[0001]
本发明涉及风力发电领域，尤其是一种垂直轴风帆式风力发电机。
背景技术：
[0002]
清洁能源是当今世界的主流发展方向。风力发电是清洁能源的一种，目前在风资源多的环境应用广泛。风力发电设备从结构上分为水平轴与垂直轴，目前水平轴风力发电已经发展到15mw，其塔架高度超过200米，叶轮直径超过180米，这对于大型风力发电的设计、安装、维护和可靠性都提出了巨大的挑战。在陆上，由于叶片过长导致运输困难，使得陆上风机功率增加受限制；对于海上风机，在台风等极端天气情况下，会对高耸的风塔与叶片造成不可逆的破坏。
[0003]
垂直轴风机分为阻力型与升力型，阻力型对风能的利用率低，而不能用于大型风力发电的设计，升力型叶片可利用空气的升力来驱动，风能利用率高。现有的垂直轴大功率风机不如水平轴风机普及的原因之一是功率越大，叶片越大，叶片的重量使得悬臂梁结构难以大型化，有设计人员在叶片底部做止压轮与止压轮滑板做支撑，可使叶片大型化有可能。如中国专利公开号为cn109763941a的一种垂直轴风力发电设备及发电方法。垂直轴风力发电设备包括基座、环形轨道、至少两个轨道车、发电机、垂直主轴，环形轨道固设于基座上，轨道车架设于环形轨道上，每个轨道车上安装至少一个升力叶片，每个轨道车通过至少一个横梁与垂直主轴固连，升力叶片受风产生升力，推动轨道车沿环形轨道环形移动，通过横梁带动垂直主轴转动，带动发电机产生电能。又如公告号为cn210087547u的一种帆布展翼垂直轴风力发电机包括发电机，所述发电机的传动轴上设有支架，所述支架上滑动连接有滑块的一端，所述滑块的另一端滑动连接在滑道上，所述滑道设置在固定面上，所述支架的端部设有叶片系统，所述叶片系统包括主轴，所述主轴通过转动螺栓转动连接转板，所述转板上设有帆布扇叶，所述帆布扇叶上设有张拉绳的一端，所述张拉绳的另一端连接在所述滑块上，通过在叶片系统随风力转动时，滑道和滑块相互配合能够带动张拉绳改变叶片系统的角度。上述两种风力发电机的叶片均需要止压轮滑板或滑道的承托来支撑大型叶片的重量，由于止压轮滑板与止压轮直接接触，二者之间存在摩擦力，再加上叶片重量较大，该部分摩擦力较大，这样一来，不仅抵消了一部分风能，降低了发电效率，而且增大了风力发电机启动的难度。
[0004]
另外，为了减少叶片的摩擦力，也有采用悬浮支撑的结构，如中国专利公告号为cn210317601u一种带磁悬浮承重结构的垂直轴风力发电机，包括垂直轴、风力发电机以及设在垂直轴上并驱动风力发电机的风轮，风轮包括旋转安装在垂直轴上的旋转笼、设在旋转笼外侧的叶片以及连接叶片与旋转笼的连杆，风轮下方固设有磁悬浮止压轮滑板，风轮的底部设有与磁轨匹配的滑块，磁悬浮止压轮滑板与滑块之间设置有浮力产生单元。采用上述技术方案，在风轮的底部设置滑块，滑块设置在磁悬浮止压轮滑板中，风轮旋转过程中滑块跟随风轮在磁悬浮止压轮滑板中移动，浮力产生单元对滑块施加向上的力，起到支撑风轮的作用。磁悬浮结构虽然也能减少叶片的摩擦力，但是磁悬浮本身造价昂贵，而且需要
不定期的维护，增大了发电成本。
技术实现要素：
[0005]
本发明所要解决的技术问题是提供垂直轴风帆式风力发电机，结构和安装简单，制造成本低，运输方便；叶片的阻力更小，能够提高发电效率；容易实现大型化设计。
[0006]
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种垂直轴风帆式风力发电机，包括一组以上的发电机组、用于驱动发电机组发电的主轴和与主轴连接的风轮；所述风轮由三片以上的叶片组成；所述叶片包括悬臂和帆船装置，所述帆船装置包括船体、桅杆、挂在桅杆上的风帆以及驱动风帆升降和转向的控制系统，所述悬臂的一端与主轴连接，悬臂的另一端与帆船装置的船体连接；所述船体或悬臂的底部设有止压轮，所述止压轮的下方设有围绕主轴设置的止压轮滑板，所述止压轮离开止压轮滑板。本发明原理：利用帆船与风力发电机叶片的风动力共性，将帆船直接应用在风力发电机的叶片上，整体结构简单；可采用目前市面上现有的帆船作为叶片，解决传统大型风力发电机叶片运输难和安装难的问题。本发明帆船作为叶片，正常状态下为悬空，减少了叶片的摩擦力，因此可以提高风力发电机的发电效率，也可以降低叶片的启动难度；正常风速下，各个叶片为悬空状态，当某个帆船所受风压较大时，帆船瞬间下沉，导致悬臂弯曲，且底部的止压轮与止压轮滑板发生接触，止压轮滑板支撑止压轮防止悬臂进一步弯曲，此时叶片所受摩擦力增大，一定程度上起到对风轮刹车的作用；当风压消失后，该帆船在悬臂的弹性作用下重新上浮，止压轮离开止压轮滑板，帆船在悬空状态转动。本发明由于采用止压轮与止压轮滑板瞬间点接触支撑回弹的原理，可以避免悬臂形变过大而发生折断，同时也简化了悬臂的结构；由于帆船本身重量较轻，使其能够直接应用在悬臂的末端，而且帆船的风帆面积大，能够增大受风面积，进而提高发电效率。
