CN205977535U - 一种垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种垂直轴风力发电装置，包括中心轴、叶片、上框架、下框架、回转支承、基础架以及发电机，其中上框架和下框架均呈圆环形,套设在中心轴上，其径向均匀分布有辐射钢梁；叶片两端通过轴承连在辐射钢梁上；中心轴上的旋转轮毂和上框架的外缘之间铰接有斜拉杆；中心轴通过回转支承与外部基础塔架相连；发电机置于基础架内部，通过与布置在基础架内部的传动机构连接将风车的机械能转化为电能，其特征在于：每个所述叶片的两端均布置有缩放机构，其连杆上连接有活动轴。本实用新型风车在旋转时，叶片能自动识别风向并调节其方向，而不需要中间齿轮箱等机构，结构简单，风能转化效率显著提高，特别适用于低风速的风场。

Description

一种垂直轴风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电领域，尤其是一种垂直轴的风力发电装置。

背景技术

目前国内外用于风力发电的风机绝大部分采用水平轴三叶片式，其三组叶片均布固定在水平可旋转轴上，叶片的旋转方向与风向垂直。此种风机属于升力类，国内外研究表明，三组叶片的面积小于其回转面积10％，按照楞茨定律，其风能的利用率小于30％；

已经公开的专利201220643622.2提出了一种垂直轴多叶片旋转风车结构，不需要高大的塔架基础,将风能利用率提高到50％以上，而且制造和建造成本降低很多，安装和检修都相对简单。该发明的主要特征是采用特殊的中间齿轮箱结构，用中间齿轮箱来实现多组叶片同步，通过特定机构使中间齿轮离合的方式来调整风叶的角度，以保证叶片始终朝向迎风面，再通过一套较复杂的齿轮传动将风轮的转动传递至发电机，传动链较长，内部阻力大，中间机械能损失也多，导致风能整体转化效率下降，且无法实现在低风速下运转。

已经公开的专利201320251372.2提出了一种带H型风叶的垂直轴风车结构，它无中间传动齿轮箱，采用独立的步进电机分别控制每组叶片的姿态，虽然结构简单，传动链短，中间能量损失相对小，但是步进电机的大量使用，对风机控制要求高，制造成本提高，影响商业化推广。

发明内容

为解决现有垂直风机的不足，本实用新型提出一种垂直轴风力发电装置，通过设置在叶片两端的缩放机构和活动轴，使得每个叶片在运转过程中具有自动适应风向变化的功能，而不需要内部传动机构(无论是机械或电气的)强制协调。在风车顺风侧，叶片能提供最大的旋转力矩，而当叶片转至逆风侧时，叶片自动转成顺风位置，将风阻降低到最小，从而最大限度的提高了风能利用能力，特别适合于低风速场合。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种垂直轴风力发电装置，包括中心轴1、叶片3、上框架4、下框架5、回转支承11、基础架12以及发电机13，其中上框架4和下框架5均呈圆环形,套设在中心轴1上，其径向均匀分布有辐射钢梁6；叶片3两端通过轴承连在辐射钢梁6上；中心轴1上的旋转轮毂和上框架4的外缘之间铰接有斜拉杆9；中心轴1通过回转支承11与外部基础塔架12相连；发电机13置于基础架12内部，通过与布置在基础架12内部的传动机构连接将风车的机械能转化为电能，其特征在于：每个所述叶片3的两端均布置有缩放机构10，该缩放机构10的连杆9上连接有活动轴8。

本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中所述的连杆9与活动轴8之间互相垂直。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中所述的上框架4和下框架5上分布的径向辐射钢梁6的数量均为2n(n≥2)个。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中每个所述辐射钢梁6上布置的叶片3的数量分奇数和偶数两种。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中带有所述的奇、偶两种数量的叶片3的辐射钢梁6交错设置。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中所述的叶片3的形状为双曲线形或平面形。

前述的一种垂直轴风力发电装置，其中所述的叶片3的材质为轻质金属合金、非金属材料或其它柔性材料。

本实用新型与现有技术相比，存在以下优点：通过设置在叶片外端的偏置活动轴，每个叶片在正常风速下运转过程中能自动适应风向变化，而不需要特殊的机构来根据风向的变化调整风车叶片的位置，同时使得每个叶片在顺风侧能提供最大的动力矩，并把逆风侧的风阻降到最低。在风车运转过程中，一旦外界风速超过设定极限值，可以通过缩放机构10动作，使全部的活动轴8径向位移，将叶片释放，所有叶片自动转为可随风向自动变化的顺风位置，消除风车的转动力矩后，风车转动便逐渐停止，避免飞车和超速；通过在上下框架的辐射钢梁上分别布置有奇数和偶数叶片，且交错布置，不仅能实现最大的风能利用率，而且可以根据风车直径大小和叶片数量的变化来满足不同设计功率的需求。本实用新型避免了同类技术复杂的中间轮箱和同步电机，因而结构更简单，成本也较低。

附图说明

图1是本实用新型风力发电装置的主视图；

图2是本实用新型风力发电装置的俯视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图3中B向的局部放大图。

