CN110513244A - 一种用于风力发电的全方向可调的风轮装置 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电机的全方向的可调式风轮装置，包括有机轴、轮架、风叶组和调节轮盘；所述轮架固定连接在机轴上，所述机轴用于连接发电机；所述风叶组包括多个风叶，多个风叶以机轴为呈圆周阵列排布设置并且连接在轮架上；每个风叶包括风板和弧形板，所述弧形板一侧边连接于轮架上，另一侧边与所述风板相连接；所述风板的一侧边活动连接在轮架上，另一侧边连接所述调节轮盘；所述调节轮盘设置在机轴上可以旋转，其旋转带动所述风板摆动。能适用于360°全方向风场的风轮装置。适用于1m/s至72m/s风速的风力，适用于平流、紊流状的风态。维护简单，配有智能化物联网管理运营，无人值守。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种风轮装置，具体是涉及一种用于风力发电的全方向可调的风轮装置。
背景技术
风力发电是指把风的动能转为电能，风能是一种清洁无公害的的可再生能源能源，很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到人们的重视。
现有的风力发电机，按照风叶的轴的方向可以分水平轴和垂直轴，使用分为水平方向或者垂直方向。大多适应风场20m/s之内的，或者适用飓风的。尚没有适用于360°全方向的各个方向的风叶系统。
常见到的风力发电机的风叶系统低于1m/s风速即不能启动，大于20m/s，必须切出停止工作，多选用的风力机经典动力学理论，风叶设计参照了飞机翼的升力模型，风力机翼型绕流理论和风力机系统气动弹性耦合，风能利用系数较低、效率低下、体积大、占空间、重量重、成本高、运输不便，垂直轴风力机可分为升力型(达里厄型)和阻力型(萨沃尼斯型)。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风力发电的全方向可调的风轮装置，可以产生涡旋涡流90°导向风力整流，能适用于360°全方向风场的风轮装置，适用于1m/s至72m/s风速的风力，适用于平流、紊流状的风态。维护简单，配有智能化物联网管理运营，无人值守。
为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的。
本发明的技术方案是提供一种用于风力发电的全方向可调的风轮装置，
包括有机轴、轮架、风叶组和调节轮盘；
所述轮架固定连接在机轴上，所述机轴用于连接发电机；
所述风叶组包括多个风叶，多个风叶以机轴为呈圆周阵列排布设置并且连接在轮架上；每个风叶包括风板和弧形板，所述弧形板一侧边连接于轮架上，另一侧边与所述风板相连接；所述风板的一侧边活动连接在轮架上，另一侧边连接所述调节轮盘；
所述调节轮盘设置在机轴上可以旋转，其旋转带动所述风板摆动。
本技术方案的风轮装置是基于涡旋论、内源式动能法正交阻风面和高筒状切向整流的风入口的基础上设计，使风力在在经过过风叶后在中心形成涡旋，风力在风叶上多次吸收动能之后，以法向风力输出。
在风叶的设计结构中，阻力迎风面采用圆弧、斜面几何面结构，将风力阻尼降到最小。通过内力矩调整将哪源推力最大化。当风力过大超出发电量参数时，风轮装置自动调整风板角度，通过智能自动化变换切出风量，保证驱动发电机正常转速工作。
在上述技术方案的一个实施例中，所述轮架包括上环、下环和多个连接条，上环和下环分别通过幅条连接在机轴上，所述连接条连接于所述上环与所述下环之间。
在上述技术方案的一个实施例中，所述的连接条与机轴平行设置，所述连接条的数量为三至六个，所述上环接机轴的幅条的数量为三至六个，所述下环连接机轴的幅条的数量为三至六个。
在上述技术方案的一个实施例中，所述弧形板的为软性板，与机轴平行弯曲呈弧形，其一侧边固定连接在所述轮架的连接条上，另一侧边与所述风板连接。
