CN107327369A - 叶片自保护型风能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了叶片自保护型风能发电装置，它包括由左叶片组和右叶片组构成的风力捕捉机构，左叶片组和右叶片组通过水平转轴（1）连接且关于水平转轴中心对称分布，转轴的中部通过差速器（2）连接有垂直转轴（3），垂直转轴的底部传动连接有电机（4），左叶片组/右叶片组包括至少2个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片（5），弧面形叶片的中心通过中连杆（6）与水平转轴固接，弧面型叶片偏离中轴线的一侧通过间隙配合的侧连杆（7）与套接在水平转轴上的可扩径机构固接，当离心力增大时可扩径机构扩张使得侧连杆带动弧面型叶片围绕其中心偏转。本发明的有益效果是通过离心力来改变叶片的迎风面角度，避免叶片受损电机过载。

Description

叶片自保护型风能发电装置
技术领域
本发明涉及发电领域，尤其涉及风能发电装置。
背景技术
风能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，风电是现今利用风能的主要方式，其具有节能、绿色、环保的优点。风力发电因此受到了世界各国的广泛重视。
风力发电的原理是利用风力带动风力发电机叶片旋转，再通过增速机将旋 转的速度提升来促使发电机发电，风力发电机输出功率的公式如下所示：
P = 1 2 C p ρ AV 3
式中，
P：风力发电机的输出功率；
Cp：风能利用系数；
ρ：空气密度；
A：叶片扫掠面积；
V：风速。
根据风力发电机输出功率的公式，风力发电机的输出功率与风速的三次方 成正比，说明风速的变化对于风力发电机的输出功率有很大的影响，同时风力 发电机的输出功率与叶片扫掠面积成正比，因此叶片扫掠面积的大小也会对风 力发电机的输出功率产生影响。依据现在的风力发电技术，大约每秒3米的微 风风速就可以开始发电，然而风速是不受人为控制的，在风速过大的情况下风 力发电机容易发生输出功率过载，因此需要新的技术使风力发电机在不同风速 下都能保持一个较为稳定的输出功率。如中国发明专利申请号CN201410240163.7公开了一种自动调节迎风面积的风力发电机叶片，包括顶部的两片活动叶片、根部的固定叶片、连接活动叶片与固定叶片的电动合页、安装在固定叶片的顶部且布置于两片活动叶片之间的中空骨架，还包括安装在风力发电机塔架上的风速传感器和以计算机为载体的电动合页控制系统。但该专利的叶片调节具有一定的滞后性，不够及时。
目前风力发电设备中占主流的是水平轴风力发电机。与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向、无噪音、对风场要求低等优点；但同时也存在起动风速高、结构复杂、风能利用率低等缺点。这些缺点都制约着垂直轴风力发电机的应用和发展。
通过检索专利库发现很多改进的垂直轴风力发电机，这类风力发电机能通过一定的机械装置来自动改变风机叶片的迎风面，使垂直轴风力发电机的启动风速大为降低，从而大幅提高了风能利用率。但它们存在的问题是：它们普遍采用齿轮、链条、连杆、液压系统、单片机等机构来改变风机叶片的迎风面，结构相对较为复杂，生产、安装和维护成本相应较高。如中国发明专利申请号CN201410227033.X公开了垂直轴风力发电机自动改变风机叶片迎风面的风机结构，包括：风机轴、风机叶片轴、风机叶片、限位装置。风机叶片轴和风机轴上有限位装置，使风机叶片轴转动控制在90度的范围，风机叶片的转动范围是垂直于水平面到平行于水平面。该专利的叶片调节比较死板，也不能从根本上解决风力大时叶片的受损问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的风力发电叶片无法根据风速进行快速自动调节迎风面，避免叶片受损，维持稳定的输出功率，为此提供一种叶片自保护型风能发电装置。
本发明的技术方案是：叶片自保护型风能发电装置，它包括由左叶片组和右叶片组构成的风力捕捉机构，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴连接且关于水平转轴中心对称分布，所述转轴的中部通过差速器连接有垂直转轴，所述垂直转轴的底部传动连接有电机，所述左叶片组/右叶片组包括至少2个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片，所述弧面形叶片的中心通过中连杆与水平转轴固接，所述弧面型叶片偏离中轴线的一侧通过间隙配合的侧连杆与套接在水平转轴上的可扩径机构固接，当离心力增大时可扩径机构扩张使得侧连杆带动弧面型叶片围绕其中心偏转。
