WO2011075938A1

WO2011075938A1 - 风力发电装置

Info

Publication number: WO2011075938A1
Application number: PCT/CN2010/001900
Authority: WO
Inventors: 梁涛
Original assignee: Liang Tao
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-06-30
Also published as: JP4596350B1; JP2011149413A

Description

风力发电装置

-技术领域

本发明涉及一种利用自然风的力量进行风力发电的风力发电装置。背景技术

风力本身是免费的和随处可得的，但怎样利用随处可得的免费风力，却需要人们的智慧。早在 19世纪末欧洲就出现了利用风轮进行发电的尝试。但至今为止，我们还无法大规模地普及利用免费的风力进行发电，主要是因为现行的风轮式风力发电装置存在严重的技术问题。

风轮式风力发电机的第一个技术问题，是发电成本太高，风轮式风力发电机的发电价格大约是火力发电价格的 4倍。因此现在世界各国的风力发电，都不得不依靠政府的财政补贴扶持，风力发电的规模越大，政府的财政负担就越重。所以要想大规模地普及风力发电，就必须解决风力发电的成本问题，把风力发电的价格下降到与火力发电相近的程度，这样风力发电才会具有真正的竟争力。

风轮式风力发电机的发电成本高，是因为现行的风轮式风力发电机组的造价太高。因为自然风的风力变化幅度很大，风轮式风力发电机的风轮必须能承受台风等非常强列的暴风，例如 12级台风的平均风速为 34m/s，此时在 1.5MW级风轮式风力发电机的叶片上产生高达数千吨的风压力，因此风轮的叶片、转轴等必须采用昂贵的高强度材料，这就使风轮式风力发电机的造价变得十分昂贵。

风轮式风力发电机的第二个技术问题，是抗强风性差。因为长达数十米的旋转风轮叶片，只有叶片根部一个支撑点，所以受力非常不平衡，容易损坏。尽管采用高强度的材料制作叶片，并采用专门的卸载装置控制叶片上的风压，但仍然难于避免来自强风的破坏。风轮式风力发电机的故障原因， 80%以上是因为强风造成的各种损坏。因此抗强风性能的好坏，对于风力发电机来说是至关重要的。

风轮式风力发电机的第三个技术问题，是在弱风时无法发电。因为风轮要达到抵抗强风的强度，所以风轮就被制作得十分厚重，这种沉重的风轮无法被低风速的弱风驱动，也就使得风轮式风力发电机无法设置在年均风速较低的弱风地区，大大限制了风力发电的应用范围。

风轮式风力发电机还有其他的技术问题。例如长度数十米的整体叶片，很难运送到道路条件不好的边远地区，风轮高速旋转会产生较大的噪音，有时还会打死鸟类。

为了取代技术问题较多的风轮式风力发电机，人们想出了一些不使用旋转风轮发电的方案和专利，例如风帆方式发电、风筝方式发电、气球方式发电、压电体发电（ Piezoelectrics ) 、电气体发电 (Electrohydrodynamic) 等。但至今为止，这些不使用旋转风轮的风力发电技术，还都停留在想象或实验室阶段，还没有一种不使用风轮的风力发电机能够达到实用发电的程度。发明内容

为了克服现行风轮式风力发电机的上述各种技术问题，本发明的目的在于提供一种不使用旋转风轮，而使用风机的新型风力发电装置。这种风帆式的新型风力发电装置不需要高昂的高强度材料，可以实现低成本，而且具有良好的抗强风性，低风速时能发电，故障率低，噪音低，不会伤害鸟类。

本发明的风帆式风力发电装置，简单描述如下。垂直方向延伸的立柱。上述立柱的一端固定于地面，另一端安装有一个可以在水平方向做 360度自由旋转的连接件。上述连接件安装有一个水平方向延伸的旋转轴。上述旋转轴可以在垂直方向做 360度的自由旋转。上述旋转轴上固定有类似于风帆的受风部。自然风吹到风帆式的受风部上，引起上述旋转轴的旋转。上述旋转轴的旋转动力，通过一套传动装置传递到一台发电机上，驱动发电机发电。

具体而言，所述的风力发电装置包括：水平方向伸展的能够 360度自由旋转的旋转轴、固定在所述旋转轴上的受风部、支撑所述旋转轴和受风部的连接件、支撑所述连接件的垂直方向伸展的支柱、第 1风速发电机以及把所述旋转轴的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1风速发电机的第 1 传动机构。

所述的风力发电装置，其中，所述受风部的重心与所述支柱的中心不重合，形成偏心构造。

所述的风力发电装置，其中，还包括自动变速机构，能根据所述受风部的展开角度的不同，改变所述第 1传动机构的转速传动比。

所述的风力发电装置，其中，所述自动变速机构具有半径不同的多个扇形齿轮，以及与多个扇形齿轮同样数目的多个传动机构，每个扇形齿轮对应一个传动机构，将不同传动比的旋转传递到所述第 1风速发电机。