弧形板的阻力迎风面采用弧形几何面结构，将风力阻尼降到最小。弧形板采用具有一定弹性和硬度的塑胶材料制成，以便风板调节时，压紧弧形板进一步弯曲变形，使得弧形板与风板构成的阻力迎风面完整。
在上述技术方案的一个实施例中，所述风板的两条侧边位置分别设有第一轴部和第二轴部；
所述第一轴部的两端分别活动连接在所述轮架上，所述第二轴部的两端分别连接在所述调节轮盘。
在上述技术方案的一个实施例中，所述调节轮盘为两个，分别位于所述风轮的上面端面位置；
所述调节轮盘包括轮盘和多个联动杆，所述轮盘连接在所述机轴上旋转，所述联动杆连接于所述风板和所述轮盘。
为了保持所有的风板的旋转一致性，将所有风板通过联动杆连接到轮盘上，在转动轮盘时，同步带动所有风板转动。
在上述技术方案的一个实施例中，还包括有多个二级风叶，所述二级风叶连接固定在所述轮架的上环或下环上，所有的二级风叶以机轴为中心圆周阵列排布设置；
所述二级风叶的根部连接在所述机轴上，其叶壳被固定在所述上环的幅条上或所述下环的幅条上。
在轮架的轴向出口处安装升力阻尼的二级叶片，经过旋压多次叠加加速的风力再次被利用，推动二级叶片做功。在风轮内部经过弧形板和风板的作用，风力旋压多次叠加加速，推动二级叶片再次做功被利用
在上述技术方案的一个实施例中，还包括有重力平衡器，所述重力平衡器安装在所述机轴上；
所述重力平衡器包括有轴套和均匀分布在圆周上的多个摆件，所述轴套安装在机轴上，所述摆件包括有杆部和球部，所述杆部的一端连接所述球部，所述杆部的另一端活动铰接在所述轴套上。
重力平衡器有效平衡轮架，当出现阵风时通过有重力平衡器，能消除阵风忽大忽小的影响。
在上述技术方案的一个实施例中，还包括有设置在轮架外围的风力增容器，所述风力增容器用于用于收集及引导风力流向所述风叶组；
所述风力增容器包括有支架和多个增容风叶；
所述支架活动旋转连接在所述机轴上，所述增容风叶连接固定于所述支架上。
在上述技术方案的一个实施例中，还包括有设置在轮架外围的风力增容器，所述风力增容器用于用于收集及引导风力流向所述风叶组；
所述风力增容器包括有支架及固定在支架上的扩风叶、平衡叶、尾叶和风阻遮挡叶；
所述支架活动旋转连接在所述机轴上，所述风阻遮挡叶设置在所述轮架朝风面的外围，所述扩风叶和所述平衡叶设置在风阻遮挡叶的两侧，所述尾叶设置在所述轮架背风面。
通过风力增容器加缩风密度和提高风速，风叶的结构使风力多次回旋冲击，达到了风力增焓效果，成倍的获得了风力动能，弱风也能像微风和风一样发电。
在上述技术方案的一个实施例中，所述风板上还设置有外旋动片，所述外旋动片连接在所述风板的外侧面，所述外旋动片的一侧边连接在所述风板靠近入风方向的一侧，其另一侧可随风力摆动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅针对的是一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例中的风轮装置的立体视图。
图2是本申请实施例中的风轮装置的俯视图。
图3是本申请实施例中的风轮装置的爆炸视图。
图4是本申请实施例中的风轮装置的剖视图。
图5是本申请实施例中的风轮装置的风力增容器的结构原理视图。
图6是本申请实施例中的风轮装置安装外旋动片的结构原理视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明公开的范围之内。
在后续的描述中，使用诸如“模块”、“部件”，“组件”或“单元”等的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义，因此可以混合地使用。
下面通过具体实施例结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例
如图1至4所示，提供了本发明技术方案的一个实施例，本实施例是一种风轮装置，以机轴的方向可以360度全方向使用，入风与出风量可以调节，适用于小型弱风场和飓风场的风力发电机组，包括有机轴10、轮架20、四个弧形板30、四个风板40、调节轮盘50、四个二级风叶60、风力增容器70和重力平衡器80。
