移转化为Savonius型风机叶片的转动位移，避免发生卡死现象。

作为优选，所述Savonius型风机叶片布置在风机筒中部，且沿周向均匀布置；所述Darrieus型风机叶片沿风机筒周向均匀布置。采用该技术方案，所述Savonius型风机叶片布置在Darrieus型风机叶片两个节点之间，减少了整个发电机的轴向尺寸，进一步降低了发电机的整体体积。所述被动活塞布置在所述液压筒的中部，当液压筒高度大于十米时，也可以布置在所述液压筒的中上部，要保证所述被动活塞处的液体静压力小于当地大气压力。

作为优选，所述Savonius型风机叶片为一圆弧段，其直径与略大于所述风机筒的直径。

作为优选，所述Darrieus型风机叶片为三片，并沿圆周间隔120°布置；所述Savonius型风机叶片为两片，且沿圆周间隔180°布置。

本发明中，主动活塞可设置在风机筒和液压筒的顶部，主动活塞可设置在风机筒的侧壁，驱动机构等可设置在风机筒的底部，Φ形Darrieus型风机叶片两端分别与主动活塞的安装板和风机筒的底部相互固定，形成发电机的外围结构，所述Savonius型风机叶片则布置在Φ形Darrieus型风机叶片围成的空腔内，整体结构非常紧凑。

本发明中，所述弹簧的弹性系数可以根据要求所述Savonius型风机叶片合拢的风速而改变。

本发明实际运行时，当风机转速较小时，所述弹簧支撑所述主动活塞处于高位，所述Savonius型风机叶片处于展开状态。当风机转速增大后，所述Φ形Darrieus型风机叶片会受到水平向外的离心力作用，该力经过所述Φ形Darrieus型风机叶片传递会对所述主动活塞施加竖直向下的作用力，迫使所述主动活塞向下移动。所述主动活塞向下移动会挤压液压油，液压油将该压力传递给所述被动活塞，使所述被动活塞向外移动。所述被动活塞通过顶端的第三铰接轴和传动件推动所述Savonius型风机叶片围绕固定在所述风机筒上的第一铰接轴，并逐渐合拢在所述风机筒上。当所述Savonius型风机叶片完全收起时，就只有Φ形Darrieus型风机叶片处于工作状态。当风机转速减小时，所述主动活塞会在所述弹簧作用下向上移动，所述被动活塞会在大气压力的作用下向内移动，使得所述Savonius型风机叶片展开。

本发明和现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，实现了低转速下Savonius型风机叶片的展开与高转速下Savonius型风机叶片的收起，不仅可以实现风机从静止状态的自启动还可以提高高转速下风机的风能利用效率。

2、本发明结构简单，整体结构紧凑，不需要电气控制系统，依靠离心力、弹簧弹力和大气压力实现了Savonius型风机叶片的展开与收起，降低了成本，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机的正视结构示意图。

图2为本发明在Savonius型风机叶片展开状态下(低转速下)的俯视结构原理图。

图3为本发明在Savonius型风机叶片收起状态下(高转速下)的俯视结构原理图。

图4为本发明Savonius型风机叶片与被动活塞连接处的放大图。

图中，1、Savonius型风机叶片；2、风机筒；3、被动活塞；4、Φ形Darrieus型风机叶片；5、液压筒；6、第一铰接轴；7、第二铰接轴；8、主动活塞；9、弹簧；10、变速箱；11、发电机；12、第三铰接轴；13、传动件；14、口结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参考图1至图4，新型Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，包括Φ形Darrieus型风机叶片4、Savonius型风机叶片1、主动活塞8、被动活塞3、液压筒5、风机筒2、弹簧9、变速箱10和发电机11，上述部件的连接关系如下：

液压筒5与风机筒2为内外套嵌结构，同轴固定，顶部很底部分别通过顶盖和底盖密封。液压筒5位于内侧，其内部为封闭空间。风机筒2位于外侧，主要起到支撑作用，用于其他部件的安装，同时保护内部的液压筒5，避免液压筒5遭受损坏。液压筒5对应的顶盖上设有用于主动活塞8活塞杆穿过的通孔。液压筒5侧壁设有若干向内凹陷的口结构14，用于与被动活塞3密封配合。风机筒2对应的位置设有避让被动活塞3的避让孔。风机筒2上同时固定有第一铰接轴6，用于铰接Savonius型风机叶片1。

主动活塞8的活塞部分位于液压筒5内，在Φ形Darrieus型风机叶片4作用下用于改变液压筒5内的液压油压力。主动活塞8的活塞杆穿过液压筒5顶盖，活塞杆顶端同时固定有安装板，用于与Φ形Darrieus型风机叶片4顶端的固定。

被动活塞3的活塞部分设置在液压筒5的口结构14内，被动活塞3的活塞杆端部设有第二铰接轴7。口结构14内端口处设有向内翻折的阻挡边，用于防止被动活塞3脱出口结构内端口。

