CN207297235U - 垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种垂直轴风力发电装置，垂直轴风力发电装置，包括基座、主轴、发电机和多个垂直轴叶片，所述主轴上设置有多个支撑架，所述垂直轴叶片可转动的设置在所述支撑架上；所述垂直轴风力发电装置还包括变桨距控制机构，所述变桨距控制机构包括：导向轨道，用于跟随风向可相对于所述基座和所述主轴转动；调节杆，一端部可滑动的设置在所述导向轨道上，另一端部可转动的设置在对应的所述垂直轴叶片上，用于经过所述导向轨道的导向推拉所述垂直轴叶片相对于所述支撑架转动以改变桨距角。实现降低制造成本并提高使用可靠性，有效的提高发电效率。

Description

垂直轴风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种垂直轴风力发电装置。

背景技术

目前，风力发电作为清洁能源被广泛的使用，风力发电分为水平轴力风力发电机和垂直轴风力发电机，其中，中国专利号201210167105.7公开了一种变桨距垂直轴风力机，其中，为了实现在叶片转动过程中进行变桨距处理，采用伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器来调整叶片桨距角，从而提高风能利用率。但是，上述技术在实际使用过程中存在如下问题：伺服电机的运行需要消耗电能，伺服电机一方面需要根据叶片位置不同转动调节叶片的角度，同时，伺服电机还需要克服叶片的风阻来保持叶片的角度位置，这样一来，伺服电机在发电过程中始终保持通电状态，实际上使用时，风力机发电产生的电能将大部分用于伺服电机供电，也就是说，上述专利仅是考虑到通过伺服电机调整叶片角度以获得最佳桨距角，而并未考虑伺服电机在运行过程中所消耗的大量电能，导致发电效率较低；同时，大量伺服电机的配置，也导致风力机的制造成本较高并降低了使用可靠性。如何设计一种制造成本低、使用可靠性高且发电效率高的风力发电技术是本实用新型所要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种垂直轴风力发电装置，实现降低制造成本并提高使用可靠性，有效的提高发电效率。

本实用新型提供一种垂直轴风力发电装置，包括基座、主轴、发电机和多个垂直轴叶片，所述主轴上设置有多个支撑架，所述垂直轴叶片可转动的设置在所述支撑架上；所述垂直轴风力发电装置还包括变桨距控制机构，所述变桨距控制机构包括：

导向轨道，用于跟随风向可相对于所述基座和所述主轴转动；

调节杆，一端部可滑动的设置在所述导向轨道上，另一端部可转动的设置在对应的所述垂直轴叶片上，用于经过所述导向轨道的导向推拉所述垂直轴叶片相对于所述支撑架转动以改变桨距角。

