CN1617979A - 风力发电用的风车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电用的风车，该风车(10)由塔状的框架(11)和设置在该框架上能绕纵向的轴由自如旋转的旋转部件(12)构成。旋转部件(12)由以下部分构成：上下配置的轮毂(23、24)；分别从这些轮毂辐射状延伸的多个横叶片(25)；由上下一对横叶片的前端保持的纵叶片(26)。框架(11)由以下部分构成：支承旋转部件的轮毂(23、24)，使其能绕上下方向的轴心自如旋转的轴承(19、20)；支承该轴承的、设置成辐射状的辐条(17)；将这些辐条(17)保持在离开地面的位置上的支腿(15)。在下侧的轴承(20)上收容有与旋转部件(12的)轮毂(24)连接的发电机。

Description

风力发电用的风车

技术领域

本发明涉及一种风力发电用的风车。更加详细地说，是产生的发电量大的大型的风车。

背景技术

众所周知，风力发电用的风车，在支柱的上部设有沿水平方向延伸的能自如旋转的旋转轴，在该旋转轴的前端安装有螺旋桨状的多个叶片。另外，众所周知，也有纵向配置旋转轴、相对该旋转轴设置多个辐射状的纵叶片的风车。这样的风力发电用的风车，大型的能很好地接收风力，发电效率高。

但是，仅简单地放大尺寸，支承其自重很困难，另外，由于基于自重的旋转阻力变大了，所以难以实用化。因此，现有的风车发电量最大也不过3000kW左右。本发明的目的是提供一种即使是大型的、也难以受到自重的影响、而且能使其稳定地旋转的风力发电用的风车。

发明内容

本发明的风力发电用的风车，由以下部分构成：具有上下配置的轮毂、从这些轮毂分别呈辐射状延伸的多个支承部件和由上下一对支承部件的前端保持的纵叶片的旋转部件；具有支承上述旋转部件的轮毂使其能绕上下方向的轴心自如旋转的轴承和将该轴承保持在离开地面的位置上的支腿的框架。

这样的风车，上述支承部件最好是在纵叶片接收风力而旋转时，在其旋转方向上产生升力的横叶片。再有，上述框架最好是在与纵叶片旋转的区域邻接的位置上具备用于使纵叶片保持限制状态的闭锁手段。再有，上述框架，最好是在与纵叶片旋转的区域邻接的位置上具备沿水平方向配置的环，在上述旋转部件上设置与环接触行驶的车轮。再有，上述框架和旋转部件最好是具备使旋转部件具有向上运动的趋势的、分别组合设置的多对磁铁。

本发明的风车，由于各纵叶片通过支承部件安装在轮毂上，所以，在离开旋转中心的位置上具有纵叶片。因此，产生的扭矩大。再有，由于用多根支承部件连接纵叶片和轮毂，所以，在纵叶片以外的部分上对风的阻力小、重量也轻。因此，容易大型化，能增大发电量。

本发明的风车，在构成支承部件、使其在纵叶片接收风力而旋转时、为在其旋转方向上产生升力的横叶片的场合，若旋转部件开始旋转，则旋转部件通过在安装于轮毂上沿水平方向旋转的横叶片上产生的升力而具有向上运动的趋势，支承旋转部件的轴承的负担变小了，旋转阻力小。因此，旋转效率高，能很容易地增加发出的电力。再有，在升力超过旋转部件的重量的场合，旋转部件向上浮起，能进一步提高旋转效率。

本发明的风车，在上述框架在与纵叶片旋转的区域邻接的位置具备用于使纵叶片保持限制状态的闭锁手段的场合，在风力较大时能用闭锁手段固定纵叶片。因此，能避免由于风力大旋转部件激烈旋转、风车或发电机产生故障。另外，由于直接固定纵叶片，所以，在支承部件上不会施加很大的弯曲力。

