CN114294166A - 一种储能式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能式垂直轴风力发电机，包括，组合式风轮、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元、储能单元以及发电单元所构成，组合式风轮是三层结构，内层是阻力型叶片和升力型叶片组合风轮，最外侧为导风板，导风板将不同风向的风导向风轮，而且还将导风板设置成风箱，风轮带动中心轴管驱动空气压缩机构将风能转化成压缩空气储能，导风板为风箱结构在低风情况下保障风轮正常运转，本发明还将空气压缩机构与气压驱动机构结合，将压缩空气储能充分利用，还将陀螺结合进风轮，将飞轮陀螺结合进发电单元，本发明在低风速下就可以启动、稳定运行，在超高风速下具有阻尼刹车功能，提高了本垂直轴风力发电机的运行稳定性和安全性。

Description

一种储能式垂直轴风力发电机

技术领域

本发明属于新能源风力开发利用技术技术领域，尤其涉及一种储能式垂直轴风力发电机。

背景技术

目前，风力发电虽然能够直接并网发电，然而风能是一种非常不稳定的能源，在正常风速时，也就是风速合适的时候(称为额定风速)，垂直轴风力发电机输出的电能恰好供负载使用(此状态称为额定状态)；在风速小于额定风速的时候，往往是没有达到满发的状态，风力发电机所输出的电能不足以供负载使用，其输出电压降低，负载不能正常工作，但在风速大于额定风速的时候，尤其是超大风时，发电机的转速明显加快，甚至超过了发电机本身的额定功率，这时候的发电机处于危险状态，发电机部件有可能会被损坏，而且风力发电机输出的电能过剩，又造成能量的浪费。由于风力大小变化无常，带来所发的电能是无序劣质电能，风力发电具体应用具有很大的局限性，另外，因为自然风会无时无刻的存在小风、低风速或者高风速，导致发电机的发电功率极其不稳定，接入电网时会对电网造成冲击。

在各类风力发电机中，垂直轴风力发电机较为常见。传统的垂直轴风力发电机主要有升力型、阻力型等款式，但无论装机容量如何变化，升力型、阻力型垂直轴风力发电机都有各自的缺陷。升力型风力发电机虽然风能利用率较高，但其离心力较大，对启动风速要求高，在低风速下达不到切入风速，风力发电机无法正常发电，适用范围小；阻力型风力发电机虽然启动风速较低，但由于风轮直径有限，无法捕捉更多的风能，导致其风能利用率低。

现有技术中组合风轮不仅可以改善升力风轮的启动性能，升力风轮启动后其转速不受阻力风轮的限制，但阻力风轮与升力风轮脱开后自由转动，能量得不到收集和利用，整个风轮发电效率不高，而且当风速较大时，阻力风轮对升力风轮没有限速作用。

目前市场上的垂直轴风力发电机组使用过程中均由轴承提供轴向载荷，一方面轴承在长时间运行及交变载荷作用下，易产生磨损，造成风力机机械故障，另一方面轴承属于接触式支撑，用过程中存在一定程度的摩擦阻力，增加了风轮启动转矩，不利于风轮低风速启动。

因此，如何提高垂直轴风力发电机供电的稳定性和连续性一直是有关技术人员所面临的难题，尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储能式垂直轴风力发电机，旨在解决所述背景技术中存在的问题。为实现所述目的，本发明采用的技术方案是：

一种储能式垂直轴风力发电机，包括，组合式风轮、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元、储能单元以及发电单元所构成。

进一步的，所述组合式风轮是三层结构，依次为靠近轴心位置的阻力型叶片和升力型叶片的组合风轮，最外侧为导风板，所述组合风轮是阻力型叶片与升力型叶片通过轴臂连接，所述轴臂连接陀螺，所述轴臂通过连杆连接在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的中心轴管上。

优选的，所述导风板是固定在储能单元上并与升力型叶片分离，其作用不仅将不同风向的风导向风轮，而且还将导风板设置成风箱，所述风箱设置成涵道式鸭嘴型风嘴，通过风嘴吹出气流使风轮带动中心轴管驱动空气压缩机构将风能转化成压缩空气储能并带动发电单元发电。

进一步的，所述组合式风轮还包括由两个倒置组合的锥体构成的陀螺，所述锥体构成的陀螺由大质量金属制成，所述两个倒置锥体底面轴心凸起固定连接形成整体由轴心向外伸出轴臂，所述阻力型叶片和升力型叶片安装在轴臂上，所述陀螺包括上部陀螺和下部陀螺，所述上部陀螺与下部陀螺设置于风轮轴心位置，所述上部陀螺上端锥形体设有上部陀螺轴，所述上部陀螺轴臂连接在风叶的上部，所述下部陀螺轴臂在风叶的下部，所述组合式风轮叶片可以设置成两叶一字型或三叶品字型，所述风轮叶片设置为三叶时，所述轴臂为三个，所述轴臂之间形成的夹角相同，所述轴臂还由外层轮圈和内层轮圈相连接固定，所述轴臂和所述内层轮圈、外层轮圈在所述上部陀螺和下部陀螺相同设置。