【主要元件符号说明】

1：中心轴

2：叶片轴

3：叶片

4：上框架

5：下框架

6：辐射钢梁

7：斜拉杆

8：活动轴

9：连杆

10：缩放结构

11：回转支承

12：基础架

13：发电机

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1、图2、图3和图4，本实用新型所述的一种垂直轴风力发电装置，包括中心轴1、叶片3、上框架4、下框架5、回转支承11、基础架12等。其中上框架4和下框架5呈环形，均套设在中心轴1上，可绕中心轴1在垂直方向转动，其径向均匀分布有辐射钢梁6；中心轴1上的旋转轮毂和上框架4外缘之间铰接有斜拉杆7。

每个叶片3通过两端的轴承连在辐射钢梁6上，可绕叶片轴2回转；且每个叶片3的两端均布置有缩放机构10，且该缩放机构10的连杆9上连接有活动轴8，使叶片3只能在设定的角度范围内摆动。当活动轴8向中心移动一定距离时，叶片3可完全自由摆动。较佳的，所述连杆9与活动轴8之间互相垂直，但并不限定于此。

所述中心轴1通过回转支承11与外部基础塔架12连接，且回转轴承使风机整体分可在垂直方向上旋转。

发电机13置于基础架12内部，且与布置于基础架12内部的传动机构连接，将风机获得的机械能转化为电能。

所述的垂直轴风力发电装置，其风车的上下框架上分布的径向辐射钢梁6的数量为均为2n(n≥2)个。

所述的垂直轴风力发电装置，每个辐射钢梁6上布置的叶片3的数量分奇数和偶数两种；且带有奇、偶两种数量的叶片3的辐射钢梁6交错设置。

所述的垂直轴风力发电装置，其风车叶片3的形状可以是双曲线形，也可以是平面形，叶片的材质可以是轻质金属合金，也可以采用非金属或其它柔性材料。

所述发电装置还包括控制机构和风速检测装置，且风速检测装置、控制机构以及缩放机构10依次连接。

下面结合附图2对垂直轴风力发电装置的工作原理进行详细说明。

垂直布置的风车通过回转支承11及中心轴1上的旋转轮毂置于基础塔架12顶端，可绕着中心轴1自有转动，每个叶片都垂直固定在辐射钢梁6上，绕着各自的轴2转动。当风车置于风场中，风向如图2所示，此时风车的左半边所有风叶因叶尖部分受偏置的活动轴8的限位，不能绕自己的轴2自由转动而只能随风车绕中心轴1旋转，并始终处于迎风位置(即叶片迎风面与风向有夹角或垂直)，风压作用于叶片上，将风能转变为风车的机械能。与此同时，处于右半侧的所有叶片则由于活动轴8处于偏置，叶片都失去约束，可绕自己轴2转动，处于可自由随风摆动状态，因而在右半侧，叶片自动处于顺风位置(即叶片迎风面与风向平行)。由于全部叶片的迎风面积远大于逆风面积，因而风车左侧风叶产生的动力矩始大于右侧叶片的阻力矩，从而驱动风车逆时针旋转。风车绕中心轴1旋转，通过基础塔架内部的传动机构，驱动发电机13转动，将风能转变为电能。

在风机运转过程中，一旦风速超过预先设定值，风速检测装置发出信号给控制机构，缩放机构10动作，通过连杆9，推动全部活动轴8在辐射钢梁6上径向位移，释放所有的叶片，使风叶都处于顺风摆动位置。此时由于左右两侧风叶产生的力矩基本相等，风车便会逐步减速并停止转动，再辅以必要的制动措施即可避免超速(飞车)发生。同时全部风叶的迎风面积都变为最小值后，风力发电装置的倾翻力矩变为最小，确保其不被风力倾覆。

图1和图2只是本使用新型的一种实施例，在具体实施中，风车的基础架也可采用三点或四点支撑的桁架结构，用中间传动轴将风车力矩传至地面机房，发电机及机房均可以放置到地面，便于维护。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种垂直轴风力发电装置，包括中心轴(1)、叶片(3)、上框架(4)、下框架(5)、回转支承(11)、基础架(12)以及发电机(13)，其中上框架(4)和下框架(5)均呈圆环形,套设在中心轴(1)上，其径向均匀分布有辐射钢梁(6)；叶片(3)两端通过轴承连在辐射钢梁(6)上；中心轴(1)上的旋转轮毂和上框架(4)的外缘之间铰接有斜拉杆(7)；中心轴(1)通过回转支承(11)与外部基础架(12)相连；发电机(13)置于基础架(12)内部，通过与布置在基础架(12)内部的传动机构连接将风车的机械能转化为电能，其特征在于：每个所述叶片(3)的两端均布置有缩放机构(10)，该缩放机构(10)的连杆(9)上连接有活动轴(8)。

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：其中所述的连杆(9)与活动轴(8)互相垂直。

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：其中所述的上框架(4)和下框架(5)上分布的径向辐射钢梁(6)的数量均为2n(n≥2)个。

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：其中每个所述辐射钢梁(6)上布置的叶片(3)的数量分奇数和偶数两种。

5.根据权利要求4所述的一种垂直轴风力发电装置，其特征在于：其中带有所述的奇、偶两种数量的叶片(3)的辐射钢梁(6)交错设置。

6.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：其中所述的叶片(3)的形状为双曲线形或平面形。

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：其中所述的叶片(3)的材质为轻质金属合金、非金属材料或其它柔性材料。