发电机11通过传动轴与所述变速箱10同轴相连，所述变速箱10通过传动轴与所述风机筒2同轴相连；Φ形Darrieus型风机叶片4与所述Savonius型风机叶片1同轴布置，Φ形Darrieus型风机叶片4两端分别与主动活塞8上端和风机筒2下端相接，即Φ形Darrieus型风机叶片4顶端与主动活塞8顶端固定，Φ形Darrieus型风机叶片4底端与风机筒2底端固定。

Savonius型风机叶片1布置在Φ形Darrieus型风机叶片4与风机筒2和主动活塞8的两个接点中间；Savonius型风机叶片1一端上设有第一轴孔和第三铰接轴12，第一轴孔与第一铰接轴6同轴转动配合，实现Savonius型风机叶片1与风机筒2的轴接，Savonius型风机叶片1在外力作用下，可沿第一铰接轴6转动。

还设有一传动件13，传动件13的作用是将被动活塞3的直线位移传动给Savonius型风机叶片1，进而转变为Savonius型风机叶片1的转动位移。传动件13可采用板结构，该板结构两侧分别设有两个轴套，其中一侧的轴套与Savonius型风机叶片1的第三铰接轴12轴接，另一侧的轴套与被动活塞3的活塞杆上设置的第二铰接轴7轴接。

Savonius型风机叶片1通过第二铰接轴7、传动件13、第三铰接轴12和被动活塞3相连，Savonius型风机叶片1可以在被动活塞3引导下围绕固定在风机筒2上的第一铰接轴6转动；Savonius型风机叶片1为一段所对圆心角为120°圆弧，其直径与略大于所述风机筒2直径。

Φ形Darrieus型风机叶片4为三片，并沿圆周间隔120°均匀布置。Savonius型风机叶片1为两片，且沿圆周间隔180°布置。

液压筒5高一米，其中充满液压油。被动活塞3布置在液压筒5的中部。主动活塞8的活塞杆上套设有弹簧9，弹簧9的上端与主动活塞8上的安装板底端相抵，弹簧9的下端与风机筒2的顶盖顶面相抵。

当风机转速较小时，弹簧9支撑主动活塞8处于高位，Savonius型风机叶片1处于展开状态。当风机转速增大后，Φ形Darrieus型风机叶片4会受到水平向外的离心力作用，该力经过Φ形Darrieus型风机叶片4传递会对主动活塞8施加竖直向下的作用力，迫使主动活塞向8下移动。主动活塞8向下移动会挤压液压油，液压油将该压力传递给所述被动活塞3，使所述被动活塞3向外移动。被动活塞3通过其活塞杆端部的第二铰接轴7、传动件13、第三铰接轴12推动Savonius型风机叶片1围绕固定在风机筒2上的第一铰接轴6转动，并逐渐合拢在风机筒2上。当Savonius型风机叶片1完全收起时，就只有Φ形Darrieus型风机叶片4处于工作状态。当风机转速减小时，主动活塞8会在弹簧9作用下向上移动，被动活塞3会在大气压力的作用下向内移动，使得Savonius型风机叶片1展开。

Claims (8)

1.一种Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，包括同轴设置的Darrieus型风机叶片、Savonius型风机叶片以及驱动机构，其特征在于，还包括传动机构；所述Darrieus型风机叶片一端根据转速大小可进行轴向的伸缩；所述传动机构将Darrieus型风机叶片的轴向伸缩位移转变为Savonius型风机叶片的转动位移。

2.根据权利要求1所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述Darrieus型风机叶片为Φ形Darrieus型风机叶片，所述传动机构包括：

液压筒；

设置在液压筒内的主动活塞和被动活塞；

所述主动活塞的活塞杆穿过液压筒与所述Darrieus型风机叶片一端固定，主动活塞在所述Darrieus型风机叶片带动下进行轴向伸缩移动；所述被动活塞的活塞杆穿过液压筒通过传动件与所述Savonius型风机叶片一端固定，Savonius型风机叶片在被动活塞作用下进行周向转动；

所述Darrieus型风机叶片另一端与所述液压筒相对固定。

3.根据权利要求2所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，还包括同轴设置在液压筒外侧的风机筒，风机筒上设有用于铰接Savonius型风机叶片的第一铰接轴。

4.根据权利要求3所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述主动活塞同轴设置在液压筒一端，其活塞杆端部安装有用于与Darrieus型风机叶片一端固定的安装板；所述主动活塞的活塞杆上套设有复位弹簧，该复位弹簧一端与安装板相抵，另一端与液压筒外端相抵。

5.根据权利要求3所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述液压筒上设有向内凹陷的口结构，所述被动活塞位于该口结构内，并与口结构内壁滑动密封配合。

6.根据权利要求3所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述被动活塞的活塞杆上设有第二铰接轴；所述Savonius型风机叶片端部设有第三铰接轴；所述传动件包括两个分别与第二铰接轴和第三铰接轴轴接的轴套以及将两个轴套相对固定的连接件。

7.根据权利要求3-6任一权利要求所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述Savonius型风机叶片布置在风机筒中部，且沿周向均匀布置；所述Darrieus型风机叶片沿风机筒周向均匀布置。

8.根据权利要求3-6任一权利要求所述的Darrieus-Savonius组合式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述Savonius型风机叶片为一圆弧段，其直径与略大于所述风机筒的直径。