优选的，所述导风板由两部分组成，靠风叶一侧为涵道式鸭嘴型风嘴，外侧为风箱结构，所述风箱设有进气孔和排气孔，所述进气孔和排气孔均设有单向止回阀，所述进气孔接触大气，所述排气孔连通涵道式鸭嘴型风嘴，所述涵道式鸭嘴型风嘴，短边朝风叶旋转方向，所述风箱由气缸控制，所述气缸由二级储气罐供气，并由供气管连接，所述供气管上连接第四电磁阀，所述第四电磁阀的排气管连接在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的排气三通阀上，所述导风板的设置与风叶的设置相对应，所述导风板上部通过支撑臂相互连结，中心位置设有轴承，所述支撑臂连接在轴臂轴承的外轮上，所述上部陀螺轴连接轴承内轮上。

进一步的，所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元由外壳、中心轴管、三个密封轴承和液压刹车机构所构成。

优选的，所述中心轴管为空心管型结构，所述中心轴管上端超出外壳伸入所述下部陀螺锥形体内，并与锥形体之间留有间隙，所述中心轴管设有连杆连接在所述风轮下部轴臂上，所述连杆在同一轴臂上设有两个，短连杆连接中心轴管与阻力型风叶下端轴臂处，长连杆连接在中心轴臂与升力型风叶下端轴臂处，所述连杆设置与风叶设置相对应。

优选的，所述三个密封轴承自上而下安装在中心轴管上，在第一密封轴承、第二密封轴承与中心轴管和外壳之间构成的腔体为空气压缩腔，所述空气压缩腔还设有空气压缩转子安装在中心轴管上，所述空气压缩腔外壳设有进气孔和排气孔组成的充气组，所述进气孔和排气孔均设有单向止回阀，所述进气孔接触空气，所述排气孔通过排气管连接储能单元，所述进气孔与排气孔组成的充气组设置与风叶的设置相对应，风轮转动带动中心轴管上的空气压缩转子将空气压缩进储能单元。

优选的，所述第二密封轴承、第三密封轴承与中心轴和外壳之间构成的腔体为气压驱动腔，所述气压驱动腔还设有驱动板，所述驱动板旋切固定在中心轴管上，所述驱动板设置为三个或三个的倍数，所述中心轴管在驱动板根部位置开设有通孔，所述气压驱动腔外壳设有进气孔，所述进气孔两个设为为一组，一个沿驱动板旋转方向在外壳上旋切开孔，一个沿驱动板旋转反方向在外壳上旋切开孔，所述进气孔通过导气管连接在排气三通阀上，所述排气三通阀由第一电磁阀控制，所述进气孔组设置与风叶设置相对应。

优选的，当风力在正常范围时排气三通阀导通驱动板旋转方向的导气管，压缩空气驱动驱动板带动中心轴管运动，同时压缩空气由中心轴管通孔进入中心轴管内是旋转的，在中心轴管内形成涡流效应，中心轴管内外层气流运动速度高形成热气流，在中心轴管上端与风轮陀螺锥形体间隙中吹出，由于热气流是上升的从而起到辅助风轮转动的作用，中心轴管的内层气流运动速度慢形成冷气流受风轮陀螺锥形体阻挡向下运动从中心轴管下端吹出同时可以给发电单元的发电机起到冷却的作用。

优选的，当风力超出正常范围时总控制器控制第一电磁阀导通排气三通阀导通驱动板旋转反方向导管，使压缩空气阻尼驱动板反向运动为风轮降速起到保护作用。

进一步的，当风力超出发电机功率额定范围时，所述液压刹车机构将会锁死中心轴管起到刹车作用保护发电机不被损坏，所述液压刹车机构设置在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的下面，包括刹车轴瓦、液压箱、弹性体、气缸和第五电磁阀所构成，所述刹车轴瓦还包括主动刹车轴瓦和被动刹车轴瓦，所述被动刹车轴瓦固定安装在中心轴管上，所述主动刹车轴瓦固定设置在外壳上并与被动刹车轴瓦脱离，所述主动刹车轴瓦连接在弹性体上，所述主动刹车轴瓦连通液压箱，所述液压箱由气缸提供动力，所述气缸连通二级储气罐由第五电磁阀控制，当第五电磁阀接到总控制器信号接通二级储气罐给气缸供气，气缸向液压箱提供动力推动弹性体使主动刹车轴瓦与被动刹车轴瓦接触摩擦起到给中心轴管的刹车作用，当气缸释放气体时弹性体回位液压油进入液压箱，主动刹车轴瓦与被动刹车轴瓦脱离解除刹车。

进一步的，所述储能单元，包括，一级储气罐、二级储气罐、电动空气压缩机、电动机、压力传感器、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀所构成。

优选的，所述一级储气罐设置为两个，第一一级储气罐和第二一级储气罐均设有进气孔和出气孔，所述进气孔由进气管连接进气四通阀，所述进气四通阀由第二电磁阀控制，所述进气四通阀的一端连接空气压缩机构的排气管，所述进气四通阀的另一端连接空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的进气管。

优选的，所述第一一级储气罐和第二一级储气罐的出气孔由两个出气管连接出气三通阀，出气三通阀的一端连接电动空气压缩机进气口，出气三通阀由第三电磁阀控制，所述电动空气压缩机出气口连接二级储气罐的进气口，所述二级储气罐的出气口通过导气管连接气缸，所述气缸的活动杆连接所述导风板的风箱活动连杆，所述气缸由第四电磁阀控制，以上设置与风叶的设置相对应。