所述的风力发电装置，其中，还包括第 2风速发电机，以及把所述旋转轴的第 2转动方向的旋转传递到所述第 2风速发电机的第 2传动机构。

所述的风力发电装置，其中，还包括一个中间传动装置，在所述第 1 传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1传动机构，在所述第 2传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第 2转动方向的旋转传递到所述第 2传动机构，当所述旋转轴处于所述第 1传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第 2传动机构分离出传动体系，当所述旋转轴处于所述第 2 传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第 1传动机构分离出传动体系。

所述的风力发电装置，其中，所述中间传动装置由半圆形的齿轮构成。所述的风力发电装置，其中，还包括第 1风向发电机，把所述连接件的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1风向发电机的第 3传动机构。

所述的风力发电装置，其中，所述受风部由框架和固定在框架上的帆布构成，所述框架和所述帆布由多个连接部相连接，所述连接部在受到规定的外力以上时，会发生断裂，使所述帆布与所述框架分离。

本发明的风力发电装置，不是利用自然风的速度进行发电，而是利用自然风的速度变化进行发电。自然风的风速是不停变化的，树木在自然风中不停摇动，就是因为风速不停变化的缘故。不停变化的风，吹动风帆不停摇动，风帆的摇动又引起旋转轴的不停旋转，旋转轴的不停地旋转又带动发电机不停地发电。

本发明的风力发电装置，因为使用布盾的风帆构造，结构简单，不必使用高昂的高强度材料，大大降低了风力发电机的制造成本。

本发明的风力发电装置，在强风的情况下能自动減小迎风面积，从而风力发电机上受到的风压力大为减小，大大提高了风力发电机的抗强风性，也同时减少了风力发电机的故障率。

本发明的风力发电装置，因为不是利用自然风的速度进行发电，而是利用自然风的速度变化进行发电，所以在弱风的情况下也能高效率的发电，可以设置在广大年均风速较低的弱风地区，大大扩展了风力发电应用范围。

本发明的风力发电装置，因为没有旋转的风轮，运转时噪音小，也不会打死打伤鸟类。而且本发明风力发电装置的风帆部可以分解，在搬运方面也 4艮方便。

目前已发表的采用风帆的风力发电装置的有关专利，有法国专利 FR526804A, 美国专利 US4104006 , 美国专利 US7157805 , 美国专利申请 2008/0036214。附图说明附图中示出了优选和可替代的本发明实施例。附图不应理解成限制本发明的范围，本发明的范围在权力要求书中说明。

图 1是本发明的第 1实施例的风力发电装置的斜视图；

图 2A、图 2B、图 2C是图 1所示的第 1实施例的受风部在不同风速情况下的动作示意图；

图 3A、图 3B是图 1所示第 1实施例的受风部和风向的关系示意图；图 4是本发明的第 2实施例的风力发电装置的斜视图；

图 5是本发明的第 3实施例的风力发电装置的斜视图；

图 6是本发明的第 4实施例的风力发电装置的斜视图；

图 7A、图 7B、图 7C、图 7D、图 7E是图 6所示第 4实施例的动作示意图；

图 8是本发明的第 5实施例的风力发电装置的自动变速部分的平面图；图 9A、图 9B、图 9C是图 8所示第 5实施例的自动变速部分的侧视图及动作示意图；

图 10是本发明的第 6实施例的风力发电装置的斜视图。具体实施方式

以下将参照图 1到图 10, 对本发明的风力发电装置的实施例进行详细说明。总的说来，本发明是利用自然风的风速变化进行发电的新型风力发电装置，与传统的直接利用自然风的风速进行发电的风力发电装置，在动作原理上有较大差异。另外，从图 1到图 10, 凡是同样或相当的构成要素，将省略对同样符号进行重复说明。

图 1是本发明的风力发电装置的第 1实施例的斜视图。第 1实施例的风力发电装置 101 , 被设置在地面 2上。垂直于地面的中空支柱 20的下端被固定在地面上，中空支柱 20的内部用于通过连接发电机的电缆（图中未示出）。中空支柱 20的上端设有连接件 30, 连接件 30可以以中空支柱 20 为中心，在水平方向做 360度的自由旋转。水平方向延伸的旋转轴 40贯穿连接件 30, 在贯穿连接件 30的部分设有轴承（图中未示出），旋转轴 40 被设置在轴承上，旋转轴 40可以以连接件 30的轴承为中心在垂直方向做 360度的自由旋转。旋转轴 40下方固定有两个类似于风帆的受风部 50。

