CN113236494B - 一种新能源垂直轴风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种新能源垂直轴风力发电机。包括支架、中心筒架、差速筒、若干叶片、第一传动机构和若干第二传动机构等，支架上设置有中心轴，中心筒架可转动地套设于中心轴，中心筒架内具有蓄力装置且可滑动地安装有伸缩臂，每个叶片均与伸缩臂的外端相连接，差速筒套设于中心筒架并通过第一传动机构与中心筒架同方向且快速的转动连接，第二传动机构包括连接在叶片和差速筒之间的传动叉。本发明在叶片带动中心筒架转动的过程中，传动叉在差速筒的驱动下以及蓄力装置的作用下向外或向内运动，使靠近沿风向两侧的叶片的伸缩臂伸长，靠近对风向两侧的叶片的伸缩臂缩短，以减弱阻力效果，增强助力效果，提高对风的利用率。

Description

一种新能源垂直轴风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种新能源垂直轴风力发电机。
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，风力机在对风向的两侧附近有阻碍风力机旋转的升力，而沿风向两侧的附近推动风力机旋转的升力最大。现有技术中的风力机叶片和中心转轴大都通过连接臂固连，叶片距中心轴的距离不变，使得在叶片转一周的过程中，有时受阻有时受推，对风能的利用率不高，同时风力过大时容易将结构破坏，影响设备使用。
发明内容
根据现有技术的至少一个不足之处，本发明提出了一种新能源垂直轴风力发电机，以解决现有的风力机对风的利用率不高的问题。
本发明的一种新能源垂直轴风力发电机采用如下技术方案：包括：
支架，其上设置有竖直延伸的中心轴以及发电组件；
中心筒架，其包括连接筒和位于连接筒上下两端的若干伸缩架，所述连接筒可转动地套设于所述中心轴且与所述发电组件的输入端相连接，所述伸缩架沿所述连接筒的周向均匀分布，所述伸缩架内具有蓄力装置且可滑动地安装有伸缩臂，所述蓄力装置使所述伸缩臂保持处于初始位置；
差速筒，其套设于所述连接筒并与所述连接筒同轴转动；
若干叶片，其沿所述中心轴的圆周方向均布，每个所述叶片的上下两端均与所述伸缩臂的外端相连接；
第一传动机构，设置于所述差速筒和所述连接筒之间，以使所述差速筒与所述连接筒同方向转动且所述差速筒的转速大于所述中心筒架的转速；和
若干第二传动机构，其设置于所述差速筒和所述叶片之间，以在所述叶片带动所述中心筒架转动一圈的过程中，所述差速筒通过第二传动机构使得所述叶片循环进行第一次向外运动、第一次停止运动、第一次向内运动、第二次停止运动、第二次向外运动、第三次停止运动、第二次向内运动和第四次停止运动。
可选地，所述第二传动机构包括传动叉和弹性装置，所述传动叉的一端与所述叶片相连接，另一端插装于所述差速筒的外圆面；所述叶片上与所述传动叉的连接处设置有沿所述叶片宽度方向延伸的安装槽，所述弹性装置位于所述安装槽内，以使所述传动叉在初始状态下处于所述叶片的中间位置；
所述差速筒上对应每个所述传动叉均设置有首尾连接的摩擦面和光滑面，每个所述摩擦面和光滑面的上下两侧突出设置有限位沿，以用于安装所述传动叉。
可选地，所述叶片的上下两端设置有转动孔和沿其宽度方向延伸的滑槽，所述滑槽的两端位于所述叶片中间位置的两侧，且所述滑槽的一端靠近所述叶片的一侧，另一端靠近所述叶片的中间位置并贯穿所述转动孔内，所述伸缩臂的外端插入所述滑槽并沿所述滑槽滑动。
可选地，所述第一传动机构包括行星轮、太阳轮和传动齿圈，所述太阳轮设置于所述中心轴的外周壁面，所述传动齿圈设置于所述差速筒的内周壁面，所述行星轮安装于所述中心筒架并与所述太阳轮以及所述传动齿圈相啮合。
可选地，所述蓄力装置包括第一弹簧和第二弹簧，所述伸缩臂的内端设置有止挡块，所述第一弹簧和所述第二弹簧均位于所述伸缩架的内部且分别位于所述止挡块的两侧。
