CN201428556Y - 一种垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种垂直轴风力发电装置。一种垂直轴风力发电装置，包括上轮圈和下轮圈，轮圈之间设有支撑杆和叶片轴，叶片轴上设有风帆，轮圈、支撑杆和叶片轴构成正棱柱，在正棱柱的中部设有轮轴，轮轴上设有固定体，固定体与轮圈之间设有轮毂，轮轴穿过塔架顶部平台中心的轴孔，固定体设在塔架顶部的平台上，固定体在平台上以轮轴为中心作旋转运动，固定体上设有杆，在杆的顶端设有风向仪。本实用新型的优点效果：它不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。本实用新型可以降低成本、维护方便、气动噪音小。

Description

一种垂直轴风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电装置，尤其涉及一种垂直轴风力发电装置。

背景技术

稳定、可靠、清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障。煤炭、石油、天然气等化石能源支持了19世纪和20世纪近200年的人类文明的进步和发展。然而，化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉到了环境恶化的威胁。21世纪是科技、经济和社会快速发展的世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力的可再生能源时代过渡，逐步开创一个人类摆脱化石燃料桎梏的能源新时代的世纪。

风力发电是近期内技术成熟，具有大规模发展潜力的可再生能源，在远期有可能成为世界重要的替代能源。风力发电可以有效利用的风速范围为3～20mPs，最适宜的风速范围是6～8mPs，据专家们的估计，地球上所收到的太阳辐射能大约有2％可以转换成风能。地球上蕴有风能约为2.74万亿kW，可利用的风能约为200亿kW，装机容量可达10TW，每年可发出电力13PW·h。地球上的风能资源是地球上水能资源的10倍，已经利用的不足千分之一。在技术上全球风能资源是整个世界预期电力需求的2倍，也就是说，只要利用地球上50％的风能资源就能满足全球能源需求。

目前，市场上风力发电机主要采用水平轴方式，其主要有以下一些缺点：

1、水平轴机组机仓需360度旋转，达到″迎风″目的。这个调节系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪一闭环电力拖动系统。在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”。

2、水平轴风轮机当风速变化时，为了调节转速，要有浆距调节系统。即在风载荷下转动浆叶一个角度，此扭矩非常大。这个闭环调节系统精度高，液压系统液体在冬季要有防冻措施，以防失灵。该系统价格贵、维护难。

3、水平轴风轮的尖速比一般在5~7左右，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音，同时，很多鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免。

目前，在风力发电装置上的风向仪的精确度为±3°，分辨率为2.8125°。市场上风力发电机测风仪主要主要有以下一些缺点：由于尾翼阻风面积小，测风角度不够精确；当受力不均匀时，灵敏度不高。

目前，市场上水平轴风力发电机主要采用塔架或塔筒方式，其主要有以下一些缺点：水平轴风机机仓放置在高高的塔筒顶上，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨至几十吨，叶片上随机风载荷达几十吨。其重心高，不稳定，易翻倒。另外由于高位放置，安装、维护不便。目前的风力发电塔架或塔筒及转动机构不仅要承受机组的重力，更要承受风所产生的侧向力。这个力作用在塔架或塔筒及转达机构上所产生的上下的拉压应力大于机组的重力。所以塔架或塔筒的强度、转动机构的机械性能无形中不得不提高数倍。而侧向力作用在塔架或塔筒上所以会产生这么大的拉压应力是因为塔体的结构所造成的。塔体的高和塔身的直径比很大，可达十倍左右，故造成了侧向力成十倍的增长而作用于塔身及转动机构。同样，塔基也是。塔基的直径数倍小于塔高，故为了平衡侧向的风力，塔基的重量得数倍的大于侧向风力。

