CN108518304A - 风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法。垂直轴风轮的变桨方法包括，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，向增大迎风面积的方向转动一角度；风桨由顺风半周转动至逆风半周时，转动复位。垂直轴风轮在工作时采用变桨方法进行工作，风力发电机包括垂直轴风轮。风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法变桨控制简单，具有较高的风能利用率、转化率。

Description

风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体而言，涉及风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点。目前投入商业运营的风力发电机主流风力发电机基本上是水平轴风力发电机。

风轮的旋转轴垂直的风力发电机叫垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机具有低噪声、维护简单等优点。但传统垂直轴风力发电机在近几十年之所以没有得到发展，主要是垂直轴风力发电机存在着风轮的风能利用效率较低的缺点。

传统垂直轴风力发电机的风轮的周圈围绕着风轮轴有多个风桨，由于风桨存在攻角，风桨在风的推动下转动。在风轮转动的过程中，风轮一个圆周有半圆周的风桨在顺风向上移动，而另半圆周的风桨在逆风向移动；风轮输出的动能为风力推动顺风向移动的半圆周的风桨做功产生的动能减去逆风转动的半圆周的风桨克服风的阻力而消耗的动能的剩余部分。因此垂直轴风力发电机的风轮轴输出给发电机的动能较低，导致整个垂直轴风力发电机的风能利用效率较低。

目前，一部分风力发电机采用可以变桨的风桨，通过改变迎风面积和逆风面积来提升风能利用率，但是现有的风力发电机仍存在变桨控制复杂，变桨耗能高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种风能利用率高、风桨控制简单、建造成本低的风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法。

本发明提供如下技术方案：

垂直轴风轮的变桨方法，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，向增大迎风面积的方向转动一角度；风桨由顺风半周转动至逆风半周时，转动复位。

作为对上述的变桨方法的进一步可选的方案：风桨的转轴为水平轴；风速在预设的额定风速以下时，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，转动至竖直，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，风桨转动至水平；风速大于预设的额定风速且小于预设的切出风速时，风桨在顺风半周转动至非竖直和/或在逆风半周转动至非水平，且顺风半周的风桨的迎风面积大于逆风半周的风桨的迎风面积；风速大于预设的切出风速时，每一风桨转动至水平。

作为对上述的技术方案的进一步延伸：

本发明还提供垂直轴风轮，包括风轮支架和风桨，所述风轮支架圆周设有多个所述风桨，每一所述风桨转动地连接在所述风轮支架上，其特征在于，所述垂直轴风轮还包括：

驱动装置，驱动所述风桨转动；

传感装置，包括测风单元和风轮方位角检测单元，所述测风单元用于检测风向，所述风轮方位角检测单元用于检测每一风桨的位置及所述风轮的转向；以及，

控制器，分别与所述传感装置和所述驱动装置电性连接，所述控制器根据风向和风轮的转向来判断所述风轮的顺风半周和逆风半周；

风桨由逆风半周转动至顺风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨向增大迎风面积方向转动一角度，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动复位。

作为对上述的垂直轴风轮的进一步可选的方案，所述风桨的转轴为水平轴，所述测风单元还用于测量风速；所述测风单元测得的风速小于预设的额定风速时，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动至竖直，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动至水平；

所述测风单元测得的风速大于预设的额定风速且小于预设的切出风速时，所述驱动装置驱动所述风桨在顺风半周转动至非竖直和/或在逆风半周转动至非水平，顺风半周的风桨的迎风面积大于逆风半周的风桨的迎风面积；