上述方案的改进是所述可扩径机构包括开口式环形圈，所述开口式环形圈的外缘与侧连杆固接，所述水平转轴上通过弹簧固接有顶杆，所述弹簧和顶杆与开口式环形圈共面分布，当离心力增大时弹簧拉长推动顶杆向外推动使得开口式环形圈扩径。
上述方案中所述侧连杆与可扩径机构有1个，位于中连杆的左侧/右侧。
上述方案中所述侧连杆与可扩径机构有2个，分布位于中连杆的两侧并对称分布。
上述方案的进一步改进是所述电机安置在浮动平台上，所述浮动平台上通过支柱固接有将至少部分风力捕捉机构包围在内的锥形敞口腔体。
上述方案的更进一步改进是所述锥形敞口腔体外表面至少部分敷设有太阳能板。
上述方案的又一改进是所述锥形敞口腔体由步进电机驱动可围绕风力捕捉机构旋转使得太阳能板始终面向太阳。
上述方案的再进一步改进是所述浮动平台还包括至少由左叶片组和右叶片组构成的水力捕捉机构，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴连接且关于水平转轴中心对称分布，所述水平转轴与电机传动连接。
上述方案中所述浮动平台是内部中空的腔体。
上述方案的又进一改进是所述垂直转轴的底部通过减速器传动连接有电机。
本发明的有益效果是通过离心力来控制可扩径机构的扩径动作，扩径时侧连杆推动叶片围绕其中心偏转，改变叶片的迎风面角度，使得叶片的运行轨道收缩变小，起到保护叶片避免叶片受损电机过载的作用。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是图1中风力捕捉机构示意图；
图中，1、水平转轴,2、差速器，3、垂直转轴，4、电机，5、弧面形叶片，6、中连杆，7、侧连杆，8、弹性开口式环形圈，9、弹簧，10、顶杆，11、浮动平台，12、支柱，13、锥形敞口腔体，14、水力捕捉机构，15、减速器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明它包括由左叶片组和右叶片组构成的风力捕捉机构，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴1连接且关于水平转轴中心对称分布，所述转轴的中部通过差速器2连接有垂直转轴3，所述垂直转轴的底部传动连接有电机4，所述左叶片组/右叶片组包括至少2个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片5，所述弧面形叶片的中心通过中连杆6与水平转轴固接，所述弧面型叶片偏离中轴线的一侧通过间隙配合的侧连杆7与套接在水平转轴上的可扩径机构固接，当离心力增大时可扩径机构扩张使得侧连杆带动弧面型叶片围绕其中心偏转。差速器用来平衡左叶片组和右叶片组的转速，保证传递给垂直转轴的驱动力统一稳定。
下面结合实施例对本发明做详细说明。
实施例1：叶片自保护型风能发电装置，它包括由左叶片组和右叶片组构成的风力捕捉机构，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴1连接且关于水平转轴中心对称分布，所述转轴的中部通过差速器2连接有垂直转轴3，所述垂直转轴的底部传动连接有电机4，所述左叶片组/右叶片组包括2个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片5，所述弧面形叶片的中心通过中连杆6与水平转轴固接，所述弧面型叶片偏离中轴线的一侧通过间隙配合的侧连杆7与套接在水平转轴上的可扩径机构固接，侧连杆有1个位于中连杆的左侧或右侧，当离心力增大时可扩径机构扩张使得侧连杆带动弧面型叶片围绕其中心偏转，所述可扩径机构包括弹性开口式环形圈8，所述弹性开口式环形圈的外缘与侧连杆固接，所述水平转轴上通过弹簧9固接有顶杆10，所述弹簧和顶杆与弹性开口式环形圈共面分布，当离心力增大时弹簧拉长推动顶杆向外推动使得弹性开口式环形圈扩径。
实施例2：与实施例1的区别在于如图2所示，左叶片组/右叶片组包括3个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片，侧连杆有2个分布位于中连杆的两侧对称分布。
实施例3：为了使风力发电装置灵活移动，且尽可能的保护叶片，可以将电机安置在浮动平台11上，所述浮动平台上通过支柱12固接有将至少部分风力捕捉机构包围在内的锥形敞口腔体13。该锥形敞口腔体的外表面某一区域敷设有太阳能板，可以接收太阳能转换为电能收集起来供电机备用。当然也可以在锥形敞口腔体的外表面全部覆盖有太阳能板，但这会造成较大的资源浪费，当太阳移动时某些区域接收不到阳光。该实施例可以应用到实施例1-2中。