图 1所示的受风部 50, 以支柱 20为中心左右对称设置。每个受风部

50, 包括受风的风帆 52, 被固定在旋转轴 40下方的框架 54, 以及联结风帆 52与框架 54的联结部 56。框架 54由铝合金等轻量金属构成，风帆 52 由高强度尼龙等轻量布质素材构成，这样可以使受风部 50轻量化。受风部 50的轻量化，使微风也能推动风帆，更有效地进行发电。

联结部 56被设计成在一定的受力以上就发生断裂的自动断裂构造。联结部 56断裂后，风帆 52和框架 54发生分离。在遭遇突然发生的瞬间性超强突风时，风帆 52上产生的风力超过联结部 56的断裂力，此时联结部 56 自动断裂，风帆 52和框架 54分离，保护风力发电装置不至于被超强突风破坏。

当风吹到受风部 50的时候，风力推动受风部 50发生转矩，此时受风部 50和旋转轴 40的两者构成的整体，将以连接件 30内部的轴承为中心，在垂直方向进行旋转。当自然风的风速发生变化时，受风部 50上产生的转矩也发生变化，因此受风部 50和旋转轴 40的两者构成的整体将随着风速的变化发生旋转。同样，当自然风的风向发生变化时，受风部 50上产生的转矩也发生变化，此时受风部 50和旋转轴 40以及连接件 30的三者构成的整体，将以中空支柱 20为中心，随着风向的变化在水平方向发生旋转。

本实施形态的风力发电装置 101，设置有两台发电机。发电机 60是根据风速的变化而发电的发电机，筒称风速发电机。发电机 70是根据风向的变化而发电的发电机，简称风向发电机。当自然风的风速发生变化时，引起受风部 50和旋转轴 40—起在垂直方向进行旋转。旋转轴 40发生的旋转，通过第 1传动机构，把动力传递到风速发电机 60上，驱动风速发电机 60 产生电力。当自然风的风向发生变化时，引起受风部 50和连接件 30—起在水平方向进行旋转。连接件 30的旋转，通过第 3传动机构，把动力传递到风向发电机 70上，驱动风向发电机 70产生电力。

第 1传动机构由齿轮 42、外部有齿的棘轮 80和发电机轴 62组成。棘轮 80在旋转轴 40的第 1垂直旋转方向（图 1中以箭形符号 A1表示），与发电机轴 62啮合，将动力传递到发电机 60。棘轮 80在旋转轴 40的第 2 垂直旋转方向（图 1中以箭形符号 A2表示），与发电机轴 62分离，动力不被传递到发电机 60。棘轮 80的构造与常见自行车后轮的棘轮大体上相同。

当自然风的风速发生变化对，风力作用在受风部 50上，引起旋转轴

40沿第 1垂直旋转方向和第 2垂直旋转方向进行往复旋转。通过棘轮 80 , 只传递第 1垂直旋转方向的动力，而把第 2垂直旋转方向的旋转隔离，这样传递到风速发电机轴 62上的动力，变成只有第 1垂直旋转方向的单方向旋转，驱动风速发电机 60发电。

第 3传动机构由齿轮 22、外部有齿的棘轮 90和发电机轴 72组成。棘轮 90在连接件 30的第 1水平旋转方向（图 1以箭形符号 B 1表示），与发电机轴 72啮合，将动力传递到发电机 70。棘轮 90在连接件 30的第 2 水平旋转方向（图 1以箭形符号 B2表示），与发电机轴 72分离，动力不被传递到发电机 70。棘轮 90的构造与常见自行车后轮的棘轮大体上相同。

当自然风的风向发生变化时，风力作用在受风部 50上，引起连接件

30沿第 1水平旋转方向和第 2水平旋转方向进行往复旋转。通过棘轮 90, 只传动第 1水平旋转方向的动力，而把第 2水平旋转方向的旋转隔离，这样传递到风向发电机轴 72上的动力，就变成只有第 1水平旋转方向的单方向旋转，驱动风向发电机 70发电。

本发明实施例 1的风力发电装置 101 , 在微风时能有效地发电，又具有强风时自动保护的功能。图 2A 图 2C是实施例 1的侧视图，表示受风部 50与风速的关系。图 2A表示低风速的弱风情况，图 2B表示中等风速的情况，图 2C表示高风速的强风情况。

受风部 50上产生的风力，' 与其正对于迎风方向的有效迎风面积成正比。受风部 50的有效迎风面积，等于它在迎风方向的投影面积。当受风部 50遭遇弱风时，受风部 50在迎风方向的投影面积 S1较大，此时受风部 50上产生的风压力较大，即使是弱风也能推动受风部 50进行发电。而一般的风轮式发电装置，因为在弱风时不能发电，必须设置在年均风速较高的强风地区。本发明实施例 1的风力发电装置 101，因为在低风速时也能有效地发电，所以可以设置在年均风速较低的弱风地区，大大扩展了风力发电的应用地区范围。