所述测风单元测得的风速大于预设的切出风速时，所述驱动装置驱动每一所述风桨转动至水平。

作为对上述的垂直轴风轮的进一步可选的方案，每一风桨包括多个沿所述风轮的转轴分布的多个子桨，所述子桨的转轴为水平轴，一个所述风桨的子桨同步转动。

作为对上述的垂直轴风轮的进一步可选的方案，所述风轮支架包括轮毂、连接撑杆和在所述轮毂径向呈放射状分布的多个风桨支架，一个所述风桨支架上转动地安装一个所述风桨；

所述风桨支架包括与所述轮毂垂直连接的水平臂和连接在水平臂上的竖直臂，所述风桨转动地连接在所述竖直臂上；

相邻的所述风桨支架之间通过至少一根所述连接撑杆连接。

作为对上述的垂直轴风轮的进一步可选的方案，所述风轮还包括支撑地轮，多个所述支撑地轮设于所述风轮支架的底部，在所述风轮转动时，所述支撑地轮在地面滚动。

作为对上述的技术方案的进一步延伸：

本发明还提供一种风力发电机，包括发电装置和上述的垂直轴风轮，所述垂直轴风轮的转动力传递至所述发电装置的输入端。

作为对上述的风力发电机的进一步可选的方案，所述风力发电机还包括笼式框架，所述风轮设于所述笼式框架中；

所述笼式框架中形成中空的风轮轴框，所述风轮通过风轮支架转动地连接在所述风轮轴框上；

所述风轮轴框中可设置电梯或爬梯通道。

作为对上述的风力发电机的进一步可选的方案，所述风力发电机还包括自爬升吊车，所述自爬升吊车设于所述风轮轴框上和/或设于所述笼式框架的外侧。

作为对上述的风力发电机的进一步可选的方案，所述笼式框架在竖直方向上设有多个风轮格，每一所述风轮格中设有一个所述风轮，相邻的风轮格中的所述风轮的转动方向相反。

作为对上述的风力发电机的进一步可选的方案，所述风轮上设有取力大齿轮，所述发电装置的输入端上设有与所述取力大齿轮相啮合的取力小齿轮；

所述取力大齿轮的径向上设有多个所述发电装置。

本发明的实施例至少具有如下优点：

垂直轴风轮的每一风桨在垂直轴风轮每转动一周时转动两次，即向顺风半周过渡时增大迎风攻角，向逆风半周转动时减小迎风攻角，从而使得风轮在顺风半周的受力大于逆风半周的受力。风桨在一个半周转动一次的控制方式简单，耗能低，风能利用率能够有效的提高。同时由于风桨和风轮支架为分体式部件，简化了构件结构，构件受力状态更为合理。

风力发电机采用垂直轴风轮带动发电装置发电，同样具有变桨控制简单、能耗低，风能利用率高的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的风力发电机的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的风轮支架的竖面剖视图；

图3示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的风轮支架的横面剖视图；

图4示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的另一种子桨的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的控制系统模块图；

图6示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的第一转动状态示意图；

图7示出了本发明实施例提供的垂直轴风轮的第二转动状态示意图；

图8示出了本发明实施例提供的风力发电机的笼式框架的俯视图；

图9示出了本发明实施例提供的风力发电机的笼式框架的主视图；

图10示出了本发明实施例提供的风力发电机的两个垂直轴风轮堆叠的结构示意图。

图标：11-风轮支架；111-轮毂；112-风桨支架；1121-水平臂；1122-竖直臂；113-连接撑杆；12-风桨；121-子桨；13-支撑地轮；130-环形支撑轨道；14-驱动装置；15-传感装置；151-测风单元；152-风轮方位角检测单元；16-控制器；2-发电装置；3-笼式框架；30-风轮轴框；31-风轮格；4-取力大齿轮；40-取力小齿轮。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法进行更全面的描述。附图中给出了风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法的优选实施例。但是，风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在风力发电机、垂直轴风轮及其变桨方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供垂直轴风轮的变桨方法，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，向增大迎风面积的方向转动一角度；风桨由顺风半周转动至逆风半周时，转动复位。

上述，可知，垂直轴风轮在转动过程中，在顺风与逆风半周之间过渡时，风桨的迎风情况也就是迎风面积发生变化，通过增大顺风的迎风角度，为风轮的转动赋能，在逆风半周上的迎风角度复位，也就是减小迎风角度，减少能量损失，从而使得垂直轴风轮能够有更高的风能利用率，风轮每转动一周，风桨转动两次，对于风桨的控制更加简单。