本发明的风车，上述框架在与纵叶片旋转的区域邻接的位置具备沿水平方向配置的环，在上述旋转部件上设有与环接触行驶的车轮，所以，支承旋转部件的轴承的负担变小了，旋转阻力也小。因此，旋转效率高，容易增加发出的电力。另外，由于在纵叶片上设置车轮，所以，容易支承纵叶片的重量，不会将负担施加在辐射方向的支承部件上。

再有，在具备上述横叶片的旋转部件上设有车轮的场合，在旋转部件旋转较慢、由在横叶片上产生的升力上浮之前，由车轮支承。而且，若旋转速度变快、靠升力浮起来，则车轮滚动，阻力消失。因此，由于横叶片和车轮的叠加作用，能同时达到稳定旋转和高效旋转的目的。

另外，在上述框架和旋转部件具备使旋转部件具有向上运动的趋势的分别组合设置的多对磁铁的场合，由于磁铁之间不直接接触、产生向上的作用力，所以，也能耐受高速的旋转和大的负荷，而且阻力小。

附图说明

图1是表示本发明的风车的一实施例的立体图。

图2是该风车的纵向剖视图。

图3是该风车的俯视图。

图4是该风车所使用的旋转部件的立体图。

图5是该风车所使用的框架的简要立体图。

图6是表示本发明的风车的其它实施例的主要部位的剖视图。

图7和图8是表示本发明的风车的又一其它实施例的主要部位的立体图。

图9是表示与本发明的风车有关的闭锁手段的其它实施例的立体图。

图10是表示本发明的又一其它实施例的立体图。

具体实施方式

图1所示的风车10由框架11和上下两层设置在该框架内的旋转部件12构成。各旋转部件12如图2所示，设置成能相对框架11绕铅垂方向的轴心13自如旋转。

如图3所示，上述框架11具备上下方向延伸的3根支腿15和周向等间隔地连接这些支腿的连接部件16。连接部件16设置3层，即支腿15的上端、距下端某种程度的上侧位置、以及它们的中间这3层。在各连接部件16之间的空间S1、S2收容有上述旋转部件12(参照图2)。连接部件16具备辐射状延伸的3根辐条17和连接邻近的这些辐条17的外侧的端部的环18。再有，在上层的连接部件16的轮毂17的中心设有用于能自如旋转地支承旋转部件的圆柱状的向下的轴承19。另外，在下层的连接部件16上设有向上的轴承20，在中层的连接部件16上设有朝上下方向的轴承19和向上的轴承20这两个轴承。

如图2所示，在向上的轴承20的内部设置有发电机21。再有，对于大型的风车，在支腿15内设置有螺旋台阶或电梯，辐条17内为过渡走廊。虽然框架的大小并不做特别的限定，但，可以采用例如环18的直径从几米到几十米左右的、或更大的环。另外，支腿15的高度也可以为几米到几十米左右、或更高。

如图4和图5所示，上述旋转部件12由以下部分构成：上下一对轮毂23、24；从各轮毂辐射状延伸的3根横叶片25；固定在上下横叶片25的前端的纵叶片26。即，本实施例具备3个纵叶片26和其两倍的6个横叶片25。横叶片25在本实施例呈机翼形状，其截面形状为当从上面看轮毂23、24向逆时针方向(箭头CCW)旋转时，在横叶片25上作用有向上的升力。而且，既可以倾斜成使其前端关于旋转方向朝向上方，也可以组合翼型和倾角。再有，还可以使其能调节倾角。而且，在纵叶片26朝向反向、旋转体向相反的方向旋转的场合，横叶片25的方向也反向，使其在向顺时针方向旋转时作用有升力。

上述纵叶片26呈机翼形状，其翼型在上述纵叶片26承受来自横向的风力时，在3个纵叶片26上产生的力的合力产生箭头CCW方向的力矩。纵叶片26也是既可以绕铅垂方向的轴心倾斜，也可以组合翼型和倾角。再有，也可以使其能调节倾角。另外，也可以能调节角度地安装纵叶片26，使其能根据风的方向，使旋转体12向相反的方向旋转。

