CN2679389Y - 一种可控板翼垂直轴风力机 - Google Patents

Abstract

一种实用的可控板翼垂直轴风力机，具有结构简单、风能利用效率高、控制可靠、输出功率和转速稳定、适用风速范围宽、制造成本低的特点。本垂直轴风力机装置于塔架顶端上；中心转轮装有若干组支架呈水平状向四周伸出；在支架外端装有板翼，可以受控制在自身的轴上或自由转动或被固锁，在作功的推力区半周内运动时被锁止随支架绕转轮旋转与风向形成夹角，受到风的推力为转轮提供风能转矩；在阻力区半周内运动时板翼自由转动，板翼平面保持与风向平行始终以最小受风面迎风以减小风阻，故板翼在推力区和阻力区形成很大风力差。板翼的高度(面积)和支架的长度也可以受控制进行调整。转轮联结的传动轴将风能动力传至地面而转换为机械能。

Description

一种实用的可控板翼垂直轴风力机

所属技术领域

本实用新型是涉及利用地球地表风力将风能转换为机械能，进而驱动发电机或其他设备的能源动力装置。具有洁净、环保、经济的特点。

背景技术

目前应用较广泛的是水平轴风力机，但其结构较复杂、制造成本高，由于叶片与风的流向呈一角度，风力中只有一部分推动风力机作功，另一部分则产生对设备无益的倾倒推力，故风能利用效率低，而且对适用风速有特定的要求范围(一般为3-25m/s)，特别是塔架因为要承受较大推力而要求坚固度高，使设备投资很大。而垂直轴风力机从理论上讲风能利用率高、风速适应范围宽、造价也相应的低，因此这十几年来人们对垂直轴风力机进行了大量的研究，较成功的是达里厄式的风力机投入了批量使用，但其叶片制造难度大，成本很高，造成使用者较少的局面。众多的垂直轴风力机设计未被普遍应用的原因，是存在有几个方面的问题：

1.许多形式的垂直轴风力机虽然能在风力作用下形成较大受风面，产生较大推力，但却无法克服叶片同样在风力作用下产生的阻力，这样不仅降低了风能转换机械能的效率，而且仍将对塔架产生相当大的倾倒推力，使其制造坚固，增大了投资成本；

2.由于风能具有风向和风量激烈变化的特点，垂直轴风力机在风力作用下对转动轴产生的推动功率和转动速度变化较大，不易调整，因此终端使用设备很难匹配；

3.众多的垂直轴风力机不能在风场风速过大时或人为需求下(如维修时等)随意停机，因而不实用；

4.许多垂直轴风力机由于叶片在承受推力和阻力的过程中，要变换角度或位置，因此在运动中会产生振动，造成工作不平稳。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种实用的、可受控制的、结构简单的垂直轴风力机。它是利用下述的技术方案实现的：