优选的，所述第一一级储气罐和第二一级储气罐均设置有压力传感器，所述压力传感器将压力高的一级储气罐的信号传给总控制器，总控制器控制第三电磁阀导通压力高的一级储气罐出气管与电动空气压缩机进气口，将压力高的一级储气罐的气体压缩进二级储气罐，同时总控制器控制第二电磁阀控制进气四通阀导通压力低的一级储气罐与所述空气压缩机构排气管，处于负压状态的一级储气罐产生吸力将空气压缩腔的空气吸入使空气压缩机构转子运转，由阻力转变为吸力从而减小了中心轴管的转矩，总控制器总是将压力高的一级储气罐内的气体压进的向二级储气罐，将空气压缩机构的气体压进向压力低的一级储气罐，如此循环往复。

优选的，所述储气罐外表均设有保温层。

进一步的，所述发电单元由发电机、飞轮陀螺、固定支架所构成，所述发电机主轴前端通过多杆连轴器连接所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的中心轴管上，所述发电机主轴尾端伸出发电机本体，通过连轴器连接飞轮陀螺，所述飞轮陀螺由飞轮、柱体陀螺、轴承、承压板所构成，所述柱体陀螺由锥形体和柱体所构成的整体，还包括锥体顶端的球珠，所述球珠设置在陀螺锥体顶端的凹槽内，所述球珠为耐磨材料制成，所述轴承设置在陀螺柱体的中部位置，所述轴承内圈连接在陀螺柱体上，外圈连接在飞轮内环上，所述飞轮陀螺还包括绕阻器，所述绕阻器由坚韧的柔性材料所制成，所述绕阻器一端连接固定在陀螺柱体上，一端连接固定在飞轮上，所述绕阻器在飞轮的上端和下端相同设置，所述飞轮陀螺还包括反向阻尼器，由于飞轮与柱体陀螺由轴承连接，当柱体陀螺在发电机主轴正向旋转下，柱体陀螺先于飞轮旋转，带动绕阻器拉动飞轮产生惯性旋转，由于飞轮的轮径大于柱体陀螺的轮径，飞轮转数快于柱体陀螺，飞轮与柱体通过绕阻器相互抱死形成一个整体，形成飞轮陀螺的转动惯量对风轮的转动波动起到稳定作用，同时减少了发电机的转矩，飞轮陀螺还能储能，当发电机主轴反向旋转时，飞轮在反向阻尼器作用下与柱体陀螺抱死增大了发电机主轴的转矩，反向阻尼器上弹性体给飞轮反向作用力使飞轮正向旋转带动绕阻器拉动柱体陀螺正向旋转。

优选的，所述发电机固定在固定支架上，所述承压板也固定在固定支架的底板上，所述承压板为耐磨材料制成中心设有凹槽，所述承压板凹槽设置在轴心位置，所述陀螺球珠置于承压板凹槽内，所述承压板内设置有润滑油腔，所述承压板凹槽设有通孔连通润滑油腔，所述陀螺球珠的设置可以使飞轮陀螺的摩擦力减少到最小，使发电机的启动更快运行更平稳。

进一步的，所述飞轮陀螺所处位置是由真空室外壳包裹的真空室腔体，所述真空室外壳设有用于真空抽取的端口，所述真空抽取端口连通电动空气压缩机，旋转的飞轮陀螺在真空室腔体内解决了空气的摩擦阻力和空气摩擦飞轮产生的热量，储能效果更明显，维护成本更少。

进一步的，所述固定支架连接固定发电机、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的外壳以及储气单元，所述固定支架通过法兰固定连接柱体与地面承载基础，所述法兰固定连接柱体处还设有光伏太阳能板，所述柱体与地面承载基础、光伏太阳能板的设置与风叶设置相对应。

进一步的，所述发电单元发电还包括总控制器，发电机发电接入总控制器，所述压力传感器和电磁阀也由总控制器控制，所述总控制器还包括蓄电池接收光伏太阳能板的电能并对电动空气压缩机电机供电。

本发明的工作原理是：初次启动时电动机得电启动电动空气压缩机，第三电磁阀导通第一一级储气罐将罐内空气压缩到二级储气罐中，使第一一级储气罐处于真空状态，第二电磁阀导通进气四通阀与空气压缩机构的排气管，空气压缩腔排气孔产生吸力将空气压缩腔内空气吸入第一一级储气罐，空气压缩转子产生受力带动中心轴管转动将空气压缩腔空气压入第一一级储气罐，同时空气压缩腔形成负压空气由进气孔进入空气压缩腔，同时第三电磁阀导通第二一级储气罐排气管和电动空气压缩机进气管，开始把第二一级储气罐内的空气压缩至二级储气罐，当第一一级储气罐压力达到额定压力后，第二一级储气罐处于真空状态，第二电磁阀控制四通阀导通第二一级储气罐与空气压缩机构排气管，空气压缩腔排气孔产生吸力将空气压缩腔内空气吸入第二一级储气罐，空气压缩转子产生受力带动中心轴管转动将空气压缩腔空气压入第一一级储气罐，同时空气压缩腔形成负压空气由进气孔进入空气压缩腔，如此循环往复，同时第四电磁阀启动二级储气罐给气缸供气，气缸活动杆伸出和回缩推动风箱活塞运动将风箱中的空气由涵道式鸭嘴型喷嘴喷出，吹动组合式风轮转动带动中心轴管转动，同时气缸排气由排气管进入空气压缩机构与气压驱动机构组合单元进气孔进入气压驱动腔驱动驱动板带动中心轴管转动，气压驱动腔内高压气体由中心轴管通孔进入中心轴管内，外层气流高速旋转在中心轴管上端形成热气流喷出，热气流上升带动风轮转动，风轮带动中心轴管转动，中心轴管下端喷出冷气流给发电机降温同时形成局域空气流场。

