CN108506161A - 垂直轴风轮和风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种垂直轴风轮和风力发电机，所述垂直轴风轮，包括叶片、轮毂、连接杆、中心杆，所述连接杆的一端与叶片连接，所述连接杆的另一端连接到轮毂上，所述轮毂的中心与中心杆连接，所述中心轴与叶片平行设置，所述连接杆能够调节所述垂直轴风轮的半径；所述垂直轴风力发电机，包括发电机以及所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂通过中心轴连接；本发明具有能够同时实现快速启动和高效率的优点。

Description

垂直轴风轮和风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种垂直轴风轮和使用该风轮的风力发电机。
背景技术
风力发电机是把风能转换为电能的装置，其中垂直轴风力发电机具有无需装备调向设备、易于安装保养维修、机械噪音及空气噪音较小和叶片结构简单等优势。
垂直轴风力发电机的一个重要设计指标是风机实度(solidity)，风机实度的定义式为：σ＝(nc)/R，式中n、c分别为叶片的数量和叶片弦长，R代表风机半径，通过改变n、c或R最终导致风机实度的改变，对于风机效率会产生明显的影响。当风机的实度较大，且风机处在低转速启动阶段时，风机的效率Cp较高，风机的效率是由叶片产生的推动力矩得出，所以也可以间接说明风机推动力矩较大时，启动速度也相对较快。
当风机实度较大的时候，虽然风机在低转速时效率较高，启动速度较快，但是风机的最高效率Cpmax相对于低实度风机显著偏低。因此，现有技术中的风机无法同时满足快速启动和高效率，只能舍弃一个，或是找到一个合理的中间较理想点同时实现相对较快的启动速度和相对较高的风机的最高效率Cpmax。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种具有快速启动和高的最高效率的垂直轴风轮和风力发电机。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种垂直轴风轮，包括叶片、轮毂、连接杆、中心杆，所述连接杆的一端与叶片连接，所述连接杆的另一端连接到轮毂上，所述轮毂的中心与中心杆连接，所述中心杆与叶片平行设置，所述连接杆能够调节所述垂直轴风轮的风机半径。
优选的，所述连接杆包括外筒、内筒，所述内筒和外筒通过弹簧连接，所述外筒上设置有限位卡槽，所述内筒上设置有与所述限位卡槽相配合的限位卡件。
优选的，所述连接杆为可伸缩液压棒；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩液压棒的伸缩。
优选的，所述连接杆为可伸缩气压棒；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩气压棒的伸缩。
优选的，所述垂直轴风轮还包括弹簧，所述弹簧的一端连接在轮毂上，另一端连接到连接杆上；所述弹簧和轮毂的连接点位于连接杆和轮毂连接点的上方，所述弹簧和连接杆的连接点不在连接杆的两端。
优选的，所述连接杆为电动伸缩杆；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述电动伸缩杆的伸缩。
优选的，所述叶片为3-6个，沿轮毂圆周方向均匀分布。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机和所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂通过中心杆连接。
优选的，所述发电机设置于中心杆底部或中心杆顶端。
本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案在风机启动时，所述连接杆处于收缩状态，此时风机半径较小，风机实度较大，能够使风机快速启动；当风机转速增大时，所述连接杆拉伸变长，当风机完全启动进入稳定发电状态时，风机半径相较于启动时变大，风机实度相比启动时减小，能够提高风机效率的最大值Cpmax；本发明提供的垂直轴风轮和风力发电机同时具有快速启动和高效率的优点。
附图说明
图1.本发明所述风力发电机的结构示意图；
图2.一种连接杆的结构示意图；
图3.弹簧与连接杆和轮毂连接的结构示意图；
其中，图1中:1叶片、2连接杆、3轮毂、4发电机、5中心杆；
图2中：2.1外筒、2.2内筒、2.3限位卡槽、2.4限位卡件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的垂直轴风轮和风力发电机，在保持风机的叶片数量和叶片弦长不变的情况下，通过所述连接杆调节风机半径，从而动态改变风机实度，实现快速启动和高的发电效率。
本发明的原理是：风机实度的增加会加剧流场阻塞，进而改变来风的速度和叶片的攻角，阻塞越严重，风机叶片在前半圈的攻角越低，这样延缓了叶片的失速，使叶片在一个旋转周期内更多的时间能够产生推进力矩，从而使风机在低速启动时力矩较大，启动速度更快；但是当风机达到最高转速，稳定运行时，叶片在一个旋转周期内攻角范围已经很小，叶片也不会失速，所以风机实度过大，会降低叶片的攻角，导致叶片的推进力矩降低，从而降低风机的最高效率，此时通过增大风机半径使风机实度减小，则可使风机具有高的发电效率。
实施例1
如图1所示，一种垂直轴风轮，包括叶片1、轮毂3、连接杆2、中心杆5，所述连接杆2的一端与叶片1连接，所述连接杆2的另一端连接到轮毂3上，所述轮毂3的中心与中心杆5连接，所述中心杆5与叶片1平行设置，所述叶片1为3个，沿轮毂3圆周方向均匀分布。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机4和所述的垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心杆5连接。
所述发电机4设置于中心杆5底部或顶端。
如图2所示，所述连接杆2包括外筒2.1、内筒2.2，所述内筒2.2和外筒2.1通过弹簧连接，所述外筒2.1上设置有限位卡槽2.3，所述内筒2.2上设置有与上述限位卡槽2.3相配合的限位卡件2.4；在风机启动时，连接内筒2.2和外筒2.1的弹簧处于收缩状态，此时风机半径较小，随着风机转速的增大，受离心力作用，弹簧会被逐步拉伸，使得所述连接杆的长度逐步增加，即风机半径变大；弹簧的拉伸最终被限位卡槽2.3所限制，即连接杆可拉伸的距离为限位卡槽2.3的长度。