安装于塔架顶部的可控板翼垂直轴风力机以转轮为中心，四周装置有若干组支架，在支架外端，上、下装有一对板翼，板翼中心有轴固装在支架上，轴与板翼间装有电磁离合装置，可以控制板翼在轴上被锁止或可自由转动；电磁离合装置的通断是由安装在转轮上的带风向定向器的配电器来控制，由于风向定向器随时根据风的流向变化自行调整角度，配电器可以准确的沿风力流向将板翼轴的圆周运动轨迹分为两个半圆周，在产生推力的半周起始位置时(即风力机各组板翼迎风的最前端位置时)，控制电磁离合装置结合，板翼因此被锁止不能转动，板翼平面随支架绕转轮的转动与风的流向产生夹角，形成受风面积而受到风的推力，继而作用于板翼轴且与支架臂构成了对转轮的转矩，推动风力机转动作功；当运动到推力产生的最终位置(即风力机各组板翼轴转过180°，到达迎风的最远位置时)控制电磁离合装置断电脱开，这时候板翼平面正好与风力流向平行，板翼可以在轴上自由转动，在风力作用下，将会在整个阻力区运动半周内始终自动保持最小受风面，即始终保持板翼平面平行于风力流向。可见，板翼在推力区和阻力区运动时有很大受风面积差，风能产生的力差也很大，可以源源不断的为转轮提供转矩推动风力机作功，实现风能向机械能的转换。离合装置采用电磁控制方式是因为它的动作反应很快，这样在板翼运动过程中在推力区和阻力区的临界点上能瞬间实现控制动作，使板翼不会发生摆动或振动，保证风力机工作平稳。板翼轴处于板翼中心位置，板翼在受风时因受力平衡，本身产生的转矩并不大，故电磁离合装置所需提供的锁止力也无须很大，这个装置的体积和用电量就相对较小。当风力机要求停机时，电磁离合装置全部短电，所有板翼均处于与风向平行的状态，满足了风力机要求停转的条件。转轮中心联结有传动轴，将动力由塔架顶端引到地面，驱动使用设备——如发电机、提水机等工作。由于风能具有风力大小、风速快慢经常变化的特点，从而造成风力机输出功率和转速经常波动不稳，不易适应使用设备正常工作要求，本风力机的支架和板翼均设计为由伺服电机来进行调控可伸缩长短的形式。支架臂伸长可增大转矩、减小转速，缩短则反之；板翼的调整则直接改变了受风面积。(伺服电机的控制线路通过配电器内的环状电路联接。)这样在调整转矩和转速时可有三种控制方法来实现：

1.控制锁止板翼的组数(由于每对板翼的电磁离合装置均是独立控制的，就可控制其使每一间隔支架上的板翼在推力区也不被锁止)，改变整台风力机受风的推力；

2.调整板翼的高度直接改变受风面积的大小；

3.伸缩支架臂改变长度来进行调整。

对现代电子控制技术来讲，实现这三种控制方法的完美组合是很容易的。控制器的电缆与各执行元件的电路通过配电器相联结。整台风力机的控制和执行元件耗电量很小，可利用蓄电池提供的低压直流电力供电，当风力机运转时又可对蓄电池充电。

本风力机因为受风板翼与支架对转轮产生的转矩很容易推动其转动，因此启动风速要求较低，起动力矩大，而运行风速适应范围却很宽；在很高的风速很强的风力作用下基本上只推动风力机转动，几乎不产生水平轴向推力，因此仍能安全有效的工作。板翼的宽度方向尺寸远远大于厚度方向尺寸，在整个运动过程中形成推力区和阻力区的很大面积差——即风力差，板翼始终保持在推力区作功，所以风能利用系数高；板翼在运动到推力区和阻力区的临界点时正好顺着风向，因此不会有角度或位置变化影响风力机的工作平稳性；由于倾倒推力较小，对塔架的制造刚度要求不高，且可制成绗架结构，这将会节省大量的生产成本。

根据具体风场的风力资源不同，支架和板翼组可以设计成不同的数量，但以单数为好。有必要的地区，可在一组支架上装数对板翼以增大受风面。

在风向变动较大的风场，当风力机启动时，推力区内的板翼被锁止，风向稍有变化时，就会产生受风面积，使风力机开始转动；在风向较固定的场合，可以装置一台小型启动马达使转轮转过一个小角度，就可使其受风运转了。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型的主视图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型以一组板翼——支架为例的示意图；

图4是本实用新型中带风向定向器的配电器剖面示意图。

附图中的数字所代表的部件是：(1)板翼，(2)转轮，(3)传动轴，(4)塔架，(5)配电器，(6)支架，(7)电磁离合装置，(8)电缆，(9)控制器，(10)风力机启动马达装置，(11)调节板翼，(12)调节板翼轴，(13)板翼调节装置，(14)主板翼，(15)板翼轴，(16)板翼调节伺服电机，(31)传动轴支承架，(32)联接轴，，(33)万向节，(34)联接法兰，(51)引风板，(52)配电器外壳，(53)碳刷，(54)半圆配电环，(55)定风尾翼，(61)伸缩支架臂，(62)支架调节机构，(63)支架调节伺服电机，(64)主支架。