[0007]
作为改进，所述悬臂和桅杆均为铝合金或复合材料型材。
[0008]
作为改进，所述桅杆与船体之间或桅杆与悬臂之间设有钢索。
[0009]
作为改进，所述主轴上套有轮毂，所述悬臂通过轮毂与主轴连接。
[0010]
作为改进，风力发电机还包括安装平台，所述止压轮滑板安装在安装平台上或围绕安装平台独立设置。
[0011]
作为改进，所述安装平台为机房，其包括机房墙体和机房房顶，所述止压轮滑板设在机房房顶上，所述发电机组设在机房墙体内。
[0012]
作为改进，所述主轴设在机房内，主轴的上端穿出机房房顶，机房内设有至少两个套在主轴上的轴承。
[0013]
作为改进，所述安装平台设在建筑物的楼顶。
[0014]
作为改进，所述发电机组包括发电机、变速机和传动机构，所述主轴上套有齿轮盘，齿轮盘通过齿轮啮合驱动变速机，变速机通过传动机构驱动发电机。
[0015]
作为改进，所述止压轮与升降机构连接。
[0016]
本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：1、利用帆船与风力发电机叶片的风动力共性，将帆船直接应用在风力发电机的叶片上，整体结构简单；2、可采用目前市面上现有的帆船作为叶片，解决传统大型风力发电机叶片运输难和安
装难的问题；3、本发明帆船作为叶片，正常状态下为悬空，减少了叶片的摩擦力，因此可以提高风力发电机的发电效率，也可以降低叶片的启动难度；4、正常风速下，各个叶片为悬空状态，当某个帆船所受风压较大时，帆船瞬间下沉，导致悬臂弯曲，且底部的止压轮与止压轮滑板发生接触，止压轮滑板支撑止压轮防止悬臂进一步弯曲，此时叶片所受摩擦力增大，一定程度上起到对风轮刹车的作用；当风压消失后，该帆船在悬臂的弹性作用下重新上浮，止压轮离开止压轮滑板，帆船在悬空状态转动；5、本发明由于采用止压轮与止压轮滑板瞬间点接触支撑回弹的原理，可以避免悬臂形变过大而发生折断，同时也简化了悬臂的结构；6、由于帆船本身重量较轻，使其能够直接应用在悬臂的末端，而且帆船的风帆面积大，能够增大受风面积，进而提高发电效率；7、采用铝合金或其他复合材料型材的悬臂和桅杆，可以减轻叶片的重量，而且可以提升悬臂的强度，保证悬臂不会因频繁弯曲而断裂；8、风力发电机整体重量较轻，可以安装在建筑物楼顶，由于叶片贴近安装平台，所以在能利用足够的高空风源情况下，避免高空作业带来的困难；9、止压轮可通过升降机构调节高度，当大风天气时，可以调节一个或多个止压轮下降至与止压轮滑板接触行走，增大风轮转动的摩擦力，从而起到调控风轮转速的功能。
附图说明
[0017]
图1为本发明示意图。
[0018]
图2为本发明俯视图。
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图3为图1的a处放大图。
具体实施方式
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下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
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如图1、2所示，一种垂直轴风帆式风力发电机，包括一组以上的发电机组8、用于驱动发电机组8发电的主轴1和与主轴1连接的风轮。
[0022]
如图1、2所示，所述主轴1上套有轮毂6，所述轮毂6与主轴1可通过键连接配合，也可采用焊接连接，使轮毂6与主轴1形成一体；所述轮毂6上设有若干圆周均匀分布的连接座，可供管件的连接。
[0023]
