CN113137340B - 鼠笼型风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种鼠笼型风力发电机。包括支架、中心轴、若干组连接臂和若干叶片，支架上设置有发电组件，中心轴沿竖直方向延伸且可转动地设置于支架并与发电组件相连接，连接臂对应安装于中心轴的上下两端，叶片为三棱柱状，每个叶片通过设置于其上下两端的轴心交换机构可转动的连接于连接臂之间。本发明能够在风力作用以及叶片重心等作用下，使叶片的姿态基本保持不变，并通过轴心交换机构使得叶片在由风阻大的一侧运动至风阻小的一侧时，由面朝风向变换为尖朝风向，反之同理，以此保证叶片在转动的过程中风阻大的一侧始终基本处于面朝风向的状态，风阻小的一侧始终基本处于尖朝风向的状态，提高对风的利用率。

Description

鼠笼型风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种鼠笼型风力发电机。
背景技术
风能是一种清洁环保可再生资源，风能发电与太阳能、地热、海洋能、氢能、可燃冰等新能源发电相比技术成熟，而且，完全不产生碳排放，是当代最理想的绿色能源。风力发电是把风的动能转为电能，利用风力发电非常环保，且能够产生的电能非常巨大，因此越来越多的国家更加重视风力发电，在我国西部地区，风力发电技术已经得到广泛的应用。
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机可分为垂直轴和水平轴，垂直轴风力机又分为阻力型和升力型两大类，其中阻力型的工作原理是一侧风阻大一侧风阻小，使风力机转动，现有的多叶片阻力型风力机不能保证风阻大的一侧每个叶片都正对着风向，因此对风的利用率不高。
发明内容
根据现有技术的至少一个不足之处，本发明提出了一种鼠笼型风力发电机，以解决现有的垂直轴阻力型发电机对风能的利用率不高的问题。
本发明的鼠笼型风力发电机采用如下技术方案：包括：
支架，其上设置有发电组件；
中心轴，其竖直设置且可转动的安装于所述支架，所述中心轴的下端与所述发电组件的输入端相连接；
若干组连接臂，其沿所述中心轴的圆周方向均布，且每组连接臂设置有两个，分别对应安装于所述中心轴的上下两端；
若干叶片，其为三棱柱，所述叶片通过设置于其上下两端的轴心交换机构可转动的连接于每组所述连接臂之间；
所述轴心交换机构具有第一轴孔和第二轴孔，所述叶片在所述连接臂位于第二轴孔时带动所述中心轴转动，所述叶片在所述连接臂位于第一轴孔时在所述中心轴的带动下转动；且
所述轴心交换机构配置成在叶片带动中心轴转动的过程中蓄力，以使连接臂由第二轴孔移动到第一轴孔；以及在叶片在中心轴的带动下转动时蓄力，以使连接臂由第一轴孔移动到第二轴孔。
可选地，所述轴心交换机构包括弹性盒、第一伸缩机构和第二伸缩机构；所述叶片的一个侧面为所述叶片的迎风面；
所述弹性盒安装于所述叶片相对应的上端和下端，所述弹性盒的长度方向平行于所述迎风面，且处于所述迎风面与所述叶片的中线之间，第一轴孔和第二轴孔沿所述弹性盒的长度方向间隔设置于所述弹性盒，所述第一轴孔和所述第二轴孔竖直延伸且通过连通槽相连通，所述第二轴孔的轴心靠近所述叶片的中线；所述叶片的上端面和下端面上对应所述弹性盒设置有异形槽；
所述连接臂的末端伸入所述第二轴孔并与所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构的相应一端相铰接，所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构的另一端安装于所述异形槽的侧壁并与所述异形槽的侧壁滑动连接。