大风速时，电动机断电，电动空气压缩机停止工作，空气压缩机构的排管由进气四通阀导通空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的进气管正向导气管形成循环。

大风速时飞轮陀螺将动能储存起来，在低风速时将动能释放出来。

超大风速时，第四电磁阀导通二级储气罐与第一电磁阀导通排气三通阀空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的反向导气管，高压气体在气压驱动腔内沿驱动板旋转方向反向喷出阻尼驱动板带动中心轴管转动形成降速，同时关闭四通阀使空气压缩腔产生气阻，阻尼空气压缩转子带动中心轴管转动形成降速，同时启动中心轴管上端风轮刹车装置和飞轮陀螺的刹车装置保障整机的运行安全。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、组合式风轮能够在低风速风轮难以启动时，升阻结合型风叶有利于风轮启动，同时风箱可以辅助启动，风箱还能够使风轮效率提高。

2、组合式风轮设置有陀螺，陀螺的定轴性和角动量可以使风轮运行更加平稳更加高效。

3、发电机尾端的飞轮陀螺的设置也能提高发电机启动和平稳运行，效率提高。

4、储能单元，储能单元与空气压缩机构与气压驱动机构组合单元相互配合，能够将风能转化压缩空气的能量进行储存，同时再将压缩空气转换成风力发电机的动能在转化为电能，一定程度上解决了风能的不稳定性问题，同时也解决了大型垂直轴风力发电机并网发电的不稳定性问题。

5、在超大风速时，使气压驱动机构反方向旋转抵消风力对风轮的作用，从而抑制发电机转子速度的增加，使发电机转子恢复到额定转速状态，在并网发电时，使其发电功率对电网不会造成冲击。

6、本发明整机效能明显，

本发明以解决现有垂直轴风力发电机存在风力发电效率不高，稳定性较差，可靠性较低的问题，可以很好的提高垂直轴风力发电机供电的稳定性和连续性。

综上，本发明通过空气压缩储能和飞轮陀螺储能，将风能是一种非常不稳定的能源变为可以有效利用的清洁能源、绿色能源。

附图说明

图1为本发明实施例提供的整体示意图；

图2为本发明实施例提供的组合式风轮结构示意图；

图3为本发明实施例提供的储能单元结构示意图；

图4为本发明实施例的空气压缩机构与气压驱动机构组合单元结构示意图；

图5为本发明实施例的发电单元结构示意图；

图6为本发明实施例的导风板结构示意图；

图7为本发明实施例的气路系统示意图；

图8为本发明实施例的飞轮陀螺剖面示意图；

图9为本发明实施例的飞轮陀螺A点放大示意图；

图10为本发明实施例的飞轮陀螺反向阻尼器剖面示意图；

图11为本发明实施例的飞轮陀反向阻尼器B点放大示意图；

10组合式风轮；

11阻力型叶片；12升力型叶片；

13导风板；131风箱；132涵道式鸭嘴型风嘴；133进气孔；134排气孔；135导风板支撑臂；136支撑臂轴承；137单向止回阀；

1311上活塞；1312下活塞；1313X活塞连杆；

14陀螺；141上部陀螺；142下部陀螺；1411上部陀螺轴；

15轴臂；151上部陀螺轴臂；152下部陀螺轴臂；153轴臂内层轮圈；154轴臂外层轮圈；20空气压缩机构与气压驱动机构组合单元；

21外壳；22中心轴管；23密封轴承；24空气压缩机构；25气压驱动机构；26液压刹车机构；

221短连杆；222长连杆；

231第一密封轴承；232第二密封轴承；233第三密封轴承；

241空气压缩转子；242进气孔；243排气孔；244单向止回阀；

251驱动板；252通孔；253进气孔，254排气管；255排气三通阀；256第一电磁阀；257正向导气管；258反向导气管；

261液压箱；262弹性体；263第一气缸；264第五电磁阀；265a主动刹车轴瓦；

265b被动刹车轴瓦；

30储能单元；

311第一一级储气罐；312第二一级储气罐；313二级储气罐；314电动空气压缩机；

315电动机；316压力传感器；317第二电磁阀；318第三电磁阀；319第四电磁阀；

321第二气缸；3211气缸活动杆；

331进气孔；332出气孔，333进气管；334进气四通阀；336出气管；337出气三通阀；

40发电单元；41发电机；42飞轮陀螺；43固定支架；44总控制器；45真空室；

411多杆连轴器；412连轴器；

421飞轮；422柱体陀螺；423陀螺轴承；424绕阻器；425承压板；426润滑油室；427反向阻尼器；428球珠；

4271第一活动块；4271第一弹性体；4273第二活动块；4274第二弹性体；

431柱体；432承载基础；433法兰；

444光伏太阳能板；445蓄电池；446光伏板支架；

451真空室外壳；452真空室腔体；453真空抽取端口；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式，本文所使用的术语“上端”、“下端”、“左侧”、“右侧”、“前端”、“后端”以及类似的表达是参考附图的位置关系。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1～11所示，本发明实施例提供了一种储能式垂直轴风力发电机，包括，组合式风轮10、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元20、储能单元30以及发电单元40所构成。

具体的，所述组合式风轮10是三层结构，依次为靠近轴心位置的阻力型叶片11和升力型叶片12的组合风轮10，最外侧为导风板13，所述组合风轮10是阻力型叶片11与升力型叶片12通过轴臂15连接，所述轴臂连接陀螺14，所述轴臂15通过连杆连接在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元20的中心轴管22上。