并且，由于没有要求，目前的风力发电塔架在抗扭力方面很弱。

而现在主流的垂直轴风力发电机其主要问题是：叶片固定，效率低；每片叶片靠2个轮毂支撑，强度不够大，不能实现大功率。

实用新型内容

为解决上述技术问题本实用新型提供一种垂直轴风力发电装置，目的是能最大限度地利用风能，增加使用寿命；解决测量角度不精确的问题；使发电装置更加稳定，方便安装和维护。

为达上述目的本实用新型一种垂直轴风力发电装置，包括上轮圈和下轮圈，轮圈之间设有支撑杆和叶片轴，叶片轴上设有风帆，轮圈、支撑杆和叶片轴构成正棱柱，在正棱柱的中部设有轮轴，轮轴上设有固定体，固定体与轮圈之间设有轮毂，轮轴穿过塔架顶部平台中心的轴孔，固定体设在塔架顶部的平台上，固定体在平台上以轮轴为中心作旋转运动，固定体上设有杆，在杆的顶端设有风向仪。

所述的上、下轮圈为至少6个边的正多边形，相邻两个边的顶点设有连接体，支撑杆和叶片轴设在相邻两个轮圈相对应顶点的连接体内，轮毂设在固定体和连接体之间；支撑杆和叶片轴在侧棱上间隔设置，上、下轮圈上连接支撑杆的连接体与固定体之间设有轮毂；连接体与叶片轴连接的孔设有轴承，连接体与轮毂、支撑杆为销连接；固定体与轮毂连接为销连接，固定体与轮轴连接的孔内设有轴承；轮圈上设有调角电机，调角电机输出轴带动叶片轴上的从动轮转动，从动轮的顶面或底面设有编码盘，编码盘的上方或下方设有读码器，读码器与风帆控制器连接，风帆控制器控制调角电机。

所述风帆包括底框和顶框，底框和顶框的两端与边框固定连接，在边框、底框和顶框构成的框内设有帆布，帆布上设有平行的固定杆，固定杆的两端插入到边框滑道内，帆布的顶边与帆绳连接，帆绳通过定滑轮与电机连接，电机固定在平台，平台设在上轮圈的中心，平台的中心设有杆，杆固定在固定体上，在杆的顶端设有风向仪，平台与上轮圈上连接支撑杆的连接体之间设在平台固定杆。

所述的上轮圈与下轮圈之间设有中轮圈；三个轮圈为至少6个边的正多边形，相邻两个边的顶点设有连接体，支撑杆和叶片轴设在相邻两个轮圈相对应顶点的连接体内，中轮圈连接叶片轴的连接体与固定体之间设有轮毂，上、下轮圈上连接支撑杆的连接体与固定体之间设有轮毂。

所述的塔架是由下述结构构成：固定在地面上的桩基，桩基上方设有向上收缩的圈梁，圈梁为正多边形，圈梁的顶点为连接球，连接球连接圈梁和圈梁与圈梁之间设置的斜梁；连接球上设有3个连接孔、4个连接孔或6个连接孔。

所述的所述的每层圈梁上的不同孔数的连接球在圈梁上间隔设置；圈梁的边为钢管，斜梁为钢管，在钢管内设有水泥混凝土；连接球为铸型钢；相邻圈梁连接球与中心的角度相错的度数为360°÷2n；其中n为每层连接球数。

所述的风向仪是由下述结构构成：风向标固定在中心轴上，在风向标的下方设有以中心轴为圆心的编码盘，编码盘的底面上设有识别码，编码盘的下方设有读码器，读码器与风帆控制器电连接。

所述的风向标为中空，风向标的两个迎风面对称；棱柱的为等腰棱柱，两腰相夹的侧棱与中心轴固定，等腰棱柱的底面固定在编码盘上；识别码为强反光区和强吸光区，分别设在编码盘底面上至少两个圆圈内。