对于风桨的转动复位，可以有两种控制方法，一种为反转风桨复位，另一种连续转动风桨，使得风桨转动的角度为原角度的补角。

风桨的转轴为水平轴。

以下为垂直轴风轮在不同的风速下的控制方式：

1.风速在预设的额定风速以下时，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，转动至竖直，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，风桨转动至水平。风桨在逆风半周时呈水平态，水平态的风桨具有最小的迎风面积，尽可能小的减小垂直轴风桨的能量损失，而竖直态的风桨具有最大的迎风面积，能够尽可能大的增加风桨的取能能力。

2.风速大于预设的额定风速且小于预设的切出风速时，风桨在顺风半周转动至非竖直和/或在逆风半周转动至非水平，且顺风半周的风桨的迎风面积大于逆风半周的风桨的迎风面积。

可以理解，当风速大于额定风速时，需要减小风轮所获取的风能，通过减小风桨在顺风半周的迎风面积，或者增大风桨在逆风半周的迎风面积，或者同时减小顺风风桨的迎风面积和增大逆风风桨的迎风面积，从而减小风轮对风的取能效率。

风速大于预设的切出风速时，每一风桨转动至水平。风桨与风向平行，此时垂直轴风轮不能取能，垂直轴风轮停止转动。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种风力发电机，包括垂直轴风轮、发电装置2和笼式框架3，垂直轴风轮将转动传递至发电装置2的输入端上，使得发电装置2发电，垂直轴风轮转动地设于笼式框架3中。

笼式框架3为风力发电机的框架，用于承载垂直轴风轮，使得垂直轴风轮在其中稳定地转动，垂直轴风轮是一种取风装置，将风能转换成动能，而后将动力输入到发电装置2上转换成电能，实现风力发电。

上述，垂直轴风轮包括风轮支架11和风桨12，多个风桨12圆周设于风轮支架11上，每一风桨12转动地与风轮支架11连接。

如图2和图3所示，风轮支架11包括轮毂111、风桨支架112和连接撑杆113，轮毂111可以呈圆环状，轮毂111的转轴中心线即为垂直轴风轮的转轴中心线，风桨支架112呈辐射状的设于轮毂111的周向，每一风桨支架112上转动地连接有一个风桨12。相邻的风桨支架112之间设有至少一根连接撑杆113，即连接撑杆113的两端分别与相邻的风桨支架112连接。风桨12的数量与风桨支架112的数量相等，风桨支架112在轮毂111上圆周均布，数量可以为两个以上。

本实施例中，6个风桨支架112在轮毂111上圆周均匀分布，即垂直轴风轮包括6个圆周均布的风桨12。当然，风桨12、风桨支架 112的数量可以为2、3、4、5、7、8、9、10及以上个，具体数量可以根据风能效率利用、风轮功率而设置。

风桨支架112的作用是为风桨12的转动提供转动连接的支撑点，风桨支架112为平面框架，轮毂111的轴线落在该平面框架上，即平面框架与地面垂直。具体可以为，风桨支架112包括水平臂1121和竖直臂1122，水平臂1121连接在轮毂111上并且与轮毂111的轴线垂直，竖直臂1122垂直连接在水平臂1121上且与轮毂111的轴线平行。

在实施例中，连接撑杆113的两端分别与风桨支架112的水平臂 1121固定连接，连接撑杆113在每两个相邻的风桨支架112可以有多个位置连接，形成有不同长度的连接撑杆113，连接撑杆113在上下水平臂1121上均有设置。

连接撑杆113的作用是增加1风轮支架11的强度和刚度，减小风桨支架112水平臂1121和竖直臂1122的交变受力。因此设置水平撑杆的位置和数量根据需要。

本实施例中，每一风桨12包括多个子桨121，多个子桨121沿垂直轴风轮的转轴分布，即沿着轮毂111的轴线分布，且子桨121的转轴与轮毂111的转轴垂直，也就是子桨121的转轴为水平轴，即将一个风桨12分割成多个具有水平转轴的子桨121，在使得风桨12具有较大的迎风面积的同时，减小在受到风的推力时风桨12的转轴所受的弯矩。

每一子桨121包括叶片和叶片轴，叶片轴在水平面上设置，即为上文提到的水平转轴，叶片与叶片轴固定连接，叶片轴的两端长于叶片。

本实施例中，子桨121通过叶片轴转动地连接在竖直臂1122上。竖直臂1122的数量为两条，叶片轴的两端分别转动地连接在两条竖直臂1122上，并且风桨12转轴与水平臂1121平行。叶片轴与竖直臂 1122之间设有轴承，子桨121可以在水平臂1121和竖直臂1122形成的框内转动。

