WO2015109661A1 - 一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组，包括有发电机（11）及装设于所述发电机（11）的垂直轴的风轮，风轮包括有旋转支架（7）及多组风叶单元，旋转支架（7）与发电机（11）的垂直轴固定装配连接；每组风叶单元包括有支杆（2）、铰接机构（2）及风叶（1），支杆（2）的一端设置有铰接座（9），所述铰接座（9）与旋转支架（7）通过第一销轴（8）铰接，且第一销轴（8）轴向与支杆（2）的长度方向互相垂直，风叶（1）通过铰接机构（2）铰接于支杆（2）的另一端，当风轮静止时，所有风叶单元的支杆（2）均处于同一水平面；旋转支架（7）与支杆（2）之间设置有缓冲垫。该结构可随风力调整风轮的迎风面积，在强风时也能正常发电，并且结构简单、节约材料、综合成本低。

Description

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机技术领域，特别是涉及一种能够 稳定旋转的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组。

背景技术

目前垂直轴风力发电机主要有两类， 一类是利用翼型结构的升 力做功的升力型风机， 其原型是达里厄（Darrieus) 型风力机， 大部 分垂直轴风机的制造技术都是在翼型结构运转原理的基础上进行少 许的改进技术；另一类是阻力型风机，其原型是风杯式测风仪的演变， 原理就是利用风叶水平旋转时正反两面对风的阻力差来做功。现有技 术中， 垂直轴升力型风机在正常运转时风能利用率可高达 42 %， 但 存在以下缺陷： 起动扭矩小， 结构复杂， 成本增高，风轮转速较低， 此外还有稳定性差，振动大且引起共振，以及有效利用的风速范围小。

中国实用新型专利 （公告号： CN 201155425Y ) 公开了一种 "垂 直轴柔性风轮"， 该垂直轴柔性风轮的结构包括一个立杆， 所述立杆 一端的轮毂通过连杆与不同的风叶连接，轮毂连接发电机将机械能转 化为电能输出， 所述立杆和所述每个风叶竖直设置， 所述每个连杆水 平设置， 其一端和立杆相连接，另一端和风叶相连接， 连杆与立杆以 及连杆与风叶之间均分别呈 90度直角， 每一个风叶与连杆的连接处 和立杆顶端之间分别系有一条柔性悬索，所述每个连杆与立杆的连接 处， 以及和风叶的连接处采用铰接方式。该垂直轴柔性风轮结构中的 垂直轴柔性风轮为了使每个风叶受力均匀，而该垂直轴柔性风轮的柔 性悬索是利用风叶与连杆的连接处和立杆顶端之间连接起来，该结构 能使不同的风叶在受到不同风向时受力均匀，提高风能转化为机械能 的效率。但是该垂直轴柔性风轮的垂直柔性风轮的稳定性、平衡性也 有待进一步提高，以及在各种风力和风向作用下的较宽转速范围工况 中易产生的共振且较为厉害， 这也有待于进一步解决， 而柔性悬索容 易打结断裂， 使其使用寿命较低， 而且难以在强风中使用。

因此， 针对现有技术中的存在问题， 亟需提供一种稳定性好、 平 衡性高、寿命长、抗强风性能高的垂直轴风力发电机技术显得尤为重 要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种稳 定性好、 平衡性高、 结构紧凑、 抗强风性好、 适用风速范围广并能有 效保护发电机的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组。

本发明的目的通过以下技术方案实现： 提供一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组，包括有发电机及装设 于所述发电机的垂直轴的风轮， 其中：

所述风轮包括有旋转支架及多组风叶单元，所述旋转支架与所述 发电机的垂直轴固定装配连接；

每组所述风叶单元包括有支杆、 铰接机构及风叶， 所述支杆的一 端设置有铰接座， 所述铰接座与所述旋转支架通过第一销轴铰接， 且 所述第一销轴轴向与所述支杆的长度方向互相垂直，所述风叶通过所 述铰接机构铰接于所述支杆的另一端， 当风轮静止时， 所有所述风叶 单元的所述支杆均处于同一水平面；

所述旋转支架与所述支杆之间设置有缓冲垫。

优选的， 所述铰接机构包括有第二销轴和扭力弹簧， 所述第二销 轴穿过所述支杆及所述风叶， 所述扭力弹簧套设于所述第二销轴， 且 所述扭力弹簧的第一端与所述支杆连接，所述扭力弹簧的第二端与所 述风叶连接。

