CN113482858A - 一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，包括塔筒和发电机，发电机通过回转轴承旋转设置在塔筒顶部，发电机两侧对称设置有十字形的滚轮，滚轮与发电机动力输入轴连接，发电机外壳上向滚轮后部方向延伸设置有鱼尾形三角尾舵，滚轮侧面为迎风面，滚轮迎风面为供风流穿过的镂空框架，在镂空框架内沿滚轮支架的体长设置若干叶片填充，叶片一条边连接叶片轴，通过叶片轴穿插在滚轮上，并在叶片轴上套设有扭簧。本发明可以极大地提高扭力，自动寻风，实现发电效率的提升，并可以根据风速自动调节扭力，提升抗大风能力。

Description

一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置及发电方法

技术领域

本发明属于风力发电设备领域，具体涉及一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置及发电方法。

背景技术

传统的风力发电装置按照轴向可分为水平轴风力发电装置和竖直轴风力发电装置，其中水平轴风力发电装置是在承重柱上安装一个风轮，风轮带动转轴转动实现发电。

现有的水平轴风力发电装置为螺旋桨式，轴向压力大，风速折损大，抗大风能力弱，稳定性差，扭力小，综合发电效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，可以极大地提高扭力，自动寻风，实现发电效率的提升，在遇大风时可以根据风速自动调节转速，保持恒速，提升抗大风能力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，包括塔筒和发电机，发电机通过回转轴承旋转设置在塔筒顶部，发电机两侧对称设置有十字形的滚轮，滚轮与发电机动力输入轴连接，发电机外壳上向滚轮后部方向延伸设置有鱼尾形三角尾舵，滚轮侧面为迎风面，滚轮迎风面为供风流穿过的镂空框架，在镂空框架内沿滚轮支架的体长设置若干叶片填充，叶片一条边连接叶片轴，通过叶片轴穿插在滚轮上，并在叶片轴上套设有扭簧。

进一步的，扭簧为两种，一种为粗扭簧，另一种为细扭簧，两种扭簧分别安装在叶片轴两端，安装方向相反。

进一步的，滚轮包括底座器和力臂支架，底座器为圆形，力臂支架为四个，四个力臂支架沿十字分布设置在底座器上，底座器与力臂支架垂直面的中心有圆孔，圆孔设有与发电机动力输入轴相互啮合的平键。

进一步的，力臂支架中部设置有U形角码，两个相邻的力臂支架通过连接杆配合U形角码连接固定。

进一步的，力臂支架由两块对称的等腰梯形板材构成的，板材上幵设有若干形镂空和叶片轴安装孔，板材较大一端安装在底座器上，两个板材较小一端悬空，两个板材中部通过U形角码连接固定，两个板材之间的中部延伸到小头为叶片填充区，两个板材之间的中部延伸到根部供风流通过的镂空区。

进一步的，滚轮上半圆是顺风区，下半圆是逆风区，当叶片位于顺风区时，叶片重心在叶片轴支点的下方，叶片受重力影响旋转闭合将镂空框架填充，并由粗扭簧限位，当叶片位于逆风区时，叶片重心是在叶片轴支点的上方，叶片自重与细扭簧扭力抵消，并受风力吹拂影响打开，供风流过。

进一步的，滚轮迎风面上半圆投影面面积大于下半圆投影面面积，滚轮上半圆为工作区域。

进一步的，捕捉风的动能就是风速和面积，既能量等于风速乘以面积，公式为E＝VS。

一种风力发电方法，步骤如下：

步骤一、将双滚轮风力发电机安装在风场；

步骤二、当风向吹拂向双滚轮风力发电机时，其鱼尾形三角尾舵可以在风的吹拂下带动发电机旋转至顺风方向，从而使滚轮迎风面对向风流方向，实现自动寻风；

步骤三、风流向双滚轮风力发电机迎风面吹拂，滚轮滚动是属于圆运动，有半圆是顺风方向，又有半圆是逆风方向，当风流从迎风面吹向滚轮时，扭簧的特性是一侧受力一侧不受力的，因此处于顺风部位的叶片会被粗扭簧所限位，填充滚轮的镂空处，而处于逆风部位的叶片是受细扭簧限位，又因逆风区的叶片重心是在支点的上方，只要微风轻吹拂，会自动向一侧旋转打开，从而使风可以穿过，使滚轮转动带动发电机转动进行发电；

