CN116104690A - 一种单轴对转型垂直轴风机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种单轴对转型垂直轴风机，包括固定机构和两组风能捕获机构，两组风能捕获机构以固定机构为中心以相反方向旋转；每组风能捕获机构均以固定机构为中心对半分成顺风侧和迎风侧，两组自动收拢与展开的风能捕获机构在同一空间内朝相反方向旋转，可以将其中一组风能捕获机构原本迎风侧的空间变成另一组风能捕获机构的顺风侧，不仅减小了阻力，同时还增大了风能的有效利用空间，同等风叶运行空间下气动效率更高。

Description

一种单轴对转型垂直轴风机

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体为一种单轴对转型垂直轴风机。

背景技术

风力发电机总体归纳可分为两类：1、水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；2、垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。而现有水平轴风机仍然存在以下三点不足：(1)噪声过大；(2)发电系统不稳定，波动性较大；(3)发电机等主要零部件位于高空，安装和维护成本较高。相比于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机具有可微风驱动(1m/s即可驱动发电)、无噪音、结构设计简单等优点，因此，业内技术人员也在积极探索新型的垂直轴风机。

根据风力机叶片的工作原理，垂直轴风力机分为升力型风力机和阻力型风力机。根据风力机的工作机制或整体样式差异，主要分为以下十二种类型：

第一类：变桨型垂直轴风力机，设置各种类型的变桨机构，调整叶片的倾角或调整叶片的迎风面积，从而达到增加气动效率或抗强风的目的。已公布的变桨型垂直轴风力机主要有：H型垂直轴风力发电机CN202211311521.X、垂直轴风力发电机CN202211275138.3；第二类：叶片开闭型垂直轴风力机，叶片框架上设置小叶片，顺风侧时关闭小叶片以增大风阻，迎风侧时打开小叶片也减小风阻，通过这种方式提高两侧风阻差，从而提高气动效率。已公布的叶片开闭型垂直轴风力机主要有：开闭式垂直轴流体轮发电装置CN202211247798.0、一种平帆式垂直轴风力发电机CN202211132558.6；第三类：组合型垂直轴风力机，将各种类型的风力机组合在一起，如升力型垂直轴风机和阻力型垂直轴风机组合在一起，水平轴风机和垂直轴风机组合在一起，振动发电机和垂直轴风机组合在一起等等。已公布的组合型垂直轴风力机主要有：垂直轴风力发电设备CN202211234664.5、一种垂直轴风力发电机多层组合式风轮CN202222516845.9；第四类：导流型垂直轴风力机，在风力机旋转主体的外侧设置导流装置，从而将原来无法利用的部分风能利用起来，提高气动效率。已公布的导流型垂直轴风力机主要有：一种模块化垂直轴风力发电机用的聚风装置CN202211228306.3、一种导流式垂直轴风力发电机结构CN202221687238.2；第五类：马格努斯型垂直轴风力机，流体中旋转的圆柱会受到一个垂直于转动轴和流动方向的力作用，这种现象称为马格努斯效应，利用马格努斯效应设计的风机为马格努斯型垂直轴风力机。已公布的马格努斯型垂直轴风力机主要为马格努斯式风轮及风力机CN202211151317.6；第六类：叶片开槽型垂直轴风力机，在叶片中开设气槽，利用气流流过气槽后的加速效应提高风机的气动效率，已公布的叶片开槽型垂直轴风力机主要有：一种提高风能利用率的垂直轴风力机CN202220539639.7、一种合成射流喷气式垂直轴风力机叶片CN201910705420.2；第七类：异型叶片垂直轴风力机，通过设计不同形状的叶片，以提高垂直轴风机的气动效率。已公布的叶片开槽型垂直轴风力机主要有：一种利用仿生叶片的同轴对转垂直轴风力发电机组CN202210194747.X、对数螺旋线叶片垂直轴风力发电装置CN202210071312.6；第八类：风筒型垂直轴风力机，通过设置竖直的风筒，将底部的风向上引流，并利用向上的气流带动叶轮旋转发电。已公布的风筒型垂直轴风力机主要为一种风筒式多风轮垂直轴风力发电装置CN202111065874.1；第九类：对转型垂直轴风力机，设置内外两组风机叶片或上下两组风机叶片，两组风机叶片在不同的空间按相反方向旋转，并将两组风机叶片分别连接到发电机的定子和转子，从而提高定子和转子的相对旋转速度。已公布的对转型垂直轴风力机主要有：一种垂直轴双驱动风力发电装置CN202110577345.3、一种双向垂直轴框架式风力发电机组CN202011259409.7；第十类：折叠型垂直轴风力机，通过折叠机构收拢或展开叶片，达到风力机的微风启动或抗强风的目的，属于变桨型垂直轴风力机的其中一类，但由于主要通过折叠的形式来实现微风启动或抗强风，故单独列为一类。已公布的折叠型垂直轴风力机主要有：一种垂直轴风力发电机风叶装置CN202110229578.4、一种基于转速调节机构的垂直轴风力发电机CN202010793558.5；第十一类：雨伞型垂直轴风力机，用雨伞代替叶片，在顺风侧打开雨伞，迎风侧关闭雨伞，从而增加两侧的风阻差，提高气动效率，属于变桨型垂直轴风力机的其中一类，但由于样式特别奇异，故单独列为一类。已公布的雨伞型垂直轴风力机主要有：垂直轴风力发电机叶片装置CN202010783320.4和伞式风帆叶片风力机CN200820090746.6；第十二类：高空浮动型垂直轴风力机，其工作机制属于常见的垂直轴风力机，但由于漂浮在高空可利用高空较大的风能，且样式奇异，故单独列为一类。已公布的高空浮动型垂直轴风力机主要有：一种高空浮动式垂直轴风力发电机组CN201710623545.1、一种高空垂直轴风力发电机CN201621071587.6。

目前已有的十二类垂直轴风力机中，除了导流型垂直轴风力机外，其它类型的垂直轴风力机依然效率较低。主要原因是，迎风面积非常有限，风动转化效率低。若将风机叶片的旋转空间对分成两侧，其中顺风侧和迎风侧各占一半，顺风侧的风对风机做正功，迎风侧的风对风机做负功，而迎风侧的阻力不可能完全为零，因此现有的十一类垂直轴风机的风能利用系数低于0.5。虽然导流机构在小型的风力机中具有较高应用价值，但在大型的风力机中，叶片之外再单独设置大型的导流机构并不现实，不仅增加了成本，大型导流机构的受力问题以及占地问题都会限制导流型垂直轴风机的应用。