可选地，所述弹性装置包括第三弹簧和第四弹簧，所述传动叉包括相互连接的杆体和叉体，所述叉体与所述差速筒相连接，所述杆体与所述叶片相连接且位于所述安装槽内，所述第三弹簧和所述第四弹簧分别设置于所述杆体的两侧。
可选地，所述叶片上设置有用于安装所述传动叉的安装座，所述安装槽设置于所述安装座内。
可选地，所述连接筒包括上筒体和下筒体，所述上筒体和所述下筒体通过若干连接柱连接，所述行星轮安装于所述连接柱。
可选地，所述叶片为流线型结构。
可选地，所述连接筒通过第三传动机构与所述发电组件的输入端相连接。
本发明的有益效果是：本发明的一种新能源垂直轴风力发电机，设置了中心筒架、差速筒、伸缩臂、以及传动叉等结构，中心筒架的内部设置有蓄力装置，叶片通过伸缩臂连接中心筒架且通过传动叉连接差速筒，差速筒套设于中心筒架并通过第二传动机构与中心筒架传动连接，以使得差速筒相较于中心筒架同向快速转动，进而使得差速筒和传动叉产生相对转动。在叶片带动中心筒架转动的过程中，传动叉在差速筒的驱动下以及蓄力装置的作用下向外运动或者向内运动，以将靠近沿风向两侧（包括沿风向两侧）的叶片对应的伸缩臂伸长使叶片向外运动，靠近对风向两侧的叶片对应的伸缩臂缩短使叶片向内运动，进而使阻力的效果减弱，助力的效果增强，提高对风的利用率。
进一步地，本发明中，叶片上安装伸缩臂的位置设置有相连通的滑槽和转动孔，在风力较大时，伸缩臂外端的竖直方轴沿滑槽运动至转动孔内使得伸缩臂和叶片发生相对转动，在风力以及叶片的重心等作用下，叶片发生偏转，该叶片相对应的传动叉与差速筒的接触侧面改变，改变后的侧面和差速筒顶压接触，差速筒驱动传动叉向内运动同时第二弹簧也会带动伸缩臂向内运动，使得伸缩臂尽快缩短，减小助力效果，防止装置在大风中被破坏。
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为本发明的一种新能源垂直轴风力发电机的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明第一叶片运动一周的运动状态图；
图4为图2中A-A处剖视图；
图5为图4中D处放大图；
图6为图4中B-B处剖视图；
图7为图4中C-C处剖视图；
图8为本发明中心筒架的结构示意图；
图9为图8 中E处局部放大图；
图10为本发明叶片及安装座的结构示意图；
图11为本发明差速筒的结构示意图。
图中：1、支架；2、中心轴；3、第一叶片；4、第二叶片；5、第三叶片；6、第四叶片；7、中心筒架；8、差速筒；9、伸缩臂；10、传动叉；11、发电组件；12、行星轮；15、第一弹簧；16、第二弹簧；18、第三弹簧；19、第四弹簧；22、伸缩架；23、连接筒；24、连接柱；26、滑槽；27、转动孔；28、安装槽；29、光滑面；30、摩擦面；31、限位沿；32、安装座。
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，本发明的一种新能源垂直轴风力发电机（以下简称风力发电机），包括支架1、中心筒架7、差速筒8、若干叶片、第一传动机构和若干第二传动机构。支架1上设置有竖直延伸的中心轴2以及发电组件11；中心筒架7包括连接筒23和位于连接筒23上下两端的若干伸缩架22，伸缩架22沿连接筒23的周向均匀分布，伸缩架22内具有蓄力装置且可滑动地安装有伸缩臂9，蓄力装置使伸缩臂9保持处于初始位置，连接筒23可转动地套设于中心轴2且与发电组件11的输入端相连接。若干叶片沿中心轴2的圆周方向均布，每个叶片的上下两端均与伸缩臂9的外端相连接，叶片为流线型结构。差速筒8套设于连接筒23并与连接筒23同轴转动；第一传动机构设置于差速筒8和连接筒23之间，以使差速筒8与连接筒23同方向转动且差速筒8的转速大于中心筒架7的转速。若干第二传动机构设置于差速筒8和叶片之间，以在叶片带动中心筒架7转动一圈的过程中，差速筒8通过第二传动机构使得叶片循环进行第一次向外运动、第一次停止运动、第一次向内运动、第二次停止运动、第二次向外运动、第三次停止运动、第二次向内运动和第四次停止运动。