步骤四、当风力过大时，叶片会因为风力超过扭簧扭力从而旋转打开开口，使风流通过，减少滚轮扭力。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1.滚轮实现了顺风区叶片闭合，投影面最大，逆风区叶片打开，投影面最小，在圆运动过程中，滚轮上半部分在顺风区由风流带动，下半部分逆风区则风流穿过，得到了风能最大化利用，解决了圆运动无法应用到风力发电领域的天然屏障。2.本发明采用双滚轮风力驱动，在经风吹拂过程中只会增加滚轮旋转的扭力，不会增加横向载荷力，因滚轮是半圆受力，受力平均值是45度，而45度位是圆直径的1/4，所以横向载荷力对塔筒的横向作用力也是1/4，使本发明为螺旋桨塔筒四倍负荷的负载，极大地提高扭力。3.叶片开合度随风力自调，在大风情况下.扭力自调，提升抗大风能力。4.当风向吹拂的是非迎风面时，其鱼尾形三角尾舵可以在风的吹拂下带动发电机旋转至顺风方向，从而使滚轮迎风面对向风流方向，实现自动寻风。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构主视图；

图3为本发明风速过大顺风区叶片打开示意图；

图4为本发明风速过大顺风区叶片打开主视图；

图5为本发明工作示意图；

图6为本发明工作局部示意图；

图7为本发明叶片结构示意图；

图8为本发明滚轮旋转运动工作区示意图；

图9为本发明顺风区和逆风区叶片全开示意图；

图10为本发明发电功率1KW时轴向力与径向力比例示意图

图11为螺旋桨发电机发电功率1KW时轴向力与径向力比例示意图；

图12为本发明发电功率2KW时轴向力与径向力比例示意图

图13为螺旋桨发电机发电功率2KW时轴向力与径向力比例示意图；

图14为本发明发电功率4KW时轴向力与径向力比例示意图

图15为螺旋桨发电机发电功率4KW时轴向力与径向力比例示意图；

图中：1.塔筒、2.发电机、3.回转轴承、4.滚轮、5.底座器、6.力臂支架、7.三角尾舵、8.迎风面、9.镂空框架、10.叶片、11.叶片轴、12.扭簧、13.连接杆、14.U形角码。

具体实施方式

参照图1-7，一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，包括塔筒1和发电机2，发电机2通过回转轴承3旋转设置在塔筒1顶部，发电机2两侧对称设置有十字形的滚轮4，滚轮4与发电机2动力输入轴连接，发电机2上向滚轮4后部方向延伸设置有鱼尾形三角尾舵7，滚轮4侧面为迎风面8，滚轮4迎风面8为供风流穿过的镂空框架9，在镂空框架9处沿滚轮4的滚轮4支架的体长设置若干叶片10填充，叶片10一条边连接叶片轴11，通过叶片轴11穿插在滚轮上，并在叶片轴11上套设有扭簧12。

滚轮4滚动是属于圆运动，有半圆是顺风方向，又有半圆是逆风方向，当风流从迎风面8吹向滚轮4时，扭簧12的特性是一侧受力一侧不受力的，因此处于顺风部位的叶片10会被扭簧12所限位，填充滚轮4的镂空处，而处于逆风部位的叶片10则不会受到扭簧12限位，被风吹拂后，会自动向一侧旋转打开，从而使风可以穿过，使滚轮4转动。当风向吹拂的是非迎风面8时，其鱼尾形三角尾舵7可以在风的吹拂下带动发电机2旋转至顺风方向，从而使滚轮4迎风面8对向风流方向，实现自动寻风。而扭簧12扭力是有限的，当风力过大时，叶片10会因为风力超过扭簧12扭力从而旋转打开开口，使风流通过，防止受力过大从而影响寿命或损坏。