机轴10用于支撑整体个风轮装置，是风轮装置的旋转轴，机轴对外连接风力发电机组，将风力的动组输出给发电机组。
轮架20连接在机轴上，与机轴同步转动，轮架主要起支撑及固定四个风板40、四个固定叶片30和四个二级风叶60的作用，轮架的整体呈柱状框架结构。轮架20包括上环21、下环22、四个连接条23和八个幅条24，上环与下环通过四个连接条23进行连接，四个连接条23均匀圆周对称分布，上环21通过四个幅条24连接在机轴10上，下环22同样的通过四个幅条24连接在机轴10上、
在另一个实施例中，轮架的连接条和幅条数量可以进行增减，如连接条可以是三、五或六个，对应的上环或下环连接机轴的幅条也可以是三、五或六个。连接条的数量可以影响可安装弧形板的数量，而幅条的数量会影响的可安装的风板和二级风叶的数量，最好的是上环与下环的幅条数量相同，并且等于连接条的数量。
本实施例中的连接条23与机轴10平行设置，在另一个实施例，连接条23可以与机轴10倾斜。
每个弧形板30的侧边固定安装在一个连接条23上，弧形板向机轴一侧弯曲呈弧形301，弧形的轴向与机轴10平行。弧形板的另一条侧边接触或靠近其相近的风板的侧边，弧形板采用具有一定弹性和硬度的塑胶材料制成，以便风板调节时，风板会压紧弧形板进一步弯曲变形，弧形板与风板紧密接触，使得弧形板与风板构成的阻力迎风面完整。弧形板的阻力迎风面采用弧形几何面结构，将风力阻尼降到最小。
每个风板40呈长方形，在其两条侧边位置分别设有第一轴部401和第二轴部402，第一轴部和第二轴部与风板是一体成型，也可以是组合安装；为了加强风板的结构，在风板40上设有流线体的加固肋条403或肋槽。
第一轴部401的两端分别活动连接在上环21与下环22的对应幅条23上，第二轴部的两端分别连接两个调节轮盘50上。风板的第一轴部401作为风板40转动的轴，第二轴部用于与调节轴盘50连接，带动风板40进行旋转一定角度，变换切出风量。风板的数量与弧形板相同，在每个弧形板30之后设有一个风板，通过弧形板30和风板40变换风量。
本实施例的调节轮盘50为两个，分别位于轮架20的两侧；调节轮盘包括轮盘51和四个联动杆52，轮盘51连接在机轴10上旋转，每个联动杆52连接一个风板40的第二轴部401和轮盘51。为了保持所有的风板的旋转一致性，将所有风板通过联动杆连接到轮盘上，在转动轮盘时，同步带动所有风板转动。
每个二级风叶60的根部601连接在机轴10上，二级风叶60的叶壳602被限定在上环21的幅条24上，具体是风板的第一轴部的一端穿过设置于叶壳上的一个通孔后，活动连接在幅条上。二级风叶是在轮架的法向出口处安装的升力阻尼叶片，风力在轮架内部经过弧形板和风板的作用，风力旋压多次叠加加速，可以推动二级叶片再次做功被利用。
重力平衡器80安装在机轴上，位于轮架的内部；重力平衡器包括有轴套81和均匀分布在圆周上的四个摆件82，轴套安装在机轴上，摆件包括有杆部821和球部822，杆部的一端连接球部，另一端活动铰接在轴套上。当出现阵风，风轮装置旋转过快下重力平衡器会发挥平衡作用，消除阵风忽大忽小的影响。在另一个实施例中，摆件数数量可以是两个、三个、五个或六个等等。
风力增容器70包括有上支架71、下支架72和四个增容风叶73；上支架连接在机轴上并位于轮架的外侧，下支架连接在机轴上并位于轮架的外侧，上支架设有四个分支臂711和拉线712，拉线主要起加固上支架的作用，同样的，下支架具有与上支架同样的结构，每个增容风叶连接固定于上支架与下支架上对应的分支臂之间，调整增容风叶的角度，以及与轮架的位置，可以达到最佳的聚风的效果。
风力增容器与机轴之间设有轴承，不随轮架转动，相对于环境不动的，随着风向进行改变方位，风力增容器为增加风量的流线型导流板聚风增量器。在进风方向面装有两个增容风叶，用于风力迎风面聚风，增大回收风量面积。风力增容器可按风向自动旋转选择采集方向。增容风叶选用弹性结构，能够随风力的大小自动调节迎风角度，不被风吹坏。