所述的最里层的圆圈上设有两组强反光区和强吸光区。

所述的在每个圆圈上的强反光区和强吸光区间隔设置。

本实用新型的优点效果：它不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。风帆沿叶片轴转动，不断改变方向，以使风帆顺风时切向受力最大，逆风时与风的方向平行。风帆旋转的角度由主控制器根据风向仪指示和风帆当前转动的相对位置判断并将信息传递到风帆控制器上。由于风向标是一个质量轻的棱柱固定在中心轴上，当风吹过即可以以中心轴为轴带动编码盘转动，所以可以随时对风向的变化作出反应，而编码盘转动使读码器读出这一角度的识别码，并将信号传给风帆控制器。可以根据精确度的要求而设置编码盘上的圆圈数量，当有9个圆圈时精确度可以达到分辨率1/2度，精确度1/4度。其结构简单，灵敏度高。采用本实用新型垂直轴风力发电装置的塔架可以使发电机在平台的下面，重心低，稳定，塔架方便安装和维护。并且由于不同孔数的连接球在圈梁上间隔设置，相邻圈梁连接球与中心的相错一定的角度，使整体塔架增加了扭力，增强了抗拉力。保证了发电装置的稳定性。本实用新型可以降低成本、维护方便、气动噪音小。

附图说明

图1是本实用新型的轮圈系统结构示意图。

图2是图1中的A部放大图。

图3是本实用新型塔架的侧视图。

图4是塔架的俯视图。

图5是风向仪的主视图。

图6是风向仪的俯视图。

图中：1、上轮圈；2、下轮圈；3、支撑杆；4、叶片轴；5、风帆；6、轮轴；7、轮毂；8、连接体；9、固定体；10、调角电机；11、输出轴；12、从动轮；13、底框；14、顶框；15、边框；16、固定杆；17、帆绳；18、定滑轮；19、电机；20、平台；21、杆；22、风向仪；23、桩基；24、地面；25、圈梁；26、连接球；27、斜梁；28、平台；29、轴孔；30、风向标；31、中心轴；32、编码盘；33、读码器；34、风帆控制器；35、平台固定杆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实用新型一种垂直轴风力发电装置，包括上轮圈1和下轮圈2，轮圈之间设有支撑杆3和叶片轴4，叶片轴4上设有风帆5，轮圈、支撑杆3和叶片轴4构成正棱柱，在正棱柱的中部设有轮轴6，轮轴6与轮圈之间设有轮毂7，上、下轮圈1、2为6个边的正多边形，相邻两个边的顶点设有连接体8，支撑杆3和叶片轴4设在上、下轮圈1、2相对应顶点的连接体8内，轮轴6上设有固定体9，轮轴6穿过塔架顶部平台28中心的轴孔29；轮毂7设在固定体9和连接体8之间；支撑杆3和叶片轴4在侧棱上间隔设置，上、下轮圈1、2上连接支撑杆3的连接体8与固定体9之间设有轮毂7；连接体8与叶片轴4连接的孔设有轴承，连接体8与轮毂7、支撑杆3为销连接；固定体9与轮毂7连接为销连接，固定体9与轮轴6连接的孔内设有轴承。固定体9设在塔架顶部的平台28上，固定体9在平台28上以轮轴6为中心作旋转运动。

在上轮圈1上设有调角电机10，调角电机10输出轴11带动叶片轴4上的从动轮12转动，从动轮12的顶面或底面设有编码盘，编码盘的上方或下方设有读码器，读码器与风帆控制器连接，风帆控制器控制调角电机10。

风帆5包括底框13和顶框14，底框13和顶框14的两端与边框15固定连接，在边框15、底框13和顶框14构成的框内设有帆布，帆布上设有平行的固定杆16，固定杆16的两端插入到边框滑道内，帆布的顶边与帆绳17连接，每个风帆上的帆绳17通过定滑轮18与一个电机19连接，电机19接收总控制器的控制，电机19固定在平台20上，平台20设在上轮圈1的中心，平台20的中心设有杆21，杆21固定在固定体9上，在杆21的顶端设有风向仪22；平台20与上轮圈1上连接支撑杆的连接体8之间设在平台固定杆35。