其中，扭簧12为两种，一种为粗扭簧，另一种为细扭簧，两种扭簧12分别安装在叶片轴11两端，安装方向相反。

其中，滚轮4包括底座器5和力臂支架6，底座器5为圆形，力臂支架6为四个，四个力臂支架6沿十字分布设置在底座器5上，底座器5与力臂支架6垂直面的中心有圆孔，圆孔设有与发电机2动力输入轴相互啮合的平键。

其中，力臂支架6中部设有U形角码14，U形角码14上开设有连接孔，两个相邻的力臂支架6通过连接杆13配合U形角码14连接固定。

其中，力臂支架6由两块对称的等腰梯形板材构成的，板材上开设有若干圆形镂空和叶片轴11安装孔，板材较大一端安装在底座器5上，两个板材较小一端悬空，两个板材中部通过U形角码14连接固定，两个板材之间的中部延伸到小头为叶片10填充区，两个板材之间的中部延伸到根部供风流通过的镂空区。

其中，滚轮4上半圆是顺风区，下半圆是逆风区，当叶片10位于顺风区时，叶片10重心在叶片轴11支点的下方，叶片10由重力影响旋转闭合将镂空框架9填充，并由粗扭簧限位，当叶片10位于逆风区时，叶片10重心是在叶片轴11支点的上方，叶片10自重与细扭簧扭力抵消，叶片10受风力吹拂影响打开，供风流过。

其中，滚轮4迎风面上半圆投影面面积大于下半圆投影面面积，滚轮4上半圆为工作区域。

其中，捕捉风的动能就是风速和面积，既能量等于风速乘以面积，公式为E＝VS。

一种风力发电方法，步骤如下：

步骤一、将双滚轮4风力发电机2安装在风场；

步骤二、当风向吹拂向双滚轮4风力发电机2时，其鱼尾形三角尾舵7可以在风的吹拂下带动发电机2旋转至顺风方向，从而使滚轮4迎风面8对向风流方向，实现自动寻风；

步骤三、风流向双滚轮4风力发电机2迎风面8吹拂，滚轮4滚动是属于圆运动，有半圆是顺风方向，又有半圆是逆风方向，当风流从迎风面8吹向滚轮4时，扭簧12的特性是一侧受力一侧不受力的，因此处于顺风部位的叶片10会被扭簧12所限位，填充滚轮4的镂空处，而处于逆风部位的叶片10则不会受到扭簧12限位，被风吹拂后，会自动向一侧旋转打开，从而使风可以穿过，使滚轮4转动带动发电机2转动进行发电；

步骤四、当风力过大时，叶片10会因为风力超过扭簧12扭力从而旋转打开开口，使风流通过，减少滚轮4扭力。

本发明的工作原理说明：

参照图8-15，一.本发明两个滚轮4都是十字架结构90度分布，四个连接杆13相互连接构成一个圆，增强了力臂支架6的强度减轻了力臂支架6的重量，提高了力臂支架6的90度分布的精度，解决了动平衡，并不会影响风阻。

滚轮4滚动是属于圆运动，有半圆是顺风方向，又有半圆是逆风方向，所以制约了圆运动应用到风力发电领域，如垂直轴风力发电机2风会吹它的左边也会吹右边，所以它只能利用正反面的异形压力差，抵消大，动能收集率低，而螺旋桨是面受力，但因受力方向与旋转方向垂直，动能折损大，能量转化率低。

