CN109681378A - 风轮装置及垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风轮装置及垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机包括风轮装置及发电机，风轮装置包括固定座、中心轴、叶片组件及空心轴，中心轴与固定座转动连接，并与发电机连接，叶片组件包括固定轴、叶片及抵接件，固定轴与中心轴连接，叶片与固定轴转动连接，且具有邻接的第一受风面及第二受风面，第一受风面的面积大于第二受风面的面积。抵接件与叶片连接。空心轴与中心轴转动连接，空心轴包括用于支撑抵接件的支撑面。支撑面能使得其中一组叶片组件的第一受风面垂直于水平面的同时，还能使得另一组叶片组件的第二受风面垂直于水平面，从而能增大风轮装置的有效受风面积，大大减小风轮装置所受到的风的阻力，进而能提高发电效率。

Description

风轮装置及垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风轮装置及垂直轴风力发电机。

背景技术

风力发电机是一种将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能输出的电力设备。风力发电机主要包括叶片、中心轴及发电机，风力带动叶片旋转，从而带动与叶片连接的中心轴旋转，进而带动发电机的转子旋转，最终输出交流电。根据中心轴相对于水平面的位置关系，风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，其中，水平轴风力发电机的中心轴的轴线平行于水平面，垂直轴风力发电机的中心轴的轴线垂直于水平面。

与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机的成本较低且安装更加方便，因此，在风电产业，垂直轴风力发电机逐渐占据主导地位，成为了各个市场的首选。但是，传统的垂直轴风力发电机受到的风的阻力仍然较大，而导致有效受风面积较小，从而会降低风能的利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风轮装置及垂直轴风力发电机，旨在解决传统的垂直轴风力发电机风能利用率较低的问题。

一种风轮装置，包括：

固定座；

中心轴，与所述固定座转动连接，所述中心轴的轴线垂直于水平面；

叶片组件，包括固定轴、叶片及抵接件，所述固定轴与所述中心轴连接，所述固定轴的轴线平行于所述水平面，所述叶片与所述固定轴转动连接，所述叶片具有邻接的第一受风面及第二受风面，所述第一受风面的面积大于所述第二受风面的面积，且所述第一受风面垂直于所述水平面时，所述第二受风面平行于所述水平面，所述抵接件与所述叶片连接；以及

空心轴，套设于所述中心轴，并与所述中心轴转动连接，所述空心轴包括用于支撑所述抵接件的支撑面；

其中，所述叶片组件至少设有两组，沿所述中心轴的周向均匀排布，所述支撑面能使得其中一组所述叶片组件的所述第一受风面垂直于所述水平面的同时，还能使得另一组所述叶片组件的所述第二受风面垂直于所述水平面。

在其中一个实施例中，所述支撑面包括第一接触面及第二接触面，所述第一接触面与所述第二接触面均平行于所述水平面，且在所述空心轴的轴向上，所述第一接触面与所述第二接触面间隔设置，当所述抵接件与所述第一接触面接触时，所述第一受风面能垂直于所述水平面，当所述抵接件与所述第二接触面接触时，所述第二受风面始终垂直于所述水平面。

在其中一个实施例中，所述支撑面还包括导引面，所述导引面用于连接所述第一接触面及所述第二接触面，且所述导引面与所述第一接触面之间的夹角为钝角。

在其中一个实施例中，所述导引面与所述第一接触面之间的夹角大于90°且小于135°。

在其中一个实施例中，所述叶片包括相互连接的第一风叶及第二风叶，所述第一风叶和所述第二风叶分别位于所述固定轴的轴线的两侧，所述第一风叶的重量大于所述第二风叶的重量，所述抵接件与所述第一风叶连接。

在其中一个实施例中，所述第一受风面包括第一区域及第二区域，所述第一区域位于所述第一风叶上，所述第二区域位于所述第二风叶上，所述叶片组件还包括限位件，所述限位件设于所述中心轴上，且用于抵接所述第二区域，所述限位件与所述第二区域抵接时，所述第一受风面垂直于所述水平面。