可选地，所述第一伸缩机构包括第一活塞筒、第一活塞杆和第一弹簧，所述第一活塞杆的一端伸入所述第一活塞筒的内部，所述第一弹簧套设于所述第一活塞杆且所述第一弹簧的一端与所述第一活塞杆伸入所述第一活塞筒内部的一端相连接，所述第一弹簧的另一端与所述第一活塞筒相连接，以在所述第一伸缩机构伸长时被压缩；
所述第二伸缩机构包括第二活塞筒、第二活塞杆和第二弹簧，所述第二活塞杆的一端伸入所述第二活塞筒的内部，所述第二弹簧位于所述第二活塞筒内且其一端所述第二活塞筒的内顶面相连接，其另一端与所述第二活塞杆的伸入端相连接，以在所述第二伸缩机构缩短时被压缩；
所述第一活塞筒和所述第二活塞筒与所述连接臂的末端相铰接，所述第一活塞杆和所述第二活塞杆上设置有限位结构，所述限位结构滑动安装于所述异形槽的侧壁。
可选地，所述限位结构包括相连接的连接柱和限位球，所述异形槽的周壁上设置有环绕一周的轨道，所述限位球位于所述轨道内，所述连接柱伸出所述轨道并与所述第一活塞杆或所述第二活塞杆相铰接。
可选地，所述连接臂包括水平杆段和竖直杆段，所述竖直杆段的末端与所述第一轴孔或所述第二轴孔转动连接。
可选地，所述异形槽具有两个对角线，所述异形槽关于每个所述对角线均对称设置，长度较长的对角线与所述迎风面平行。
可选地，所述叶片为中空结构。
可选地，所述弹性盒设置为由两个半部拼合而成，两个半部的对接面均为弹性片，两个所述弹性片围合成所述第一轴孔、第二轴孔和连通槽。
可选地，所述中心轴通过止推轴承安装于所述支架。
本发明的有益效果是：本发明的鼠笼型风力发电机中，叶片通过其上的轴心交换机构和连接臂转动连接，轴心交换结构上设置有和连接臂转动配合的第一轴孔和第二轴孔，叶片为三棱柱结构且第一轴孔或第二轴孔位于叶片重心的外侧（面对风向的一侧）。叶片带动中心轴转动的过程中，连接臂和叶片发生相对转动，在风力作用以及叶片重心等作用下，使得叶片的姿态基本保持不变（风阻大的一侧面朝风向，风阻小的一侧尖朝风向）；进一步地，在中心轴转动的过程中，轴心交换机构的第一伸缩机构和第二伸缩机构沿叶片上的异形槽运动，使得叶片在由风阻大的一侧运动至风阻小的一侧时，至少在第一伸缩机构和第二伸缩机构的带动下由面朝风向变换为尖朝风向，或者使得叶片在由风阻小的一侧运动至风阻大的一侧时，至少在第一伸缩机构和第二伸缩机构的带动下由尖朝风向变换为面朝风向。以此保证叶片在转动的过程中风阻大的一侧始终基本处于面朝风向的状态，风阻小的一侧始终基本处于尖朝风向的状态，提高对风的利用率。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1为本发明的鼠笼型风力发电机的整体结构示意图；
图2为第二叶片运动一周的运动状态图；
图3为图1中A处局部放大图（第二叶片处于图2中a位置处时上部结构示意图）；
图4为图3中去掉弹性盒前半部的内部结构示意图；
图5为图4中展示第一伸缩机构、第二伸缩机构以及异形槽内部连接的结构示意图；
图6为本发明中第二叶片运动到b位置处时上端的内部结构图；
图7为本发明中第二叶片运动到d位置处时上端的内部结构图；
图8为本发明中第二叶片运动到d1位置处时上端的内部结构图；
图9为本发明中第二叶片运动到f位置处时上端的内部结构图；
图10为本发明中第二叶片及其上轴心交换结构的结构示意图；
图11为图5中B处局部放大图。