进一步的，所述导向轨道位于所述垂直轴叶片的上方，所述主轴为中空轴，所述导向轨道设置有转轴，所述转轴插在所述主轴中并可转动的安装在所述基座上。

进一步的，所述导向轨道位于所述垂直轴叶片的下方，所述导向轨道设置有转轴，所述转轴可转动的安装在所述基座上，所述转轴为中空轴，所述主轴插在所述转轴中。

进一步的，绕所述主轴的轴线，所述主轴上均匀分布有多个所述支撑架。

进一步的，所述调节杆的一端部设置有滑轮，所述调节杆的另一端部设置有垂直轴，所述滑轮滑动设置在所述导向轨道上，所述垂直轴可转动的设置在所述垂直轴叶片上。

进一步的，所述导向轨道设置有导风板。

进一步的，所述变桨距控制机构还包括：

风向仪，用于检测风向；

驱动电机，用于驱动所述导向轨道跟随风向相对于所述基座和所述主轴转动；

定位器，用于在所述导向轨道转动到位后进行定位；

控制器，用于根据所述风向仪检测的风向，控制所述驱动电机和所述定位器动作。

进一步的，所述变桨距控制机构还包括：

角度传感器，用于检测所述风向仪与所述导向轨道之间的偏转角度。

本实用新型与现有技术相比有许多优点和积极效果：

本实用新型提供的垂直轴风力发电装置，通过采用变桨距控制机构动态的控制各个垂直轴叶片的桨距角，在多个垂直轴叶片带动主轴转动过程中，垂直轴叶片将相对于导向轨道转动的同时带动调节杆随之转动，而调节杆与导向轨道滑动连接的端部将沿着导向轨道的导向轨迹移动，受导向轨道导向轨迹形状的限制，不同位置处的垂直轴叶片与支撑架的转动连接部与导向轨道的距离不同，而在调节杆的作用下，便将由调节杆推拉垂直轴叶片相对于支撑架转动，这样便可以实现自动改变垂直轴叶片的桨距角，而垂直轴叶片桨距角的保持由导向轨道进行机械限位，而无需采用电能部件保持以减少自身运行电能的消耗，这必将大大降低电能消耗量以获得更大的风力发电量，并降低了制造成本提高使用可靠性；更重要的是，对于不同位置处的垂直轴叶片分别处于升力或阻力状态，而通过设计导向轨道的导向轨迹，在均匀分布的多个垂直轴叶片中，有部分叶片（主要是处于逆风半周的叶片）的升力有利于增大转矩，这时要调节桨距角获得最佳的升力来获得尽可能大的转矩，同时，有另外部分叶片（主要是顺风半周的叶片）的阻力（这是按照空气动力学的概念称之为叶片的阻力，也可以理解为推动叶片绕主轴转动的推力）可以增大转矩，这时要调节桨距角获得最佳的阻力来获得尽可能大的转矩，这样，同时利用一周不同位置叶片的升力或阻力来获得综合的最大转矩，从而获得最大限度的风力发电能力，并且，可以获得较好的低风速启动效果。

附图说明

图1为本实用新型垂直轴风力发电装置实施例的结构原理图；

图2为本实用新型垂直轴风力发电装置实施例中变桨距控制机构与垂直轴叶片组装图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参见图1-图2所示，本实施例垂直轴风力发电装置，包括基座1、主轴2、发电机（未图示）和多个垂直轴叶片3，所述主轴2可转动的设置在所述基座1上并与所述发电机连接用于驱动所述发电机发电，所述主轴2上设置有多个支撑架21，所述垂直轴叶片3可转动的设置在所述支撑架21上；所述垂直轴风力发电装置还包括变桨距控制机构4，所述变桨距控制机构4包括：

导向轨道41，用于跟随风向可相对于所述基座1和所述主轴2转动；

调节杆42，一端部可滑动的设置在所述导向轨道41上，另一端部可转动的设置在对应的所述垂直轴叶片3上，用于经过所述导向轨道41的导向推拉所述垂直轴叶片3相对于所述支撑架21转动以改变桨距角。

具体而言，本实施例垂直轴风力发电装置采用垂直轴叶片3进行发电，而受垂直轴叶片3转动特性的限制，在风力发电过程中，不同位置处的垂直轴叶片3，有部分垂直轴叶片3产生升力（主要是处于逆风半周的叶片），另外部分垂直轴叶片3产生阻力（主要是处于顺风半周的叶片，这是按照空气动力学的概念称之为叶片的阻力，也可以理解为推动叶片绕主轴转动的推力），其中，部分垂直轴叶片3产生的阻力主要用于驱动主轴2转动以获得最大的转矩，这时要调节桨距角获得最佳的阻力来获得尽可能大的转矩，剩余部分垂直轴叶片3产生的升力通过调节桨距角获得最佳的升力来获得尽可能大的转矩，也有利于增大转矩，同时利用一周不同位置垂直轴叶片3的升力和阻力来获得综合的最大转矩，从而获得最大限度的风力发电能力。本实施例采用的变桨距控制机构4由导向轨道41和调节杆42组成，在风力发电过程中，垂直轴叶片3受风力驱动将带动主轴2转动，垂直轴叶片3在转动的同时相对于导向轨道41转动，并且，垂直轴叶片3将带动对应的调节杆42一同转动，而调节杆42的一端部将在导向轨道41中滑动，在导向轨道41中的导向作用下，调节杆42将推拉垂直轴叶片3，以使得垂直轴叶片3相对于支撑架21转动，这样，便可以在垂直轴叶片3转动的同时动态的改变垂直轴叶片3的桨距角，以改变不同位置垂直轴叶片3所受风力作用产生的升力或阻力大小和方法。其中，垂直轴叶片3桨距角改变大小由导向轨道41的导向轨迹来控制，同时，导向轨道41通过调节杆42实现机械方式定位垂直轴叶片3的角度，从而可以避免由电机通电保持垂直轴叶片3角度而消耗大量的电能，降低了制造成本；同时，由于动态实时的调节垂直轴叶片3的桨距角，可以更有效的提高发电效率。另外，绕所述主轴2的轴线，所述主轴2上均匀分布有多个所述支撑架21，从而可以绕主轴2均匀分布有多个垂直轴叶片3。而导向轨道41可以位于所述垂直轴叶片3的上方，所述主轴2为中空轴，所述导向轨道41设置有转轴43，所述转轴43插在所述主轴2中并可转动的安装在所述基座1上；或者，导向轨道41位于所述垂直轴叶片3的下方，所述导向轨道41设置有转轴，所述转轴可转动的安装在所述基座1上，所述转轴为中空轴，所述主轴2插在所述转轴中。优选的，为了确保调节杆42能够在导向轨道41中顺畅的滑动，调节杆42的一端部设置有滑轮（未图示），所述调节杆42的另一端部设置有垂直轴（未图示），所述滑轮滑动设置在所述导向轨道41上，所述垂直轴可转动的设置在所述垂直轴叶片3上。