图5所示，是风力增容器70的另一种结构的视图，包括有支架及固定在支架上的扩风叶74、平衡叶75、尾叶75和风阻遮挡叶77；
其中支架活动旋转连接在所述机轴上，风阻遮挡叶设置在轮架朝风面的外围，扩风叶和所述平衡叶设置在风阻遮挡叶的两侧，尾叶设置在所述轮架背风面。
这个结构的风力增容器更加简单实用，而且通过对阻风逆面遮挡，提高风动能消除负能量，通过扩风叶增加导入风轮装置的风量，通过平衡叶和风向平衡尾翼自动调节，迎风面接收最大风量。关于风力增容器的强风保护，也是采用过压自旋叶角的方式消除过压风力的影响。
如图6所示，在每个叶片上还设置有外旋动片41，外旋动片41与机轴平行方向连接在风板40的外侧面，外旋动片41的一侧边410连接在风板靠近入风方向的一侧，其另一侧为活动端411，可以随风力摆动。具体的是，外旋动片的一侧边可以采用轴连接在风板上，使外旋动片能以轴为中心摆动。
当风轮转动时，外旋动片在旋动的过程中，因为离心力的作用下，其活动端向外部张开，风力越大转速越大则离心力也越大，其活动端张开的程度也增强，活动端张开使是风量导入口缩小，减小进风量，同时，由于外旋动片的外侧面会受到风力的推力作用，风的推力与旋转产生离心力是相反的作用力，共同作用在外旋动片下，通过外旋动片可以动态调节入口的进风量。
为了达到好的效果，本实施例的弧形板和风板的设计特点：
(1)尽量减小迎风面积阻尼，采用流线体形，风流向分配设计；
(2)尽量增大推力面，获得最大动能。
设计成圆周切线的进风口，斜面风向导入面风经过导入口得到整流、加密、增速产生良好的推力。圆周切线导入口为切向圆弧。迎风导入面为斜平面，为了增强平面抗力，还增加了顺风导入的肋筋或肋槽。为了增加对强力的切出，在风板的尾部增加了转动轴，即第一轴部。风板的平面部分与弧面部分切开，方便风力智能切出，实现风力调整。
在风板的弧形面部分，在轮盘上固定，不能调整风叶，平面部分可移动头部设压口，流线体加固肋条或肋槽，入风头部加固流线型。风板的平面部分尾部可设有摆角尾。用来控制风向，可做动态或固定式。入风口瓶颈部的大小，可设智能调量口，满足不同风级风力，各种状态的风，达到最佳效果的目的。
此外，参如图4中所示，第1个弧形板30a与第1个风板40a构成的迎风面，正压风能由圆切向进入，经过入风口整流、加密，增速，增加有效冲击力和阻压力，获得更加的动能，通过1个风板40a平面的直线承压后，导流到被动第2个弧形板30b形成二次正压冲击力，再由第2个风板40b垂直承压推后，导流到第3个弧形板30c，第3个风板40c垂直承压推动力后，依次再导入第4个弧形板30d。第4个风板40d倾斜平面同时将外部正面风压力同时也导入第1个弧形板30a，再一次增强第1个风板10d垂直冲击推力。周而复始的迭代，达到一定轮内风压值及风量后，形成体内涡旋。然后将气流从顶部或底部旋出。
当风量弱风时，风板闭合增加风力动能。当风力过当，开启切出风叶，根据风力大小，智能确定风力的切出量，并保障额定发电功率，在遇到飓风10-15倍切出量完全可不影响发电。
本实施例的风轮装置使用了360°空间的任何方位，任何角度能够最大化捕集到的风能动力。远远超越了水平方向，垂直轴单向的风能使用方式。使柔弱的风也可以用来发更多的电。
可以应用于1kw至10kw的小型微型风力发电机组，使农村家家户户都能装的起用得起，极大的改变了清洁能源的结构，不需要特定的风场，特定的时间，不分昼夜，不分气候，几乎每个地方都可装。
小型机噪音很小，功率很高，可调节性好。小型分布式，大区域化，使电网更均衡，容易调节，调节速度快，不需要特别的安装环境条件。本实施例的风轮装置用于风力发电机组中，从弱风至飓风环境条件下均可用于分级发电的装置，其结构能抗12级的飓风并能正常发电。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (11)