当受风部 50遭遇强风时，受风部 50正对于迎风方向的投影面积 S3 较小，此时在受风部 50上产生的风压力自动减小，作用到旋转轴 40和支柱 20上的受力也自动变小，这样就不必使用特别坚固的支轴和支柱等支撑机构，使实施例 1 的风力发电装置具有很好的抗强风性。

传统的风轮式风力发电机的叶片旋转速度与风速成正比，强风时叶片旋转过快，会出现超速而导致部件的损坏。为了防止风轮叶片在强风中超速运转，需要增加一个自动刹车系统，在风速超过一定速度之后，启动刹车系统使风轮叶片停转，以保护整个风力发电系统。这样的自动刹车系统不仅容易出故障，而且需要经常有人监控维修。自动刹车系统不仅提高了旋转风轮式风力发电装置的造价，也造成系统的故障率高，导致运行成本高昂。现行的风轮式风力发电机的故障，大半是出在强风保护装置上。而本发明实施例 1的风力发电装置，因为具有强风自动保护功能，不需要复杂的自动刹车系统，不仅大幅地降低了风力发电装置的制造成本，同时还大大减少了风力发电装置发生故障的可能性。

衡量风力发电机优劣的最重要指标之一是抗强风性能。现行的风轮式风力发电机的故障，绝大多数是因为强风造成的。因为风轮式风力发电机的抗强风性较差，遇到强风时，轻则造成强风保护装置的故障，重则造成叶片或机轴的折断或损坏。

本发明的风力发电机具有优异的抗强风性能，本发明的风力发电机的优异抗强风性能来自三个设计。第一个设计是可分离的风帆部分，遇到超强风时，风帆部分自动脱落，保护风力发电机本体不至于损坏；第二个设计是风帆的有效迎风面积可随风速自动改变，高风速的强风时，风帆的有效迎风面积自动减小，使风力发电机的旋转轴和支柱上的受力大为减小；第三个设计是风帆可以在垂直方向 360度自由旋转，同时还可以在水平方向 360度自由旋转，没有强制的限位系统，使风帆上受到的风能可以自由释放。

第一个设计的可分离风帆系统在前面已经说明 ,这里说明第二个设计，即有效迎风面积随风速自动改变的受风部系统。为了确认受风部的有效迎风面积随风速自动改变的效果，我们这里进行模拟计算，对比迎风面积固定的受风部与迎风面积可变的受风部的受力情况。受风部上产生的风压力，使用空气动力学的标准风压公式（数学式 1 ) 进行计算。

数学式 1

数学式 1中， F是风压力（单位： N ) ； C _d是风阻系数，这里平面风帆的 C _d = 1.2、 V是风速（m/s ) 、 p是空气密度（ 1.29kg/m³ ) 、 A是风帆面积（m² ) 。这里模拟计算的风帆尺寸为高 4米，长 3米，模拟计算的结果见表 1。

表 1

3 79 37

5 220 42

10 882 51

20 3529 84

30 7940 139

50 22056 315

70 43231 580 根据表 1的计算结果，高 4米、长 3米的受风部，遭遇风速 70m/s的瞬间超强风时，在受风部的迎风面积固定的情况下，旋转轴上将受到 43231 牛顿（441 1公斤）的力，这么大的受力很容易损坏旋转轴和相关部件。在而受风部的迎风面积随风速自动改变的情况下，旋转轴上只受到 580牛顿 ( 59公斤）的力，这样旋转轴和相关部件就不至于被超强风损坏。度的自由旋转，这是本发明的重要特点，对于抗强风性具有非常重要的意义。表 1中模拟计算显示的小型风力发电机，在遭遇超强风时，受风部上的瞬间风压可达数千公斤，而大型风力发电机，在遭遇超强风时，受风部上的瞬间风压可达数千吨。如果受风部不能自由转动，而是有一个转动限位装置的话，受风部的高速旋转在转动限位装置上骤然停止，高达数千吨的受力必然会破坏限位装置，造成严重的机械损坏。

上述采用风帆进行风力发电的美国专利 US4104006 , 美国专利

US7157805 , 美国专利申请 2008/0036214中，风力发电装置的受风部都设置有限位装置，受风部不能同时在水平方向和垂直方向进行 360度的自由旋转，所以这些专利描述的风力发电装置在抗强风性方面，预计会有较大的缺陷。

本发明的实施例 1的风力发电装置 101，具有自动地正对风向的构造，即所谓的下风（downwind )构造。上述的自动正对风向的构造，特征是受风部 50的重心 G与支柱 20的中心不重合，形成偏心构造。图 3A和图 3B 是风力发电装置 101的平面示意图，表示受风部 50的重心 G与风向而的关系。