在本实施例中，第二传动机构包括传动叉10和弹性装置，传动叉10的一端与叶片相连接，另一端插装于差速筒8的外圆面。叶片上与传动叉10的连接处设置有沿叶片宽度方向延伸的安装槽28，弹性装置位于安装槽28内，以使传动叉10在初始状态下处于叶片的中间位置。差速筒8上对应每个传动叉10均设置有首尾连接的摩擦面30和光滑面29，每个摩擦面30和光滑面29的上下两侧突出设置有限位沿31，以用于安装传动叉10。需要说明的是，为使得本发明的风力发电机受力均衡，系统运行更加稳定，每个叶片上均设置两个第二传动机构，也就是每个叶片上设置两个传动叉10，全部传动叉10沿差速筒8的轴向方向均匀间隔设置。
在本实施例中，叶片的上下两端设置有转动孔27和沿其宽度方向延伸的滑槽26，滑槽26的两端位于叶片中间位置的两侧，且滑槽26的一端靠近叶片的一侧，另一端靠近叶片的中间位置并贯穿转动孔27内，伸缩臂9的外端插入滑槽26并沿滑槽26滑动。需要说明的是，伸缩臂9的外端设置有插入滑槽26的竖直方轴，当竖直方轴和滑槽26配合时，伸缩臂9和叶片不能相对转动，当竖直方轴沿滑槽26运动至转动孔27内时，伸缩臂9和叶片能相对转动。
在本实施例中，第一传动机构包括行星轮12、太阳轮和传动齿圈，太阳轮设置于中心轴2的外周壁面，传动齿圈设置于差速筒8的内周壁面，或者传动齿圈与差速筒8的内周壁面一体成型，行星轮12安装于中心筒架7并与太阳轮以及传动齿圈相啮合。
在本实施例中，蓄力装置包括第一弹簧15和第二弹簧16，伸缩臂9的内端设置有止挡块，第一弹簧15和第二弹簧16均位于伸缩架22的内部且分别位于止挡块的两侧。
在本实施例中，弹性装置包括第三弹簧18和第四弹簧19，传动叉10包括相互连接的杆体和叉体，叉体与差速筒8相连接，杆体与叶片相连接且位于安装槽28内，第三弹簧18和第四弹簧19分别设置于杆体的两侧。
在本实施例中，叶片上设置有用于安装传动叉10的安装座32，安装槽28设置于安装座32内。
在本实施例中，连接筒23包括上筒体和下筒体，上筒体和下筒体通过若干连接柱24连接，行星轮12安装于连接柱24。
在本实施例中，连接筒23通过第三传动机构与发电组件11的输入端相连接，第三传动机构为锥齿轮传动。
在本实施例中，本发明给出的优选实施例设置了四个叶片，四个叶片均为流线型叶片，分别命名为第一叶片3、第二叶片4、第三叶片5和第四叶片6。初始状态下，第一弹簧15和第二弹簧16处于压缩状态并使得伸缩臂9伸出量一致，第三弹簧18和第四弹簧19处于压缩状态并使得传动叉10的杆体处于叶片的中间位置。
使用时，将本发明的风力发电机置于室外开阔无遮挡的环境中，如图1、图2所示（图中箭头所示为风向，其余相同），风吹动叶片，叶片逆时针转动并通过伸缩臂9带动中心筒架7转动，中心筒架7的连接筒23通过第三转动装置与发电组件11的输入端相连接，以驱动发电组件11工作并输出电能。
中心筒架7转动的过程中带动行星轮12沿中心轴2转动，行星轮12转动驱动差速筒8转动，差速筒8与中心筒架7转动方向一致且转速较快，使得传动叉10和差速筒8之间产生相对转动，传动叉10在差速筒8的驱动下以及蓄力装置（第一弹簧15和第二弹簧16）的作用下向外运动或者向内运动，以将靠近沿风向两侧（包括沿风向两侧）的叶片对应的伸缩臂9伸长，靠近对风向两侧的叶片对应的伸缩臂9缩短，使阻力的效果减弱，助力的效果增强，提高对风的利用率。
进一步地，在受到大风，且风力大于预设值时，叶片转动使伸缩臂9沿滑槽26运动至转动孔27内，伸缩臂9能够相对于叶片转动，叶片在风力作用下发生偏转，使得传动叉10的叉体与差速筒8摩擦传动的侧面发生改变，差速筒8驱动传动叉10向内移动，使得部分沿风向的叶片所对应的伸缩臂9向内收缩变短，减小助力效果，防止装置在大风中被损坏。