在一些实施例中，所述导风板13是固定在储能单元30上并与升力型叶片12分离，其作用不仅将不同风向的风导向风轮10，而且还将导风板13设置成风箱131，所述风箱设置成涵道式鸭嘴型风嘴132，通过风嘴132吹出气流使风轮带动中心轴管22驱动空气压缩机构24将风能转化成压缩空气储能并带动发电单元40发电。

在一些实施例中，所述组合式风轮10还包括由两个倒置组合的锥体构成的陀螺14，所述锥体构成的陀螺14由大质量金属制成，所述两个倒置锥体底面轴心凸起固定连接形成整体由轴心向外伸出轴臂15，所述阻力型叶片11和升力型叶片12安装在轴臂15上，所述陀螺14包括上部陀螺141和下部陀螺142，所述上部陀螺141与下部陀螺142设置于风轮10的轴心位置，所述上部陀螺141上端锥体设有上部陀螺轴1411，所述上部陀螺轴臂151连接在风叶的上部，所述下部陀螺轴臂152在风叶的下部，所述组合式风轮10叶片可以设置成两叶一字型或三叶品字型，所述风轮叶片10设置为三叶时，所述轴臂15为三个，所述轴臂15之间形成的夹角相同，所述轴臂由轴臂外层轮圈154和轴臂内层轮圈153相连，所述轴臂15和所述轴臂内层轮圈153、轴臂外层轮圈154在所述上部陀螺141和下部陀螺142相同设置。

具体的，所述导风板13由两部分组成，靠风叶一侧为涵道式鸭嘴型风嘴132，外侧为风箱131结构，所述风箱131设有进气孔1311和排气孔1312，所述进气孔1311和排气孔1312均设有单向止回阀1313，所述进气孔1311接触大气，所述排气孔1312连通涵道式鸭嘴型风嘴132，所述涵道式鸭嘴型风嘴132，短边朝风叶旋转方向，所述风箱131由第二气缸321控制，所述第二气缸321由二级储气罐313供气，并由供气管322连接，所述供气管322上连接第四电磁阀3221，所述第四电磁阀3221的排气管254连接在气压驱动机构25的排气三通阀255上，所述导风13板的设置与风叶的设置相对应，所述导风板13上部通过导风板支撑臂135相互连结，中心位置设有支撑臂轴承136，所述导风板支撑臂135连接在支撑臂轴承136的外轮上，上部陀螺轴1411连接支撑臂轴承136的内轮上。

在一些实施例中，风箱131被设置成风琴式，还有些设置成活塞式，还可以是单活塞和双活塞，本实施例采用包括上活塞1311和下活塞1312的双活塞式，上活塞1311和下活塞1312通过X活塞连杆1313连接，气缸活动杆3211连接下活塞1312，气缸活动杆3211向上推时，下活塞1312和上活塞1311向中间聚拢将风箱131中间的空气压向涵道式鸭嘴型风嘴132喷出，气缸活动杆3211回缩时，下活塞1312向下运动，上活塞1311向上运动，同时将风箱131上下腔体的空气向涵道式鸭嘴型风嘴132喷出，双活塞保障了风箱131喷出气流的连续性。

在一些实施例中，所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元20由外壳21、中心轴管22、三个密封轴承23，液压刹车机构24所构成。

具体的，所述中心轴管22为空心管型结构，所述中心轴管22上端超出外壳21伸入所述下部陀螺142锥体内，并与锥体之间留有间隙，所述中心轴管22设有连杆连接在所述风轮下部轴臂152上，所述连杆在同一轴臂上设有两个，短连杆221连接中心轴管22与阻力型风叶11下端轴臂处，长连杆222连接在下部轴臂152与升力型风叶12下端轴臂处，所述连杆设置与风叶设置相对应。

具体的，所述三个密封轴承自上而下安装在中心轴管22上，在第一密封轴承231、第二密封轴承232与中心轴管22和外壳21之间构成的腔体为空气压缩腔24，所述空气压缩腔24还设有空气压缩转子241安装在中心轴管22上，所述空气压缩腔外壳21设有进气孔242和排气孔243组成的充气组，所述进气孔242和排气孔243均设有单向止回阀244，所述进气孔242接触空气，所述排气孔243通过排气管245连接储能单元，所述进气孔242与排气孔243组成的充气组设置与风叶的设置相对应，风轮10转动带动中心轴管22上的空气压缩转子241将空气压缩进储能单元30。

具体的，所述第二密封轴承232、第三密封轴承233与中心轴22和外壳21之间构成的腔体为气压驱动腔25，所述气压驱动腔25还设有驱动板251，所述驱动板251旋切固定在中心轴管上22，所述驱动板251设置为三个或三个的倍数，所述中心轴管22在驱动板251根部位置开设有通孔252，所述气压驱动腔外壳21设有进气孔253，所述进气孔253两个设为为一组，一个沿驱动板251旋转方向在外壳上旋切开孔，一个沿驱动板251旋转反方向在外壳上旋切开孔，所述进气孔253通过导气管(包括正向导气管257和反向导气管258)连接在排气三通阀255上，所述排气三通阀255由第一电磁阀256控制，所述进气孔组设置与风叶设置相对应。