具体实施方法

结合图1图2图3来看，板翼(1)是由主板翼(14)和调节板翼(11)内外套在一起所构成，板翼和板翼轴之间装有轴承保证转动灵活；当控制信号启动了板翼调节伺服电机(16)转动时，通过板翼调节装置(13)可使调节板翼(12)在主板翼(14)内伸缩，改变了板翼(1)的高度，也就改变了板翼的受风面积；板翼轴(15)置于板翼的中轴线上；板翼横截面呈中间厚向两端逐渐减薄的菱型，目的是减小空气阻力。电磁离合装置(7)的结合可以使板翼(1)锁止在板翼轴(15)上不能转动。板翼轴(15)固装在支架(6)上。伸缩支架臂(61)装在主支架(64)内成为一体，支架调节伺服电机(63)通过支架调节机构(62)来调整支架(6)的长度。支架(6)的另一端与转轮(2)固装，并通过联接法兰(34)、万向节(33)、联接轴(32)联结到传动轴(3)，将动力输出去。传动轴支承架(31)即可保证传动轴(3)在与塔架(4)内的相对位置，也可以方便安装和维修。图4可以清楚的说明配电器(5)是如何沿风向准确的向正在推力半周内被锁定之板翼的电磁离合装置(7)供电的：风场风向有所变换时，引风板(51)和定风尾翼(55)的作用使配电器外壳(52)随即转动，使其内嵌的半圆配电环(54)两端轴线始终保持对着风向，通过碳刷(53)将控制信号送给电磁离合装置(7)。配电器(5)内还装有控制板翼和支架伸缩的环状电路。图3中的风力机启动马达装置(10)当使用时，可将启动齿轮伸出与转轴(2)上的齿圈接合驱动风力机转动一个角度(类似汽车发动机启动)。图1中的控制器(9)有条件的可以采用微处理器，置于塔架顶端的风力机通过电缆(8)接入控制器(9)，控制器可置于控制中心。

Claims (7)

1.一种可控板翼垂直轴风力机，板翼可以受控改变其绕自身轴上的运动状态而改变受风或顺风形态，板翼的高度(面积)和支架的长度也可以受控制进行调整。其特征是：在塔架顶端上装置的风力机中间是转轮(2)，转轮上装有若干组支架(6)，呈水平状向四周伸出，在支架外端装有上、下一对板翼(1)；板翼可以受到控制在自身的板翼轴上或自由转动或被固锁，在作功的推力区半周内运动时被锁止随支架绕转轮旋转与风向形成夹角，受到风的推力为转轮提供风能转矩，在阻力区半周内运动时板翼自由转动，板翼平面保持与风向平行始终以最小受风面迎风以减小风阻，故板翼在推力区和阻力区形成很大风力差。

2.按权利要求1所述风力机，其特征在于：主板翼(14)与板翼轴(15)之间装有电磁离合装置(7)，可控制板翼绕板翼轴的锁止或自由转动动作。

3.按权利要求1所述风力机，其特征在于：电磁离合装置(7)的供电电路中，有带风向定向器的内嵌半圆环导电电路的配电器(5)相联结。

4.按权利要求1所述风力机，其特征在于：板翼轴置于板翼的中心轴线上，板翼沿此轴线两边面积相等；板翼横截面为中间厚向两边逐渐减薄的菱形。

5.按权利要求1所述风力机，其特征在于：板翼(1)由主板翼(14)和调节板翼(11)组成，使用伺服电机(16)通过板翼调节装置(13)来改变高度——即改变板翼受风面积。

6.按权利要求1所述风力机，其特征在于：支架(6)为主支架(64)和伸缩支架臂(61)构成，使用伺服电机(63)通过支架调节装置(62)来调整长度。

7.按权利要求1所述风力机，其特征在于：转轮(2)通过联接法兰(34)、万向节(33)、联接轴(32)与传动轴(3)联结，可以将风能动力传递至地面而转换为机械能。

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