如图1、2所示，所述风轮由三片以上的叶片组成，本实施例以三片为例进行说明，三片叶片围绕主轴1呈圆周均匀分布，风力通过推动叶片进而带动主轴1旋转。所述叶片包括悬臂7和帆船2。本实施例的悬臂7采用重量轻且强度高的碳纤维管，也可以采用铝合金或其他复合材料型材，悬臂7的一端固定在轮毂6的连接座上，悬臂7的另一端与帆船2连接，帆船2受到风力作用下通过悬臂7带动主轴1；为提高对帆船2的支撑力，每片叶片可以设在多根悬臂7。本实施例的帆船2可直接在市面上购买，根据需要采用不同大小的帆船2，帆船2越大其发电功率越大，而且也可根据需要选用不同风帆数量的帆船2；总的来说，所述帆船2包括船体21、桅杆22、挂在桅杆22上的风帆23以及驱动风帆23升降和转向的控制系统，该系统与普通帆船2相同，可以手动操作风帆23，也可以实现自动控制，如风帆23的升降，风帆23的
旋转对风等；本实施例的帆船2处于悬空状态，船体21仅仅作为载体，为减轻重量，帆船2的船体21可只做骨架，悬臂7的外端与帆船2的船体21骨架连接；所述桅杆22选用重量轻且具有高强度的碳纤维管，也可以采用铝合金或其他复合材料型材，且所述桅杆22与船体之间或桅杆22与悬臂7之间设有钢索24。所述船体21或悬臂7的底部设有止压轮3，本实施例在悬臂7的外端底部设置止压轮3，止压轮3可以是滚轮；所述止压轮3的下方设有围绕主轴1设置的止压轮滑板4，止压轮滑板4呈环形，其表面光滑，正常风压下止压轮3离开止压轮滑板4，风压大时，帆船2下沉迫使悬臂7弯曲后，后止压轮3可与止压轮滑板4接触。
[0024]
如图3所示，所述止压轮3与升降机构连接，所述升降机构为液压缸13，液压缸13设在悬臂7底部，止压轮3可通过升降机构调节高度，当大风天气时，可以调节一个或多个止压轮3下降至与止压轮滑板4接触行走，增大风轮转动的摩擦力，从而起到调控风轮转速的功能。
[0025]
如图1、2所示，所述风轮需要水平安装，即帆船2需要在水平面上旋转，由于本发明结构简单，整体重量轻、运输方便等特点，配合安装平台可在不同区域安装，如建筑物楼顶、海上、山上等，适用范围广，提高风力发电机利用风力资源的能力，提高发电效率。所述安装平台可以是混凝土建筑，本实施例的安装平台为一机房，其包括机房墙体12和机房房顶5，所述止压轮滑板4设在机房房顶5上，所述发电机组8设在机房墙体12内；机房房顶5呈圆形，其直径大于机房墙体12围成的直径，机房房顶5伸出的部分形成屋檐，所述止压轮滑板4设在屋檐上，屋檐的底部设有支撑杆11支撑，这样一来，机房的占地面积更小，却可以安装较大直径的止压轮滑板4，有助于对于风轮直径的扩展；对于大型风力发电机，风轮直径超大时，止压轮滑板可与安装平台分离，将止压轮滑板围绕安装平台独立设置，止压轮滑板的底部通过支撑杆支撑。所述主轴1设在机房内，主轴1的上端穿出机房房顶5后与轮毂6连接，机房内设有至少两个套在主轴1上的轴承10，轴承10支撑主轴1，使主轴1能够保持垂直自由旋转。另外，安装平台也可以由钢构件搭建而成。基于安装平台、止压轮滑板4和帆船2叶片的设计，本发明可安装在建筑物楼顶，因此可利用更多的风力资源。
[0026]
如图1所示，所述发电机组8设在机房内，机房可以保护发电机组8，所述发电机组8包括发电机82、变速机81和传动机构83，所述主轴1上套有齿轮盘9，齿轮盘9通过齿轮啮合驱动变速机81，变速机81通过传动机构83驱动发电机82，主轴1扭力足够的情况下，可同时带动多个发电机组8进行发电。
[0027]
本发明原理：利用帆船2与风力发电机叶片的风动力共性，将帆船2直接应用在风力发电机的叶片上，整体结构简单；可采用目前市面上现有的帆船2作为叶片，解决传统大型风力发电机叶片运输难和安装难的问题。本发明帆船2作为叶片，正常状态下为悬空，减少了叶片的摩擦力，因此可以提高风力发电机的发电效率，也可以降低叶片的启动难度；正常风速下，各个叶片为悬空状态，当某个帆船2所受风压较大时，帆船2瞬间下沉，导致悬臂7弯曲，且底部的止压轮3与止压轮滑板4发生接触，止压轮滑板4支撑止压轮3防止悬臂7进一步弯曲，此时叶片所受摩擦力增大，一定程度上起到对风轮刹车的作用；当风压消失后，该帆船2在悬臂7的弹性作用下重新上浮，止压轮3离开止压轮滑板4，帆船2在悬空状态转动。本发明由于采用止压轮3与止压轮滑板4瞬间点接触支撑回弹原理，可以避免悬臂7形变过大而发生折断，同时也简化了悬臂7的结构；由于帆船2本身重量较轻，使其能够直接应用在悬臂7的末端，而且帆船2的风帆23面积大，能够增大受风面积，进而提高发电效率。