CN110067695B - 一种阻力型垂直轴风力机及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻力型垂直轴风力机及工作方法，包括与发电机连接的转筒，转筒的转动能够带动发电机发电，转筒通过悬臂架结构连接有多对扇叶，一对扇叶中的两个扇叶呈180°分布，所述扇叶与变距机构连接，变距机构能够调节扇叶与转筒的距离，扇叶包括多个与边框转动连接的阻风板，阻风板一侧设有具有网状限位结构，网状限位结构与边框固定连接，本发明的风力发电机发电效率高，可以实现电能的恒功率输出。

Description

一种阻力型垂直轴风力机及工作方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体涉及一种阻力型垂直轴风力机及工作方法。

背景技术

目前常用的垂直轴风力发电机为升力型和阻力型风力发电机，现有的阻力型风力发电机产生转矩是因为其叶片两面有不同的阻力系数，在静止时其比值在1/2左右，发明人发现，其叶片在迎风与阻风位置的面积是相同的。这使得现有的阻力型风力机产生的速度和力矩都很小，效率很低。

发明人还发现，目前的阻力型发电机无法根据风力大小保持恒定的输出功率，输出的电能不稳定，设备安全性无法得到保证。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种阻力型垂直轴风力机，能够产生较高的转动力矩，发电效率高，而且能够保持输出功率的稳定，设备安全性能好。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种阻力型垂直轴风力机，包括与发电机连接的转筒，转筒的转动能够带动发电机发电，转筒通过悬臂架结构连接有多对扇叶，一对扇叶中的两个扇叶呈180°分布，所述扇叶与变距机构连接，变距机构能够调节扇叶与转筒的距离，扇叶包括多个与边框转动连接的阻风板，阻风板一侧设有具有网状限位结构，网状限位结构与边框固定连接。

一对扇叶中网状限位结构的设置位置满足：其中一个扇叶的阻风板能够在风的作用下顺风向转动，形成风流过的空隙，另一个扇叶的阻风板则在风的作用下贴紧网状限位结构，无法使风流过，作用在两个扇叶的风力形成压力差，带动转筒的转动。

通过在每对扇叶设置的与边框转动连接的阻风板及设置在阻风板一侧的网状限位结构，能够使单向风作用在成对的两个扇叶时，在两个扇叶上产生压力差，带动转筒的转动，从而产生较高的转动力矩，发电效率高，通过设置变距机构，能够根据风速大小调节扇叶与转筒的距离，使转筒保持恒定转动速度。

进一步的，所述悬臂架结构包括与转筒固定连接的上悬壁架及下悬臂架，所述扇叶与上悬壁架及下悬壁架滑动连接，变距机构能够驱动扇叶沿上悬臂架及下悬臂架的滑动。

进一步的，所述变距机构包括固定在上悬壁架的第一电机，所述第一电机与主动滑轮连接，所述主动滑轮与上悬臂架转动连接，所述上悬臂架还转动连接有从动滑轮，主动滑轮和从动滑轮之间绕接有传动带，所述传动带与扇叶固定连接。

进一步的，所述阻风板与转轴固定连接，所述转轴两端设有转动件，所述转动件置入边框设置的滑槽内，所述转轴能够通过转动件沿滑槽滑动并且绕自身轴线自由转动，多个转轴的同侧端部与连接带固定连接，所述连接带端部缠绕在第二电机的输出轴上，所述第二电机与边框固定连接，所述扇叶的底部设有承接部。

