CN103233859B - 百叶窗式垂直轴阻力型风力机 - Google Patents

Abstract

百叶窗式垂直轴阻力型风力机属于风力发电领域。原理是在一个垂直轴上对称安装了四个百叶窗式扇叶。每个扇叶由多个间隔安装成一竖列的动板和定板组成。静止的风力机遇到一定强度的风时，总有一个扇叶处于迎风位置，其顶部动板被吹动，带动动板实现自起动。转动过程中，扇叶外侧面安装的先动叶片在适当位置通过斜齿轮箱拨动动板，产生转动力矩。在不产生转动力矩时，动板下落到与定板平行位置，使转动阻力最小。阻力风机转动力矩与迎风面积成正比，转动阻力与阻风面积成正比。动板结构使迎风面积与阻风面积可达几百比一，这极大地提高了阻力型风力机的效率。结构决定其制造成本较低，增大面积就能提高功率，这使风力发电进入大功率低成本时代。

Description

百叶窗式垂直轴阻力型风力机

一技术领域

本发明属于风力发电领域中的垂直轴阻力型风力发电机。

二背景技术

1典型阻力型风力发电机

典型阻力型风力机产生转矩是因为其叶片两面有不同的阻力系数，在静止时其比值在1/2左右，其叶片在迎风与阻力位置的面积是不变的。这使得典型阻力型风力机产生的速度和力矩都很小，效率很低。

2一种垂直轴风力发电的采风装置(专利号ZL201220026570.4)

“一种垂直轴风力发电的采风装置”有下面一些缺点：

(1)“一种垂直轴风力发电的采风装置”上部不可伸缩的直角叶轮外壳，存在较大的阻风面积，影响其效率的提高；

(2)“一种垂直轴风力发电的采风装置”的活动叶片的转轴在叶片的边缘，其在水平位置时紧挨着下面的固定叶片，因而在风雪或风沙的天气中容易在活动叶片和固定叶片之间存入雪或沙子造成风力机不能正常工作或加速风力机的损坏；

(3)“一种垂直轴风力发电的采风装置”没有自起动设置；

(4)“一种垂直轴风力发电的采风装置”没有减速或停机控制设置。

三发明内容

1采用动板结构，使百叶窗式垂直轴阻力型风力机的扇叶在对称位置时的迎风面积和阻力面积产生明显变化，其比值可达到几百比一。因此，风力机的转动力矩和最高转速都比典型的阻力型风力机高得多。具体实施是四个百叶窗式的扇叶框架(4)内都有间隔安装、成一竖列的多个动板(3)和定板(2)组成(见图1)。定板板面与地面平行，动板有轴可以转动(见图4)。先动叶片(7)在迎风时产生转动力矩经斜齿轮箱(5)、先动转臂(9)等传递给动板，在动板宽侧迎风扬起与上下的定板或扇叶框架上下内侧面同时接触，形成阻风通过而产生最大转动力矩的效果；在动板窄侧迎风时动板落到与动板托板(13)接触，同时与定板平行的位置，使空气最大可能地通过扇叶框架而阻力最小。

2采用先动叶片通过斜齿轮箱对动板进行控制的结构大大减小了控制系统的阻风面积，同“一种垂直轴风力发电的采风装置”相比，显著降低了控制系统的阻风面积。

具体实施方案是先动叶片(7)铰连在叶片转柄(15)上，叶片转柄装在斜齿轮箱(5)顶部伸出的齿轮轴上，叶片有轴可以在叶片转柄上转动。当到达迎风位置时，原本接近水平、倾斜放置的先动叶片，被风吹动在叶片转柄上转动而立起，产生大的阻风面积(见图5)，叶片转柄被转动，通过斜齿轮箱、先动转臂、转柄协动板、动板转柄使动板扬起(见图1)。而转到风吹不到的角度时，先动叶片落下，阻风面积又变成很小。

3动板的转轴位置作出了改变，同“一种垂直轴风力发电的采风装置”相比既在动板转动半径不变的情况下增大了面积，提高了效率，又没有吹风死角而具有了抗风雪和抗风沙的功能。