图 3A表示风的方向 DW与受风部 50 (旋转轴 40 )斜向的情况。这时受风部 50的重心 G, 支柱 20的中心和风向 DW三者不在一条直线上，在风向 DW的方向上，在支柱 20左侧的投影面积 SL，小于在右侧的投影面积 SR，所以支柱 20左侧受到的风力，大于右侧受到的风力，这样整个受风部 50就会反时针旋转（图 3A中箭形符号所示方向）。当整个受风部的旋转到达 3B的位置，此时风部 50的重心 G, 支柱 20的中心和风向環三者在一条直线上，在风向 DW的方向上，支柱 20左侧的投影面积 SL等于右侧的投影面积 SR, 这时整个受风部的旋转自动停止。整个受风部自动旋转到在正对于风向 DW的位置上停止，也就是具有自动正对风向的功能。

图 4是本发明的第 2实施例的风力发电装置 201的斜视图。第 2实施例的风力发电装置 201与图 1所示的第 1实施例的风力发电装置 101 , 在结构上基本相同，只是加装了一个风向舵 32。风向舵 32的功能是在风向方向 DW斜向于受风部 50的时候，在风向舵 32上将会产生旋转力矩，使受风部自动地旋转到正对于风向的方向上。加装风向舵 32, 可以使本发明的风力发电装置，更加灵敏地自动正对于风向的方向，以便最大程度地获取风的能量。

本发明的实施例 1和实施例 2的风力发电装置，与现行的风轮式风力发电装置相比，具有结构简单，故障率低的优点。而且本发明采用的风帆结构，可以分解成零部件运输，然后再到现场组装，这样就简化了运输问题。而现行的风轮式风力发电装置，长达数十米的风轮叶片必须整体运输，不仅运费高昂，而且无法运输到道路条件不好的地区。另外，本发明的实施例 1和实施例 2的风力发电装置, 没有旋转的风轮，所以运行时噪音较小，也不会发生打死鸟类的环境问题。

图 5是本发明的第 3实施例的风力发电装置 301的斜视图。上述的第 1 实施例中，棘轮机构 80把旋转轴 40的第 1垂直转动方向的旋转，传递到风速发电机 60。棘轮机构 90把连接件 30的第 1水平转动方向的旋转，传递到风向发电机 70。这样的构成非常筒单，零部件数少，造价低廉。然而第 1实施例中，旋转轴 40的两个旋转方向，只有其中一个方向的旋转被利用于发电，同样连接件 30的两个旋转方向，也只有其中一个方向的旋转被利用于发电，所以发电的效率不够好。在本发明的第 3实施例中，把旋转轴 40和连接件 30的两个方向的旋转都利用起来发电，提高了发电效率。

本发明的第 3实施例所示的风力发电装置 301 , 除了上述的风速发电机 60(第 1风速发电机)之外，又增加了一个风速发电机 160(第 2风速发电机)。风速发电机 160, 通过驱动轴 162和外部有齿的棘轮 180与旋转轴 40 上的齿轮 42相连。棘轮 180在旋转轴 40的第 2垂直旋转方向（图 5中以箭形符号 A2表示），与发电机轴 162啮合，将动力传递到发电机 160。棘轮 180在旋转轴 40的第 1垂直旋转方向（图 5中以箭形符号 A1表示），与发电机轴 162分离，动力不被传递到发电机 160。

本发明的第 3实施例所示的风力发电装置 301 , 除了上述的风向发电机 70(第 1风向发电机)之外，又增加了一个风向发电机 170(第 2风向发电机)。风向发电机 170, 通过驱动轴 172和外部有齿的棘轮 190与支柱 20 上的齿轮 22相连。棘轮 190在连接件 30的第 2水平旋转方向（图 5中以箭形符号 B2表示），与发电机轴 172啮合，将动力传递到发电机 170。棘轮 190在连接件 30的第 1水平旋转方向（图 5中以箭形符号 B 1表示），与发电机轴 172分离，动力不被传递到发电机 170。

在本发明的第 3实施例的风力发电装置中，风吹动受风部 50，在旋转轴 40上产生两个垂直方向的往复旋转。其中第 1垂直方向的旋转，通过棘轮 80传递到第 1风速发电机 60进行发电；第 2垂直方向的旋转，通过棘轮 180传递到第 2风速发电机 160进行发电，这样充分利用了旋转轴 40 的两个垂直方向的旋转，比第 1实施例的风力发电装置提高了发电效率。在本发明的第 3实施例的风力发电装置中，风吹动受风部 50, 在连接件 30上产生两个水平方向的往复旋转。其中第 1水平方向的旋转，通过棘轮 90传递到第 1风向发电机 70进行发电；第 2水平方向的旋转，通过棘轮 190传递到第 2风向发电机 170进行发电，这样充分利用了连接件 30 的两个水平方向的旋转，比第 1实施例的风力发电装置提高了发电效率。