在另一实施例中，风桨支架112还可以为其他的形状、结构，凡是能够对风桨12形成安装支撑的风桨支架112均属于本申请的保护范围。

如图4所示，子桨121的叶片可以分割成前段叶片、中段叶片和后段叶片，三段叶片的横向中部均连接在叶片轴上，叶片轴可以抵抗作用与子桨121上的力所产生的弯矩和剪力。前段叶片、中段叶片和后段叶片之间设有一定的间距。留有间距的目的主要由两个，一个是叶片轴在转动时，为竖直臂1122进行避让，使其不阻碍子桨121的转动，二是在叶片轴上安装连接驱动装置。

如此，多个风桨12圆周均匀的设于风轮支架11，且每一风桨12 包括多个子桨121，每一子桨121的转轴垂直于风轮的转轴设置，即为子桨121的转轴在水平面上。构建了垂直轴风轮的硬件环境，风轮支架11是垂直轴风轮在转动时的主体，通过风桨12的受力，从而驱动风轮支架11转动，风桨12，即子桨121通过转动实现变桨，改变垂直轴风轮的受力情况。

垂直轴风轮还包括支撑地轮13，多个支撑地轮13设于风轮支架 11的底部，在垂直轴风轮转动时，支撑地轮13在地面上滚动，对风轮支架11形成支撑。

垂直轴风轮设于笼式框架3中，笼式框架3的底部设有环形支撑轨道130，风轮支架11与环形支撑轨道130之间设有支撑地轮13，从而使得支撑地轮13在能够对风轮支架11形成稳定的支撑的同时，又使得风轮支架11与环形支撑轨道130之间形成滚动摩擦，使得风轮支架11的转动更加顺畅。

环形支撑轨道130可以为笼式框架3的外设部件，也可以为笼式框架3上自带的平整的支撑面。

本实施例中，每一风桨支架112的底部，即底部的水平臂1121上设有至少一个支撑地轮13。支撑地轮13可在环形支撑轨道130上滚动，在绕自身的轴转动的同时还能够在环形支撑轨道130上绕风轮公转。垂直轴风轮的大部分的重量通过支撑地轮13、支撑轨道130传至笼式框架3的平台上，风轮的转轴上所受的轴向压力大大减轻，相应的水平臂1121的受力状态由悬臂变为一端简支，弯矩明显减小。

如图5所示，垂直轴风轮除了上述的硬件结构外，还包括变桨控制系统。控制系统包括控制器16、驱动装置14和传感装置15。驱动装置14用于驱动风桨12转动，调节风桨12与风向的夹角，进而调节风桨12的迎风面积。传感装置15通过感测风环境以及垂直轴风轮的转动情况来控制驱动装置14驱动风桨12转动，从而使得风桨12具有合理的迎风面积与逆风面积，从而获得较优的风力利用率。

驱动装置14、传感装置15和控制器16共同构成了风桨12变桨的闭环控制系统，能够实现对风桨12的变桨角度的自动地、精准的控制。

顺风半周和逆风半周由风向和垂直轴风轮的转向决定，垂直轴风轮在转动时，一个半圆周的风叶的运动方向与风向相同，而另一半圆周的风叶的运动方向与风向相反，我们称与风向运动相同半圆周为顺风半圆周，另半周称为逆风圆半周，顺风半圆周和逆风半圆周交界处称为分界点，每一圆周有两个分界点，两个分界点之间的连线称为分界线。

本实施例中，传感装置15包括测风单元151、和风轮方位角检测单元152。

测风单元151用于检测风向和风速，检测风环境也就是检测风的方向和速度，测风单元151应设于垂直轴风轮的非转动的位置处，若垂直轴风轮整体转动，测风单元151应设置在固定的地面、支架等位置，如可以设置在垂直轴风轮所安装的笼式框架3上。测风单元151 可以测得顺风半周和逆风半周的分界线。