发明内容

为解决现有技术中垂直轴风力机风动迎风面积有限，风动转化效率低的问题，提出一种单轴对转型垂直轴风机，它能在同一叶片旋转空间内实现顺风侧和迎风侧的互补，从而实现了风机占有空间内的叶片几乎全做正功，提高了垂直轴风机的气动效率。

为实现上述目的，提出以下技术方案：

一种单轴对转型垂直轴风机，包括固定机构和两组风能捕获机构，两组风能捕获机构以固定机构为中心以相反方向旋转；每组风能捕获机构均以固定机构为中心对半分成顺风侧和迎风侧，每组风能捕获机构均包括叶片支架、两个以上的柔性叶片、与每个柔性叶片对应配合的叶片支臂和叶片折叠机构；柔性叶片通过叶片支臂周向均匀设置在叶片支架上；

每组风能捕获机构的柔性叶片，在各自的顺风侧通过叶片折叠机构带动叶片支臂使柔性叶片展开，在各自的迎风侧通过叶片折叠机构带动叶片支臂使柔性叶片折叠；

当一组风能捕获机构的迎风侧的柔性叶片与另一组风能捕获机构的顺风侧柔性叶片相遇时，位于迎风侧的柔性叶片处于折叠状态，位于顺风侧柔性叶片处于展开状态，从而实现相互避让。

进一步地，两组风能捕获机构在固定机构上呈内外设置；位于外侧的风能捕获机构包括上部和下部的外叶片支架和外叶片折叠机构，外叶片支架的外侧周向均匀设有外叶片支架杆；外叶片支架上的叶片支臂活动连接在外叶片支架杆的外端；外叶片折叠机构带动外叶片支架上的叶片支臂在竖直方向旋转；位于内侧风能捕获机构包括上部和下部的内叶片支架和内叶片折叠机构；两个内叶片支架位于两个外叶片支架之间，内叶片支架上的叶片支臂的内端活动连接在内叶片支架上，内叶片折叠机构带动内叶片支架上的叶片支臂在竖直方向旋转。

进一步地，两组风能捕获机构在固定机构上呈内外设置；位于外侧的风能捕获机构包括上部和下部的外叶片支架和外叶片折叠机构；外叶片支架的外侧周向均匀设有外叶片支架杆；外侧的风能捕获机构的柔性叶片分为上下两半，上部和下部的柔性叶片的两侧均分别安装有一个叶片支臂，其中一个叶片支臂活动连接在外叶片支架杆的内端，另一个叶片支臂活动连接在外叶片支架杆的外端；外叶片折叠机构带动外叶片支架上的叶片支臂在竖直方向旋转；位于内侧风能捕获机构包括上部和下部的内叶片支架和内叶片折叠机构；两个内叶片支架位于两个外叶片支架之间，内叶片支架上的叶片支臂活动连接在内叶片支架上，内叶片折叠机构带动内叶片支架上的叶片支臂在竖直方向旋转。

进一步地，固定机构外围安装有偏航壳体，在偏航壳体的上部和下部设有对称的两个第一引导体，外叶片支架杆的顶部设有第四滑槽；外叶片支架上竖向设置有第五滑槽；第五滑槽与外叶片支架杆位于同一竖向平面上；外叶片支架套装在偏航壳体上，并以偏航壳体为轴心旋转；外叶片折叠机构包括第四拉杆、连杆机构和第三活动接头；第四拉杆的一端与叶片支臂活动链接，另一端与第三活动接头活动连接，第三活动接头通过连杆结构与第二活动接头活动连接，连杆机构在第四滑槽上滑动连接；第二活动接头穿过外叶片支架上的第五滑槽，并与第一引导体活动连接；第二活动接头在沿着第一引导体和第五滑槽运动的过程中能够带动叶片支臂在外叶片支架杆外端竖直方向旋转。

进一步地，在偏航壳体的下部设有对称的两个第二引导体，两个第二引导体位于两个第一引导体之间；内叶片支架竖向设置有第三滑槽；内叶片折叠机构包括第一拉杆和活动接头；第一拉杆的一端与叶片支臂铰接，另一端与活动接头活动连接，活动接头穿过第三滑槽与对应的第二引导体活动连接，活动接头在沿着第三滑槽以及对应的上部或下部第二引导体运动的过程中能够使内叶片支架上下的叶片支臂以相反方向旋转。

进一步地，第一引导体和/或第二引导体均包括单导槽和多导槽，偏航壳体的侧面上，单导槽、多导槽之间设有导槽切换凹槽；导槽切换凹槽中安装有导槽切换体，通过切换导槽切换体的位置使单导槽与对应的多导槽连通。

进一步地，固定机构包括固定柱体，固定柱体的上下两端各设有一个第一旋转槽；其中一组风能捕获机构包括位于固定柱体上部和下部的外叶片支架，外叶片支架转动安装在对应的第一旋转槽内；外叶片支架的外壁设有内支架安装槽；在外叶片支架外端周向均匀设有两个为一组对称设置的避让框，且避让框位于内支架安装槽的上下两侧，上下两侧的避让框内均设有弹性装置，外叶片支架上的叶片支臂活动连接在支臂套上，支臂套的内端卡入上下两侧相对应的避让框内，并与上下两个避让框内的两个弹性装置抵接；另一组风能捕获机构包括上部和下部的内叶片支架，内叶片支架安装在与之位置对应的内支架安装槽中，内叶片支架的外端周向均匀设有内支臂连接台，内叶片支架的叶片支臂活动安装在内支臂连接台上；在内支臂连接台处还设有避让机构，通过避让机构能够使支臂套在内支架安装槽的上下两侧的避让框内上下移动，用于在外叶片支架的叶片支臂与内叶片支架上的叶片支臂相遇时实现避让。

进一步地，内支臂连接槽靠近内叶片支架的外端处设有避让电机槽；避让机构包括可旋锲块和小电机；可旋锲块转动安装在小电机的转轴上，小电机安装在避让电机槽内；支臂套的内端设有与可旋锲块相配合的对称斜面。