在其中一个实施例中，所述叶片组件还包括连接件，所述连接件的一端与所述叶片连接，另一端与所述抵接件转动连接，所述抵接件能相对于所述连接件在所述支撑面上滚动。

在其中一个实施例中，所述空心轴与所述固定座转动连接。

在其中一个实施例中，所述叶片组件设有三组，当其中一组所述叶片组件的所述第一受风面垂直于所述水平面时，另外两组所述叶片组件的所述第一受风面均平行于所述水平面。

一种垂直轴风力发电机，包括：

上述的任一种风轮装置；以及

发电机，与所述中心轴连接。

实施本发明实施例，将具有如下有益效果：

上述的风轮装置，在风力的作用下，叶片能带动中心轴相对于空心轴旋转，固定轴具有支撑面，中心轴相对于空心轴旋转时，抵接件能沿着空心轴上的支撑面移动。支撑面能通过抵接件带动叶片相对于固定轴旋转，以使其中一组叶片组件的第一受风面垂直于水平面的同时，还能使得另一组叶片组件的第二受风面垂直于水平面，而第一受风面的面积大于第二受风面的面积，从而能增大风轮装置的有效受风面积，大大减小风轮装置所受到的风的阻力。将该风轮装置应用至垂直轴风力发电机上，便能提高风能利用率，进而提高发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

其中：

图1为一实施方式的风轮装置的结构示意图；

图2为图1所示的风轮装置A处的放大图；

图3为图1所示的风轮装置的主视图；

图4为图1所示的风轮装置的俯视图；

图5为图4所示的风轮装置在B-B处的剖视图；

图6为图1所示的风轮装置中空心轴的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容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本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

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。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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。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。

请参考图1、图2及图6，一实施方式的垂直轴风力发电机包括发电机及与发电机连接的风轮装置10，外界自然风直接作用于风轮装置10，通过风轮装置10带动发电机的转子旋转，从而实现交流电的输出。

具体地，风轮装置10包括固定座100、中心轴200、叶片组件300及空心轴400，其中，中心轴200与固定座100转动连接，中心轴200的轴线垂直于水平面。空心轴400套设于中心轴200，并与中心轴200转动连接，空心轴400具有用于支撑叶片组件300的支撑面410。

叶片组件300包括固定轴310、叶片320及抵接件330，固定轴310与中心轴200固定连接，固定轴310的轴线平行于水平面。叶片320与固定轴310转动连接，也即，叶片320既能与固定轴310一起围绕中心轴200的轴线旋转，又能相对于固定轴310旋转。叶片320具有邻接的第一受风面322及第二受风面324，第一受风面322的面积大于第二受风面324的面积，且第一受风面322垂直于水平面时，第二受风面324平行于水平面。抵接件330与叶片320连接，支撑面410主要用于支撑抵接件330。在本实施方式中，叶片320为板状结构，第一受风面322的面积最大，第二受风面324的面积最小。

将风轮装置10置于自然环境中，风力会直接作用于叶片320，从而带动固定轴310和中心轴200一起相对于固定座100旋转，叶片320在旋转的过程中，还会相对于固定轴310旋转以调整叶片320自身的受风面积。

叶片组件300至少设有两组，沿着中心轴200的周向均匀排布。支撑面410能使得其中一组叶片组件300的第一受风面322垂直于水平面的同时，还能使得另一组叶片组件300的第二受风面324垂直于水平面。可以理解的是，支撑面410并不完全平行于水平面，从而抵接件330沿着支撑面410移动时，支撑面410能通过抵接件330使得叶片320相对于固定轴310旋转，以改变第一受风面322和第二受风面324与水平面之间的夹角。在支撑面410的作用下，风轮装置10的有效受风面积得以增大，大大减小了风轮装置10所受到的风的阻力，进而能提高垂直轴风力发电机的风能利用率及发电效率。这里所说的有效受风面积是指，有助于中心轴200朝向某一方向旋转的叶片320的受风面积与阻碍中心轴200朝向该方向旋转的叶片的受风面积之差。

具体到本实施方式中，叶片组件300设有三组，等角度地排布在中心轴200上。当然，在其他实施方式中，叶片组件300的数目还可以为两组、四组或更多组。

如图1及图6所示，支撑面410包括第一接触面412及第二接触面414，第一接触面412与第二接触面414均平行于水平面，且在空心轴400的轴向上，第一接触面412与第二接触面414间隔设置，也即，第一接触面412与第二接触面414不在同一高度上，且以图6所示为观察视角，第二接触面414高于第一接触面412。当抵接件330与第一接触面412接触时，第一受风面322能垂直于水平面。当抵接件330与第二接触面414接触时，第二受风面324始终垂直于水平面，从而本实施方式的风轮装置10能始终保持最小的阻碍中心轴200旋转的受风面积。