具体实施方案是动板的转轴不在最边缘(见图4)，而在中心线稍偏开一些的位置。这使得当动板与定板平行时，二者之间存在较大间隙，在最大阻风位置时，风会从动板和定板之间的间隙通过，把雪，或沙等全部吹掉。在动板宽侧转动半径不变的情况下，转动面积(增加了窄侧的面积)又有较大增加，因而提高了效率。

4采用顶部动板通过自起动杆控制动板的结构，使风力机具有自启动功能。

具体实施是当本发明的风力机在静止状态遇到一定强度的风时，处于较大迎风面积的顶部动板(见图1)被风吹起，并通过自起动杆带动动板扬起而实现自起动。

5设置了动板控制器，可根据需要调节动板的上扬幅度，以控制发电功率和停机。

具体实施(见图3)是在顶部动板下安装动板幅度控制器，动板幅度控制器由微型电机驱动，而微型电机可由电脑或外接摇控装置控制其动作，限制顶部动板和动板最大扬起上限。当动板幅度控制器的顶杆在最低位置时，动板的动作幅度最大，而动板幅度控制器的顶杆在最高位置时，动板被限制在水平位置，则风力机迎风面积与阻风面积相同，转动力矩几乎消失，可以轻松实现停机。当动幅度控制器的顶杆在最高与最低之间的某个位置时，动板和顶部动板则打开相应的角度，实现减小转动速度的目的。

四附图说明

图1为本发明的结构示意图主视图；

图2为俯视图纸；

图3为图1中的A-A剖视图；

图4为动板结构示意图；

图5为先动叶片未立起示意图；

图6为图5的B向视图

图7为先动叶片立起示意图；

图8为图7的C向视图。

图中：自起动杆(1)定板(2)动板(3)扇叶框架(4)先动连杆(5)斜齿轮箱(6)先动叶片(7)顶部动板(8)先动转柄(9)底部动板(10)先动转臂(11)动板控制器(12)动板托板(13)转柄协动板(14)叶片转柄(15)叶片上限位板(16)叶片下限位板(17)风力机垂直轴(18)。

五具体实施方式

参见图1、图2和图3，静止的风力机遇到一定强度的风时，总有一个扇叶框架(4)处于迎风面积最大的位置，其顶部动板(8)和底部动板(10)被吹动，而顶部动板(8)通过自起动杆(1)带动动板(3)上扬，动板(3)与上下定板(2)接触形成最大阻风面积，该扇叶框架(4)接受到风的推力，风力机实现自起动。

参见图5、图6、图7和图8，转动过程中的某一扇叶框架(4)转动到特定位置时，安装在框架外侧的先动叶片(7)先被风吹立起，产生较大的阻风面积，因而被吹转动一定角度，其产生的转动力矩通过斜齿轮箱(6)变成垂直面转动力矩，使先动转臂(11)向上转动拨动先动连杆(5)向上动作，而先动连杆(5)又带动先动转柄(9)驱动动板(3)向上扬起接受到风的推力，使风力机进一步转动。该框架继续转动，先动叶片(7)先失去风的吹力而回到原位。但动板(3)在一定角度内仍然能接受到风的推力，保持最大迎风面积。

当该扇叶框架(4)还未彻底转出做功角度时，跟在后面的框架已转到做功角度，重复其前面框架的动作继续做功使风力机连续转动。

框架(4)在转出做功角度时，动板(3)在重力和风的合力作用下落到水平限位板(12)上因而使阻风面积最小。

参见图1和图4，动板(3)的转轴既不在最边缘也不在中心线位置，使得动板在水平位置时与下面的定板(2)也有较大空间而不存在存物死角。当框架在非做功区域转动到最大阻力风速时，动板(3)和定板(2)与风的相对速度为“风速+转速”，达到最大值，于是最大程度将动板(3)和定板(2)上面的雪和沙子吹干净，达到自清理效果。