进一步地，在内支臂连接台的中部设有内支臂连接槽，内支臂连接台的外侧设有竖直旋转电机槽；竖直旋转电机槽内设有用于带动内叶片支架上的叶片支臂垂直旋转的第一折叠电机；支臂套的一侧设有第一电机槽；第一电机槽内设有第二折叠电机，第二折叠电机用于带动外叶片支架的叶片支臂垂直旋转。

本发明的工作原理及使用原理在于：

本发明融合了柔性叶片、折叠型垂直轴风力机及对转型垂直轴风力机的部分特征。设置两组在同一空间内对转的叶片组，每个叶片组中的叶片在顺风侧时展开受力，在迎风侧时收拢。由于两组叶片在同一空间中对转，所以其中一组叶片处于收拢状态的一侧刚好为另一组叶片处于展开状态的一侧。因此，两组叶片的顺风侧和迎风侧实现了互补，使得从整体看来整个叶片旋转空间的叶片均处于顺风受力状态。由于叶片旋转空间内几乎没有叶片处于迎风状态，所以风机效率比现有的垂直轴风机效率更高。

本发明的有益技术效果是：(1)两组自动收拢与展开的风能捕获机构在同一空间内朝相反方向旋转，可以将其中一组风能捕获机构原本迎风侧的空间变成另一组风能捕获机构的顺风侧，不仅减小了阻力，同时还增大了风能的有效利用空间，同等风叶运行空间下气动效率更高；(2)采用柔性叶片的方式可以更方便的进行叶片的收拢与展开。

附图说明

附图1为机械折叠的单轴对转型垂直轴风机爆炸结构示意图；

附图2为机械折叠的单轴对转型垂直轴风机整体安装示意图；

附图3为电动折叠的单轴对转型垂直轴风机爆炸结构示意图；

附图4为电动折叠的单轴对转型垂直轴风机整体安装示意图；

附图5为机械折叠的固定机构示意图；

附图6为电动折叠的固定机构示意图；

附图7为机械折叠的风能捕获机构爆炸结构示意图；

附图8为机械折叠的风能捕获机构整体安装示意图；

附图9为电动折叠的风能捕获机构爆炸结构示意图；

附图10为电动折叠的风能捕获机构整体安装示意图；

附图11为机械折叠的内叶片支架示意图；

附图12为电动折叠的内叶片支架示意图；

附图13为机械折叠的外叶片支架示意图；

附图14为电动折叠的外叶片支架示意图；

附图15为整体式支架连杆示意图；

附图16为分段式支架连杆示意图；

附图17为固定盘结构示意图；

附图18为叶片支臂结构示意图；

附图19为机械折叠的内叶片支架—外叶片支架—支架连杆—固定盘—叶片支臂组合搭配爆炸结构示意图；

附图20为机械折叠的内叶片支架—外叶片支架—支架连杆—固定盘—叶片支臂组合搭配整体安装示意图；

附图21为机械折叠的外叶片支架—支架连杆—叶片支臂折叠方式一组合搭配示意图；

附图22为机械折叠的外叶片支架—支架连杆—叶片支臂折叠方式二组合搭配示意图；

附图23为偏航壳体组装示意图；

附图24为机械折叠的内叶片折叠机构示意图；

附图25为机械折叠的内叶片折叠机构—内叶片支架—叶片支臂组合搭配示意图；

附图26为机械折叠的内叶片折叠机构—上偏航壳体—叶片支臂组合搭配示意图；

附图27为机械折叠的外叶片折叠机构示意图；

附图28为机械折叠的外叶片折叠机构—外叶片支架—叶片支臂组合搭配示意图；

附图29为机械折叠的外叶片折叠机构—上偏航壳体—叶片支臂组合搭配示意图；

附图30为偏航壳体多导槽形式结构示意图；

附图31为电动折叠的避让机构与支臂套配合结构的爆炸示意图；

附图32为电动折叠的避让机构—内叶片支架—外叶片支架组合搭配示意图；

图中：1、固定机构；2、风能捕获机构；3、偏航壳体；10、固定柱体；101、第一固定孔；102、第一旋转槽；210、内叶片支架；211、内支臂连接台；212、内支臂连接槽；213、第一支臂连接孔；214、第三滑槽；215、第一支架连接孔；216、第一齿轮；220、外叶片支架；221、外叶片支架杆；222、第四滑槽；223、第五滑槽；224、第二齿轮；225、外支臂连接台；226、第二支臂连接孔；227、外支臂连接槽；230、支架连杆；231、第一连杆杆体；232、第二支架连接孔；233、第二连杆杆体；234、第三支架连接孔；240、固定盘；241、第二固定孔；250、叶片支臂；251、支臂杆体；252、第三支臂连接孔；253、第四支臂连接孔；260、内叶片折叠机构；261、第一拉杆；262、第一拉杆连接孔；263、第二拉杆连接孔；264、活动接头；265、接头小凸台；266、接头大凸台；267、接头连接孔；268、滑动柱体；270、外叶片折叠机构；271、第二拉杆；272、第三拉杆；273、第四拉杆；274、第二活动接头；275、第三活动接头；276、第一拉杆连接槽；277、第三拉杆连接孔；278、第四拉杆连接孔；279、第三接头小凸台；280、第二拉杆连接槽；281、第五拉杆连接孔；282、第三接头大凸台；283、第三拉杆凸台；284、第三拉杆连接槽；285、第六拉杆连接孔；286、第七拉杆连接孔；287、第四拉杆凸台；288、第八拉杆连接孔；289、第二滑动柱体；290、柔性叶片；310、上偏航壳体；311、第一引导体；312、第二引导体；320、下偏航壳体；321、偏航齿轮；330、偏航连杆；410、避让机构；411、支臂套；412、可旋锲块；413、弹簧；414、小电机；415、外延小凸台；416、第一支臂连接槽；417、第五支臂连接孔；418、第一电机槽；419、外延大凸台；420、对称斜面；421、弹簧体；422、弹簧圆板；423、锲块旋转孔；451、第一折叠电机；452、第二折叠电机；2110、左半内叶片支架；2111、第一凹槽；2112、第一锁定孔；2113、左半内支臂连接台；2114、左半内支臂连接槽；2115、左半内支臂连接孔；2116、左半竖直旋转电机槽；2117、左半避让电机槽；2120、右半内叶片支架；2121、第一凸台；2122、第二锁定孔；2123、右半内支臂连接台；2124、右半内支臂连接槽；2125、右半内支臂连接孔；2126、右半竖直旋转电机槽；2127、右半避让电机槽；2210、左半外叶片支架；2211、第二凹槽；2212、第三锁定孔；2213、左半内支架安装槽；2214、左半避让框；2215、左半弹簧安装柱；2220、右半外叶片支架；2221、第二凸台；2223、右半内支架安装槽；2224、右半避让框；2225、右半弹簧安装柱；3110、多导槽；3111、导槽切换凹槽；3112、导槽切换体；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明一种单轴对转型垂直轴风机进一步说明。