图中：1、支架；2、发电组件；3、止推轴承；4、第一叶片；5、第二叶片；6、第三叶片；7、第四叶片；8、第五叶片；9、第六叶片；10、中心轴；11、连接臂；12、弹性盒；13、第一活塞筒；14、第一活塞杆；15、异形槽；16、轨道；17、第二活塞筒；18、第二活塞杆；19、第一轴孔；20、连接柱；21、限位球；22、第二轴孔；23、弹性片；24、连通槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1至图11所示，本发明的鼠笼型风力发电机，包括支架1、中心轴10、若干组连接臂11和若干叶片。支架1上设置有发电组件2，支架1可通过地脚螺栓安装于底面，发电组件2内部设有鼠笼式电机。中心轴10竖直设置且可转动的安装于支架1，中心轴10的下端与发电组件2的输入端相连接。若干组连接臂11沿中心轴10的圆周方向均布，且每组连接臂11均设置有两个，分别对应安装于中心轴10的上下两端。若干叶片设置为三棱柱状，每个叶片通过设置于其上下两端的轴心交换机构可转动的连接于每组连接臂11之间。风吹动叶片转动，叶片通过连接臂11带动中心轴10转动，进而驱动发电组件2工作以输出电能。
轴心交换机构具有第一轴孔19和第二轴孔22，叶片在连接臂11位于第二轴孔22时带动中心轴10转动，叶片在连接臂11位于第一轴孔19时在中心轴10的带动下转动；且轴心交换机构配置成在叶片带动中心轴10转动的过程中蓄力，以使连接臂11由第二轴孔22移动到第一轴孔19；以及在叶片在中心轴10的带动下转动时蓄力，以使连接臂11由第一轴孔19移动到第二轴孔22。
在本实施例中，轴心交换机构包括弹性盒12、第一伸缩机构和第二伸缩机构，叶片的一个侧面为叶片的迎风面。弹性盒12安装于叶片相对应的上端和下端，弹性盒12的长度方向平行于迎风面，且处于迎风面与叶片的中线之间，第一轴孔19和第二轴孔22沿弹性盒12的长度方向间隔设置于弹性盒12，第一轴孔19和第二轴孔22竖直延伸且通过连通槽24相连通，第二轴孔22的轴心靠近叶片的中线。叶片的上端面和下端面上对应弹性盒12设置有异形槽15，异形槽15具有两个对角线，异形槽15关于每个对角线均对称设置，长度较长的对角线与迎风面平行。连接臂11的末端伸入第二轴孔22并与第一伸缩机构和第二伸缩机构的相应一端相铰接，第一伸缩机构和第二伸缩机构的另一端安装于异形槽15的侧壁并与异形槽15的侧壁滑动连接。
在本实施例中，第一伸缩机构包括第一活塞筒13、第一活塞杆14和第一弹簧，第一活塞杆14的一端伸入第一活塞筒13的内部，第一弹簧套设于第一活塞杆14且第一弹簧的一端与第一活塞杆14伸入第一活塞筒13内部的一端相连接，第一弹簧的另一端与第一活塞筒13相连接，以在第一伸缩机构伸长时被压缩。第二伸缩机构包括第二活塞筒17、第二活塞杆18和第二弹簧，第二活塞杆18的一端伸入第二活塞筒17的内部，第二弹簧位于第二活塞筒17内且其一端第二活塞筒17的内顶面相连接，其另一端与第二活塞杆18的伸入端相连接，以在第二伸缩机构缩短时被压缩。第一活塞筒13和第二活塞筒17与连接臂11的末端相铰接，第一活塞杆14和第二活塞杆18上设置有限位结构，限位结构滑动安装于异形槽15的侧壁。
在本实施例中，限位结构包括相连接的连接柱20和限位球21，异形槽15的周壁上设置有环绕一周的轨道16，限位球21位于轨道16内，连接柱20伸出轨道16并与第一活塞杆14或第二活塞杆18相铰接。
在本实施例中，连接臂11包括水平杆段和竖直杆段，竖直杆段的末端与第一轴孔19或第二轴孔22转动连接。
在本实施例中，叶片为中空结构，以便于叶片转动。
在本实施例中，为便于装拆，弹性盒12设置为由两个半部拼合而成，两个半部的对接面均为弹性片23，两个弹性片23围合成第一轴孔19、第二轴孔22和连通槽24。
在本实施例中，中心轴10通过止推轴承3安装于支架1，以便于中心轴10的转动。