以下假定在风向不变的情况下，对风力发电过程进行具体的说明：如图2所示，以风向作为X轴，水平垂直于风向为Y轴建立坐标系，对于某一垂直轴叶片3在不同象限中所需要的桨距角有所不同，并且，最佳桨距角也是动态变化的，在导向轨道41设计过程中，便根据垂直轴叶片3在相应位置所需要的具体桨距角进行对应设计，具体的，根据垂直轴叶片3在不同象限所产生的升力或阻力种类不同，则设计导向轨道41的形状以使得垂直轴叶片3在应该产生升力的象限中其对应的桨距角能够获得最佳的升力从而获得最大的转矩，而在垂直轴叶片3应该产生阻力的象限中其对应的桨距角能够获得最佳的阻力从而获得最大的转矩，这样，便可以获得最佳的发电效率。其中，导向轨道41的导向轨迹设计则根据不同垂直轴叶片3在相应位置所需要的具体桨距角进行设计，本实施例导向轨道41的导向轨迹具体结构形式不做限制。

进一步的，由于在实际使用过程，风向是随时都有可能改变的，而为了确保导向轨道41能够始终对各个垂直轴叶片3提供准确的导向控制垂直轴叶片3获得所需的最佳桨距角，导向轨道41需要能够跟随风向改变而随之也进行改变，其中，导向轨道41跟随风向改变的方式可以采用纯机械驱动方式，也可以采用电动驱动方式，以下具体说明：一、采用机械方式驱动导向轨道41，可以在导向轨道41设置有导风板（未图示），在风向改变后，导风板将带动导向轨道41转动，直至导风板的表面与风向平行，而为了减少调节杆42转动过程中对导向轨道41产生影响，导风板的尺寸根据实际需要设计为特定大小的尺寸，以确保导风板一方面能够受风力驱动带动导向轨道41转动，另一方面能够确保导风板能够克服调节杆对导向轨道41施加的外力以使得导向轨道41保持稳定的位置状态不变。二、采用电动驱动方式驱动导向轨道41，变桨距控制机构4还包括：风向仪（未图示）、驱动电机（未图示）和定位器（未图示），具体的，风向仪用于检测风向；驱动电机用于驱动所述导向轨道41跟随风向相对于所述基座1和所述主轴2转动；定位器用于在所述导向轨道41转动到位后进行定位；控制器用于根据所述风向仪检测的风向，控制所述驱动电机和所述定位器动作，即控制所述驱动电机驱动所述导向轨道41转动，并控制所述定位器对转动到位的所述导向轨道41进行定位以限制所述导向轨道41转动。具体的，对于采用电动控制导向轨道41转动的情况下，风向仪将实施检测风向的变化，在风向的变化角度超过设定值且风向变化的持续时间也超过设定时长后，则认定风向发生了变化，此时，控制器控制定位器解锁导向轨道41，然后，控制器再控制驱动电机驱动导向轨道41转动所需角度以适应风向，在导向轨道41转动到位后，控制器控制定位器重新定位锁止导向轨道41，其中，定位器可以采用摩擦定位的方式、定位销定位的方式、或其他定位方式对导向轨道41进行定位，例如：采用摩擦方式的定位器可以采用两个摩擦片进行配合，其中一个摩擦片固定在导向轨道41上，另一个摩擦片相对于基座1固定不动，未通电状态，两个摩擦片在弹簧的作用下贴合在一起，从而对导向轨道41进行定位锁止导向轨道41转动，而通电状态，可以采用电磁或电动伸缩杆等方式驱动两个摩擦片分离开，实现解锁导向轨道41；而采用定位销定位方式的定位器可以包括定位盘以及可以电动伸缩的插销，定位盘设置在导向轨道41上，定位盘的圆周开设有若干个定位孔，在锁止导向轨道41的状态下，定位器处于未通电状态，插销插在定位盘的对应定位孔中，而在需要解锁导向轨道41时，则定位器通电，使得插销从定位孔中脱离出，这样导向轨道41便可以转动了。优选的，为了准确的控制导向轨道41的转动角度，变桨距控制机构4还包括：角度传感器，用于检测所述风向仪与所述导向轨道41之间的偏转角度；由于风向仪将实时检测风向的变化，而在外界存在风向瞬时改变，如果风向仪检测到风向改变就通过驱动电机驱动导向轨道41转动，这必将消耗过多的电能，因此，在风向的变化角度超过设定值且风向变化的持续时间也超过设定时长后，则认定风向发生了变化，此时，控制器控制定位器解锁导向轨道41，然后，控制器再控制驱动电机驱动导向轨道41转动所需角度以适应风向，在导向轨道41转动到位后，控制器控制定位器重新定位锁止导向轨道41。