一种单轴对转型垂直轴风机主要包括固定机构1和风能捕获机构2，其中固定机构1由固定柱体10构成，固定柱体10可以是实心柱体的形式，也可以是圆环形柱体的形式。

根据避让机制和折叠机制的不同，风能捕获机构2主要有两种形式：

优选方式1：如图1和图2所示，风能捕获机构2由内叶片支架210、外叶片支架220、支架连杆230、固定盘240、叶片支臂250、内叶片折叠机构260、外叶片折叠机构270和柔性叶片290构成。

优选方式2：如图3和图4所示，风能捕获机构2由内叶片支架210、外叶片支架220、避让机构410、叶片支臂250和柔性叶片290构成。

当风能捕获机构2为优选方式1时还设置有偏航壳体3，偏航壳体3主要包括上偏航壳体310、下偏航壳体320和偏航连杆330。

风能捕获机构2均匀分布在固定机构1的四周，风能捕获机构2主要依靠柔性叶片290捕获风能。设定风向与柔性叶片290运动方向一致的一侧为顺风侧，风向与柔性叶片290运动方向相反的一侧为迎风侧。设定绕固定柱体10的旋转为水平旋转，垂直于水平方向的旋转为竖直旋转。设定叶片处于展开状态一侧的中心面为风能最大截获面。将风能捕获机构2安装到固定机构1上之后，风能捕获机构2可在固定机构1上做水平旋转，且叶片支臂250或叶片支臂250可在一定范围内进行竖直旋转，从而保证柔性叶片290在顺风侧处于展开状态，在迎风侧处于收拢状态。通过偏航控制，使风能最大截获面始终垂直于风向。此外，风能捕获机构2上的叶片组为两组在同一空间内按相反方向旋转的叶片组，每个叶片组中的叶片在顺风侧时展开受力，在迎风侧时收拢。由于两组叶片在同一空间中对转，所以其中一组叶片处于收拢状态的一侧刚好为另一组叶片处于展开状态的一侧。因此，两组叶片的顺风侧和迎风侧实现了互补，使得从整体看来整个叶片旋转空间的叶片均处于顺风受力状态。

由于迎风侧的叶片完全收拢，从而减少了叶片在迎风侧的占用空间，且一组叶片的迎风侧刚好为另一组对称叶片的顺风侧，保证了叶片占用空间范围内基本为顺风侧的展开状态的叶片，从而增大了风能的有效利用空间，提高了风机的气动效率。

固定机构1分为两种优选的方案：

优选方式1：固定机构1仅包含固定柱体10，固定柱体10上设置有第一固定孔101，主要是固定在地面上，用于实现对整个风机的固定，可以是柱体，也可以是壳体形式。

优选方式2：固定机构1仅包含固定柱体10，固定柱体10的上下两端各设置有一个第一旋转槽102，主要是固定在地面上，用于实现对整个风机的固定，可以是柱体，也可以是壳体形式。

风能捕获机构2主要有两种优选的方式：

优选方式1：如图7和图8所示，风能捕获机构2主要由内叶片支架210、外叶片支架220、支架连杆230、固定盘240、叶片支臂250、内叶片折叠机构260、外叶片折叠机构270和柔性叶片290构成。内叶片支架210分为上下两部分，可绕固定柱体10的轴心自由旋转，较短的支架连杆230将内叶片支架210的上下两部分连接成一个整体。外叶片支架220分为上下两部分，可绕固定柱体10的轴心自由旋转，其靠上部分外叶片支架220位于靠上部分内叶片支架210的上端，其靠下部分外叶片支架220位于靠下部分内叶片支架210的下端，较长的支架连杆230将外叶片支架220的上下两部分连接成一个整体。固定盘240固定在偏航壳体3的下端，并对内叶片支架210和外叶片支架220起支撑作用，叶片支臂250安装在内叶片支架210和外叶片支架220上。内叶片折叠机构260连接到偏航壳体3、内叶片支架210和叶片支臂250上，外叶片折叠机构270连接到偏航壳体3、外叶片支架220和叶片支臂250上，柔性叶片290安装到上下两根对应的叶片支臂250上。叶片支臂250随内叶片支架210水平旋转的同时还可以在内叶片折叠机构260的作用下进行竖直旋转，叶片支臂250随外叶片支架220水平旋转的同时还可以在外叶片折叠机构270的作用下进行竖直旋转，从而实现在顺风侧展开柔性叶片290，迎风侧收拢柔性叶片290，通过柔性叶片290的展开及收拢实现内叶片支架210与外叶片支架220在同一平面上相遇时的避让。所述柔性叶片290为帆布或其它柔性材质叶片。

优选方式2：如图9和图10所示，风能捕获机构2主要由内叶片支架210、外叶片支架220、避让机构410、叶片支臂250和柔性叶片290构成。内叶片支架210和外叶片支架220均分为上下两部分，且每部分均分成左右两半，内叶片支架210同轴置于外叶片支架220的中间，然后再安装在第一旋转槽102，安装好后可绕固定柱体10的轴心自由旋转。避让机构410安装在外叶片支架220上，叶片支臂250安装在内叶片支架210和避让机构410上，叶片支臂250随内叶片支架210或外叶片支架220水平旋转的同时还可以进行竖直旋转，从而实现在顺风侧展开柔性叶片290，迎风侧收拢柔性叶片290。所述柔性叶片290为帆布或其它柔性材质叶片。