更优选的， 所述铰接机构位于所述风叶的重心上方的部位设置。 更优选的， 所述风叶固定设置有铰接件， 所述第二销轴穿过所述 风叶的铰接件及所述支杆，所述扭力弹簧的第二端与所述风叶的铰接 件相接。

进一步的， 所述铰接件为的固定设置于所述风叶的凹槽状铰接 件， 且其两侧壁对称开设有供穿设所述第二销轴的通孔， 所述通孔的 轴线方向与所述风叶的长度方向垂直，所述第二销轴穿置于所述铰接 件的通孔及所述支杆。

更进一步的， 所述支杆设置有铰接头， 所述铰接头开设有供穿设 所述第二销轴的通孔，所述通孔的轴线方向与所述风叶的长度方向垂 直， 所述铰接头位于所述铰接件的凹槽中， 所述第二销轴穿置于所述 铰接件的通孔和所述铰接头的通孔。

优选的，所述旋转支架设置有竖直的或者与支杆成一定夹角的挡 板。

更优选的， 所述缓冲垫设置于所述挡板靠近所述支杆一侧。 优选的，所述铰接座穿设的第一销轴位于风叶重心所在水平面的 上方， 且所述铰接座垂直于所述支杆的上表面。

优选的， 所述旋转支架设置有锥形孔， 对应所述发电机的垂直轴 与所述旋转支架连接段为锥形轴段，所述旋转支架套设于所述发电机 的垂直轴， 并通过螺母旋压紧固于所述发电机的垂直轴。 本发明的有益效果：

一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组，包括有发电机及装设于发 电机的垂直轴的风轮， 风轮包括有旋转支架及多组风叶单元， 旋转支 架与发电机的垂直轴固定装配连接； 每组风叶单元包括有支杆、铰接 机构及风叶， 支杆的一端设置有铰接座， 铰接座与旋转支架通过第一 销轴铰接， 且第一销轴轴向与支杆的长度方向互相垂直， 风叶通过铰 接机构铰接于支杆的另一端， 当风轮静止时， 所有风叶单元的支杆均 处于同一水平面； 旋转支架与支杆之间设置有缓冲垫。与现有技术相 比， 本发明的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 是在升力型风机基础 上的改进， 进行优化组合结构， 由于支杆与旋转支架通过铰接座及第 一销轴铰接， 利用陀螺效应原理改善垂直轴风力发电机的稳定性。本 发明的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 当风轮高速旋转时， 风叶单 元绕着第一销轴向上摆动， 使之处于悬浮转动状况， 整个风轮如转动 的陀螺般围绕自身中轴线作 "自转"， 风速越大， 风轮转得越快， 稳 定性越好， 并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性， 振动小且不 易引起共振， 输出功率稳定， 有利于延长发电机的使用寿命。 同时， 本发明的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组的旋转支架与支杆之间设 有弹性材质制得的缓冲垫，该缓冲垫一方面可以有效防止风速减小而 使风叶单元落下时支杆撞击发电机的垂直轴，影响发电机组的稳定性 及使用寿命， 另一方面， 通过该缓冲垫使所有支杆位于同一旋转面， 从而保证风轮在高速旋转时各风叶受力均衡， 有效保证整机的稳定 性， 发电机运转平稳。 并且本发明的展翼摆叶式垂直轴风力发电机组在风叶的重心的 上方部位设有铰接机构，使得风叶在额定风速范围内保持风叶的垂直 状态以获得最大的迎风面积， 当遇到强风时， 随着风轮转速提高， 风 叶的离心力随之同步增大，当离心力大于扭力弹簧及风叶重力相对于 第一销轴轴线的力矩时， 风叶绕第一销轴轴线摆动角度， 且摆动角度 的大小与离心力同步增大或减小，当离心力最终克服扭力弹簧的扭力 时，风叶与支杆不再垂直，整个风轮的旋转外形呈锥台形，转速越高， 风轮组的迎风面积越小，从而在强风时能够达到调整整机的功率输出 的目的， 防止功率过大而损害发电机。 由于风叶与支杆之间采用铰接 机构铰接， 随风力调整风轮的迎风面积， 有效控制风轮转速， 防止功 率过大及转速过高损坏机组，具有抗强风能力好，并且无需设置尾舵， 结构简单、 节约材料， 综合成本低， 且运转工况的风速范围广。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的内容不构成对本 发明的任何限制。