下面以第一叶片3为例，介绍所有叶片的工作过程，图3为第一叶片3运动一周的运动状态图。
第一叶片3沿顺时针方向转动（参考图7，图7为图4中C-C剖视图，故图7所示旋转方向与图3相反），在转动到a位置的过程中，压缩第四弹簧19进而推动传动叉10，使传动叉10的叉体受推的一侧面（图7中后侧面）与差速筒8顶压接触，差速筒8的摩擦面30和传动叉10摩擦传动，因差速筒8和传动叉10的转速差，差速筒8将传动叉10向外（远离中心轴2的方向）推动，传动叉10向外运动带动第一叶片3向外运动(对应上述差速筒8使得叶片第一次向外运动)并使伸缩臂9向外伸出，增强助力效果。在传动叉10向外运动使伸缩臂9不断伸出的过程中，如图6所示，第二弹簧16被压缩，伸缩臂9变长，助力效果变强。
当第一叶片3越过图3中a位置时，差速筒8的光滑面29和传动叉10接触使得差速筒8和传动叉10脱离传动（对应上述差速筒8使得叶片第一次停止运动），第二弹簧16和第一弹簧15复位带动传动叉10向内滑动，使得伸缩臂9向内收缩变短，以减小阻力效果，直至第一弹簧15和第二弹簧16在无外力的情况下平衡。后，风力使传动叉10的另一边（图7中前侧面）逐渐压紧摩擦面30，摩擦面30再次与传动叉10配合，差速筒8与传动叉10恢复传动并驱动传动叉10继续向内运动（对应上述差速筒8使得叶片第一次向内运动），以将阻力减小。当第一叶片3越过图3中b位置时，光滑面29与传动叉10接触，差速筒8与传动叉10再次脱离传动（对应上述差速筒8使得叶片第二次停止运动），第二弹簧16和第一弹簧15复位带动传动叉10向外滑动，使得伸缩臂9向外伸出，直至第一弹簧15和第二弹簧16在无外力的情况下平衡。后，摩擦面30再与传动叉10配合，风力使传动叉10的另一边（图7中后侧面）逐渐压紧摩擦面30，差速筒8与传动叉10恢复传动并驱动传动叉10继续向外运动（(对应上述差速筒8使得叶片第二次向外运动)）。在第一叶片3运动并运动至c位置处后，按照上述从a至b至c的过程，运转从c至d至a的过程，并以此周转。
在第一叶片3首次运动一周的过程中，利用风能使第一弹簧15和第二弹簧16蓄能，第一弹簧15和第二弹簧16蓄积的内能转化为第一叶片3外移和内移的动能，使得第一叶片3在后续的转动过程中，至少利用第一弹簧15和第二弹簧16的蓄能伸出到最大位置和缩回到最小位置，理论上不再消耗风能，提高风能利用率。当然，在实际工作过程中，摩擦面30与传动叉10的相互作用可以进一步补充能量，保证第一叶片3在后续的转动过程中，可伸出到最大位置和缩回到最小位置，如此便可以减少第一叶片3在内外移动的过程中对风能的消耗。
当风力较小时，伸缩臂9外端的竖直方轴沿滑槽26移动但无法运动至转动孔27内，伸缩臂9和滑槽26配合使得伸缩臂9和叶片不能相对转动。
当风力较大且大于预设值时，至少在叶片转动到a位置附近时，对应的伸缩臂9外端的竖直方轴运动至转动孔27内，伸缩臂9和转动孔27配合使得伸缩臂9和叶片发生相对转动，在风力以及叶片的重心作用下，叶片转动，会使该叶片相对应的传动叉10与差速筒8的接触侧面改变，改变后的侧面和差速筒8顶压接触，差速筒8驱动传动叉10向内运动同时第二弹簧16也会带动伸缩臂9向内运动，使得伸缩臂9尽快缩短。也就是说，所有的叶片运动至a位置附近时均会快速内缩，减小助力效果，防止装置在大风中被破坏。直至风力变小到正常状态，伸缩臂9外端的竖直方轴退出转动孔27，叶片按照上述描述的第一叶片3的工作过程正常进行外移或者内移。
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 (9)