对应于风能捕获机构2的两种优选方式，内叶片支架210也有两种方式：

优选方式1：如图11所示，对应于风能捕获机构2的优选方式1。内叶片支架210为圆环形柱体，圆环形柱体的其中一端周向均匀设置有多个内支臂连接台211，每个内支臂连接台211的中间均开设有内支臂连接槽212，内支臂连接槽212上设置有第一支臂连接孔213，通过内支臂连接台211、内支臂连接槽212和第一支臂连接孔213的设置，可以实现对叶片支臂250的活动连接。圆环形柱体的中间设置有第三滑槽214，第三滑槽214主要是限制了内叶片折叠机构260的运动轨迹。位于下部的内叶片支架210上的内支臂连接台211的下端设置有第一齿轮216，第一齿轮216通过同步机构与第二齿轮224同步旋转。

圆环形柱体的另一端设置有第一支架连接孔215，主要用于连接另一个内叶片支架210。

优选方式2：如图12所示，对应于风能捕获机构2的优选方式2。内叶片支架210分成左半内叶片支架2110和右半内叶片支架2120两部分。左半内叶片支架2110的两端面上设置有第一凹槽2111，第一凹槽2111的两侧设置有第一锁定孔2112，左半内叶片支架2110的弧形顶端设置有左半内支臂连接台2113，左半内支臂连接台2113的中间开设有左半内支臂连接槽2114，左半内支臂连接槽2114上设置有左半内支臂连接孔2115，通过左半内支臂连接台2113、左半内支臂连接槽2114和左半内支臂连接孔2115的设置，可以实现对叶片支臂250的活动连接。左半内支臂连接台2113的其中一侧的外侧设置有左半竖直旋转电机槽2116，左半内支臂连接槽2114的靠近左半内叶片支架2110的弧形顶端处设置有左半避让电机槽2117。右半内叶片支架2120的两端面上设置有第一凸台2121，第一凸台2121的两侧设置有第二锁定孔2122，右半内叶片支架2120的弧形顶端设置有右半内支臂连接台2123，右半内支臂连接台2123的中间开设有右半内支臂连接槽2124，右半内支臂连接槽2124上设置有右半内支臂连接孔2125，通过右半内支臂连接台2123、右半内支臂连接槽2124和右半内支臂连接孔2125的设置，可以实现对叶片支臂250的活动连接。右半内支臂连接台2123的其中一侧的外侧设置有右半竖直旋转电机槽2126，右半内支臂连接槽2124的靠近右半内叶片支架2120的弧形顶端处设置有右半避让电机槽2127。

对应于风能捕获机构2的两种优选方式，外叶片支架220也有两种方式：

优选方式1：如图13所示，对应于风能捕获机构2的优选方式1。外叶片支架220为圆环形柱体，圆环形柱体的其中一端周向均匀设置有多个外叶片支架杆221，每个外叶片支架杆221的末端设置有外支臂连接台225，外支臂连接台225的中间均开设有外支臂连接槽227，外支臂连接槽227上设置有第二支臂连接孔226，通过外支臂连接台225、第二支臂连接孔226和外支臂连接槽227的设置，可以实现对叶片支臂250的活动连接。当然，外叶片支架杆221的另一端还可以再设置一组同样的外支臂连接台225、第二支臂连接孔226和外支臂连接槽227。外叶片支架杆221上靠圆环形柱体一侧设置有第四滑槽222，圆环形柱体的中间设置有第五滑槽223，第五滑槽223主要是限制了外叶片折叠机构270的运动轨迹。位于下部的外叶片支架220圆环形柱体的下端设置有第二齿轮224，第二齿轮224用于与发电机传动连接，从而将风能转化为电能。

优选方式2：如图14所示，对应于风能捕获机构2的优选方式2。外叶片支架220分成左半外叶片支架2210和右半外叶片支架2220两部分。内支架安装槽分成左半内支架安装槽2213和右半内支架安装槽2223；避让框分成左半避让框2214和右半避让框2224；

左半外叶片支架2210的两端面上设置有第二凹槽2211，第二凹槽2211的两侧设置有第三锁定孔2212，左半外叶片支架2210的外弧面上设置有左半内支架安装槽2213，左半外叶片支架2210的弧形顶端的左半内支架安装槽2213的两侧各设置有一个左半避让框2214，左半避让框2214的顶部设置有左半弹簧安装柱2215。右半外叶片支架2220的两端面上设置有第二凸台2221，右半外叶片支架2220的外弧面上设置有右半内支架安装槽2223，右半外叶片支架2220的弧形顶端的右半内支架安装槽2223的两侧各设置有一个右半避让框2224，右半避让框2224的顶部设置有右半弹簧安装柱2225。

支架连杆230至少有两种形式，其中一种形式为支架连杆230由第一连杆杆体231及第二支架连接孔232构成，第二支架连接孔232设置在第一连杆杆体231的两端。另一种形式为支架连杆230多段杆体，如两根第一连杆杆体231及一根第二连杆杆体233，每段连杆杆体两端均设置有第二支架连接孔232或第三支架连接孔234。每段连杆杆体通过支架连接孔及螺钉连接起来，然后连接到第一支架连接孔215或上外叶片支架220，实现和内叶片支架210及外叶片支架220的固定连接。支架连杆230的多段杆体设置，可以实现风机的逐段安装逐步上升，且便于维修维护时的逐段拆除及逐步下降。支架连杆230的设置主要对应于风能捕获机构2的优选方式1。

固定盘240为圆环形柱体，四周均匀分布有第二固定孔241，通过螺钉穿过第二固定孔241，可以将固定盘240紧固到偏航壳体3上。固定盘240的设置主要对应于风能捕获机构2的优选方式1。

叶片支臂250主要由支臂杆体251、第三支臂连接孔252和第四支臂连接孔253构成。叶片支臂250主要用于安装柔性叶片290。当风能捕获机构2为优选方式1时叶片支臂250为图18所示样式。叶片支臂250和叶片支臂250的样式相似，只是在图18所示样式的基础上去掉第四支臂连接孔253，且叶片支臂250适用于风能捕获机构2的优选方式2。