二.采用双滚轮4结构是为了解决对称关系，保持受力和自重对称对等，其中，上半圆是顺风区，下半圆是逆风区，顺风区和逆风区是由装置设定的。扭力弹簧有两种，一种粗扭簧12，另一种细扭簧12，这两种扭簧分别安装在叶片轴11两端，方向相反，各负责旋转90度复位，扭力阻不同，每个叶片10在上半圆的性质和在下半圆不相同，在上半圆时重心在叶片轴11支点的下方，转到下半圆时重心在支点的上方，这也是天然的重力朝下因素，再加上圆运动上半圆与下半圆方向刚好相反，这是自然规律，叶片10在不受任何外力作用时，处于0度也就是与力臂支架6中线平行，左右可旋转90度，处于粗细扭簧12极位顶着状态，在上半圆顺风方向受风吹，可旋转的叶片10本来会被风吹得绕叶片轴11旋转，正因为这个现象，所以给它安装了粗的扭簧12阻止它旋转，让它以最大面积展开，受力就大，到了下半圆时，迎面相反，叶片10会受到逆风区的风吹，这时叶片10反面迎风，叶片10的反面是由叶片轴11的另一头细扭簧12阻止，细扭簧12扭力与叶片10自重保持相同，由于在下半圆叶片10重心处于支点上方，又是细扭簧12阻止，只要微风一吹，重心后移立即绕叶片轴11旋转90度，迎面最小，实现了顺风区投影面最大逆风区投影面最小，得到了风能最大化利用，解决了圆运动无法应用到风力发电领域的天然屏障，这是本发明的第一个核心。

三.双滚轮4的可调速原理，在上半圆顺风区，叶片10是由粗扭簧12阻止，粗扭簧12的阻力也不是无限的，是由发电机2的功率和终端用电器的负荷来设定的，再由风力发电机2的安装所在地的年平均风速和塔筒1的横向载荷综合来设定的，例如一个地方年平均风速5级，根据终端负荷来设定粗扭簧12，终端负荷会反馈到叶片10限力扭簧12，超过的风速会撑开叶片10开度，也就是会改变投影面，风速越大开度越大，投影面越小，在投影面里做减法，扭力自调，扭簧12起到了阻力改变迎面，阻力限位复位的作用，螺旋桨不能实时调速，调扭力，调整投影面迎角需要消耗径向旋转的能量，而双滚轮4可以每分每秒自调节，这是本发明的第二个核心。

四.双滚轮4对塔筒1的横向载荷的特点，双滚轮4是属于带投影面的转子，滚轮旋转运动就是转子旋转运动，上半圆面积最大，下半圆面积最小，转子受力作圆周运动，工作区是半个圆，在水平位置受横向力最大但面积最小，在下半圆投影面最小的面积就是它的横向力，不会因负荷增大而横向力增大，在上半圆的横向力只有圆直径的四分之一，叶片10在水平位置横向力最大但面积最小，在90度竖直位置面积最大但横向力最小，所以平均值45度，45度位置受到的力是整圆直径的四分之一，滚轮4旋转对中心轴的横向力(径向位移作用力)作用力只有四分之一，中心轴对塔筒1的横向力也是四分之一。螺旋桨的投影面受风吹的力叫轴向力，风再从投影面的斜坡流出去叫叶片后弦，也是风能转机械能的工作地方，这就叫轴向力转径向旋转力，轴向力转径向力之比会随半径变大，比值也会拉大，例如：一米长的叶片它的平均宽度有10厘米，如果长度增加到50米，它的宽度也有四五米了，这样迎面与弦之比的差值越拉越大了，面是轴向力弦是径向力，那么从小半径的叶片轴向力与径向力之比如果是6:4，随叶片长度放大到100米，它的轴向与径向之比会到100:1去了，轴向力会受到数吨的风压力，而径向旋转力只有几十公斤力，径向力就像生活中的手杆秤，称起更重的物品称坨拉得更远就行，称坨从来没有变大，螺旋桨就像给个支点翘起地球一个道理，用空间换能量，又因螺旋桨叶片投影面与风向垂直关系，叶片受到的轴向力会1:1地传给塔筒顶部，所以塔筒受到的横向载荷与叶片的轴向载荷是1:1的关系，而本发明的双滚轮4是与风向相同的运动关系，平均受力点是45度，也是圆直径的1/4，所以它只会给塔筒1带来1/4的横向载荷，所以双滚轮4的塔筒1为螺旋桨塔筒1的四倍负载负荷，这是本发明的第三个核心。

