CN209959397U - 一种升阻复合双形态风能发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种升阻复合双形态风能发电装置，涉及垂直轴风能发电设备技术领域。中心转轴的轴体为十字形凸棱结构，所述中心转轴顶端设有上轴盘，其底端穿过下轴盘以及底座的顶板并通过联轴器与设置在底座内的发电机的输入轴联接；与中心转轴轴体为十字形凸棱结构配合的两个卡块分别与所述轴体固定；所述卡块为长方形扁体结构，其两短边侧均设有水平的固定杆，两长边侧的同侧分别设有水平的可动长杆和可动短杆，所述可动长杆和可动短杆的前端均设有铰链连接件，尾端分别与卡块铰接，前端与可动扇翼内侧通过铰链连接，所述可动长杆的尾端与可动短杆的前端之间设有弹簧；所述固定杆的前端通过柱形凹槽连接固定扇翼。主要用于地铁隧道。

Description

一种升阻复合双形态风能发电装置

技术领域

本实用新型属于新能源利用领域，特别涉及垂直轴风能发电设备。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。

风力发电已成为当前风能利用的主要方式。目前风能发电装置主要有两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

水平轴风力发电机采集风能方向单一，即使与对风装置配合，也不可避免的存在成本高，噪声污染大，影响鸟类等问题。

垂直轴风力发电机无需对风，可同时收集各向风能，结构设计简单，减少了风轮对风时的陀螺力；安装简便，适用于较多场景且对微风能利用效率更高。

据检索，目前已有的垂直轴隧道风力发电装置，如专利号为200920195174.2名称为“一种隧道风力发电装置”的中国专利，该专业叶轮设计成桶形升力型，启动风速较高，在无隧道车辆通过的低风速下，装置风能利用率低。

又如专利号为2013100945406名称为“一种阻力型垂直轴风力发电机”的中国专利，该专利给出了一种垂直轴阻力型设计的新方案，具有启动风速小等优势，但是在高风速下，风能采集量小，不可避免的造成风能利用率下降的问题。

鉴于上述状况，有必要研发一种阻力型与升力型结合，同时满足低风速与高风速对风能收集利用要求的新型装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种升阻复合双形态风能发电装置，它能有效地解决叶片在不同风速下实现阻力型与升力型之间切换的技术问题。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种升阻复合双形态风能发电装置，包括底座和发电机，中心转轴的轴体为十字形凸棱结构，所述中心转轴顶端设有上轴盘，其底端穿过下轴盘以及底座的顶板并通过联轴器与设置在底座内的发电机的输入轴联接；与中心转轴轴体为十字形凸棱结构配合的两个卡块分别与所述轴体固定；所述卡块为长方形扁体结构，其两短边侧均设有水平的固定杆，两长边侧的同侧分别设有水平的可动长杆和可动短杆，所述可动长杆和可动短杆的前端均设有铰链连接件，尾端分别与卡块铰接，前端与可动扇翼内侧通过铰链连接，所述可动长杆的尾端与可动短杆的前端之间设有弹簧；所述固定杆的前端通过柱形凹槽连接固定扇翼，所述可动扇翼和固定扇翼的两端分别与所述上轴盘的下表面、下轴盘的上表面固定。

所述可动长杆、可动短杆、卡块长边侧的两铰链之间的距离以及可动扇翼的两连接件之间距离分别作为四条边，构成四杆结构。

所述可动扇翼的内侧通过铰链连接件与可动长杆和可动短杆前端相连。

所述固定扇翼钝尖端设有缓冲垫块。

所述底座为矩形板式空心结构。

所述两个卡块在中心转轴轴体上的固定位置分别与上轴盘、下轴盘的距离保持一致。

所述卡块与所述可动长杆、可动短杆的铰接处设有角度限位卡槽。

所述上轴盘、下轴盘均通过轴承与中心转轴。

本实用新型的工作过程和原理是：

核心原理：设于可动扇翼上同一水平线的两连接点间的距离作为一条边，两根连接杆分别作为一条边，卡块上两连接点间的距离作为一条边，形成四杆结构，弹簧两端固定在杆上，始终处于拉伸状态，当风力足够，由于离心力作用，两连接杆克服弹簧拉力向彼此远离的方向运动，弹簧进一步拉伸，拉力增大，风速降低后，离心力降低，弹簧的拉力将使两杆重新靠近，使可动扇翼在水平面内移动与固定扇翼形成阻力型。

阻力形态：

对应于低风速时的阻力形态，其根本目的是实现微风能利用及达到高风速前的旋转启动，与设计目的相对应，低风速下扇翼采用S型设计，以中心转轴为核心，每两片扇翼为一组，拼接形成中心分离，二次利用风能的萨窝纽斯风机形态。

当外界风力达到阻力型的最低启动风速且风速较低时，扇翼受风力作用，但由于弹簧轻微拉伸时对两杆的拉力，可动扇翼尚未与固定翼脱离，仍维持在阻力形态，此时扇翼将带动与之相连的杆进而带动卡块及中心轴做圆周运动。