风轮方位角检测单元152用于检测垂直轴风轮的转向以及检测每个风桨12的方位角。风轮方位角检测单元152包括固定探头和活动探头，固定探头固定设于风轮的转轴的环向且不随着风轮的转轴而转动，如可以设置在垂直轴安装的笼式框架3上。活动探头设于风轮的转轴上，且一个风桨12在风桨支架112或轮毂111上对应设有一个活动探头，从而能够测得风轮的转向，根据风轮的转向以及风向能够判断该风轮的顺风半周与逆风半周。

对应地在固定探头上形成顺风半周与逆风半周的感应位，在每一风桨12带动其对应的活动探头转动到固定探头的感应位时，控制器 16依据传感装置15的信号控制驱动装置14驱动风桨12转动。

一个子桨121可以由一个驱动装置14驱动，或者一个风桨12所包括的子桨121可以由一个驱动装置14驱动，以实现同一风桨12上的子桨121的同步动作。

驱动装置14可以为能够形成圆周驱动的部件，如电机，电机与子桨121的转轴之间可以加设减速机，从而能够减小电机的输出转速、提升电机的转矩，能够对子桨121的转动形成更为精准和强劲的驱动。

驱动装置14还可以通过传动装置与子桨121连接，驱动装置14 可以为直线驱动装置14，如直线电机、气缸或液压缸，传动装置可以为变直线运动为圆周运动的机构，如曲柄滑块机构，齿轮齿条机构。

本实施例中，一个风桨12上的子桨121由一个驱动装置14同步驱动，驱动装置14为伺服液压缸，具有伸缩行程可调的特性，液压缸通过传动机构驱动子桨121转动，传动机构为齿轮齿条机构，液压缸的活塞杆连接在齿条上，每一子桨121的转轴上设有与齿条啮合的齿轮，从而使得活塞杆在伸缩时能够驱动子桨121正转和反转。液压缸的活塞杆的伸出行程不同使得子桨121具有不同的转角，液压缸的活塞杆在缩回时，使得子桨121的转动复位。

风桨12在顺风半周受到风的推力，驱动风轮转动，风桨12在逆风半周受到风的阻力，阻碍风轮转动。风桨12是垂直轴风轮的取力部件，将风桨12的力传动到风轮支架11上，从而使得风轮支架11转动。

本实施例中，风桨12由逆风半周转动至顺风半周时，驱动装置 14驱动风桨12向增大迎风面积方向转动一角度，风桨12由顺风半周转动至逆风半周时，驱动装置14驱动风桨12转动复位，即减小了风桨12的迎风面积。

垂直轴风轮的每一风桨12在垂直轴风轮每转动一周时转动两次，即向顺风半周过渡时增大迎风攻角，向逆风半周转动时减小迎风攻角，从而使得风轮在顺风半周的受力大于逆风半周的受力，提高垂直轴风轮的风能利用率。风桨12在一个半周转动一次的控制方式简单，耗能低，风能利用率能够有效的提高。

由于垂直轴风轮在圆周分布的每一风桨12均包括多个子桨121，一个风桨12上的子桨121在迎风半周、逆风半周之间的过渡是同步的，因而每一风桨12所包括的子桨121的转动是同步的，上文在描述驱动装置14时已有提及。

本实施例中，在逆风半周上，风桨12与风向平行，风向通常在水平面上，因而将风桨12的转轴设置在水平面上可以使得风桨12可以调节到水平，从而能够保证在逆风半周上的所有风桨12能够与风向平行，具有最小的迎风面积，减小垂直轴风轮转动的阻力。

风桨12由逆风半周转动至迎风半周时，驱动装置14驱动风桨12 转动α°，α不大于90，采用较小的转动角度能够减少驱动风桨12 的转动所用的时间，减小变桨延时。

当然若依据驱动结构设计需求，也可将α设置呈大于90的角度。

风桨12在逆风半周时与风向平行，迎风面积最小，由逆风半周向顺风半周过渡时，将风桨12转动α°，增大了风桨12的迎风面积，由顺风半周向顺风半周过渡时，风桨12转动复位，重新复位到水平面上与风向平行。