在本实施例中，本发明提供的优选实施例设置了六个叶片，分别命名为第一叶片4、第二叶片5、第三叶片6、第四叶片7、第五叶片8以及第六叶片9。图中箭头所示方向为风向，常规无风状态下，第二叶片5、第三叶片6和第四叶片7均以图2中第二叶片5在a位置处的状态（顶角朝向中心轴10的方向）安装，如图5所示，其上的第二轴孔22与连接臂11配合转动连接，第一弹簧和第二弹簧均处于放松状态，第一伸缩结构和第二伸缩结构的末端分别处于异形槽15的两个端点，第一伸缩机构的长度小于第二伸缩机构的长度。第一叶片4、第五叶片8和第六叶片9以靠近第一轴孔19的顶角朝向中心轴10的方向进行安装，其上的第一轴孔19与连接臂11配合转动连接，第一弹簧和第二弹簧同样均处于放松状态，第一伸缩结构和第二伸缩结构的末端分别处于异形槽15的两个端点，第一伸缩机构的长度小于第二伸缩机构的长度。
使用时，如图1所示，将本发明的鼠笼型发电机置于室外开阔无遮挡的环境中，使第二叶片5正对风向。风吹向叶片，因叶片受到的空气阻力不同（面朝风向风阻大，尖朝风向风阻小），叶片通过连接臂11带动中心轴10顺时针转动。叶片带动中心轴10转动的同时，由于叶片的重心位于三棱柱的中心处，使得叶片发生偏转后均能够自行调整为至少接近图1所示初始使用状态，也就是风阻大的一侧的叶片始终基本处于面朝风向的状态，风阻小的一侧的叶片始终基本处于尖朝风向的状态。
进一步地，以第二叶片5为例介绍每个叶片的工作过程，图2所示为第二叶片5在不同位置处的运动状态图。因叶片通过轴心交换机构和连接臂11转动连接，在第二叶片5从a运动到d的过程中，因风力以及叶片的重心等原因第二叶片5的姿态基本保持不变，则中心轴10转动的过程中使得连接臂11带动其末端相对于第二叶片5发生转动，连接臂11相对于第二叶片5顺时针转动带动第一伸缩机构和第二伸缩机构沿异形槽15顺时针转动（如图6所示）。最终第一伸缩机构和第二伸缩机构越过长度较短的对角线以进行位置交换，如图7所示，第一弹簧和第二弹簧被压缩蓄力，如在d位置处第二叶片5开始状态转换。在状态转换的过程中，至少在其他叶片的带动下、风力的作用下以及第一弹簧和第二弹簧释放蓄力的作用下，连接臂11的末端相对于第二叶片5沿连通槽24向第一轴孔19的方向移动，并最终移动至第一轴孔19，第二叶片5由面朝风向变换成尖朝风向（如图8所示），如在d1位置完成转换。后依次经过e、f、f1位置，最终运动到a位置。变换过后直至下次变换前，因风力以及叶片的重心等原因使得第二叶片5姿态基本保持不变，第二叶片5的阻力比较小，也就是说叶片运动一周使得在风的作用下提供的动力大于阻力。
同样地，在第二叶片5从d1运动到a的过程中，由由于连接臂11会相对于第二叶片5顺时针转动，并带动第一伸缩机构和第二伸缩机构沿异形槽15顺时针转动，最终使得第一伸缩机构和第二伸缩机构再次交换位置（也可以说是回到初始位置），如图9所示，第一弹簧和第二弹簧被压缩蓄力，如在f位置处第二叶片5开始状态转换。在状态转换的过程中，至少在其他叶片的带动下、在风力的作用下以及第一弹簧和第二弹簧释放蓄力的作用下，连接臂11的末端相对于第二叶片5沿连通槽24向第二轴孔22的方向移动，并最终移动至第二轴孔22，第二叶片5由尖朝风向变换成面朝风向，如在f1位置完成转换。
转动过程中叶片由风阻小的一侧转动至风阻大的一侧时，叶片由尖朝风变换成面朝风；转动过程中叶片由风阻大的一侧转动至风阻小的一侧时，叶片由面朝风变换成尖朝风，循环往复，以此能够保证叶片转动至风阻大的一侧时始终基本处于面朝风向，转动至风阻小的一侧时始终基本处于尖朝风向，提高对风的利用率。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.鼠笼型风力发电机，其特征在于：包括：
支架，其上设置有发电组件；
中心轴，其竖直设置且可转动的安装于所述支架，所述中心轴的下端与所述发电组件的输入端相连接；
若干组连接臂，其沿所述中心轴的圆周方向均布，且每组连接臂设置有两个，分别对应安装于所述中心轴的上下两端；