图 1 是本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组的实施 例的结构示意图；

图 2是图 1的俯视结构示意图；

图 3 是本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组的实施 例在一种运转工况时的结构示意图；

在图 1至图 3中包括有：

1 风叶

2 支杆 3- -一第二销轴

4- -一扭力弹簧

5- -一铰接件

6- -一螺母

7 -一一旋转支

8- -一第一销轴

9- -一铰接座

10- 缓冲垫

11-一一发电机

12-一一塔柱

13-一一挡板。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步说明。

实施例 1

本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 如图 1 至图 3 所示， 包括安装在塔柱 12上的发电机 11及装设于发电机 11的垂直 轴的风轮， 风轮包括有旋转支架 7及多组风叶单元， 旋转支架 7与发 电机 11的垂直轴固定装配连接， 每组风叶 1单元包括支杆 2、 铰接 机构及风叶 1， 支杆 2的一端设置有铰接座 9， 该铰接座 9与旋转支 架 7通过第一销轴 8铰接，风叶 1通过铰接机构铰接于支杆 2的另一 端， 当风轮静止时， 所有支杆 2均处于同一水平面。 其中， 第一销轴 8轴向与相应支杆 2的长度方向垂直设置， 使得风叶单元可绕第一销 轴 8上下转动。

在本实施例中， 铰接座 9呈三角形设置， 且铰接座 9装配第一销 轴 8的一端设为圆角， 需说明的是， 本发明的铰接座 9除了可为三角 形， 也可设置为其他形状， 例如半圆形、 矩形、 多边形， 只要能其开 设有通过第一销轴 8穿置的开孔并与所述支杆 2固定连接即可。该铰 接座 9穿设的第一销轴 8位于风叶 1重心所在水平面的上方，且铰接 座 9垂直于支杆 2的上表面。

旋转支架 7设有竖直的挡板 13， 弹性材质制得的缓冲垫 10设于 挡板 13靠近支杆 2的一侧， 当风轮静止时， 缓冲垫 10处于支杆 2与 旋转支架 7之间， 该缓冲垫 10—方面可以有效防止风速减小而使风 叶单元落下时支杆 2撞击机体， 影响机体的稳定性及使用寿命， 另一 方面， 风轮静止时， 通过该缓冲垫 10使所有支杆 2位于同一水平面， 从而保证风轮在高速旋转时各风叶 1受力均衡且所有支杆 2位于同一 旋转面， 有效保证整机的稳定性， 发电机 11输出功率稳定。 本实施 例的展翼摆叶式的垂直轴风力发电机具有稳定性高、平衡性好、较少 共振、 结构紧凑且寿命长等优点。 本发明在升力型风机基础上改进， 优化组合结构， 支杆 2与旋转 支架 7通过铰接座 9及第一销轴 8铰接，利用陀螺效应改善垂直轴风 力发电机的稳定性， 本发明展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 当风轮 高速旋转时， 风叶单元绕着第一销轴 8向上转动， 悬浮转动， 整个风 轮如转动的陀螺般围绕自身中轴线作 "自转"， 风速越大， 风轮转得 越快， 稳定性越好， 并不因为风速的增加而影响本发明的稳定性， 输 出功率稳定， 有利于延长发电机 11的使用寿命。 本实施例的展翼摆 叶式垂直轴风力发电机组具有稳定性高、 平衡性好、 有效减少共振、 结构紧凑且寿命长等优点。

同时，本实施例的铰接机构包括第二销轴 3和扭力弹簧 4，第二 销轴 3穿过支杆 2及风叶 1的铰接件 5， 扭力弹簧 4套设于第二销轴 3， 并且扭力弹簧 4的第一端与支杆 2连接， 扭力弹簧 4的第二端与 风叶 1的铰接件 5相接。其中， 第二销轴 8的轴线垂直于风叶 1的长 度方向， 使得风叶可绕第二销轴 8左右转动。 组装后的风叶单元， 当 风轮静止时，铰接机构位于风叶 1的重心上方的部位，即图示 h_a〈h 2， 无风时， 风叶 1可依靠自身重力绕第二销轴 3转动下降。