图19和图20是风能捕获机构2为优选方式1时内叶片支架210、外叶片支架220、支架连杆230、固定盘240和叶片支臂250的搭配图。内叶片支架210和外叶片支架220分别设置上下两组，上组外叶片支架220置于上组内叶片支架210之上，下组外叶片支架220置于下组内叶片支架210，整体相当于两组外叶片支架220把两组内叶片支架210夹在中间。两组内叶片支架210通过支架连杆230固定连接在一起，两组外叶片支架220通过支架连杆230在外叶片支架杆221的末端固定连接在一起。固定盘240置于下组外叶片支架220的下端，然后固定在偏航外壳3上，对风能捕获机构2起支撑作用。叶片支臂250上的第三支臂连接孔252活动连接到内叶片支架210的第一支臂连接孔213上，使得叶片支臂250可以在内叶片支架210上以第一支臂连接孔213为轴心竖直旋转。此外，叶片支臂250上的第三支臂连接孔252还需活动连接到外叶片支架220上的第二支臂连接孔226，使得叶片支臂250可以在外叶片支架220上以的第二支臂连接孔226为轴心竖直旋转。

图21和图22是风能捕获机构2为优选方式1时外叶片支架220、支架连杆230和叶片支臂250的搭配图，若叶片支臂250按图21所示方式安装，叶片支臂250处于水平状态时为叶片展开状态，叶片支臂250处于竖直状态时为叶片收拢状态。若叶片支臂250按图22所示方式安装，叶片支臂250处于水平状态时为叶片收拢状态，叶片支臂250处于竖直状态时为叶片展开状态。

当风能捕获机构2为优选方式1时还设置有偏航壳体3，偏航壳体3主要包括上偏航壳体310、下偏航壳体320和偏航连杆330。上偏航壳体310和下偏航壳体320基本相同，均设置有相同形式的第一引导体311和第二引导体312，主要和第三滑槽214或第五滑槽223共同作用下对内外叶片折叠机构的运动起限位作用。下偏航壳体320上还设置有偏航齿轮321，主要用于连接现有的常见偏航系统，实现对偏航壳体3的偏转。上偏航壳体310和下偏航壳体320通过偏航连杆330固定连接在一起。易于拓展的方案是，第一引导体311不仅可以设置成滑槽的形式，还可以设置成凸轮的形式，均可以实现对叶片折叠机构运动的限位作用。

当风能捕获机构2为优选方式1时还设置有内叶片折叠机构260，内叶片折叠机构260主要由第一拉杆261和活动接头264构成。第一拉杆261的其中一端设置有第一拉杆连接孔262，另一端设置有第二拉杆连接孔263。活动接头264主要由接头小凸台265和接头大凸台266构成，接头小凸台265上设置有接头连接孔267，接头大凸台266上连接有滑动柱体268。第二拉杆连接孔263与接头连接孔267对齐，然后用圆杆穿入即可实现第一拉杆261与活动接头264的活动连接。

图25和图26是风能捕获机构2为优选方式1时内叶片支架210、叶片支臂250、内叶片折叠机构260和上偏航壳体310的配合图。叶片支臂250上的第三支臂连接孔252与内叶片支架210上的第一支臂连接孔213活动连接，内叶片折叠机构260的第一拉杆连接孔262与叶片支臂250上的第四支臂连接孔253活动连接，内叶片折叠机构260的活动接头264卡入内叶片支架210上的第三滑槽214中，同时再卡入上偏航壳体310上的第二引导体312中。安装好后，叶片支臂250随着内叶片支架210水平旋转的同时，第三滑槽214带动活动接头264一同水平旋转，活动接头264由于受第二引导体312的限制，会在水平旋转的同时沿着第二引导体312运动，于是活动接头264会相对第三滑槽214上下运动，同时带动叶片支臂250在竖直方向展开或收拢。

当风能捕获机构2为优选方式1时设置有外叶片折叠机构270，外叶片折叠机构270主要由第二拉杆271、第三拉杆272、第四拉杆273、第二活动接头274和第三活动接头275构成。第二拉杆271两端各设置有一个第四拉杆连接孔278，第二活动接头274为方形凸台，方形凸台的中间设置有第一拉杆连接槽276，第一拉杆连接槽276的侧壁中间设置有第三拉杆连接孔277，方形凸台的其中一面上设置有第二滑动柱体289，第二拉杆271其中一端的第四拉杆连接孔278与第二活动接头274上的第三拉杆连接孔277对齐，然后用圆杆穿入即可实现第二拉杆271与第二活动接头274的活动连接。第三活动接头275上设置有第三接头小凸台279和第三接头大凸台282，第三接头小凸台279的中间设置有第二拉杆连接槽280，第二拉杆连接槽280的侧壁中间设置有第五拉杆连接孔281，第二拉杆271的另一端卡入第三活动接头275的第二拉杆连接槽280中，且第二拉杆271上的第四拉杆连接孔278与第三活动接头275上的第五拉杆连接孔281对齐。第三拉杆272的其中一端设置有第三拉杆凸台283，第三拉杆凸台283的中间开设有第三拉杆连接槽284，第三拉杆连接槽284的侧壁中间设置有第六拉杆连接孔285，第三活动接头275上的第三接头小凸台279卡入第三拉杆272一端的第三拉杆连接槽284中，且第三活动接头275上的第五拉杆连接孔281与第三拉杆272上的第六拉杆连接孔285对齐，再保持与第二拉杆271其中一端的第四拉杆连接孔278对齐，然后用圆杆穿入即可实现第二拉杆271、第三活动接头275和第三拉杆272的活动连接。第三拉杆272的另一端设置有第七拉杆连接孔286，将第三拉杆272的另一端卡入另一个第三活动接头275的第二拉杆连接槽280中，保持第七拉杆连接孔286与第五拉杆连接孔281的对齐。第四拉杆273的两端均设置有第四拉杆凸台287，第四拉杆凸台287的中间设置有第八拉杆连接孔288，将第八拉杆连接孔288与第五拉杆连接孔281对齐，同时与第七拉杆连接孔286，然后用圆杆穿入即可实现第四拉杆273、第三活动接头275和第三拉杆272的活动连接。