在本发明的第 3实施例中，设置了两台风速发电机 60和 160, 不过这两台风速发电机也能合并成 1台。譬如设置一个传动装置，把旋转轴 40 的第 2垂直转动方向的旋转，改变成与第 1垂直转动方向相同的旋转，然后再传递到第 1风速发电机 60, 这样就可以省略第 2风速发电机 160。这个传动装置可以由多数的齿轮和传动轴构成。

同样，在本发明的第 3实施例中，设置了两台风向发电机 70和 170，不过这两台风向发电机也能合并成 1台。譬如设置一个传动装置，把连接件 30的第 2水平转动方向的旋转，改变成与第 1水平转动方向相同的旋转，然后再传递到第 1风向发电机 70, 这样就可以省略第 2风向发电机 170。这个传动装置可以由多数的齿轮和传动轴构成。

上述各个实施例的风帆式风力发电装置，其发电效率与受风部 50的重量有关。因为受风部 50被风吹起时，一部分风力将用于克服受风部 50本身的自重，所以受风部 50的自重越轻，发电效率就会越好。

另一方面，受风部 50的自重较轻，会产生以下的问题。即在风停止的时候，受风部 50将停止在被风吹起的位置，无法自动返回到初始位置（受风部 50垂直于旋转轴 40下方的静止位置）。这是因为受风部 50在垂直方向的旋转，将受到风速发电机 60或 160转矩阻力，在受风部 50的自重较大时，它的自重大于风速发电机的转矩阻力，可以克服风速发电机的转矩阻力返回到初始位置。而在受风部 50的自重较小时，它的自重小于风速发电机的转矩阻力，所以无法克服风速发电机的转矩阻力，就停留在被风吹起位置，无法返回到初始位置。针对上述问题，本发明设计了一个具有自动返回装置的第 4实施例的风力发电装置 401，使较轻的风帆也能自动返回其初始位置。

图 6是本发明的第 4实施例的风力发电装置的斜视图。图 6所示的第 4实施例的风力发电装置 401 , 除了第 1实施例所示的第 1风速发电机 60 外，又增加一个第 2风速发电机 260。旋转轴 40上固定一个半圆形齿轮 242, 取代了第 1实施例中旋转轴 40上固定的齿轮 42。第 1风速发电机 60通过第 1传动机构与半圆形齿轮 242相连。第 1传动机构由传动轴 62和棘轮 80构成。第 2风速发电机 260通过第 2传动机构与半圆形齿轮 242相连。第 2传动机构由传动轴 262和棘轮 280构成。第 2风速发电机 260, 传动轴 262和棘轮 280的构造，与第 3实施例中的第 2风速发电机 160, 传动轴 162和棘轮 180相同，这里不再重述。

风帆的自动返回机构主要由旋转轴 40上固定的半圆形齿轮 242, 以及棘轮 80和棘轮 280构成。棘轮 80在顺时针方向转动时，与第 1风速发电机 60的传动轴 62啮合，驱动发电机 60发电。棘轮 80在反时针方向转动时，与第 1风速发电机 60的传动轴 62分离，此时棘轮 80空转，动力不会传递到传动轴 62上。与之相反，棘轮 280在反时针方向转动时，与第 2 风速发电机 260的传动轴 262啮合，驱动发电机 260发电。棘轮 280在顺时针方向转动时，与第 2风速发电机 260的传动轴 262分离，此时棘轮 280 空转，动力不会传递到传动轴 262上。

下面详细说明自动返回机构的工作原理。图 7是自动返回机构的工作示意图。图 7A表示无风时的静止状态，此时受风部 50在旋转轴 40垂直下方的初始位置。旋转轴 40从初始位置向右方旋转时，半圆形齿轮 242 只与棘轮 80发生作用，与棘轮 280不发生作用；旋转轴 40从初始位置向左方旋转时，半圆形齿轮 242只与棘轮 280发生作用，与棘轮 80不发生作用。

在图 7A表示的静止状态下，如果风从左面吹向右面，受风部 50和旋转轴 40将在风力的作用下反时针方向旋转，图 7B表示旋转轴 40反时针旋转时的状态，此时半圆形齿轮 242驱动棘轮 80顺时针旋转，棘轮 80顺时针旋转时，动力传递到发电机传动轴 62上，驱动第 1风速发电机 60发电。