1.一种用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
包括有机轴、轮架、风叶组和调节轮盘；
所述轮架固定连接在机轴上，所述机轴用于连接发电机；
所述风叶组包括多个风叶，多个风叶以机轴为呈圆周阵列排布设置并且连接在轮架上；每个风叶包括风板和弧形板，所述弧形板一侧边连接于轮架上，另一侧边与所述风板相连接；所述风板的一侧边活动连接在轮架上，另一侧边连接所述调节轮盘；
所述调节轮盘设置在机轴上可以旋转，其旋转带动所述风板摆动。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述轮架包括上环、下环和多个连接条，上环和下环分别通过幅条连接在机轴上，所述连接条连接于所述上环与所述下环之间。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述的连接条与机轴平行设置，所述连接条的数量为三至六个，所述上环接机轴的幅条的数量为三至六个，所述下环连接机轴的幅条的数量为三至六个。
4.根据权利要求2所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述弧形板的为软性板，与机轴平行弯曲呈弧形，其一侧边固定连接在所述轮架的连接条上，另一侧边与所述风板连接。
5.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述风板的两条侧边位置分别设有第一轴部和第二轴部；
所述第一轴部的两端分别活动连接在所述轮架上，所述第二轴部的两端分别连接在所述调节轮盘。
6.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述调节轮盘为两个，分别位于所述风轮的上面端面位置；
所述调节轮盘包括轮盘和多个联动杆，所述轮盘连接在所述机轴上旋转，所述联动杆连接于所述风板和所述轮盘。
7.根据权利要求2所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
还包括有多个二级风叶，所述二级风叶连接固定在所述轮架的上环或下环上，所有的二级风叶以机轴为中心圆周阵列排布设置；
所述二级风叶的根部连接在所述机轴上，其叶壳被固定在所述上环的幅条上或所述下环的幅条上。
8.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
还包括有重力平衡器，所述重力平衡器安装在所述机轴上；
所述重力平衡器包括有轴套和均匀分布在圆周上的多个摆件，所述轴套安装在机轴上，所述摆件包括有杆部和球部，所述杆部的一端连接所述球部，所述杆部的另一端活动铰接在所述轴套上。
9.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
还包括有设置在轮架外围的风力增容器，所述风力增容器用于用于收集及引导风力流向所述风叶组；
所述风力增容器包括有支架和多个增容风叶；
所述支架活动旋转连接在所述机轴上，所述增容风叶连接固定于所述支架上。
10.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
还包括有设置在轮架外围的风力增容器，所述风力增容器用于用于收集及引导风力流向所述风叶组；
所述风力增容器包括有支架及固定在支架上的扩风叶、平衡叶、尾叶和风阻遮挡叶；
所述支架活动旋转连接在所述机轴上，所述风阻遮挡叶设置在所述轮架朝风面的外围，所述扩风叶和所述平衡叶设置在风阻遮挡叶的两侧，所述尾叶设置在所述轮架背风面。
11.根据权利要求1所述的用于风力发电的全方向可调的风轮装置，其特征在于，
所述风板上还设置有外旋动片，所述外旋动片连接在所述风板的外侧面，所述外旋动片的一侧边连接在所述风板靠近入风方向的一侧，其另一侧可随风力摆动。
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