图28和图29是风能捕获机构2为优选方式1时外叶片支架220、叶片支臂250、外叶片折叠机构270和上偏航壳体310的配合图。叶片支臂250上的第三支臂连接孔252与外叶片支架220上的第二支臂连接孔226活动连接，外叶片折叠机构270上的其中一个第八拉杆连接孔288与叶片支臂250上的第四支臂连接孔253活动连接，外叶片折叠机构270的第二活动接头274卡入外叶片支架220上的第五滑槽223中，同时再卡入上偏航壳体310上的第一引导体311中，两个第三活动接头275上的第三接头大凸台282卡入外叶片支架杆221上的第四滑槽222中。安装好后，叶片支臂250随着外叶片支架220水平旋转的同时，第五滑槽223带动第二活动接头274一同水平旋转，第二活动接头274由于受第一引导体311的限制，会在水平旋转的同时沿着第一引导体311运动，于是第二活动接头274会相对第五滑槽223上下运动，同时通过外叶片折叠机构270带动叶片支臂250在竖直方向展开或收拢。

为了使风机能够起到抗强风的作用，可以将限制折叠机构运动轨迹的滑槽设置成单导槽连接多导槽3110的样式。单导槽为平槽，多导槽3110为上下层叠的槽。

如图30所示，在偏航壳体3上设置多导槽3110，在导槽切换处设置导槽切换凹槽3111，导槽切换体3112安装在导槽切换凹槽3111中，通过导槽切换体3112在导槽切换凹槽3111中的竖直运动及固定，可以实现导槽的切换。

利用现有技术的风向仪可测量风速、风向的功能，当风速较小时，可以移动导槽切换体3112使左边水平滑槽连接到右边最上一个滑槽中，此时叶片完全展开。当风速相对较大时，通过移动导槽切换体3112使左边水平滑槽连接到右边较矮的滑槽中，此时叶片部分展开。当风速很大需要停机时，通过移动导槽切换体3112使左边水平滑槽连接到右边相应滑槽中，此时叶片完全收拢。因此，通过导槽切换体3112的切换，可以控制叶片在顺风侧的展开状态，从而达到抗强风的作用。当然，导槽切换体3112及导槽切换凹槽3111不一定是竖直形式，也可以是方便移动切换的其它形式。此外，如果是电机控制叶片支臂的竖直旋转运动，则不需要设置这一机构。

风能捕获机构2为优选方式2时设置有避让机构410，避让机构410主要包括可旋锲块412和小电机414，通过避让机构410的设置，可以实现安装在内叶片支架210上的叶片支臂250和安装在外叶片支架220上的叶片支臂250之间合理避让。支臂套411主要用于安装叶片支臂250，主要包括外延小凸台415、外延大凸台419、对称斜面420和第一电机槽418，对称斜面420的外侧设置有外延大凸台419，外延大凸台419的外侧设置有外延小凸台415，外延小凸台415的中间开设有第一支臂连接槽416，第一支臂连接槽416的其中一侧中间设置有第五支臂连接孔417，外延小凸台415的其中一侧设置有第一电机槽418。可旋锲块412为三角形锲块，在三角形锲块的底面中间设置有锲块旋转孔423。弹簧413由弹簧体421和弹簧圆板422构成。

图31是风能捕获机构2为优选方式2时避让机构410与部分内外叶片支架之间的搭配图。其中，如图12所示，避让电机槽分成左半避让电机槽2117和右半避让电机槽2127；竖直旋转电机槽分成左半竖直旋转电机槽2116和右半竖直旋转电机槽2126；

小电机414安装在右半内叶片支架2120上的右半避让电机槽2127中，小电机414的转轴与可旋锲块412上的锲块旋转孔423固定连接在一起。其中一根叶片支臂250安装在右半内叶片支架2120上的右半内支架安装槽2223中，另一根叶片支臂250安装在支臂套411上的第一支臂连接槽416中，第一折叠电机451安装在右半竖直旋转电机槽2126中，第一折叠电机451的转轴与叶片支臂250固定连接在一起，第二折叠电机452安装在第一电机槽418中，第二折叠电机452的转轴与另一根叶片支臂250固定连接在一起。右半内叶片支架2120安装在右半外叶片支架2220上的右半内支架安装槽2223中，弹簧413安装在右半避让框2224中，并套在右半弹簧安装柱2225上。支臂套411安装在右半避让框2224中，且支臂套411可在右半避让框2224中上下移动，但支臂套411上下两侧均安装有弹簧，因此通常情况下支臂套411连带着叶片支臂250位于右半避让框2224的中间位置。内叶片支架210和外叶片支架220的旋转方向相反，可旋锲块412和内叶片支架210一同旋转，支臂套411和外叶片支架220一同旋转，当可旋锲块412快要接触到支臂套411时，由于支臂套411位于右半避让框2224上的中间位置，可旋锲块412会首先接触对称斜面420，从而在斜面的作用下迫使支臂套411在右半避让框2224中整体向下或向上移动。可旋锲块412的斜面面向上方，则会迫使支臂套411向上运动，可旋锲块412的斜面面向下方，则会迫使支臂套411向下运动。

此外，由于内叶片支架210和外叶片支架220均分为左右两半，因此可以将内叶片支架210和外叶片支架220从两边安装到固定柱体10上的第一旋转槽102中。

Claims (9)

1.一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，包括固定机构(1)和两组风能捕获机构(2)，两组风能捕获机构(2)以固定机构(1)为中心以相反方向旋转；每组风能捕获机构(2)均以固定机构(1)为中心对半分成顺风侧和迎风侧，每组风能捕获机构(2)均包括叶片支架、两个以上的柔性叶片(290)、与每个柔性叶片(290)对应配合的叶片支臂(250)和叶片折叠机构；柔性叶片(290)通过叶片支臂(250)周向均匀设置在叶片支架上；每组风能捕获机构(2)的柔性叶片(290)，在各自的顺风侧通过叶片折叠机构带动叶片支臂(250)使柔性叶片(290)展开，在各自的迎风侧通过叶片折叠机构带动叶片支臂(250)使柔性叶片(290)折叠；当一组风能捕获机构(2)的迎风侧的柔性叶片(290)与另一组风能捕获机构(2)的顺风侧柔性叶片(290)相遇时，位于迎风侧的柔性叶片(290)处于折叠状态，位于顺风侧柔性叶片(290)处于展开状态，从而实现相互避让。