实施例4：为了提高太阳能板的利用率，可以对实施例3做进一步改进，锥形敞口腔体由步进电机驱动可围绕风力捕捉机构旋转使得太阳能板始终面向太阳，锥形敞口腔体的旋转幅度可以根据需要设定，保证其上的太阳能板始终正对太阳，节约太阳能板的安装费。该实施例同样可以应用到实施例1-2中。
实施例5：为了扩展本发明的应用范围，浮动平台可以还包括至少由左叶片组和右叶片组构成的水力捕捉机构14，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴连接且关于水平转轴中心对称分布，所述水平转轴与电机传动连接。左叶片组和右叶片组的构造可以与上述风力捕捉机构的叶片组一样，具有当水流过大时叶片收拢的功能，当然也可以是寻常的若干叶片构成。该实施例可以应用到实施例1-4中。
为了减轻浮动平台的自重，便于其漂浮在水面，浮动平台最好是内部中空的腔体。垂直转轴的底部可以通过减速器15传动连接有电机。锥形敞口腔体当然也可以是其它利于接收阳光的形状，如碟形、盘型等等。
本发明的工作流程如下：叶片的迎风面捕捉风能开始旋转，继而带动水平转轴和垂直转轴转动，垂直转轴将动能输送给电机转换为电能，当风速变大时转速变快，离心力增大，可扩径机构向外扩张，侧连杆向外推动叶片，使叶片围绕其中心发生偏转，即使常态下的叶片迎风面向内收缩，避免叶片被过大的风速损伤，同时保证电机输出功率的平稳可靠。在进行风力发电的同时锥形敞口腔体外表面的太阳能板接收光能转换为电能储存或输送给电机，步进电机驱动锥形敞口腔体水平旋转使得太阳能板始终面向太阳，保证用最少的太阳能板获得最多的光能。同时该装置可以置于水面上漂浮，浮动平台内的水力捕捉机构可以同时将水能转换为电能。

Claims (10)

1.叶片自保护型风能发电装置，其特征是它包括由左叶片组和右叶片组构成的风力捕捉机构，所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴（1）连接且关于水平转轴中心对称分布，所述转轴的中部通过差速器（2）连接有垂直转轴（3），所述垂直转轴的底部传动连接有电机（4），所述左叶片组/右叶片组包括至少2个以水平转轴为圆心均匀分布的弧面形叶片（5），所述弧面形叶片的中心通过中连杆（6）与水平转轴固接，所述弧面型叶片偏离中轴线的一侧通过间隙配合的侧连杆（7）与套接在水平转轴上的可扩径机构固接，当离心力增大时可扩径机构扩张使得侧连杆带动弧面型叶片围绕其中心偏转。
2.如权利要求1所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述可扩径机构包括弹性开口式环形圈（8），所述弹性开口式环形圈的外缘与侧连杆固接，所述水平转轴上通过弹簧（9）固接有顶杆（10），所述弹簧和顶杆与弹性开口式环形圈共面分布，当离心力增大时弹簧拉长推动顶杆向外推动使得弹性开口式环形圈扩径。
3.如权利要求1所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述侧连杆与可扩径机构有1个，位于中连杆的左侧/右侧。
4.如权利要求1所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述侧连杆与可扩径机构有2个，分布位于中连杆的两侧并对称分布。
5.如权利要求1所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述电机安置在浮动平台（11）上，所述浮动平台上通过支柱（12）固接有将至少部分风力捕捉机构包围在内的锥形敞口腔体（13）。
6.如权利要求5所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述锥形敞口腔体外表面至少部分敷设有太阳能板。
7.如权利要求6所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述锥形敞口腔体由步进电机驱动可围绕风力捕捉机构旋转使得太阳能板始终面向太阳。
8.如权利要求1所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述浮动平台还包括至少由左叶片组和右叶片组构成的水力捕捉机构（14），所述左叶片组和右叶片组通过水平转轴连接且关于水平转轴中心对称分布，所述水平转轴与电机传动连接。
9.如权利要求5所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述浮动平台是内部中空的腔体。
10.如权利要求1-9任一所述的叶片自保护型风能发电装置，其特征是所述垂直转轴的底部通过减速器（15）传动连接有电机。
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