本实施例中，风桨12转动复位时，可以通过驱动装置14驱动风桨12反转α°，即为转动-α°实现复位，可采用本实施例所提到的液压缸驱动齿轮齿条机构实现活塞伸出风桨12正转，活塞缩回风桨 12反转。此处所言的正转、反转并没有确切的方向，而是一种相对转向的关系。

若风桨12相对于中层面两面结构对称，在另一实施例中，风桨 12转动复位时，还可以转动α°的补角，即同向转动180-α°实现复位。此时驱动装置14对于风桨12的驱动是连续的，可以采用具有圆周驱动的圆周驱动件，如电机驱动。

本实施例中，α为90，即风桨12在逆风半周与风向平行，在顺风半周与风向垂直，在一个半周单次驱动的前提下，能够获得最大的驱动力，最小的阻力，获得最大的风能利用率。

垂直轴风轮在转动时，在额定风速以下、大于额定风速、超载风速具有不同的状态。

1.垂直轴风轮在额定风速以下转动时的风桨12控制方法如下：

请一并参阅图6和图7，当垂直轴风轮开始转动，控制器16根据测风单元151和风轮方位角检测单元152的信号，控制驱动装置14驱动顺风半周的风桨支架112上的风桨12转动至竖直，同时驱动逆风半周上的风桨支架112上的风桨12转动至水平。垂直轴风轮保持此姿态，假设对垂直轴风轮的6个风桨支架112编号A、B、C、D、E、F，其中A、B、C风桨支架112在顺风半周，D、E、F风桨支架112在逆风半周。

当A风桨支架112转动至接近分界线时，D风桨支架112正好转动至分界点，风轮方位角检测单元152将风桨支架112的位置信息传递给控制器16，控制器16指令驱动装置14驱动A风桨支架112的风桨12快速转动至水平，同时驱动D风桨支架112的风桨12快速转动至竖直，此时顺风半周有B、C、D三个风桨支架112在转动，且叶片均呈竖直状态，而E、F、A三个风桨支架112在逆风半圆周转动。其余叶片在转经分界线时进行相同的转动。

2.垂直轴风轮在大于额定风速小于切出风速转动时的风桨12控制方法如下：

当测风单元151测得的风速大于额定风速时，控制器16可以通过驱动装置14驱动顺风半周的风桨12减小迎风面积，或驱动逆风半周的风桨12增大迎风面积，或同时驱动顺风半周的风桨12减小迎风面积以及逆风半周的风桨12增大迎风面积。

本实施例中，当风速大于额定风速时，发电机也已达到额定功率，转速继续加快对发电机非常不利，对此控制的方法与风速在额定风速以下时控制方法唯一不同点在于在驱动装置14驱动在顺风半周风桨 12不与风向垂直，风桨12与风的角度小于90度，使风桨12的迎风面积s＝S×sinα，α是一个大于0°小于90°的值，α的大小以发电机满足额定发电功率为准，可以根据计算和实验确定。

在另一实施例中，通过调节风桨12在逆风半周的初始角度不与风向平行，及与风向呈一定的角度，但小于顺风半周的风桨12的转角，从而减小顺风半周与逆风半周的风桨12的推力差，将过剩的风能消耗，保证风力发电机在额定功率下发电。

当然，顺风半周与逆风半周的风桨12的转角还可以同时调节，进一步减小推力差，消耗过剩的风力。

3.垂直轴风轮在风速达到切出风速时的风桨12控制方法如下：

垂直轴风轮在超过额定风速一定的范围内仍能转动，在发电时虽不会对发电机造成损坏，但风速超过额定风速过多，风轮的个部件及框架的受力过大，部件构件的应力会超过设计的允许应力，从而造成风力发电机的损坏，因此当风速达到一个风速值时，风力发电机就要顺浆(所有风桨12保持与风向平行姿态)，发电机停止发电，该风速即为切出风速。

当测风单元151检测的风速为切出风速，控制器16控制驱动装置 14驱动风桨12转动至水平，即与风向平行，将风力卸去，垂直轴风轮的转动逐渐停止，风力发电机在切出风速下不发电。