本实用新型还提供一种上述垂直轴风力发电装置的变桨距控制方法，包括：在风向不变的情况下，垂直轴叶片受风力驱动带动主轴转动，同时，垂直轴叶片相对于导向轨道转动，调节杆将沿着导向轨道的导向路径推拉垂直轴叶片相对于支撑架转动以改变桨距角。而在风向改变时，导向轨道将跟随风向变化的角度对应的转动相应角度。

本实用新型与现有技术相比有许多优点和积极效果：

本实用新型提供的垂直轴风力发电装置，通过采用变桨距控制机构动态的控制各个垂直轴叶片的桨距角，在多个垂直轴叶片带动主轴转动过程中，垂直轴叶片将相对于导向轨道转动的同时带动调节杆随之转动，而调节杆与导向轨道滑动连接的端部将沿着导向轨道的导向轨迹移动，受导向轨道导向轨迹形状的限制，不同位置处的垂直轴叶片与支撑架的转动连接部与导向轨道的距离不同，而在调节杆的作用下，便将由调节杆推拉垂直轴叶片相对于支撑架转动，这样便可以实现自动改变垂直轴叶片的桨距角，而垂直轴叶片桨距角的保持由导向轨道进行机械限位，而无需采用电能部件保持以减少自身运行电能的消耗，这必将大大降低电能消耗量以获得更大的风力发电量，并降低了制造成本，提高使用可靠性；更重要的是，对于不同位置处的垂直轴叶片可能处于升力和阻力状态，而通过设计导向轨道的导向轨迹，在均匀分布的多个垂直轴叶片中，有部分叶片（主要是处于逆风半周的叶片）的升力有利于增大转矩，这时要调节桨距角获得最佳的升力来获得尽可能大的转矩，同时，有另外部分叶片（主要是顺风半周的叶片）的阻力（这是按照空气动力学的概念称之为叶片的阻力，也可以理解为推动叶片绕主轴转动的推力）可以增大转矩，这时要调节桨距角获得最佳的阻力来获得尽可能大的转矩，这样，同时利用一周不同位置叶片的升力或阻力来获得综合的最大转矩，从而获得最大限度的风力发电能力，并且，可以获得较好的低风速启动效果。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何的简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种垂直轴风力发电装置，包括基座、主轴、发电机和多个垂直轴叶片，其特征在于，所述主轴上设置有多个支撑架，所述垂直轴叶片可转动的设置在所述支撑架上；所述垂直轴风力发电装置还包括变桨距控制机构，所述变桨距控制机构包括：

导向轨道，用于跟随风向可相对于所述基座和所述主轴转动；

调节杆，一端部可滑动的设置在所述导向轨道上，另一端部可转动的设置在对应的所述垂直轴叶片上，用于经过所述导向轨道的导向推拉所述垂直轴叶片相对于所述支撑架转动以改变桨距角。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述导向轨道位于所述垂直轴叶片的上方，所述主轴为中空轴，所述导向轨道设置有转轴，所述转轴插在所述主轴中并可转动的安装在所述基座上。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述导向轨道位于所述垂直轴叶片的下方，所述导向轨道设置有转轴，所述转轴可转动的安装在所述基座上，所述转轴为中空轴，所述主轴插在所述转轴中。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，绕所述主轴的轴线，所述主轴上均匀分布有多个所述支撑架。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述调节杆的一端部设置有滑轮，所述调节杆的另一端部设置有垂直轴，所述滑轮滑动设置在所述导向轨道上，所述垂直轴可转动的设置在所述垂直轴叶片上。

6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述导向轨道设置有导风板。

7.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述变桨距控制机构还包括：

风向仪，用于检测风向；

驱动电机，用于驱动所述导向轨道跟随风向相对于所述基座和所述主轴转动；

定位器，用于在所述导向轨道转动到位后进行定位；

控制器，用于根据所述风向仪检测的风向，控制所述驱动电机和所述定位器动作。

8.根据权利要求7所述的垂直轴风力发电装置，其特征在于，所述变桨距控制机构还包括：

角度传感器，用于检测所述风向仪与所述导向轨道之间的偏转角度。