如图2所示，上述旋转部件12，在框架11的上层空间S1和下层空间S2各安装1台。各旋转部件12的上侧轮毂23能自如旋转地嵌合在框架11的向下的轴承19的周围，下侧的轮毂24能自如旋转地嵌合在向上的轴承20的周围。而且，也能连接上下轮毂23、24之间，本发明包含这种情况。但是，在减轻重量方面省略轮毂之间的方法很理想。在如图2所示安装着的状态下，旋转部件12的重量由向上的轴承20支承着。而且，在本实施例，轴承19、20具有轴的形式，虽然轮毂嵌合在该轴承的周围，但也可以相反，使轴从轮毂24突出出来，用轴承19、20包围其周围。上述的轴承20内的发电机21的旋转轴连接在旋转部件12的下侧的轮毂24上。

再有，该风车10，在框架11的环18或辐条17上，设有液压装置28，作为用于限制旋转部件12旋转的闭锁手段。液压装置28例如由液压缸、设置在该液压缸的活塞杆上的延长器或活塞杆头、用于活塞杆头的导轨构成。而且，最好是设置成上下一对对置，在上层的辐条17上设置活塞杆向下伸出的液压装置28，在中层的辐条17上设置具有向上伸出的活塞杆的液压装置28。另外，液压装置28最好是仅设置与纵叶片26的个数相当的数量，使其限制3个纵叶片26的上端和下端。对于下层的旋转部件来说也同样。因此，在中层的辐条17上使用具备向上伸出的液压缸和向上伸出的液压缸的液压装置28。

上述结构的风车10，与现有的风力发电用的风车同样，例如沿海岸线设置，或利用山或略微高起的地形，设置在能接受大量的风的位置。而且，若刮风，则纵叶片26接受风力，旋转部件12向图3的逆时针方向旋转。此时，由于横叶片25产生向上的升力，所以，支承旋转部件12的重量的下侧轴承20的负担小。因此，旋转阻力小，即使风量少，旋转部件12也能高效地旋转。若旋转部件12旋转，则发电机21发电，该电力例如被输电线输送到消费地区，或保存在蓄电池中。在送电的地区很远的情况下，在发电机是交流发电机的场合，用变压器变压后进行送电。在是直流发电机的场合，在用逆变器等暂时变换成交流之后进行变压、送电。

另外，在如刮台风时、风力极大的场合，使纵叶片26停止在与液压装置28对应的位置，通过用液压装置28夹着纵叶片26的上端和下端对其进行限制，能稳定地闭锁旋转部件12。而且，由于限制纵叶片26本体，所以在横叶片25上并不会施加很大的弯曲力。但是，在为小型的风车的场合，也可以设置限制轮毂23、24和轴承19、20之间的旋转的闭锁手段。而且，也可以取代液压装置，采用气动装置或用电马达驱动的闭锁手段。

在上述实施例，虽然用下侧的轮毂24和向上的轴承20支承旋转部件12的重量，但，也可以使其分散到其它部位、支承旋转部件12的重量。例如图6所示的风车30，在纵叶片26的下端设有在环18上滚动的车轮31。再有，在该实施例，在纵叶片26的上端也设有沿环18的下面滚动的车轮32。虽然车轮31、32可以为收容空气的橡胶轮胎，但最好是使其为不充入空气的橡胶车轮。为了能减小空气阻力，最好是各车轮31、32收容在纵叶片26的内部。

该风车能用下端的车轮31支承旋转部件12的重量、特别是纵叶片26的重量，因此，横叶片25和轴承20的负担小。从而，轴承20的摩擦阻力变小了，能高效地旋转。另外，在旋转部件12被向上的风快速吹动时，由于纵叶片26的上端的车轮32与环18的下面接触，所以，在横叶片25上不会施加很大的弯曲力。而且，在旋转部件12旋转时，由于车轮31、32沿环18滚动，所以，仅仅为滚动阻力，因此，几乎不会妨碍旋转部件12旋转。