具体的，当风力在正常范围时第一电磁阀256控制排气三通阀255导通驱动板旋转方向的正向导气管257，压缩空气驱动驱动板251带动中心轴管22正向旋转运动，同时压缩空气由中心轴管通孔252进入中心轴管22内是旋转的，在中心轴管22内形成涡流效应，中心轴管22内外层气流运动速度高形成热气流，在中心轴管22上端与下部陀螺142锥体间隙中吹出，由于热气流是上升的从而起到辅助风轮10转动的作用，中心轴管22的内层气流运动速度慢形成冷气流受下部陀螺142锥体顶端阻挡向下运动从中心轴管22下端吹出同时可以给发电单元40的发电机41起到冷却的作用。

具体的，当风力超出正常范围时总控制器44控制第一电磁阀256导通排气三通阀255驱动板旋转反向导气管258，使压缩空气沿驱动板251旋转方向反向喷出阻尼气压驱动板251运动为风轮10降速起到保护作用。

在一些实施例中，当风力超出发电机功率额定范围时，所述液压刹车机构26将会锁死中心轴管22起到刹车作用保护发电机41不被损坏，所述液压刹车机构26设置在气压驱动机构25的下面，包括刹车轴瓦(图中标示的主动刹车轴瓦265a和被动刹车轴瓦265b)、液压箱261、弹性体262、第一气缸263和第五电磁阀264所构成，所述刹车轴瓦还包括主动刹车轴瓦265a和被动刹车轴瓦265b，所述被动刹车轴瓦265b固定安装在中心轴管上，所述主动刹车轴瓦265a固定设置在外壳21上并与被动刹车轴瓦265b脱离，所述主动刹车轴瓦265a连接在弹性体262上，所述主动刹车轴瓦265a连通液压箱261，所述液压箱261由第一气缸263提供动力，所述第一气缸263连通二级储气罐313由第五电磁阀264控制，当第五电磁阀264接到总控制器44信号接通二级储气罐313给第一气缸263供气，第一气缸263向液压箱261提供动力推动弹性体262使主动刹车轴瓦265a与被动刹车265b轴瓦接触摩擦起到给中心轴管22的刹车作用，当第一气缸263释放气体时弹性体262回位液压油进入液压箱261，主动刹车轴瓦265a与被动刹车265b轴瓦脱离解除刹车。

在一些实施例中，所述储能单元30，包括，一级储气罐、二级储气罐313、电动空气压缩机314、电动机315、压力传感器316、第二电磁阀317、第三电磁阀318、第四电磁阀319所构成。

具体的，所述一级储气罐设置为两个，分别为第一一级储气罐311和第二一级储气罐312，第一一级储气罐311和第二一级储气罐312均设有进气孔331和出气孔332，所述进气孔331由进气管333连接进气四通阀334，所述进气四通阀334由第二电磁阀控制317，所述进气四通阀334的一端连接空气压缩机构的进气管333。

具体的，所述第一一级储气罐311和第二一级储气罐312的出气孔332由两个出气管336连接出气三通阀337，出气三通阀337的一端连接电动空气压缩机314进气口，出气三通阀337由第三电磁阀318控制，所述电动空气压缩机314出气口332连接二级储气罐313的进气口，所述二级储气罐313的出气口通过导气管连接第二气缸321，所述气缸活动杆3211连接所述导风板风箱活动连杆1313，以上设置与风叶的设置相对应。

具体的，所述第一一级储气罐311和第二一级储气罐312均设置有压力传感器316，所述压力传感器316将压力高的一级储气罐(第一一级储气罐311或第二一级储气罐312)的信号传给总控制器44，总控制器44控制第三电磁阀318导通压力高的一级储气罐出气管与电动空气压缩机314进气口，将压力高的一级储气罐的气体压缩进二级储气罐313，同时总控制器44控制第二电磁阀317控制进气四通阀334将所述空气压缩机构24气体压缩进压力低的一级储气罐(第二一级储气罐312或第一一级储气罐311)，处于负压状态的一级储气罐产生吸力将空气压缩腔的空气吸入使空气压缩机构转子241运转，由阻力转变为吸力从而减小了中心轴管22的转矩，总控制器44总是将压力高的一级储气罐内的气体压进的向二级储气罐313，将空气压缩机构24的气体压进向压力低的一级储气罐，如此循环往复。

在一些实施例中，所述发电单元40由发电机41、飞轮陀螺42、固定支架43所构成，所述发电机41主轴前端通过多杆连轴器411连接所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的中心轴管22上，所述发电机41主轴尾端伸出发电机41本体，通过连轴器412连接飞轮陀螺42，所述飞轮陀螺42由飞轮421、柱体陀螺422、陀螺轴承423、承压板424所构成，所述柱体陀螺422由锥体和柱体所构成的整体，还包括锥体顶端的球珠428，所述球珠428设置在陀螺锥体顶端的凹槽内，所述球珠428为耐磨材料制成，所述陀螺轴承423设置在陀螺柱体的中部位置，所述陀螺轴承423内圈连接在柱体陀螺422上，外圈连接在飞轮内环上，所述飞轮陀螺42还包括绕阻器424，所述绕阻器424由坚韧的柔性材料所制成，所述绕阻器424一端连接在柱体陀螺422上，一端连接在飞轮421上，所述绕阻器在飞轮421的上端和下端相同设置。