第二电机的输出轴能够带动连接带做收放运动，并通过连接带将阻风板铺在边框或将阻风板叠放在承接部，阻风板叠放在承接部后，转筒可以逐渐停止转动，实现刹车功能。

进一步的，所述网状限位结构采用柔性轻质材质制作，防止阻风板与网状限位结构撞击时对阻风板的损坏。

进一步的，所述转筒套接在承重柱外周，并与承重柱转动连接，所述承重柱顶端与悬臂架结构端部设有钢索，用于增强悬臂架的装配强度。

进一步的，所述悬臂架结构连接有导向杆，所述导向杆与导向滑轨滑动连接，用于对悬臂架结构的转动进行导向。

进一步的，所述转筒安装有转速传感器，用于检测转筒的转动速度。

本发明还公开了一种阻力型垂直轴风力机的工作方法：成对设置的扇叶中，其中一个扇叶受到单向风的作用，在风力作用下，阻风板转动，与相邻阻风板间形成空隙，风能够流过，另一个扇叶受到单向风作用，阻风板贴在网状限位结构上，风无法流过，作用在两个扇叶的风力形成压力差，带动转筒转动，转筒的转动带动发电机发电。

本发明还公开了一种阻力型垂直轴风力机的工作方法：根据风速的变化，利用变距机构调节扇叶与转筒的距离，使转筒转动的角速度保持恒定，转筒的转动带动发电机发电，按照恒定功率输出电能。

本发明的有益效果：

1.本发明的风力机，通过设置成对的扇叶，成对扇叶中的两个扇叶呈180°分布，且每个扇叶具有多个可转动的阻风板，阻风板一侧设有网状限位结构，实现了在单向风的作用下，两个扇叶的受力形成压力差，带动转筒转动，转矩高，克服了现有阻力型风力发电机转矩低、转速慢，发电效率低的问题。

2.本发明的风力机，限位结构设置为网状结构，既满足了对阻风板的限位功能，同时不会影响风力对阻风板的作用。

3.本发明的风力机，具有变距机构，能够根据风速调节扇叶与转筒的距离，使转筒的转动角速度保持恒定，保证了输出功率的恒定，使发电量稳定，避免了设备的损坏。

4.本发明的风力机，多个阻风板能够通过连接带、第二电机叠放在承接部上，在具有风力的作用下，能够实现转筒的逐渐停止运动，实现了刹车功能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1阻风板与边框装配示意图；

图3为本发明图2中的A处截面示意图；

图4为本发明连接带与转轴及第二电机装配示意图；

图5为本发明实施例1上悬臂架与变距机构装配示意图；

其中，1.转筒，2.承重柱，3.发电舱，4.上悬臂架，5.下悬臂架，6.边框，7.阻风板，8.转轴，9.转动件，10.T型槽，11.连接带，12.第二电机，13.承接杆，14.过渡板，15.网状限位结构，16.第一电机，17.主动滑轮，18.从动滑轮，19.滑动架，20.滚轮，21.导向杆，22.导向滑轨，23.钢索固定盘，24.钢索。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有的阻力型垂直轴风力发电机转矩低，转速慢，发电效率低，不易调节，针对上述问题，本申请提出了一种阻力型垂直轴风力机。

本公开的一种典型实施方式实施例1中，如图1-5所示，一种阻力型垂直轴风力机，包括转筒1，所述转筒套接在承重柱2的外圆周面上，并且通过转动轴承与承重柱转动连接，所述转筒与发电机连接，转筒的转动能够带动发电机发电，所述发电机安装在发电舱3内部，所述发电舱与承重柱固定连接。

所述转筒通过悬臂架结构连接有两对扇叶，每对扇叶的两个扇叶呈180°分布，转筒上四个扇叶中，相邻的两个扇叶呈90°分布。

所述悬臂架结构包括上悬臂架4和下悬臂架5，所述上悬臂架及下悬臂架均为桁架结构，扇叶设置在相应的上悬臂架和下悬臂架之间，扇叶与上悬臂架和下悬臂架滑动连接，扇叶与转筒的距离可以调节。

所述扇叶包括边框6，所述边框为矩形边框，由四个钢板焊接而成，包括上部钢板、下部钢板和两个侧部钢板。

所述边框连接有多个阻风板7，所述阻风板与边框的两个侧部钢板转动连接，阻风板转动至与边框所在平面平行后，可以覆盖边框内部空间，所述阻风板上端与转轴8固定连接，所述转轴的两端连接有转动件9，所述转动件采用轴承，所述轴承嵌入侧部钢板设置的滑槽内，所述滑槽采用T型槽10，转轴及阻风板可通过轴承在T型槽内滑动，且T型槽不会妨碍转轴绕其自身轴线的转动。