而且，最好是构成上述车轮31、32，使其在通常的状态下，在车轮与环18之间设有间隙，在横叶片25或纵叶片26承受阻力或风力、不能支承其重量时，开始与环18接触。在这种场合，在通常的状态下不承受滚动阻力，而且，由于在横叶片26等挠曲变形超过一定值时，车轮31、32与环18接触，所以，能防止过度挠曲。

另外，在仅设置下端一侧的车轮31，而且，在构成旋转部件12，使其能自如地向上下方向移动一些的场合，或如以上所述，横叶片25和支承部件具有挠性的场合，在旋转部件12旋转得慢、由横叶片25产生的升力不充分时，若车轮支承旋转部件12的重量，旋转变快、升力增加，则旋转部件12靠升力向上浮起，车轮31从环18的上面离开。因此，车轮32的滚动阻力减小，旋转效率提高。而且，若风力变弱旋转速度降低、升力变小，则能再次由车轮31支承旋转部件12的重量。其作用与飞机的车轮相同。

上述纵叶片(垂直翼)26和横叶片(水平翼)25最好是尽量轻，因此，刚性变弱，也可以是具有挠性的。这是由于使其重量轻能减轻轴承19、20等的支承部的负担的缘故，即使在具有挠性的场合，如以上所述，也可以用车轮等支承，再有，是因为在停止时能用闭锁手段保证安全。因此，纵叶片26和横叶片25适合于采用与滑翔机等的机翼同样的材料。

再有，图6的风车30，在旋转部件12的上侧的辐条17a和下侧的辐条17b上，设有与各轴承19、20同心的小直径环34、35。而且，在上侧的小直径环34上设有窗帘轨道状的吊轨36，用吊杆38连接在该吊轨内行驶的导滑车37和上侧的横叶片25a。另外，在下侧的横叶片25b上安装有在下侧的小直径环35上滚动的车轮39。因此，旋转部件12的重量、纵叶片26和横叶片25所承受的风的力被分散传递到框架上，在横叶片25上不会施加很大的弯曲力，轴承20的负担也小。

图7所示的纵叶片26在端部形成有切口40。而且，在设置于环18上的液压装置28的向上下移动的活塞杆头41上设有与该切口40嵌合的突起42。切口40使用“V”形槽口或“U”形槽口等。标号43是收容在环18内的液压缸，标号44是引导活塞杆头41上下方向移动的导轨。

该装置若在纵叶片26停止后，使液压缸43动作，使活塞杆头41上升，则突起42与纵叶片26的切口40嵌合。因此，与仅用摩擦力固定的场合相比，能用较小的力更加可靠地限制纵叶片26的移动。而且，也可以取代切口40和突起42，在活塞杆头41一侧设置与纵叶片26的端部的外周卡合的前后台阶部。即，如果在闭锁手段和纵叶片26之间设置卡合并限制纵叶片26移动的卡合手段的话，也能可靠地限制旋转部件。

通过图7那样的切口41、突起42或台阶部等的卡合进行限制的限制手段，可以设置在限制纵叶片26的上端的闭锁手段上，因此，可以以从上下方向夹着纵叶片26的方式进行限制。

图8所示的纵叶片26在下端设有磁铁45。而且，在与其对置的环18上设有与纵叶片26一侧的磁铁相斥的磁铁46。虽然环一侧的磁铁46在环上排列多个较为理想，但也可以空开间隔设置多个。虽然磁铁45、46通常是永久磁铁，但也可以是电磁铁。这样一来，在纵叶片26和环18上设置相互排斥的磁铁45、46的场合，由于旋转部件12靠排斥力具有向上运动的趋势，所以，横叶片25和轴承20的负担变小了，摩擦阻力变小了。因此，能高效地旋转。上述下侧的磁铁46，除了设置在环18上之外，即使设置在辐条上等、框架的任何部分上，也具有同样工作效果。