当风停止时，被风吹起的受风部在自重的作用下将返回其初始位置。图 7C表示旋转轴 40顺时针旋转返回初始位置的状态，此时半圓形齿轮 242 驱动棘轮 80反时针旋转，棘轮 80反时针旋转时，只是发生空转，动力不会传递到发电机传动轴 62上，所以受风部 50将自由地返回其初始位置，不会受到发电机 60的转矩阻力的影响。

在图 7A表示的静止状态下，如果风从右面吹向左面，受风部 50和旋转轴 40将在风力的作用下顺时针方向旋转，图 7D表示旋转轴 40顺时针旋转时的状态，此时半圆形齿轮 242驱动棘轮 280反时针旋转，棘轮 280 反时针旋转时，动力传递到发电机传动轴 262上，驱动第 2风速发电机 260 发电。

当风停止时，被风吹起的受风部在自重的作用下将返回其初始位置。图 7E表示旋转轴 40反时针旋转返回初始位置的状态，此时半圓形齿轮 242 驱动棘轮 280顺时针旋转，棘轮 280顺时针旋转时，只是发生空转，动力不会传递到发电机传动轴 262上，所以受风部 50将自由地返回其初始位置，不会受到发电机 260的转矩阻力的影响。

本发明第 4实施例中使用了上半部有齿的半圓形齿轮 242 , 也可以改用下半部有齿的半圆形齿轮，或者改用左半部有齿的半圆形齿轮，或者改用右半部有齿的半圆形齿轮，动作原理都是一样的。只是半圓形齿轮的齿的位置变更后，棘轮 80和棘轮 280的安装位置也要相应地变更。

本发明第 4实施例中设置 2台风速发电机 60和 260，不过这两台风速发电机也能合并为成 1台。譬如设置一个传动装置，把旋转轴 40的第 1 垂直转动方向的旋转，改变成与第 1垂直转动方向同的旋转，然后再传递到第 1风速发电机 60, 这样就可以省略第 2风速发电机 260。这个传动装置可以由多数的齿轮和传动轴构成。

本发明中旋转轴 40被风吹起的展开角 Θ，是随着风速而变化的。为了更有效地利用风能，有必要根据风速的不同，改变发电机的转速，达到最佳发电的目的。为此本发明设计了一个具有自动变速机构的第 5实施例的风力发电装置，使风速发电机 60的驱动轴 62的传动比，随着旋转轴 40 的展开角 Θ而变化，这样可以使风速发电机 60的转速随着风速而自动变动，达到最佳发电的目的。

图 8是本发明的第 5实施例的风力发电装置的自动变速部分 501的平面图。图 9是图 8所示第 5实施例的风力发电装置的自动变速部分 501的侧视图及动作示意图。在本发明的第 5实施例的风力发电装置中，具有不同半径的多个扇形齿轮构成的复合齿轮 342, 代替了第 1实施例中的齿轮 42。在本实施例中，复合齿轮 342具有 3个扇形齿轮 342a, 342b , 342c, 扇形齿轮 342a的半径最小，扇形齿轮 342b的半径次之，扇形齿轮 342c 的半径最大。各个扇形齿轮 342a, 342b, 342c的外周部设置有齿。

在本发明的第 5实施例的风力发电装置中，具有多个棘轮构成的复合棘轮机构 380 , 代替了第 1实施例中的棘轮 80。在本实施例中，复合棘轮机构 380具有三个棘轮 380a, 380b, 380c。其中棘轮 380a被设计成与扇形齿轮 342a具有啮合关系，棘轮 380b被设计成与扇形齿轮 342b具有啮合关系，棘轮 380c被设计成与扇形齿轮 342c具有啮合关系。

复合棘轮机构 380, 通过一套传动机构， 4巴动力传递到发电机 60。其中 388a, 388b, 388c是传动齿轮，分别通过传动轴 386a, 386b, 386c连接到棘轮 380a, 380b, 380c。与第 1实施例中所示的一样， 60是风速发电机， 62是风速发电机的传动轴。

图 9A、图 9B、图 9C是图 8所示第 5实施例的动作示意图。下面根据图 9的动作示意图，详细说明自动变速机构的工作原理。图 9A是风速较低时的情况，此时旋转轴 40的展开角 Θ在 0度到 30 度之间。在这种情况下，扇形齿轮 342a与棘轮 380a啮合，然后再通过传动轴 386a，传动齿轮 388a, 把动力传递到发电机轴 62上，驱动发电机 60 发电。这种情况下的传动比小，所以较低的风速也能轻松地驱动发电机发电。

图 9B是风速中等的情况，此时旋转轴 40的展开角 Θ在 30度到 60度之间。在这种情况下，扇形齿轮 342b与棘轮 380b啮合，然后再通过传动轴 386b，传动齿轮 388b, 4巴动力传递到发电机轴 62上，驱动发电机 60 发电。这种情况下的传动比适中，在中等风速下能有效地驱动发电机发电。