本发明在风叶 1的重心上方设有铰接机构，使得风叶 1在额定风 速范围内保持风叶 1的垂直状态以获得最大的迎风面积，当遇到强风 时， 随着风轮转速提高， 风叶 1的离心力 随之同步增大， 当离心力 大于扭力弹簧 4及风叶 1重力 G相对于第二销轴 3轴线的力矩时， 风叶 1绕第二销轴 3轴线转动角度 Θ， 且角度 Θ的大小与离心力 同步增大或减小， 当离心力 最终克服扭力弹簧 4的扭力时， 风叶 1 与支杆 2不再垂直， 整个风轮的旋转外形呈锥台形， 锥台的侧面面积 由图示的 、 b、 h经过简单的几何计算可知， 风轮的迎风面积随角度 Θ的增大而减小， 亦即转速越高， 风轮的迎风面积越小， 从而在强风 时能够达到调整整机的功率输出的目的，防止功率过大而损害发电机 11。 由于风叶 1与支杆 2之间采用铰接机构铰接， 随风力调整风轮的 迎风面积， 在强风时也能正常发电， 抗强风能力好， 并且无尾舵， 结 构简单、 节约材料， 综合成本低， 特别适合于小型风力风电机。 本发 明中， 当风轮静止时， 所有支杆 2处于同一水平面， 当风轮旋转时， 所有支杆 2位于同一旋转面， 保证了风轮转动的稳定性， 同时， 支杆 2绕第一销轴 8自由转动， 使支杆 2及风叶 1处于浮动状态， 提高本 发明的稳定性。

本实施例的旋转支架 7设置有锥形孔， 对应所述发电机 11的垂 直轴与所述旋转支架 7连接段为锥形轴段，为了紧固旋转支架 7于发 电机 11的垂直轴上， 旋转支架 7套设于所述发电机 11的垂直轴， 并 通过螺母 6压紧固于发电机 11的垂直轴。

本发明在升力型风机的基础上， 优化组合结构， 支杆 2与旋转支 架 7铰接， 利用风轮高速旋转时形成的陀螺效应保持机组的稳定性； 风叶 1与支杆 2的铰链机构， 用于调整风轮的迎风面积， 使本发明在 强风时也能正常发电， 增加风轮的工作风速范围， 有效提高风能利用 率的同时， 叶片消耗材料少、 制造成本低， 特别适合于小型风力发电 机组， 并具有如下优点：

(1) 有效地提高了风轮总成的稳定性， 继而降低了整个机组的 成本；

(2) 采用铰接式支杆 2的连接方式， 运行稳定可靠；

(3) 抗强风能力好， 无噪音且制造工艺简单；

(4) 无尾舵回转系统， 易于加工， 制造的综合成本低；

(5) 重量轻， 便于安装， 且降低运输成本；

(6)风叶 1与支杆 2的铰链机构， 增加了风轮的工作风速范围， 有效提高风能利用率；

(7)适合于做小型风力发电机组，应用于路灯， 航标灯， 农牧民 照明， 森林防火监控等。

并且， 本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组满足下列 标准：

1、 最高风速为 35m/s， 高寒地区最高风速为为 40m/s_;

2、 正常运行的温度范围为 -20°C〜+50°C， 高寒地区的运行温度 为-25°。〜+45°( ； 3、 运行的最高海拔为 4000m;

4、 可使用的最高相对湿度为 95 % ;

本实施例的主要技术方案与实施例 1基本相同，在本实施例中 未作解释的特征， 采用实施例 1中的解释， 在此不再进行赘述。 实施例 2

本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组与实施例 2 基 本相同， 在本实施例中， 铰接件 5位固定设置于风叶 1的凹槽状铰 接件， 且其两侧壁对称开设有供穿设第二销轴 3的通孔， 该通孔的轴 线方向与风叶 1的长度方向垂直。 同时， 该支杆 2与铰接件 5铰接的 一端设有铰接头， 该铰接头开设有供穿设第二销轴 3的通孔， 该通孔 的轴线方法与风叶 1的长度方向垂直，且铰接头位于铰接件 5的凹槽 中， 第二销轴 3穿置于该铰接件 5的通孔及铰接头的通孔。 铰接件 5 的第二端通过第二销轴 3与支杆 2铰接，且该铰接件 5的第二端的上 表面与扭力弹簧 4的第二端相接， 并有一定的向下的预压紧力， 以保 持风叶 1正常工作时的角度。 此种结构的铰接件 5， 能牢固地固设于 风叶 1， 并且结构简单、 方便制备。 需说明的是， 本发明的铰接件 5 为了达到此功能的目的， 除了此种外形设置， 还可设置为其结构， 如 长方体， 椭圆及流线外形等。