对于本实施方式的风轮装置10而言，第一接触面412的面积约等于第二接触面414的面积，均大约占据支撑面410的一半。其中一组叶片组件300的第一受风面322垂直于水平面时，另外两组叶片组件300的第二受风面324均垂直于水平面，也即，另外两组叶片组件300的第一受风面322均平行于水平面，此时，能保证风轮装置10的有效受风面积最大。

以图4所示为观察视角，假设自然风的方向由下至上，中心轴200逆时针旋转时，则对于风轮装置10来说，处于0°至90°至180°范围内的叶片组件300有助于中心轴200逆时针旋转，则需要使得处于该角度范围内的叶片组件300的受风面积尽可能的大，而处于180°至270°至0°范围内的叶片组件300会阻碍中心轴200逆时针旋转，则需要使得处于该角度范围内的叶片组件300的受风面积尽可能的小，这样才能增大风轮装置10的有效受风面积。当其中一组叶片组件300转动至90°位置时，该叶片组件300支撑在第一接触面412上，且第一受风面322正对于自然风，此时，该叶片组件300的受风面积达到最大。而另外两组叶片组件300均支撑在第二接触面414上，且第二受风面324垂直于水平面，此时，这两组叶片组件300的受风面积达到最小，这样风轮装置10的有效受风面积是最大的。

进一步，请参考图4至图6，支撑面410还包括导引面416，导引面416用于连接第一接触面412及第二接触面414，且导引面416与第一接触面412之间的夹角为钝角。具体地，导引面416与第一接触面412之间的夹角大于90°且小于135°，以起到平滑过渡第一接触面412和第二接触面414的作用，减小抵接件330从第一接触面412移动至第二接触面414时所受到的阻力。

可以理解的是，在本实施方式中，导引面416设有两个，分别设于第一接触面412的两端。且在图4所示的角度坐标系中，两个导引面416分别位于0°及180°处。

在其他实施方式中，也可以将空心轴400分体设计，使得第一接触面412与第二接触面414实现相对升降，例如当其中一组叶片组件300的抵接件330从第一接触面412移动至第二接触面414时，使得第二接触面414相对于第一接触面412上升，而抬起抵接件330，当下一组叶片组件300的抵接件330接近第二接触面414时，再下降第二接触面414。这样，便可省略导引面416。

在本实施方式中，抵接件330能相对于叶片320转动。具体地，如图1、图3及图6所示，叶片组件300还包括连接件340，连接件340的一端与叶片320连接，另一端与抵接件330转动连接，抵接件330能相对于连接件340在支撑面410上滚动，从而能减小抵接件330与支撑面410之间的摩擦力，使得叶片组件300带动中心轴200旋转得更加顺畅。当然，在其他实施方式中，抵接件330也可以与叶片320固定连接。

进一步，空心轴400与固定座100转动连接，当风向改变时，可以通过旋转空心轴400以改变第一接触面412和第二接触面414相对于固定座100的位置，从而无论在何种风向下，风轮装置10都能具备图4所示的迎风状态，也即，风轮装置10的有效受风面积都能保持较大。具体地，风轮装置10还包括底盘500，底盘500与固定座100转动连接，空心轴400与底盘500固定连接。底盘500用于连接垂直轴风力发电机的控制系统，当控制系统检测到风向改变时，会控制底盘500旋转，进而带动空心轴400旋转。可以理解的是，在其他实施方式中，空心轴400还可以与固定座100固定连接，当风向改变时，调整固定座100的位置即可。

如图1至图3所示，叶片320包括相互连接的第一风叶321及第二风叶323，第一风叶321和第二风叶323分别位于固定轴310的轴线的两侧，抵接件330与第一风叶321连接，第一风叶321的重量大于第二风叶323的重量，从而能确保在第一接触面412上，第一风叶321始终位于固定轴310的轴线的下方，以防止叶片320随意翻转。具体到本实施例中，第一风叶321的表面积大于第二风叶323的表面积。可以理解，在其他实施方式中，第一风叶321的表面积也可以等于第二风叶323的表面积，只需在第一风叶321上加上配重块即可。