风力发电机还包括发电系统，发电系统包括传动装置和发电装置 2，传动装置将垂直轴风轮的转动传动给发电装置2的输入端，发电装置2发电。

发电装置2可以为发电机。垂直轴风轮上同轴地设有取力大齿轮 4，发电装置2的输入端设有与取力大齿轮4啮合取力小齿轮40。

本实施例中，垂直轴风轮的风轮支架11上同轴地设有取力大齿轮 4，由此取力大齿轮4与取力小齿轮40构成了齿轮副，带动发电装置 2转动发电，可以将发电装置2与储能装置连接，将能量储存起来。

具体的，取力大齿轮4为齿圈，与取力小齿轮40之间形成内啮合。

采用取力大齿轮4和取力小齿轮40的啮合，能够为发电装置2的输入轴提供相较于垂直轴风轮转速更大的转速，使得发电装置2的输入扭矩减小，同时转速较高的发电机相对较低转速的发电机的制造成本明显降低，无需经过变速齿轮箱的变速，降低了能量传递的损失，提升了发电效率。

可以理解，由于发电装置2是采用从取力大齿轮4取力(传统的是从垂直轴风轮的转轴取力)，可以采用多个取力小齿轮40从取力大齿轮4取力带动多个发电装置2发电。一个垂直轴风轮布置多个发电装置2有两个优点，一是可以根据风力的大小和电力负荷大小确定投入发电装置2的数量，二是可使单体发电装置2的功率和体积明显减小，而适中功率和体积的发电装置2的制造成本也会明显降低。

风力发电机风轮需架设到较高的高度，一般而言高度越高，风速会更高，风速和风向也会更稳定，因此风力发电机都采用支撑结构把风轮架高，目前大多风力发电机采用的是竖向单根直立塔筒，随着水平轴风力发电机容量的不断增大，目前主流风力发电机的容量已达2 兆瓦—5兆瓦，相应的发电机的整体机舱的重量已达70-100吨左右，机舱高度也达到一百多米。设备的制作、运输、安装成本显著增加。

由于具有多风桨12、多子桨121的垂直轴风轮的迎风面积大，是一种大型的风力发电装置2，自重也大，如果还采用传统的垂直轴风轮的转轴的中心竖直的支撑杆进行支撑，该竖直的支撑杆承受的弯矩和轴向压力会非常大，建造难度、成本也会非常大。

请一并参阅图8至图10，采用笼式框架3对垂直轴风轮进行支撑，风轮设于笼式框架3中，笼式框架3在竖直方向上设有多个风轮格31，每一风轮格31中设有一个风轮，一个风轮格31与一个风轮、一个或一组发电装置2构成一台风力发电机，笼式框架3形成多台堆叠设置的风力发电机。风轮格31堆叠设置，上下布置多层，这样设置可把塔架相对传统水平轴风力发电装置2的塔架的建造的更高，而高处的风速更大也更稳定。

相邻的风轮格31中的风轮的转动方向相反，从而使得笼式框架3 在整体受力更加合理，不会存在单方向的扭转。相邻的风轮转动方向相反，可以通过使得相邻的风轮的同半周的风桨12的转角反向设置，即可使得相邻的风轮具有相反的顺风半周与逆风半周。

如果上下布置多台风力发电机，引至地面的电缆相当的多，需要有电缆通道。另外，风力发电机的安装、运行、维修也还需要交通通道。针对上述问题解决的办法是采用带中空风轮轴框30的笼式框架3，在笼式框架3的中心位置设置由内框架柱形成的中空的风轮轴框30。中空的风轮轴框30内可做为电缆线通道和电梯、爬梯通道。垂直轴风轮安装在笼式框架3中，风轮轴框30外侧固定有风轮的轮毂111，轮毂111绕风轮轴框30形成的风轮轴转动，笼式框架3的外立柱呈环状等距布置，风轮轴框30呈环状等距布置，风轮轴框30的数量不一定与外框架柱的数量一样，风轮轴框30的柱直径也可以不与外框架柱的柱直径相等；外框架中、风轮轴框30、框架梁和连接梁形成一个笼式框架3。

具体的笼式框架3呈棱柱状，如六边形棱柱，外框架柱的两端分别与相邻的外框架柱两端之间设置连接梁，为增加笼式框架3的整体抗弯、抗扭能力，相邻的外框架柱之间设置剪刀梁或剪刀拉索。风轮轴框30呈六边棱柱状，每一风轮轴框30通过横梁与外框连接。