图 9C是风速较高的情况，此时旋转轴 40的展开角 Θ在 60度到 90度之间。在这种情况下，扇形齿轮 342c与棘轮 380c啮合，然后再通过传动轴 386c，传动齿轮 388c， 4巴动力传递到发电机轴 62上，驱动发电机 60发电。这种情况下的传动比大，在高风速下能高效地驱动发电机发电。

. 本发明的第 5实施例中只设置了 1台风速发电机 60 , 不过也可以像第 3实施例那样，设置第 2台风速发电机提高发电效率。此时只要按照追加的发电机，追加上述的复合棘轮机构 380即可。同时也可以像第 4实施例那样，增加设计受风部 50的自动返回初始位置的机构。

图 10是本发明的第 . 6实施例的风力发电装置 601的斜视图。第 6实施例和第 1实施例的构造基本一样，只是第 6实施例中的受风部 450，被固定在旋转轴 40的上方，而第 1实施例中的受风部 50, 被固定在旋转轴 40 的下方。第 6实施例中在每个受风部 450的下部增加了一个配重 458 , 以平衡受风部 450的自重，使受风部 450位于旋转轴 40的上方。

一般来说，自然风的风速是随高度而增大的。第 6实施例中的受风部 450, 比第 1实施例中受风部 50的高度更高，因此能捕获到更高速的风，发电效率会更高。另外，第 1实施例到第 5实施例的各种实施形态和设计，也都适用于第 6实施例。上述各个实施例中，设置了 1个或 2个风向发电机。这些风向发电机以及其传动机构，也可以被省略，简化整个风力发电机的构造。

上述各个实施例中，支柱 20被固定在地面，连接件 30可围绕支柱 20 做水平方向的转动。这个设计也可以改为连接件 30固定在支柱 20上端，支柱 20的下端设置在一套固定在地面轴承中，连接件 30和支柱 20—起沿着这套固定在地面的轴承，作水平方向的转动。

上述各个实施例中的动力传递系统，使用了齿轮机构。但本发明的动力传递系统不受这个限定，也可以釆用皮带、链条等其他形式的动力传递机构。

上述各个实施例，也可以配合使用发条、重力等储能系统，将风力发电暂时储存起来，以达到稳定风力发电的作用。

注意，本发明不限于上述各个实施例，本发明技术思想的范围内的任何实施形态，都应当被认为是本发明的一部分。

Claims

权利要求

1、一种风力发电装置，其特征在于，所述的风力发电装置包括：水平方向伸展的能够 360度自由旋转的旋转轴、固定在所述旋转轴上的受风部、支撑所述旋转轴和受风部的连接件、支撑所述连接件的垂直方向伸展的支柱、第 1风速发电机以及把所述旋转轴的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1风速发电机的第 1传动机构。

2、如权力要求 1所述的风力发电装置，其特征在于，所述受风部的重心与所述支柱的中心不重合，形成偏心构造。

3、如权力要求 1和权力要求 2所述的风力发电装置，其特征在于，还包括自动变速机构，能根据所述受风部的展开角度的不同，改变所述第 1 传动机构的转速传动比。

4、如权力要求 3所述的风力发电装置，其特征在于，所述自动变速机构具有半径不同的多个扇形齿轮，以及与多个扇形齿轮同样数目的多个传动机构，每个扇形齿轮对应一个传动机构，将不同传动比的旋转传递到所述第 1风速发电机。

5、如权力要求 1至权力要求 4所述的风力发电装置，其特征在于，还包括第 2风速发电机，以及把所述旋转轴的第 2转动方向的旋转传递到所述第 2风速发电机的第 2传动机构。

6、如权力要求 5所述的风力发电装置，其特征在于，还包括一个中间传动装置，在所述第 1传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1传动机构，在所述第 2传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第 2转动方向的旋转传递到所述第 2传动机构，当所述旋转轴处于所述第 1传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第 2传动机构分离出传动体系，当所述旋转轴处于所述第 2传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第 1传动机构分离出传动体系。

7、如权力要求 6所述的风力发电装置，其特征在于，所述中间传动装置由半圆形的齿轮构成。

8、如权力要求 1至 Ί中任一项所述的风力发电装置，其特征在于，还包括第 1风向发电机，把所述连接件的第 1转动方向的旋转传递到所述第 1风向发电机的第 3传动机构。

9、如权力要求 1至 8中任一项所述的风力发电装置，其特征在于，所述受风部由框架和固定在框架上的帆布构成，所述框架和所述帆布由多个连接部相连接，所述连接部在受到规定的外力以上时，会发生断裂，使所述帆布与所述框架分离。