所述的塔架，由下述结构构成：固定在地面24上的桩基23，桩基上方设有向上收缩的多层圈梁25，本实施例为4层圈梁25，圈梁25为正多边形，圈梁25的顶点为连接球26，底层圈梁25的连接球26与桩基23连接，连接球26连接圈梁25与圈梁25之间设置的斜梁27；连接球26上设有连接孔，顶层和底层圈梁25上的连接球分为两种，一种连接球26上设有4个连接孔和另一种连接球26上设有3个连接孔，中间的圈梁25上的连接球26分为两种，一种连接球26上设有4个连接孔和另一种连接球26上设有6个连接孔。每层圈梁25上不同孔数的连接球26在圈梁25上间隔设置；相邻圈梁25连接球26与中心的角度相错的度数为360°÷2n，其中n为每层连接球26数，本实施例圈梁25为正十二边形，有12个连接球26，所以相邻圈梁连接球与中心的角度相错15°，顶部的圈梁25设有平台28，平台28中心设有轴孔29；圈梁25的边为钢管，斜梁27为钢管，在钢管内设有水泥混凝土；连接球26为铸型钢。

所述的风向仪22由下述结构构成：风向标30固定在中心轴31上，在风向标30的下方设有以中心轴31为圆心的编码盘32，编码盘32的底面上设有识别码，编码盘32的下方设有读码器33，读码器33与风帆控制器34电连接，风帆控制器34对读码器33传送的信号进行解码；风向标30为中空等腰三棱柱，风向标30的两个迎风面对称，，等腰三棱柱的底面固定在编码盘32上，等腰三棱柱的侧棱与中心轴31固定，等腰三棱柱底面的另两个点设在编码盘32的圆周上；识别码为强反光区和强吸光区，分别设在编码盘32底面上9个圆圈内，最里层的圆圈上设有两组强反光区和强吸光区，在每个圆圈上的强反光区和强吸光区间隔设置。

本实施例最外层圆圈上的强反光区和强吸光区为29组。从径向看强反光区和强吸光区的表面组成9位二进制编码。

实施例2

实施例1中的上轮圈与下轮圈之间设有中轮圈，三个轮圈为8个边的正多边形，中轮圈连接叶片轴的连接体与固定体之间设有轮毂，上、下轮圈上连接支撑杆的连接体与固定体之间设有轮毂。4个风帆的帆绳与分别与4个电机连接。每个电机设在中轮圈的轮毂上，固定体上设有杆21，在杆21的顶端设有风向仪22，去掉平台及平台固定杆；风向仪22中的棱柱为中空的等腰四棱柱，编码盘3底面上的圆圈数为3个，编码盘3设在四棱柱的下方，编码盘3与四棱柱同中心轴2一起转动；塔架中的圈梁2为6层，圈梁2为正六边形，有6个连接球3，所以相邻圈梁2连接球3与中心的角度相错30°。其它同实施例1。

实施例3

在实施例1中的轮圈为正12边形，风向标的两个迎风面对称，两个迎风面为弧形，编码盘底面上的圆圈数为5个；圈梁2为8层，圈梁2为正八边形，有8个连接球3，所以相邻圈梁2连接球3与中心的角度相错22.5°，顶层和底层圈梁2上的连接球3均为4个孔，中间圈梁2上的连接球3均设有6个连接孔，圈梁2的边为钢柱，斜梁4为钢柱。其它同实施例1。

实施例4

实施例1中的风向标的两个迎风面对称，两个迎风面为梯形，编码盘底面上的圆圈数为4个。其它同实施例1。

本实用新型的工作原理：①风帆带动轮圈转动，轮圈带动固定体转动，固定体带动轮轴转动，轮轴带动发电机发电。②叶片的角度随时根据风向进行调整，可以使风帆顺风时切向受力最大，逆风时与风的方向平行。风向仪将测得的风向角度传到主控制器，叶片轴上的风帆控制器将该风帆的瞬时角度也传给主控制器。主控制器根据每个风帆的相对角度对不同风帆的风帆控制器发送不同的调角信号，使每个调角电机根据风帆控制器的指令对叶片轴的角度进行调整。③本实用新型的风帆可以根据风的大小进行升降，由主控制器向电机发送信号，电机通过帆绳使风帆升降。