实施例2
如图1所示，一种垂直轴风轮，包括叶片1、轮毂3、连接杆2、中心杆5，所述连接杆2的一端与叶片1连接，所述连接杆2的另一端连接到轮毂3上，所述轮毂3的中心与中心杆5连接，所述中心杆5与叶片1平行设置，所述叶片1为3个，沿轮毂3圆周方向均匀分布。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机4和所述的垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心杆5连接。
所述发电机4设置于中心杆5底部或顶端。
所述连接杆2为可伸缩液压棒，所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩液压棒的伸缩。当风机未启动时，所述液压棒处于初始收缩状态；当风机开始启动以后，所述控制装置能够根据风机转速控制液压棒的伸缩，使液压棒随风机转速的增加而逐步伸长，最终当风机加速至最高速度稳定运行时，液压棒的伸长量也达到最大量，即最大半径值；当风机速度降低时，所述控制装置能够控制液压棒逐步缩短，最终当风机停止转动时，液压棒回到初始收缩状态。
实施例3
如图1所示，一种垂直轴风轮，包括叶片1、轮毂3、连接杆2、中心杆5，所述连接杆2的一端与叶片1连接，所述连接杆2的另一端连接到轮毂3上，所述轮毂3的中心与中心杆5连接，所述中心杆5与叶片1平行设置，所述叶片1为3个，沿轮毂3圆周方向均匀分布。
所述连接杆2为可伸缩气压棒；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩气压棒的伸缩。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机4和所述的垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心杆5连接。
所述发电机4设置于中心杆5底部或顶端。
实施例4
如图1所示，一种垂直轴风轮，包括叶片1、轮毂3、连接杆2、中心杆5，所述连接杆2的一端与叶片1连接，所述连接杆2的另一端连接到轮毂3上，所述轮毂3的中心与中心杆5连接，所述中心杆5与叶片1平行设置，所述叶片1为3个，沿轮毂3圆周方向均匀分布。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机4和所述的垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心杆5连接。
所述发电机4设置于中心杆5的底部或顶端。
所述垂直轴风轮还包括弹簧，如图3所示，所述弹簧的一端连接在轮毂3上，另一端连接到连接杆2上；所述弹簧和轮毂3的连接点位于连接杆2和轮毂3连接点的上方，所述弹簧和连接杆2的连接点不在连接杆2的两端。在风机启动时，该弹簧处于收缩状态，连接杆受到弹簧的拉力，向上倾斜，此时风机半径较小；随着风机转速的增大，叶片受离心力作用，弹簧会逐步被拉伸，使得所述叶片1逐步远离中心杆5，即风机半径变大。
实施例5
如图1所示，一种垂直轴风轮，包括叶片1、轮毂3、连接杆2、中心杆5，所述连接杆2的一端与叶片1连接，所述连接杆2的另一端连接到轮毂3上，所述轮毂3的中心与中心杆5连接，所述中心杆5与叶片1平行设置，所述叶片1为6个，沿轮毂3圆周方向均匀分布。
所述连接杆2为电动伸缩杆；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述电动伸缩杆的伸缩。
一种垂直轴风力发电机，包括发电机4和所述的垂直轴风轮，所述发电机4的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂3通过中心杆5连接。
所述发电机4设置于中心杆5底部或顶端。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种垂直轴风轮，其特征在于，包括叶片、轮毂、连接杆、中心杆，所述连接杆的一端与叶片连接，所述连接杆的另一端连接到轮毂上，所述轮毂的中心与中心杆连接，所述中心杆与叶片平行设置，所述连接杆能够调节所述垂直轴风轮的风机半径。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述连接杆包括外筒、内筒，所述内筒和外筒通过弹簧连接，所述外筒上设置有限位卡槽，所述内筒上设置有与所述限位卡槽相配合的限位卡件。
3.根据权利要求1所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述连接杆为可伸缩液压棒；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩液压棒的伸缩。
4.根据权利要求1所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述连接杆为可伸缩气压棒；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述可伸缩气压棒的伸缩。
5.根据权利要求1所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述垂直轴风轮还包括弹簧，所述弹簧的一端连接在轮毂上，另一端连接到连接杆上；所述弹簧和轮毂的连接点位于连接杆和轮毂连接点的上方，所述弹簧和连接杆的连接点不在连接杆的两端。
6.根据权利要求1所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述连接杆为电动伸缩杆；所述垂直轴风轮还包括连接杆控制装置，用于控制所述电动伸缩杆的伸缩。
7.根据权利要求1至6任一项所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述叶片为3-6个，沿轮毂圆周方向均匀分布。
8.一种垂直轴风力发电机，其特征在于，包括发电机和权利要求1至6任一项所述的垂直轴风轮，所述发电机的转轴与所述垂直轴风轮的轮毂通过中心杆连接。
9.根据权利要求8所述的垂直轴风力发电机，其特征在于，所述发电机设置于中心杆底部或中心杆顶端。
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