本实施例的主要技术方案与实施例 1或者实施例 2基本相同， 在本实施例中未作解释的特征， 采用实施例 1或者实施例 2 中的 解释， 在此不再进行赘述。

实施例 3

本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组与实施例 2 基 本相同， 在本实施例中， 风叶单元的数目设置为两组， 两组风叶单 元之间的夹角为 180 ° ， 此结构的风轮材料少， 重量轻， 成本低。 本实施例的主要技术方案与实施例 1或者实施例 2基本相同， 在本实施例中未作解释的特征， 采用实施例 1或者实施例 2 中的 解释， 在此不再进行赘述。

实施例 4

本发明的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组与实施例 2 基 本相同， 风叶单元的数目设置为三组， 相邻两个风叶单元之间的夹 角相等， 此结构稳定性高。 需说明的是， 风叶单元的数目也可以设置 为均匀分布的四组、 六组或者更多的风叶单元。

本实施例的主要技术方案与实施例 1或者实施例 2基本相同， 在本实施例中未作解释的特征， 采用实施例 1或者实施例 2 中的 解释， 在此不再进行赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案 而非对本发明保护范围的限制， 尽管参照较佳实施例对本发明作 了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的实 质和范围。

Claims

1. 一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 包括有发电机及装设于所 述发电机的垂直轴的风轮， 其特征在于：

所述风轮包括有旋转支架及多组风叶单元， 所述旋转支架与所述 发电机的垂直轴固定装配连接；

每组所述风叶单元包括有支杆、 铰接机构及风叶， 所述支杆的一 端设置有铰接座， 所述铰接座与所述旋转支架通过第一销轴铰接， 且所述第一销轴轴向与所述支杆的长度方向互相垂直， 所述风叶 通过所述铰接机构铰接于所述支杆的另一端， 当风轮静止时， 所 有所述风叶单元的所述支杆均处于同一水平面；

所述旋转支架与所述支杆之间设置有缓冲垫。

2. 根据权利要求 1所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其 特征在于： 所述铰接机构包括有第二销轴和扭力弹簧， 所述第二 销轴穿过所述支杆及所述风叶， 所述扭力弹簧套设于所述第二销 轴， 且所述扭力弹簧的第一端与所述支杆连接， 所述扭力弹簧的 第二端与所述风叶连接。

3. 根据权利要求 2所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其 特征在于： 所述铰接机构位于所述风叶的重心上方的部位设置。

4. 根据权利要求 2或 3所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其特征在于： 所述风叶固定设置有铰接件， 所述第二销轴穿过所 述风叶的铰接件及所述支杆， 所述扭力弹簧的第二端与所述风叶 的铰接件相接。

5. 根据权利要求 4所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其 特征在于：所述铰接件为的固定设置于所述风叶的凹槽状铰接件， 且其两侧壁对称开设有供穿设所述第二销轴的通孔， 所述通孔的 轴线方向与所述风叶的长度方向垂直， 所述第二销轴穿置于所述 铰接件的通孔及所述支杆。

6. 根据权利要求 5所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其 特征在于： 所述支杆设置有铰接头， 所述铰接头开设有供穿设所 述第二销轴的通孔， 所述通孔的轴线方向与所述风叶的长度方向 垂直， 所述铰接头位于所述铰接件的凹槽中， 所述第二销轴穿置 于所述铰接件的通孔和所述铰接头的通孔。

7. 根据权利要求 1至 3任意一项所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力 发电机组， 其特征在于： 所述旋转支架设置有竖直的或者与所述 支杆成一定夹角的挡板。

8. 根据权利要求 7所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力发电机组， 其 特征在于： 所述缓冲垫设置于所述挡板靠近所述支杆一侧。

9. 根据权利要求 1至 3任意一项所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力 发电机组， 其特征在于： 所述铰接座穿设的第一销轴位于风叶重 心所在水平面的上方， 且所述铰接座垂直于所述支杆的上表面。

10.根据权利要求 1至 3任意一项所述的一种展翼摆叶式垂直轴风力 发电机组， 其特征在于： 所述旋转支架设置有锥形孔， 对应所述 发电机的垂直轴与所述旋转支架连接段为锥形轴段， 所述旋转支 架套设于所述发电机的垂直轴， 并通过螺母旋压紧固于所述发电 机的垂直轴。