具体的，所述飞轮陀螺42还包括反向阻尼器427，由于飞轮421与柱体陀螺422由轴承423连接，当柱体陀螺在发电机41主轴正向旋转下，柱体陀螺422先于飞轮421旋转，带动绕阻器424拉动飞轮产生惯性旋转，由于飞轮421的轮径大于柱体陀螺422的轮径，飞轮421转数快于柱体陀螺422，飞轮421与柱体陀螺422通过绕阻器424相互抱死形成一个整体，形成飞轮陀螺42的转动惯量对风轮10的转动波动起到稳定作用，同时减少了发电机41的转矩，飞轮陀螺42还能储能，当发电机41主轴反向旋转时，飞轮421在反向阻尼器427作用下与柱体陀螺422抱死增大了发电机41主轴的转矩，反向阻尼器427上弹性体给飞轮421反向作用力使飞轮421正向旋转带动绕阻器424拉动柱体陀螺422正向旋转。

具体的，所述反向阻尼器427可正向旋转(顺时针旋转)工作原理是，所述反向阻尼器427包括在飞轮421上的第一活动块4271和第一弹性体4272，还包括在柱体陀螺422上的第二活动块4273和第二弹性体4274，所述飞轮421与柱体陀螺422由陀螺轴承423连接是相互脱离具有自由度的，所述第一活动块4271在第一弹性体4272支撑下嵌入柱体陀螺422中，柱体陀螺422正向旋转(顺时针旋转)时第一活动块4271的轴心点是a，a点是不动的，柱体陀螺422的b点正向旋转(顺时针旋转)挤压第一活动块4271跟随第一弹性体4272回缩到飞轮10内，柱体陀螺422具有了正向旋转(顺时针旋转)的自由度，所述反向阻尼器427起到阻尼作用的工作原理是，柱体陀螺422反向旋转(逆时针旋转)时，第一活动块4271是嵌入到柱体陀螺422中的，它的活动范围很小，在受限的情况下飞轮421与柱体陀螺422无法脱离而成为一个整体，飞轮421的大质量使的主轴的逆向转矩增大而变得不易，第二活动块4273和第二弹性体4274的设置目的是柱体陀螺422给第一活动块4271一个反向旋转(逆时针旋转)的力时第二活动块4273和第二弹性体4274起到一个缓冲做用，第二弹性体4274压缩到底时会给第一活动块4271一个反作用力从而起到阻尼的作用，所述反向阻尼器427沿陀螺轴承423的圆周设置有若干个。

在一些实施例中，所述发电机41固定在固定支架43上，所述承压板425也固定在固定支架43的底板上，所述承压板425为耐磨材料制成中心设有凹槽，所述承压板425凹槽设置在轴心位置，所述陀螺球珠置于承压板425凹槽内，所述承压板425内设置有润滑油室426，所述承压板凹槽设有通孔连通润滑油室426，所述飞轮陀螺42的设置可以减少发电机41的转矩，使启动更快运行更平稳。

在一些实施例中，所述飞轮陀螺42所处位置是由真空室外壳451包裹的真空室腔体452，所述真空室外壳设有用于真空抽取端口453，所述真空抽取端口453连通电动空气压缩机314，高速旋转的飞轮陀螺42在真空室腔体452内解决了空气的摩擦阻力和空气摩擦飞轮产生的热量，储能效果更明显，维护成本更少。

在一些实施例中，所述固定支架43连接固定发电机41、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元20的外壳以及储气单元30，所述固定支架43通过法兰433固定连接柱体431与地面承载基础432，所述法兰433与柱体连接处还设有光伏太阳能板444，所述柱体431与地面承载基础432设置与风叶设置相对应。

在一些实施例中，所述发电单元40发电还包括总控制器44，发电机41发电接入总控制器44，所述压力传感器316和电磁阀也由总控制器44控制，所述总控制器44还包括蓄电池445接收光伏太阳能板444的电能并对电动空气压缩机电动机315供电。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种储能式垂直轴风力发电机，包括，组合式风轮、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元、储能单元以及发电单元所构成，其特征在于：所述组合式风轮是三层结构，依次为靠近轴心位置的阻力型叶片和升力型叶片的组合风轮，最外侧为导风板，所述组合风轮是阻力型叶片与升力型叶片通过轴臂连接构成，所述轴臂连接陀螺，所述轴臂通过连杆连接在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的中心轴管上，所述空气压缩机构通过导管连接储能单元，所述导风板固定连接在储能单元上，所述导风板为风箱结构且通过气缸驱动，所述气缸通过导气管连接储能单元，所述气缸的排气管连接空气压缩机构与气压驱动机构组合单元，所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元中心轴管连接发电单元。

2.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述组合式风轮轴臂连接的是两个倒置组合锥体构成的陀螺，所述两个倒置锥体底面轴心凸起固定连接形成整体由轴心向外伸出轴臂，所述阻力型叶片和升力型叶片安装在轴臂上，所述阻力型叶片和升力型叶片至少都在两个以上，所述轴臂之间形成的夹角相同，所述陀螺包括上部陀螺和下部陀螺，所述上部陀螺轴臂连接在风叶的上部，所述下部陀螺轴臂连接在风叶的下部，所述上部陀螺与下部陀螺设置于风轮轴心位置，所述上部陀螺上端体设有上部陀螺轴。

3.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述导风板由两部分组成，靠风叶一侧为涵道式风嘴，外侧为风箱结构，所述风箱设有进气孔和排气孔，所述进气孔和排气孔均设有单向止回阀，所述进气孔接触大气，所述排气孔连通涵道式风嘴，所述涵道式风嘴为鸭嘴型，短边朝风叶旋转方向，所述风箱活动连杆由气缸控制，所述导风板在升力型叶片的外侧与升力型叶片分离，所述导风板的设置与风叶的设置相对应，所述导风板还设有支撑臂通过轴心位置设置的轴承相互连结，所述支撑臂连接在轴心轴承的外轮上，所述上部陀螺上部锥体的陀螺轴连接轴承内轮上。