Claims (10)

1、一种垂直轴风力发电装置，其特征在于包括上轮圈和下轮圈，轮圈之间设有支撑杆和叶片轴，叶片轴上设有风帆，轮圈、支撑杆和叶片轴构成正棱柱，在正棱柱的中部设有轮轴，轮轴上设有固定体，固定体与轮圈之间设有轮毂，轮轴穿过塔架顶部平台中心的轴孔，固定体设在塔架顶部的平台上，固定体在平台上以轮轴为中心带动轮轴作旋转运动，固定体上设有杆，在杆的顶端设有风向仪。

2、根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的上、下轮圈为至少6个边的正多边形，相邻两个边的顶点设有连接体，支撑杆和叶片轴设在相邻两个轮圈相对应顶点的连接体内，，轮毂设在固定体和连接体之间；支撑杆和叶片轴在侧棱上间隔设置，上、下轮圈上连接支撑杆的连接体与固定体之间设有轮毂；连接体与叶片轴连接的孔设有轴承，连接体与轮毂、支撑杆为销连接；固定体与轮毂连接为销连接，固定体与轮轴连接的孔内设有轴承；轮圈上设有调角电机，调角电机输出轴带动叶片轴上的从动轮转动，从动轮的顶面或底面设有编码盘，编码盘的上方或下方设有读码器，读码器与风帆控制器连接，风帆控制器控制调角电机。

3、根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述风帆包括底框和顶框，底框和顶框的两端与边框固定连接，在边框、底框和顶框构成的框内设有帆布，帆布上设有平行的固定杆，固定杆的两端插入到边框滑道内，帆布的顶边与帆绳连接，帆绳通过定滑轮与电机连接，电机固定在平台，平台设在上轮圈的中心，平台的中心设有杆，杆固定在固定体上，在杆的顶端设有风向仪，平台与上轮圈上连接支撑杆的连接体之间设有平台固定杆。

4、根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的上轮圈与下轮圈之间设有中轮圈；三个轮圈为至少6个边的正多边形，相邻两个边的顶点设有连接体，支撑杆和叶片轴设在相邻两个轮圈相对应顶点的连接体内，中轮圈连接叶片轴的连接体与固定体之间设有轮毂，上、下轮圈上连接支撑杆的连接体与固定体之间设有轮毂。

5、根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的塔架是由下述结构构成：固定在地面上的桩基，桩基上方设有向上收缩的圈梁，圈梁为正多边形，圈梁的顶点为连接球，连接球连接圈梁和圈梁与圈梁之间设置的斜梁；连接球上设有3个连接孔、4个连接孔或6个连接孔。

6、根据权利要求5所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的所述的每层圈梁上的不同孔数的连接球在圈梁上间隔设置；圈梁的边为钢管，斜梁为钢管，在钢管内设有水泥混凝土；连接球为铸型钢；相邻圈梁连接球与中心的角度相错的度数为360°÷2n；其中n为每层连接球数。

7、根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的风向仪是由下述结构构成：风向标固定在中心轴上，在风向标的下方设有以中心轴为圆心的编码盘，编码盘的底面上设有识别码，编码盘的下方设有读码器，读码器与风帆控制器电连接。

8、根据权利要求7所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的风向标为中空，风向标的两个迎风面对称；棱柱的为等腰棱柱，两腰相夹的侧棱与中心轴固定，等腰棱柱的底面固定在编码盘上；识别码为强反光区和强吸光区，分别设在编码盘底面上至少两个圆圈内。

9、根据权利要求8所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的最里层的圆圈上设有两组强反光区和强吸光区。

10、根据权利要求9所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于所述的在每个圆圈上的强反光区和强吸光区间隔设置。

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