以垂直轴为中心转轴的S形阻力形态，可以接收到来自各个方向的风能，由于扇翼的凹型设计及S形的断面设计，在每两片扇翼接收并利用完当前方向风能后，会改变风向使其穿过断面进入另一部分的萨窝纽斯风机形态从而达到二次利用风能的目的。

阻力形态切换升力形态：

当达到一定风速时，由于扇翼高速旋转而产生的远离轴心的离心力大于弹簧拉力，两组扇翼分离，同一组的两连接杆向彼此远离的方向运动，弹簧拉伸形变，可动扇翼以中心转轴为基准旋转，通过卡块及扇翼上连接点进行角度变换。

由于阻力形态时弹簧的拉力，当扇翼转速达到要求进入过渡状态时，实际离心力远大于自由展开时的需要，因此保证了过渡过程的短暂，形态的迅速切换

升力形态：

对应于高风速时的升力形态，其根本目的是提高高风速下垂直轴装置对风能的利用效率。与设计目的相对应，升力形态四片扇翼以中心转轴为核心，以展开的形态通过可动长杆及可动短杆与卡块相连。由于低风速下装置已经启动，因此进入升力形态后，装置将继续保持高速旋转并由扇翼带动整体装置做圆周运动。

升力形态回复阻力形态：

当风速降低，扇翼接受到的风力减小，旋转速率降低，离心力减小，最终导致滑块所受到的远离转轴中心点方向的力降低，由于弹簧处于较高程度的拉伸状态，复原弹力将克服旋转引起的离心力，使可动扇翼的一组连接杆向靠近的方向运动，四杆结构的特性将使两杆靠近的同时，将扇翼拉至阻力形态位置。

当可动扇翼靠近固定翼到一定距离时，缓冲垫块为两翼聚合提供缓冲，保护两扇翼接触部分。两端的圆柱部分配合。

附图说明

图1是本实用新型阻力形态整体结构示意图

图2是本实用新型升力形态整体结构示意图

图3是本实用新型阻力形态无轴盘示意图

图4是本实用新型升力形态无轴盘示意图

图5是本实用新型阻力形态中心连接结构示意图

图6是本实用新型升力形态中心连接结构示意图

图7是本实用新型固定扇翼及缓冲垫块配合示意图

图8是本实用新型可动扇翼连接处示意图

图9是本实用新型的卡块结构图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

一种升阻复合双形态风能发电装置，包括底座15和发电机10，中心转轴1的轴体为十字形凸棱结构，所述中心转轴1顶端设有上轴盘7，其底端穿过下轴盘16以及底座15的顶板并通过联轴器9与设置在底座15内的发电机10的输入轴联接；与中心转轴1轴体为十字形凸棱结构配合的两个卡块2分别与所述轴体固定；所述卡块2为长方形扁体结构，其两短边侧均设有水平的固定杆3，两长边侧的同侧分别设有水平的可动长杆5、可动短杆6，所述可动长杆5和可动短杆6的前端均设有铰链连接件11，尾端分别与卡块2铰接，前端与可动扇翼12内侧通过铰链连接，所述可动长杆5的尾端与可动短杆6的前端之间设有弹簧13；所述固定杆3的前端通过柱形凹槽连接固定扇翼4，所述可动扇翼12和固定扇翼4 的两端分别与所述上轴盘7的下表面、下轴盘16的上表面固定。

所述可动长杆5、可动长杆6、卡块2长边侧的两铰链之间的距离以及可动扇翼12的两连接件11之间的距离分别作为四条边，构成四杆结构。

所述可动扇翼12的内侧通过铰链连接件11与可动长杆5和可动短杆6前端相连。

所述固定扇翼4钝尖端设有缓冲垫块8。

所述底座15为矩形板式空心结构。

所述两个卡块2在中心转轴1轴体上的固定位置分别与上轴盘7、下轴盘16的距离保持一致。

所述卡块2与所述可动长杆5、可动短杆6的铰接处设有角度限位卡槽18。

所述上轴盘7、下轴盘16均通过轴承17与中心转轴1两端的圆柱部分配合。

本实用新型的工作过程和原理是：

核心原理：可动长杆5、可动长杆6、卡块2长边侧的两铰链之间的距离以及可动扇翼 12的两连接件11之间的距离分别作为四条边，构成四杆结构，弹簧13两端固定在可动长杆5和可动短杆6上，始终处于拉伸状态，当风力足够，由于离心力作用，可动长杆5和可动短杆6克服弹簧拉力向彼此远离的方向运动，弹簧13进一步拉伸，拉力增大，风速降低后，离心力降低，弹簧13的拉力将使两杆重新靠近，使可动扇翼12在水平面内移动与固定扇翼4形成阻力型。