五.双滚轮4可以在三维空间布置功密度，也就是布置投影面，因风能转化电能，它的能量就是风速乘以面积，风速越大能量越大，面积越大受动能越大，公式E＝VS，在双滚轮4原理1平方就是1平方的能量，2平方就有2平方的能量，1+1会等于2，在螺旋桨结构原理，在它的投影面里加面积，只会增加轴向力，不会增加旋转的径向力，就像风吹一堵墙一样，会对叶片前的来风有风速影响，产生屏蔽效应，因叶片与风向垂直关系，有贝兹极限，双滚轮4的工作区域是上半圆，有高度位置不同，又与风向相同，没有贝兹极限，这是本发明的第四个核心。

六.双滚轮4展开面大，收缩后面小，收缩比大，有四个连接杆13将四个叶片10总成连成一体，中心、重心、还有支点永远在轴心处，不会因为半径放大而改变，螺旋桨的单个叶片会因半径放大，中心和重心外移，这是本发明的第五个核心。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：包括塔筒和发电机，发电机通过回转轴承旋转设置在塔筒顶部，发电机两侧对称设置有十字形的滚轮，滚轮与发电机动力输入轴连接，滚轮侧面为迎风面，滚轮迎风面为供风流穿过的镂空框架，在镂空框架内沿滚轮支架的体长设置若干叶片填充，叶片一条边连接叶片轴，通过叶片轴穿插在滚轮上，并在叶片轴上套设有扭簧。

2.根据权利要求1所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：扭簧为两种，一种为粗扭簧，另一种为细扭簧，两种扭簧分别安装在叶片轴两端，安装方向相反。

3.根据权利要求1或2所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：滚轮包括底座器和力臂支架，底座器为圆形，力臂支架为四个，四个力臂支架沿十字分布设置在底座器上，底座器与力臂支架垂直面的中心有圆孔，圆孔设有与发电机动力输入轴相互啮合的平键。

4.根据权利要求3所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：力臂支架中部设置有U形角码，两个相邻的力臂支架通过连接杆配合U形角码连接固定。

5.根据权利要求4所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：力臂支架由两块对称的等腰梯形板材构成的，板材上幵设有若干形镂空和叶片轴安装孔，板材较大一端安装在底座器上，两个板材较小一端悬空，两个板材中部通过U形角码连接固定，两个板材之间的中部延伸到小头为叶片填充区，两个板材之间的中部延伸到根部供风流通过的镂空区。

6.根据权利要求2所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：滚轮上半圆是顺风区，下半圆是逆风区，当叶片位于顺风区时，叶片重心在叶片轴支点的下方，叶片受重力影响旋转闭合将镂空框架填充，并由粗扭簧限位，当叶片位于逆风区时，叶片重心是在叶片轴支点的上方，叶片自重与细扭簧扭力抵消，并受风力吹拂影响打开，供风流过。

7.根据权利要求1所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：滚轮迎风面上半圆投影面面积大于下半圆投影面面积，滚轮上半圆为工作区域。

8.根据权利要求1所述的一种水平轴双滚轮自调速自寻风风力发电装置，其特征是：捕捉风的动能就是风速和面积，既能量等于风速乘以面积，公式为E＝VS。

9.一种风力发电方法，其特征是，步骤如下：

步骤一、将双滚轮风力发电机安装在风场；

步骤二、当风向吹拂向双滚轮风力发电机时，其鱼尾形三角尾舵可以在风的吹拂下带动发电机旋转至顺风方向，从而使滚轮迎风面对向风流方向，实现自动寻风；

步骤三、风流向双滚轮风力发电机迎风面吹拂，滚轮滚动是属于圆运动，有半圆是顺风方向，又有半圆是逆风方向，当风流从迎风面吹向滚轮时，扭簧的特性是一侧受力一侧不受力的，因此处于顺风部位的叶片会被粗扭簧所限位，填充滚轮的镂空处，而处于逆风部位的叶片是受细扭簧限位，又因逆风区的叶片重心是在支点的上方，只要微风轻吹拂，会自动向一侧旋转打开，从而使风可以穿过，使滚轮转动带动发电机转动进行发电；

步骤四、当风力过大时，叶片会因为风力超过扭簧扭力从而旋转打开开口，使风流通过，减少滚轮扭力。

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