若干叶片，其为三棱柱，所述叶片通过设置于其上下两端的轴心交换机构可转动的连接于每组所述连接臂之间；
所述轴心交换机构具有第一轴孔和第二轴孔，所述叶片在所述连接臂位于第二轴孔时带动所述中心轴转动，所述叶片在所述连接臂位于第一轴孔时在所述中心轴的带动下转动；且
所述轴心交换机构配置成在叶片带动中心轴转动的过程中蓄力，以使连接臂由第一二轴孔移动到第一轴孔；以及在叶片在中心轴的带动下转动时蓄力，以使连接臂由第一轴孔移动到第二轴孔；
所述轴心交换机构包括弹性盒、第一伸缩机构和第二伸缩机构；所述叶片的一个侧面为所述叶片的迎风面；所述弹性盒安装于所述叶片相对应的上端和下端，所述弹性盒的长度方向平行于所述迎风面，且处于所述迎风面与所述叶片的中线之间，第一轴孔和第二轴孔沿所述弹性盒的长度方向间隔设置于所述弹性盒，所述第一轴孔和所述第二轴孔竖直延伸且通过连通槽相连通，所述第二轴孔的轴心靠近所述叶片的中线；所述叶片的上端面和下端面上对应所述弹性盒设置有异形槽；
所述连接臂的末端伸入所述第二轴孔并与所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构的相应一端相铰接，所述第一伸缩机构和所述第二伸缩机构的另一端安装于所述异形槽的侧壁并与所述异形槽的侧壁滑动连接。
2.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述第一伸缩机构包括第一活塞筒、第一活塞杆和第一弹簧，所述第一活塞杆的一端伸入所述第一活塞筒的内部，所述第一弹簧套设于所述第一活塞杆且所述第一弹簧的一端与所述第一活塞杆伸入所述第一活塞筒内部的一端相连接，所述第一弹簧的另一端与所述第一活塞筒相连接，以在所述第一伸缩机构伸长时被压缩；
所述第二伸缩机构包括第二活塞筒、第二活塞杆和第二弹簧，所述第二活塞杆的一端伸入所述第二活塞筒的内部，所述第二弹簧位于所述第二活塞筒内且其一端所述第二活塞筒的内顶面相连接，其另一端与所述第二活塞杆的伸入端相连接，以在所述第二伸缩机构缩短时被压缩；
所述第一活塞筒和所述第二活塞筒与所述连接臂的末端相铰接，所述第一活塞杆和所述第二活塞杆上设置有限位结构，所述限位结构滑动安装于所述异形槽的侧壁。
3.根据权利要求2所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述限位结构包括相连接的连接柱和限位球，所述异形槽的周壁上设置有环绕一周的轨道，所述限位球位于所述轨道内，所述连接柱伸出所述轨道并与所述第一活塞杆或所述第二活塞杆相铰接。
4.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述连接臂包括水平杆段和竖直杆段，所述竖直杆段的末端与所述第一轴孔或所述第二轴孔转动连接。
5.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述异形槽具有两个对角线，所述异形槽关于每个所述对角线均对称设置，长度较长的对角线与所述迎风面平行。
6.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述叶片为中空结构。
7.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述弹性盒设置为由两个半部拼合而成，两个半部的对接面均为弹性片，两个所述弹性片围合成所述第一轴孔、第二轴孔和连通槽。
8.根据权利要求1所述的鼠笼型风力发电机，其特征在于：所述中心轴通过止推轴承安装于所述支架。
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