阻力形态：

对应于低风速时的阻力形态，其根本目的是实现微风能利用及达到高风速前的旋转启动，与设计目的相对应，低风速下所述可动或固定扇翼4采用S型设计，以中心转轴1为核心，每两片对称布置的扇翼为一组，拼接形成中心分离，二次利用风能的萨窝纽斯风机形态。

当外界风力达到阻力型的最低启动风速且风速较低时，所述可动扇翼12受风力作用，但由于弹簧13轻微拉伸时对可动长杆5及可动短杆6的拉力，可动扇翼12尚未与固定扇翼4脱离，仍维持在阻力形态，此时可动扇翼12将带动与之相连的可动长杆5及可动短杆 6转动，进而带动卡块2及中心转轴1做圆周运动。

以垂直轴为中心转轴1的S形阻力形态，可以接收到来自各个方向的风能，由于所述可动扇翼12及固定扇翼4的凹型设计及S形的断面设计，在每两片对称布置的扇翼接收并利用完当前方向风能后，会改变风向使其穿过断面进入另一部分的萨窝纽斯风机形态从而达到二次利用风能的目的。

阻力形态切换升力形态：

当达到一定风速时，由于可动扇翼12高速旋转而产生的远离轴心的离心力大于弹簧13 拉力，两组可动扇翼12分离，同一组的两可动长杆5及可动短杆6向彼此远离的方向运动，弹簧13拉伸形变，可动扇翼12以中心转轴1为基准旋转，通过卡块2及可动扇翼12上连接点进行角度变换。

由于阻力形态时弹簧13的拉力，当可动扇翼12转速达到要求进入过渡状态时，实际离心力远大于自由展开时的需要，因此保证了过渡过程的短暂，形态的迅速切换

升力形态：

对应于高风速时的升力形态，其根本目的是提高高风速下垂直轴装置对风能的利用效率。与设计目的相对应，升力形态四片扇翼同时以中心转轴1为核心，以展开的形态通过可动长杆5及可动短杆6与卡块2相连。由于低风速下装置已经启动，因此进入升力形态后，装置将继续保持高速旋转并由四片扇翼同时带动整体装置做圆周运动。

升力形态回复阻力形态：

当风速降低，由于可动扇翼12接受到的风力减小，装置旋转速率降低，离心力减小，最终导致卡块2所受到的远离转轴中心点方向的力降低，由于弹簧13处于较高程度的拉伸状态，复原弹力将克服装置旋转引起的离心力，使可动扇翼12同一组的两可动长杆5及可动短杆6向彼此靠近的方向运动，四杆结构的特性将使可动长杆5及可动短杆6靠近的同时，将可动扇翼12拉至阻力形态位置。

当可动扇翼12靠近固定扇翼4到一定距离时，缓冲垫块为两翼聚合并提供缓冲，保护两扇翼接触部分。两端的圆柱部分配合。

Claims (8)

1.一种升阻复合双形态风能发电装置，包括底座(15)和发电机(10)，其特征在于：中心转轴(1)的轴体为十字形凸棱结构，所述中心转轴(1)顶端设有上轴盘(7)，其底端穿过下轴盘(16)以及底座(15)的顶板并通过联轴器(9)与设置在底座(15)内的发电机(10)的输入轴联接；与中心转轴(1)轴体为十字形凸棱结构配合的两个卡块(2)分别与所述轴体固定；所述卡块(2)为长方形扁体结构，其两短边侧均设有水平的固定杆(3)，两长边侧的同侧分别设有水平的可动长杆(5)、可动短杆(6)，所述可动长杆(5)和可动短杆(6)的前端均设有铰链连接件(11)，尾端分别与卡块(2)铰接，前端与可动扇翼(12)内侧通过铰链连接，所述可动长杆(5)的尾端与可动短杆(6)的前端之间设有弹簧(13)；所述固定杆(3)的前端通过柱形凹槽连接固定扇翼(4)，所述可动扇翼(12)和固定扇翼(4)的两端分别与所述上轴盘(7)的下表面、下轴盘(16)的上表面固定。

2.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述可动长杆(5)、可动长杆(6)、卡块(2)长边侧的两铰链之间的距离以及可动扇翼(12)的两连接件(11)之间的距离分别作为四条边，构成四杆结构。

3.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述可动扇翼(6)的内侧通过铰链连接件(11)与可动长杆(5)和可动短杆(6)前端相连。

4.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述固定扇翼(4)钝尖端设有缓冲垫块(8)。

5.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述底座(15)为矩形板式空心结构。

6.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述两个卡块(2)在中心转轴(1)轴体上的固定位置分别与上轴盘(7)、下轴盘(16)的距离保持一致。

7.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述卡块(2)与所述可动长杆(5)、可动短杆(6)的铰接处设有角度限位卡槽(18)。

8.根据权利要求1所述的一种升阻复合双形态风能发电装置，其特征在于：所述上轴盘(7)、下轴盘(16)均通过轴承(17)与中心转轴(1)两端的圆柱部分配合。

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