1.一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：包括：
支架，其上设置有竖直延伸的中心轴以及发电组件；
中心筒架，其包括连接筒和位于连接筒上下两端的若干伸缩架，所述连接筒可转动地套设于所述中心轴且与所述发电组件的输入端相连接，所述伸缩架沿所述连接筒的周向均匀分布，所述伸缩架内具有蓄力装置且可滑动地安装有伸缩臂，所述蓄力装置使所述伸缩臂保持处于初始位置；
差速筒，其套设于所述连接筒并与所述连接筒同轴转动；
若干叶片，其沿所述中心轴的圆周方向均布，每个所述叶片的上下两端均与所述伸缩臂的外端相连接；
第一传动机构，设置于所述差速筒和所述连接筒之间，以使所述差速筒与所述连接筒同方向转动且所述差速筒的转速大于所述中心筒架的转速；和
若干第二传动机构，其设置于所述差速筒和所述叶片之间，以在所述叶片带动所述中心筒架转动一圈的过程中，所述差速筒通过第二传动机构使得所述叶片循环进行第一次向外运动、第一次停止运动、第一次向内运动、第二次停止运动、第二次向外运动、第三次停止运动、第二次向内运动和第四次停止运动；
所述第二传动机构包括传动叉和弹性装置，所述传动叉的一端与所述叶片相连接，另一端插装于所述差速筒的外圆面；所述叶片上与所述传动叉的连接处设置有沿所述叶片宽度方向延伸的安装槽，所述弹性装置位于所述安装槽内，以使所述传动叉在初始状态下处于所述叶片的中间位置；
所述差速筒上对应每个所述传动叉均设置有首尾连接的摩擦面和光滑面，每个所述摩擦面和光滑面的上下两侧突出设置有限位沿，以用于安装所述传动叉。
2.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述叶片的上下两端设置有转动孔和沿其宽度方向延伸的滑槽，所述滑槽的两端位于所述叶片中间位置的两侧，且所述滑槽的一端靠近所述叶片的一侧，另一端靠近所述叶片的中间位置并贯穿所述转动孔内，所述伸缩臂的外端插入所述滑槽并沿所述滑槽滑动。
3.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述第一传动机构包括行星轮、太阳轮和传动齿圈，所述太阳轮设置于所述中心轴的外周壁面，所述传动齿圈设置于所述差速筒的内周壁面，所述行星轮安装于所述中心筒架并与所述太阳轮以及所述传动齿圈相啮合。
4.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述蓄力装置包括第一弹簧和第二弹簧，所述伸缩臂的内端设置有止挡块，所述第一弹簧和所述第二弹簧均位于所述伸缩架的内部且分别位于所述止挡块的两侧。
5.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述弹性装置包括第三弹簧和第四弹簧，所述传动叉包括相互连接的杆体和叉体，所述叉体与所述差速筒相连接，所述杆体与所述叶片相连接且位于所述安装槽内，所述第三弹簧和所述第四弹簧分别设置于所述杆体的两侧。
6.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述叶片上设置有用于安装所述传动叉的安装座，所述安装槽设置于所述安装座内。
7.根据权利要求3所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述连接筒包括上筒体和下筒体，所述上筒体和所述下筒体通过若干连接柱连接，所述行星轮安装于所述连接柱。
8.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述叶片为流线型结构。
9.根据权利要求1所述的一种新能源垂直轴风力发电机，其特征在于：所述连接筒通过第三传动机构与所述发电组件的输入端相连接。
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