由于采用笼式框架3形成的风机塔架高度从理论上可以建造的更高，而太高的支撑于地面的吊车制造成本会相当高，因此为解决塔架及设备的安装、检修的起重问题，在笼式框架3安装过程中，采用自爬升式平臂吊车，附着在下部已安装完毕的框架柱上；该吊车在所有设备安装完成后也不拆除，作为设置在笼式框架3顶部的永久吊车。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.垂直轴风轮的变桨方法，其特征在于，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，向增大迎风面积的方向转动一角度；

风桨由顺风半周转动至逆风半周时，转动复位。

2.根据权利要求1所述的变桨方法，其特征在于，风桨的转轴为水平轴；

风速在预设的额定风速以下时，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，转动至竖直，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，风桨转动至水平；

风速大于预设的额定风速且小于预设的切出风速时，风桨在顺风半周转动至非竖直和/或在逆风半周转动至非水平，且顺风半周的风桨的迎风面积大于逆风半周的风桨的迎风面积；

风速大于预设的切出风速时，每一风桨转动至水平。

3.垂直轴风轮，其特征在于，包括风轮支架和风桨，所述风轮支架圆周设有多个所述风桨，每一所述风桨转动地连接在所述风轮支架上，其特征在于，所述垂直轴风轮还包括：

驱动装置，驱动所述风桨转动；

传感装置，包括测风单元和风轮方位角检测单元，所述测风单元用于检测风向，所述风轮方位角检测单元用于检测每一风桨的位置及所述风轮的转向；以及，

控制器，分别与所述传感装置和所述驱动装置电性连接，所述控制器根据风向和风轮的转向来判断所述风轮的顺风半周和逆风半周；

风桨由逆风半周转动至顺风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨向增大迎风面积方向转动一角度，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动复位。

4.根据权利要求3所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述风桨的转轴为水平轴，所述测风单元还用于测量风速；

所述测风单元测得的风速小于预设的额定风速时，风桨由逆风半周转动至顺风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动至竖直，风桨由顺风半周转动至逆风半周时，所述驱动装置驱动所述风桨转动至水平；

所述测风单元测得的风速大于预设的额定风速且小于预设的切出风速时，所述驱动装置驱动所述风桨在顺风半周转动至非竖直和/或在逆风半周转动至非水平，顺风半周的风桨的迎风面积大于逆风半周的风桨的迎风面积；

所述测风单元测得的风速大于预设的切出风速时，所述驱动装置驱动每一所述风桨转动至水平。

5.根据权利要求3所述的垂直轴风轮，其特征在于，每一风桨包括多个沿所述风轮的转轴分布的多个子桨，所述子桨的转轴为水平轴，一个所述风桨的子桨同步转动。

6.根据权利要求3所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述风轮支架包括轮毂、连接撑杆和在所述轮毂径向呈放射状分布的多个风桨支架，一个所述风桨支架上转动地安装一个所述风桨；

所述风桨支架包括与所述轮毂垂直连接的水平臂和连接在水平臂上的竖直臂，所述风桨转动地连接在所述竖直臂上；

相邻的所述风桨支架之间通过至少一根所述连接撑杆连接。

7.根据权利要求3所述的垂直轴风轮，其特征在于，所述风轮还包括支撑地轮，多个所述支撑地轮设于所述风轮支架的底部，在所述风轮转动时，所述支撑地轮在地面滚动。

8.风力发电机，其特征在于，包括发电装置和如权利要求3-7中任一项所述的垂直轴风轮，所述垂直轴风轮的转动力传递至所述发电装置的输入端。

9.根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述风力发电机还包括笼式框架，所述风轮设于所述笼式框架中；

所述笼式框架中形成中空的风轮轴框，所述风轮通过风轮支架转动地连接在所述风轮轴框上；

所述风轮轴框中可设置电梯或爬梯通道。

10.根据权利要求9所述的风力发电机，其特征在于，所述笼式框架在竖直方向上设有多个风轮格，每一所述风轮格中设有一个所述风轮，相邻的风轮格中的所述风轮的转动方向相反。