使上述下侧的磁铁46为电磁铁等，也可以使其结构能改变极性，而且，也可以设置在图7的液压装置的活塞杆头41等闭锁手段上。在这种场合，改变极性，使得在通常的旋转工作时，与纵叶片26一侧的磁铁相互排斥；在停止时，相互吸引。因此，在旋转时，能获得使上述旋转部件12向上浮起的作用，同时，在停止时，能获得使纵叶片26停止在与闭锁手段相对置的位置上的作用。因此，能迅速地使纵叶片26停止在闭锁手段的位置。

在上述实施例，如图3所示，框架11具有3根支腿15，它们的上部15a为保持环和辐条的围框。但是，也可以不是连接这样的围框和支承风车的部分15b的线材，而是分别成形的形式。在这种场合，如图9所示，可以分离成构成围框的3根线材48、和与最下层的轮毂一体的1根支腿15。由于使支腿15为1根，所以能减小地面设置空间。而且支腿15也可以是2根，另外，也可以是4根或4根以上。

再有，在上述实施例，虽然用横叶片25连接旋转部件12的纵叶片26和轮毂23、24，但也可以采用简单的线材等的支承部件。在这种场合，横叶片不产生升力。

图10所示是组合直线状的结构部件构成框架11的风车的实施方式。例如，不采用圆形的环，而是连接6根直线状的结构部件制成六角形的环18，不采用圆柱的支腿，而采用方棒料或方管的支腿15。即，支腿15使用6根。环18也可以是五角形或八角形等。

图10的风车50的场合，其结构与图1的风车10大致相同，采用具有六角形的环18的框架11。辐条17组合6根方棒料成辐射状。也可以使3根方棒料交差构成。再有，支腿15在环18的每个顶点共安装6根。而且，在6根支腿15的下部附近，也将使用六角形的环18和6根辐条17的连接部件51夹在中间，用于提高强度。用现有的钢架结构的塔等建筑物的建造技术能比较容易地构筑该风车50的框架11。

也可以在图10的风车50的框架11的外周、与各环18平行地设置线材成栅格状。在这种场合，能由线材保护纵叶片26避免受到来自外部的飞来物体等的撞击，而且，能提高框架的强度。但是，由于这样的线材减弱了撞击纵叶片26的风力，所以，最好尽量采用细的线材。另外，也可以取代格栅状的线材，用2根倾斜的线材和连接它们的上下的纵向的线材形成栅栏。该栅栏也可以用例如一对设置成双层螺旋状。

图10的使用直线状的结构部件的风车，再有设置上述格栅状或双层螺旋状的栅栏的风车，具有考究的形式，即使作为从外侧眺望、或能攀登的观光用的塔，也有可利用的价值。

Claims (5)

1.一种风力发电用的风车，其特征是：具备：

由上下配置的轮毂、从这些轮毂分别呈辐射状延伸的多个支承部件和由上下一对支承部件的前端保持的纵叶片构成的旋转部件；

具有支承上述旋转部件的轮毂使其能绕上下方向的轴心自如旋转的轴承和将该轴承保持在离开地面的位置上的支腿的框架。

2.根据权利要求1的风力发电用的风车，其特征是：上述支承部件是在纵叶片接收风力而旋转时，在其旋转方向上产生升力的横叶片。

3.根据权利要求1的风力发电用的风车，其特征是：上述框架在与纵叶片旋转的区域邻接的位置上具备用于使纵叶片保持限制状态的闭锁手段。

4.根据权利要求1的风力发电用的风车，其特征是：上述框架在与纵叶片旋转的区域邻接的位置上具备沿水平方向配置的环，在上述旋转部件上设置与环接触行驶的车轮。

5.根据权利要求1的风力发电用的风车，其特征是：上述框架和旋转部件具备使旋转部件具有向上运动的趋势的、分别组合设置的多对磁铁。

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