一个扇叶中的多个阻风板连接的转轴端部连接在同一根连接带11上，所述连接带的端部缠绕在与上部钢板固定连接的第二电机12的输出轴上，所述下部钢板固定连接有承接部，所述承接部为固定在下部钢板两端的承接杆13，所述承接杆与侧部钢板之间设有过渡板14，过渡板上也设有T型槽，阻风板可通过过渡板运动至承接杆上，由承接杆对其进行支撑。

第二电机输出轴收起连接带时，可将多个阻风板均匀铺设在边框内部，第二电机输出轴释放连接带时，多个阻风板在重力作用下，沿T型槽下滑，在过渡板的过渡作用下，多个阻风板叠放在承接杆上。

具体的，最下层的阻风板放置在承接杆上，多个阻风板依次堆叠，阻风板两端的轴承位于过渡板的T型槽内。

所述阻风板的一侧设有网状限位结构15，所述网状限位结构与边框固定连接，所述网状限位结构用于限制阻风板向一侧方向的转动，所述网状限位结构采用柔性轻质材料制成，可以采用柔性材质网，也可采用轻质板上开设多个网孔，既可以减轻扇叶的整体重量，又可以缓冲阻风板与网状限位结构的碰撞，避免阻风板的碰撞损坏，延长其使用寿命。限位结构采用网状结构，既可以起到限位作用，又不妨碍风对阻风板施加作用力。安装时，成对设置扇叶的两个扇叶的网状限位结构位于阻风板的不同侧，使得扇叶承受单向风作用力时，一个扇叶的阻风板能够顺风向转动，另一个扇叶的阻风板在风力作用下贴在网状限位结构上。

所述扇叶还与固定在悬臂架结构的变距机构连接，所述变距机构能够驱动扇叶沿悬臂架结构的运动。

所述变距机构包括固定在上悬臂架一端端部的第一电机16，所述第一电机的输出轴与主动滑轮17连接，所述上悬臂架的另一端端部转动连接有从动滑轮18，所述主动滑轮和从动滑轮之间绕接有传动带，所述传动带与滑动架19连接，所述滑动架与扇叶的边框固定连接，滑动架通过滚轮20与上悬臂架滑动连接，所述扇叶的下部也通过滑动架与滚轮与下悬臂架滑动连接。

所述转筒还安装有转速传感器，所述转速传感器能够实时检测转筒的转动速度。

其中一对扇叶所对应的上悬臂架及下悬臂架之间连接有导向杆21，所述导向杆安装在上悬臂架及下悬臂架的侧面，不会妨碍扇叶的运动，所述导向杆底部通过导向轮与圆形的导向滑轨22滑动连接，所述导向杆和导向滑轨能够对悬臂架结构的运动进行导向，所述导向滑轨可以与承重柱固定连接，也可以采用其他结构进行固定，本领域技术人员可根据实际情况进行设置。

所述承重柱2顶端通过钢索固定盘23与上悬臂架端部连接有钢索24，所述钢索能够增强上悬臂架与转筒的安装强度，钢索固定盘23与承重柱2转动连接。

所述第一电机、第二电机及转速传感器均与控制器连接，所述控制器可采用单片机或PLC控制器，转速传感器能够实时采集转动的转速，当风速变化时，转筒的转速发生变化，控制器可以控制第一电机工作，使扇叶与转筒的距离发生变化，再次将转筒的转速调节至设定转速，使发电机以设定的恒定功率输出电能。

实施例2：

本实施例公开了一种阻力型垂直轴风力机的工作方法：单向风作用在成对设置的扇叶时，成对设置的扇叶中的其中一个扇叶阻风板在风力作用下随转轴转动，相邻阻风板之间形成风流过的空隙，另一个扇叶的阻风板在风力作用下贴紧网状限位结构，此时，作用在两个扇叶的风力形成压力差，在压力差的作用下，扇叶带动转筒转动，转筒转动带动发电机发电。