2.如权利要求1所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，两组风能捕获机构(2)在固定机构(1)上呈内外设置；位于外侧的风能捕获机构(2)包括上部和下部的外叶片支架(220)和外叶片折叠机构(270)，外叶片支架(220)的外侧周向均匀设有外叶片支架杆(221)；外叶片支架(220)上的叶片支臂(250)活动连接在外叶片支架杆(221)的外端；外叶片折叠机构(270)带动外叶片支架(220)上的叶片支臂(250)在竖直方向旋转；位于内侧风能捕获机构(2)包括上部和下部的内叶片支架(210)和内叶片折叠机构(260)；两个内叶片支架(210)位于两个外叶片支架(220)之间，内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)的内端活动连接在内叶片支架(210)上，内叶片折叠机构(260)带动内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)在竖直方向旋转。

3.如权利要求1所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，两组风能捕获机构(2)在固定机构(1)上呈内外设置；位于外侧的风能捕获机构(2)包括上部和下部的外叶片支架(220)和外叶片折叠机构(270)；外叶片支架(220)的外侧周向均匀设有外叶片支架杆(221)；外侧的风能捕获机构(2)的柔性叶片(290)分为上下两半，上部和下部的柔性叶片的两侧均分别安装有一个叶片支臂(250)，其中一个叶片支臂(250)活动连接在外叶片支架杆(221)的内端，另一个叶片支臂(250)活动连接在外叶片支架杆(221)的外端；外叶片折叠机构(270)带动外叶片支架(220)上的叶片支臂(250)在竖直方向旋转；位于内侧风能捕获机构(2)包括上部和下部的内叶片支架(210)和内叶片折叠机构(260)；两个内叶片支架(210)位于两个外叶片支架(220)之间，内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)活动连接在内叶片支架(210)上，内叶片折叠机构(260)带动内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)在竖直方向旋转。

4.如权利要求2所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，固定机构(1)外围安装有偏航壳体(3)，在偏航壳体(3)的上部和下部设有对称的两个第一引导体(311)，外叶片支架杆(221)的顶部设有第四滑槽(222)；外叶片支架(220)上竖向设置有第五滑槽(223)；第五滑槽(223)与外叶片支架杆(221)位于同一竖向平面上；外叶片支架(220)套装在偏航壳体(3)上，并以偏航壳体(3)为轴心旋转；外叶片折叠机构(270)包括第四拉杆(273)、连杆机构和第三活动接头(275)；第四拉杆(273)的一端与叶片支臂(250)活动链接，另一端与第三活动接头(275)活动连接，第三活动接头(275)通过连杆结构与第二活动接头(274)活动连接，连杆机构在第四滑槽(222)上滑动连接；第二活动接头(274)穿过外叶片支架(220)上的第五滑槽(223)，并与第一引导体(311)活动连接；第二活动接头(274)在沿着第一引导体(311)和第五滑槽223运动的过程中能够带动叶片支臂250在外叶片支架杆221外端竖直方向旋转。

5.如权利要求4所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，在偏航壳体(3)的下部设有对称的两个第二引导体(312)，两个第二引导体(312)位于两个第一引导体(311)之间；内叶片支架(210)竖向设置有第三滑槽(214)；内叶片折叠机构(260)包括第一拉杆(261)和活动接头(264)；第一拉杆(261)的一端与叶片支臂(250)铰接，另一端与活动接头(264)活动连接，活动接头(264)穿过第三滑槽(214)与对应的第二引导体(312)活动连接，活动接头(264)在沿着第三滑槽(214)以及对应的上部或下部第二引导体(312)运动的过程中能够使内叶片支架(210)上下的叶片支臂(250)以相反方向旋转。

6.如权利要求5所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，第一引导体(311)和/或第二引导体(312)均包括单导槽和多导槽(3110)，偏航壳体(3)的侧面上，单导槽、多导槽(3110)之间设有导槽切换凹槽(3111)；导槽切换凹槽(3111)中安装有导槽切换体(3112)，通过切换导槽切换体(3112)的位置使单导槽与对应的多导槽(3110)连通。

7.如权利要求1所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，固定机构(1)包括固定柱体(10)，固定柱体(10)的上下两端各设有一个第一旋转槽(102)；其中一组风能捕获机构(2)包括位于固定柱体(10)上部和下部的外叶片支架(220)，外叶片支架(220)转动安装在对应的第一旋转槽(102)内；外叶片支架(220)的外壁设有内支架安装槽；在外叶片支架(220)外端周向均匀设有两个为一组对称设置的避让框，且避让框位于内支架安装槽的上下两侧，上下两侧的避让框内均设有弹性装置，外叶片支架(220)上的叶片支臂(250)活动连接在支臂套(411)上，支臂套(411)的内端卡入上下两侧相对应的避让框内，并与上下两个避让框内的两个弹性装置抵接；另一组风能捕获机构(2)包括上部和下部的内叶片支架(210)，内叶片支架(210)安装在与之位置对应的内支架安装槽中，内叶片支架(210)的外端周向均匀设有内支臂连接台(211)，内叶片支架(210)的叶片支臂(250)活动安装在内支臂连接台(211)上；在内支臂连接台(211)处还设有避让机构(410)，通过避让机构(410)能够使支臂套(411)在内支架安装槽的上下两侧的避让框内上下移动，用于在外叶片支架(220)的叶片支臂(250)与内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)相遇时实现避让。

8.如权利要求7所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，内支臂连接槽靠近内叶片支架(210)的外端处设有避让电机槽；避让机构(410)包括可旋锲块(412)和小电机(414)；可旋锲块(412)转动安装在小电机(414)的转轴上，小电机(414)安装在避让电机槽内；支臂套(411)的内端设有与可旋锲块(412)相配合的对称斜面(420)。

9.如权利要求8所述的一种单轴对转型垂直轴风机，其特征在于，在内支臂连接台(211)的中部设有内支臂连接槽，内支臂连接台(211)的外侧设有竖直旋转电机槽；竖直旋转电机槽内设有用于带动内叶片支架(210)上的叶片支臂(250)垂直旋转的第一折叠电机(451)；支臂套(411)的一侧设有第一电机槽(418)；第一电机槽418内设有第二折叠电机(452)，第二折叠电机(452)用于带动外叶片支架(220)的叶片支臂(250)垂直旋转。

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