参见图3，当风力过大时，可以控制动板幅度控制器(12)向上动作，使顶部动板(8)下落，并通过自起动杆控制动板向上扬起最大的幅度。从而实现功率控制和停机。

六本发明的缺点与优势

1本发明的风力机的转速可以达到典型阻力型风力机的数倍，但还属于低速风力机，其最大转速仍低于风速。而工作转速就更低。

但典型的阻力型风力机有良好的自起动功能，说明其低速时有强大的转矩。阻力型风力机转动力矩与迎风面积成正比，转动阻力与阻风面积成正比。动板结构使迎风面积与阻风面积可达几百比一，这使得本发明的百叶窗式垂直轴阻力型风力机的转矩又比典型的阻力型风力机大得多。而本发明的垂直轴风力机的特点使增速和发电设备都可以安装在固定装置，这样通过可靠的增速可将强大的转矩转化成高效的发电。

2本发明主要结构由板材制造决定本发明的制造成本比较低，增大面积就能提高功率，这使风力发电进入大功率低成本时代。

3本发明具有高效的自起动性能使得可以利用更低的风速工作。

4本发明简单而可靠的控制系统使得阻力型风力发电安全而实用。

扇叶框架外侧面安装着斜齿轮箱，斜齿轮箱内有两个斜齿轮，一个齿轮轴垂直地面，一个齿轮轴平行地面。斜齿轮箱的顶面伸出的齿轮轴上装着可以水平转动的叶片转柄和先动叶片(见图5)。斜齿轮箱外侧面伸出的齿轮轴上装着先动转臂。在框架外侧面动板伸出的转轴上安装着动板转柄，而动板转柄之间由转柄协动杆铰连在一起，使之能同步转动(见图1)。扇叶到达特定位置时，先动叶片被风吹立起产生的转动力矩，通过斜齿轮箱拨动动板扬起与定板形成最大阻风面积，扇叶框架接受到风的推力而产生转动力矩。当动板处于不能接受风的推力位置时，会落到水平位置形成最大通风面积。使风在推动框架转动时，形成最大的推力；而在其他风不做功的区域内框架的转动阻力最小。

Claims (2)

1.百叶窗式垂直轴阻力型风力机，包括自起动杆(1)、定板(2)、动板(3)、框架(4)、先动连杆(5)、斜齿轮箱(6)、先动叶片(7)、顶部动板(8)、先动转柄(9)、底部动板(10)、先动转臂(11)、动板幅度控制器(12)、动板托板(13)、转柄协动板(14)、叶片转柄(15)、叶片上限位板(16)、叶片下限位板(17)，其特征是：

在扇叶框架(4)内成一竖列间隔安装了多个定板(2)和动板(3)，定板(2)板面水平安装，动板(3)有转轴可以转动，动板(3)两侧边可以与上下定板(2)同时接触，又可转到动板托板(13)上与定板(2)平行；

所述先动叶片(7)与叶片转柄(15)铰接，其转轴轴线在离开中心线偏下的位置，先动叶片(7)既可以落在叶片转柄(15)上的叶片上限位板(16)上，又可以在叶片下限位板(17)支承下保持直立；

所述先动叶片(7)带动叶片转柄(15)在水平方向的转矩通过斜齿轮箱(6)变成垂直平面的转矩，然后通过先动转臂(11)、转柄协动板(14)、先动转柄(9)将动作传递给动板(3)，使其扬起；

所述顶部动板(8)与自起动杆(1)铰连，自起动杆(1)与动板(3)铰连，顶部动板(8)扬起时可通过自起动杆(1)带动动板(3)扬起；

所述动板幅度控制器(12)安装在顶部动板(8)伸出的与自起动杆(1)连接的铰链臂下方，动板幅度控制器(13)顶杆不动时，顶部动板(8)和动板(3)的活动角度最大，动板幅度控制器(13)顶杆伸出到最大行程，则顶部动板(8)和动板(3)的活动角度为最小的零度。

2.如权利要求1所述的百叶窗式垂直轴阻力型风力机，其特征是：

所述动板(3)转轴不在最边缘又偏离中心线(3)，在动板(3)与定板(2)平行时存在距离。