采用此种发电方式，相对于传统的阻力型风力发电机，可以形成较高的转动力矩，发电效率高。

实施例3：

本实施例公开了一种阻力型垂直轴风力机的工作方法：转速传感器实时采集转筒的转速信息，并传输给控制器，当风速发生变化时，控制器接收到转速传感器传递的风速变化信号，控制第一电机工作，传动带带动扇叶沿悬臂架机构运动，改变扇叶与转动的距离，使转筒的转速再次回到设定值，使发电机按照设定功率输出电能。

实施例4：

本实施例公开了一种阻力型垂直轴风力机的刹车方法：第二电机工作，释放连接带，阻风板在重力作用下沿T型槽下滑，并堆叠在承接杆上，此时，扇叶的受力面积极大的减小，转速逐渐降低，实现了刹车。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种阻力型垂直轴风力机，其特征在于，包括与发电机连接的转筒，转筒的转动能够带动发电机发电，转筒通过悬臂架结构连接有多对扇叶，一对扇叶中的两个扇叶呈180°分布，所述扇叶与变距机构连接，变距机构能够调节扇叶与转筒的距离，使转筒的转速保持恒定，所述转筒安装有转速传感器，用于检测转筒的转动速度，扇叶包括多个与边框转动连接的阻风板，阻风板一侧设有具有网状限位结构，网状限位结构与边框固定连接；阻风板与转轴固定连接，转轴两端设有转动件，转动件置入边框设置的滑槽内，所述转轴能够通过转动件沿滑槽滑动并且绕自身轴线自由转动，多个转轴的同侧端部与连接带固定连接，所述连接带端部缠绕在第二电机的输出轴上，所述第二电机与边框固定连接，所述扇叶的底部设有承接部；

一对扇叶中网状限位结构的设置位置满足：其中一个扇叶的阻风板能够在风的作用下顺风向转动，形成风流过的空隙，另一个扇叶的阻风板则在风的作用下贴紧网状限位结构，无法使风流过，作用在两个扇叶的风力形成压力差，带动转筒的转动；所述悬臂架结构包括与转筒固定连接的上悬壁架及下悬臂架，所述扇叶与上悬壁架及下悬壁架滑动连接，变距机构能够驱动扇叶沿上悬臂架及下悬臂架的滑动；

所述转筒套接在承重柱外周，并与承重柱转动连接，所述承重柱顶端与悬臂架结构端部设有钢索；所述悬臂架结构连接有导向杆，所述导向杆与导向滑轨滑动连接，用于对悬臂架结构的转动进行导向。

2.如权利要求1所述的一种阻力型垂直轴风力机，其特征在于，所述变距机构包括固定在上悬臂架的第一电机，所述第一电机与主动滑轮连接，所述主动滑轮与上悬臂架转动连接，所述上悬臂架还转动连接有从动滑轮，主动滑轮和从动滑轮之间绕接有传动带，所述传动带与扇叶固定连接。

3.如权利要求1所述的一种阻力型垂直轴风力机，其特征在于，所述网状限位结构采用柔性轻质材质制作。

4.一种权利要求1-3任一项所述的阻力型垂直轴风力机的工作方法，其特征在于，成对设置的扇叶中，其中一个扇叶受到单向风的作用，在风力作用下，阻风板转动，相邻阻风板形成空隙，风能够流过，另一个扇叶受到单向风作用，阻风板贴在网状限位结构上，风无法流过，作用在两个扇叶的风力形成压力差，带动转筒转动，转筒的转动带动发电机发电；

第二电机工作，释放连接带，阻风板在重力作用下沿滑槽下滑，并堆叠在承接杆上，此时，扇叶的受力面积极大的减小，转速逐渐降低，实现了刹车。

5.一种权利要求1-3任一项所述的阻力型垂直轴风力机工作方法，其特征在于，根据风速的变化，利用变距机构调节扇叶与转筒的距离，使转筒转动的角速度保持恒定，转筒的转动带动发电机发电，按照恒定功率输出电能。

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