4.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元由外壳、中心轴管、三个密封轴承，液压刹车机构所构成，所述中心轴管为空心管型结构，所述三个密封轴承自上而下安装在中心轴管上，在第一密封轴承、第二密封轴承与中心轴管和外壳之间构成的腔体为空气压缩腔，所述空气压缩腔还设有空气压缩转子安装在中心轴管上，所述空气压缩腔外壳设有进气孔和排气孔组成的充气组，所述进气孔和排气孔均设有单向止回阀，所述进气孔接触大气，所述排气孔通过排气管连接储能单元，所述充气组设置与风叶的设置相对应；

所述第二密封轴承、第三密封轴承与中心轴和外壳之间构成的腔体为气压驱动腔，所述气压驱动腔还设有驱动板，所述驱动板旋切固定在中心轴管上，所述驱动板设置为三个或三个的倍数，所述中心轴管在驱动板根部位置开设有通孔，所述气压驱动腔外壳设有进气孔，所述进气孔两个设为为一组，一个沿驱动板旋转方向在外壳上旋切开孔，一个沿驱动板旋转反方向在外壳上旋切开孔，所述进气孔通过导气管连接在排气三通阀上，所述排气三通阀由第一电磁阀控制，所述进气孔组设置与风叶设置相对应；

所述中心轴管上端超出外壳伸入所述下部陀螺锥体内，并与锥体之间留有间隙，所述中心轴管上端设有连杆连接在所述下部陀螺轴臂上，所述连杆在同一轴臂上设有两个，短连杆连接中心轴管与阻力型风叶下端轴臂处，长连杆连接在中心轴臂与升力型风叶下端轴臂处，所述连杆设置与风叶设置相对应。

5.根据权利要求4所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述液压刹车机构设置在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的下面，包括刹车轴瓦、液压箱、弹性体、气缸和第五电磁阀所构成，所述刹车轴瓦包括主动刹车轴瓦和被动刹车轴瓦，所述被动刹车轴瓦固定安装在中心轴管上，所述主动刹车轴瓦固定设置在外壳上并与被动刹车轴瓦脱离，所述主动刹车轴瓦连接在弹性体上，所述主动刹车轴瓦连通液压箱，所述液压箱由气缸提供动力，所述气缸连通二级储气罐由第五电磁阀控制。

6.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述储能单元，包括，一级储气罐、二级储气罐、电动空气压缩机、电动机、压力传感器、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀所构成，所述储气罐还包括压力传感器，所述一级储气罐设置为两个，第一一级储气罐和第二一级储气罐，均设置有进气孔，由进气管连接进气四通阀，进气四通阀的一端连接所述空气压缩机构的排气管，所述进气四通阀由第二电磁阀控制，所述第一一级储气罐和第二一级储气罐均设有出气孔由两个出气管连接出气三通阀，出气三通阀的一端连接电动空气压缩机进气口，出气三通阀由第三电磁阀控制，所述电动空气压缩机出气口连接二级储气罐的进气孔，所述二级储气罐的出气孔通过导气管连接气缸，所述气缸的活动杆连接所述导风板的风箱活动连杆，所述气缸由第四电磁阀控制，所述第四电磁阀排气口由排气管连接在空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的排气三通阀上，所述储气罐外表均设有保温装置，以上设置与风叶的设置相对应。

7.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于；所述发电单元由发电机、飞轮陀螺、固定支架所构成，所述发电机主轴前端通过多杆连轴器连接所述空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的中心轴管上，所述发电机主轴尾端伸出发电机本体，通过连轴器连接飞轮陀螺，所述飞轮陀螺由飞轮、柱体陀螺、轴承、承压板所构成，所述柱体陀螺由锥体和柱体所构成的整体，还包括锥体顶端的球珠，所述球珠设置在陀螺锥体顶端的凹槽内，所述球珠为耐磨材料制成，所述轴承设置在陀螺柱体的中部位置，所述轴承内圈连接在陀螺柱体上，外圈连接在飞轮内环上，所述飞轮陀螺还包括绕阻器，所述绕阻器由坚韧的柔性材料制成，所述绕阻器一端连接在陀螺柱体上，一端连接在飞轮上，所述飞轮陀螺还包括反向阻尼器，所述发电机固定在固定支架上，所述承压板也固定在固定支架的底板上，所述承压板为耐磨材料制成中心设有凹槽，所述承压板凹槽设置在轴心位置，所述承压板内设置有润滑油室，所述承压板凹槽设有通孔连通润滑油室。

8.根据权利要求7所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述飞轮陀螺所处位置是由真空室外壳包裹的真空室腔体，所述真空室外壳设有用于真空抽取端口，所述真空抽取端口连通电动空气压缩机。

9.根据权利要求7所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述固定支架连接固定发电机、空气压缩机构与气压驱动机构组合单元的外壳以及储气单元，所述固定支架通过法兰固定连接柱体与地面承载基础，所述法兰固定连接柱体处还设置有光伏太阳能板，所述柱体与地面承载基础设置与风叶设置相对应。

10.根据权利要求1所述的一种储能式垂直轴风力发电机，其特征在于：所述发电单元发电还包括总控制器，发电机发电接入总控制器，所述压力传感器和电磁阀也由总控制器控制，所述总控制器还包括蓄电池接收光伏太阳能板的电能并对电动空气压缩机电机供电。

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