进一步，第一受风面322包括第一区域3222及第二区域3224，第一区域3222位于第一风叶321上，第二区域3224位于第二风叶323上。叶片组件300还包括限位件350，限位件350设于中心轴200上，且用于抵接第二区域3224，限位件350与第二区域3224抵接时，第一受风面322垂直于水平面。限位件350主要用于防止叶片320旋转过度。

在本实施方式中，限位件350呈圆柱状，限位件350的轴线平行于固定轴310的轴线，且在垂直于固定轴310的轴向和垂直于中心轴200的轴向的方向上，限位件350的轴线与固定轴310的轴线之间的距离等于叶片320的厚度与限位件350的直径之和的一半。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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申请专利范围的限制。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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种风轮装置，其特征在于，包括：

固定座；

中心轴，与所述固定座转动连接，所述中心轴的轴线垂直于水平面；

叶片组件，包括固定轴、叶片及抵接件，所述固定轴与所述中心轴连接，所述固定轴的轴线平行于所述水平面，所述叶片与所述固定轴转动连接，所述叶片具有邻接的第一受风面及第二受风面，所述第一受风面的面积大于所述第二受风面的面积，且所述第一受风面垂直于所述水平面时，所述第二受风面平行于所述水平面，所述抵接件与所述叶片连接；以及

空心轴，套设于所述中心轴，并与所述中心轴转动连接，所述空心轴包括用于支撑所述抵接件的支撑面；

其中，所述叶片组件至少设有两组，沿所述中心轴的周向均匀排布，所述支撑面能使得其中一组所述叶片组件的所述第一受风面垂直于所述水平面的同时，还能使得另一组所述叶片组件的所述第二受风面垂直于所述水平面。

2.根据权利要求1所述的风轮装置，其特征在于，所述支撑面包括第一接触面及第二接触面，所述第一接触面与所述第二接触面均平行于所述水平面，且在所述空心轴的轴向上，所述第一接触面与所述第二接触面间隔设置，当所述抵接件与所述第一接触面接触时，所述第一受风面能垂直于所述水平面，当所述抵接件与所述第二接触面接触时，所述第二受风面始终垂直于所述水平面。

3.根据权利要求2所述的风轮装置，其特征在于，所述支撑面还包括导引面，所述导引面用于连接所述第一接触面及所述第二接触面，且所述导引面与所述第一接触面之间的夹角为钝角。

4.根据权利要求3所述的风轮装置，其特征在于，所述导引面与所述第一接触面之间的夹角大于90°且小于135°。

5.根据权利要求1所述的风轮装置，其特征在于，所述叶片包括相互连接的第一风叶及第二风叶，所述第一风叶和所述第二风叶分别位于所述固定轴的轴线的两侧，所述第一风叶的重量大于所述第二风叶的重量，所述抵接件与所述第一风叶连接。

6.根据权利要求5所述的风轮装置，其特征在于，所述第一受风面包括第一区域及第二区域，所述第一区域位于所述第一风叶上，所述第二区域位于所述第二风叶上，所述叶片组件还包括限位件，所述限位件设于所述中心轴上，且用于抵接所述第二区域，所述限位件与所述第二区域抵接时，所述第一受风面垂直于所述水平面。

7.根据权利要求1所述的风轮装置，其特征在于，所述叶片组件还包括连接件，所述连接件的一端与所述叶片连接，另一端与所述抵接件转动连接，所述抵接件能相对于所述连接件在所述支撑面上滚动。

8.根据权利要求1所述的风轮装置，其特征在于，所述空心轴与所述固定座转动连接。

9.根据权利要求1所述的风轮装置，其特征在于，所述叶片组件设有三组，当其中一组所述叶片组件的所述第一受风面垂直于所述水平面时，另外两组所述叶片组件的所述第一受风面均平行于所述水平面。

10.一种垂直轴风力发电机，其特征在于，包括：

如权利要求1-9任一项所述的风轮装置；以及

发电机，与所述中心轴连接。