专利名称：风力发电机、风车、主轴及叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机、发电风车、其主轴和叶片，尤其涉及能够获得高扭矩并顺应所安装位置的风力条件的风力发电机、风车、其主轴和叶片。
背景技术：
为了产生电力，使用了水能、热能或者原子能，这涉及诸如水坝带来的自然破坏、燃料短缺、空气污染和辐射损伤等缺点。诸如太阳能和风力发电的清洁自然能源在世界范围内尤为引人注目。
风车的风力发电回收率对水平轴型是45％，垂直轴型是35％。这样，在风力发电中，主要采用水平轴推进器型风车。
但是，存在如下不利之处。除非一年风以平均风速为4m/sec吹动2000小时，否则是得不偿失的。尤其是，在大型发电机中，除非风以7m/sec吹动，否则风车不能旋转。位置较高的风吹动的更快。因此，推进器型风力发电机不仅必须增加推进器的长度，而且必须增加发电机所安装的塔高。推进器刚度、传输和安装的成本、维护和安装位置存在不利之处。
有鉴于上述缺陷，本发明的目标是提供一种风力发电机以及其中使用的风车、主轴及叶片，其中(1)小风力发电机的发电率提高；(2)风车被设置或者改变到实现安装位置的地理条件的平均风速；(3)在风力发电机被安装之后风车的结构能够改变；(4)轻、高刚度风车可以很容易传输和组装；以及(5)风力发电机变小，以减少成本并使得安装位置的可选择范围变大。
发明内容
为了解决上述缺陷，根据本发明，使用了具有主垂直轴的风车，风接收叶片自轴分开以施加杠杆作用。
转子构造为惯性轮，使用了通过旋转惯性的动能。风接收叶片在风接收部分的内表面上具有圆形凸起部以增加旋转驱动力。
本发明提供(1)一种风力发电机，包括风车，所述风车具有垂直轴，用于旋转发电机，所述风车包括主垂直轴；转子和风接收叶片，安装在所述主垂直轴的上端的转子被构造为惯性轮，所述多个风接收叶片在所述转子的周边上相等间隔地放置。
(2)在上述(1)中的风力发电机中，所述转子覆盖有盖。
(3)在上述(1)或者(2)中的风力发电机中，所述风接收叶片包括垂直风接收单元和其中的安装支架，所述风接收单元具有用于产生旋转驱动力的圆形凸起部。
(4)一种风车，其中在转子被水平安装到主垂直轴，所述转子被构造为惯性轮，多个风接收叶片在转子的周边上被相等间隔地放置。
(5)在上述(4)的风车中，其中所述转子在径向方向中具有多个支撑臂，较重的周向环被固定到所述支撑臂的外端以构造惯性轮。
(6)在上述(4)或者(5)的风车中，其中盖被设置在所述转子之上，太阳能电池设置在所述盖的上表面上。
(7)一种用于风车的主垂直轴，其特征在于，较小直径部分被形成在固定到作为惯性轮的转子的主垂直轴的下端上，所述较小直径部分的直径的范围是所述轴的直径的0.5至50％。
(8)在上述(7)中的用于风车的主垂直轴中，其中所述主垂直轴在下端具有锥形部分。
(9)一种安装在作为惯性轮的具有垂直轴的转子的周边上的风接收叶片，包括通过软弹性纤维强化树脂一体模制的安装支架，以及在使用中通过风压在后端能够弯曲的风接收部分。
(10)在上述(9)中的风接收叶片中，其中所述风接收部分的支撑骨形成为具有锥形表面的支柱，连接到所述支撑骨后端的风接收薄膜板是矩形，薄膜板的前端具有与支撑骨的后端相同厚度并具有锥形。
(11)一种用于风车的风接收叶片，垂直安装到作为惯性轮的具有垂直轴的转子上，包括通过软弹性纤维强化树脂一体模制的安装支架，以及风接收叶片，所述风接收叶片具有在内表面上用于产生旋转驱动力的圆形凸起部。
(12)在上述(9)中风车用风接收叶片中，其中所述叶片垂直安装到作为惯性轮的具有垂直轴的转子，包括中空体，所述中空体通过软弹性纤维强化树脂一体模制，所述中空体包括安装支架和风接收部分，所述风接收部分沿着风接收部分的外前端的轨道具有外周表面，用于产生旋转驱动力的圆形凸起部形成在风接收部分的内表面上。
(13)在(9)-(12)任一中用于风车的风接收叶片，其中所述叶片被垂直安装到作为惯性轮具有垂直轴的转子上，包括安装支架，所述安装支架通过软弹性纤维强化树脂一体模制，以及风接收叶片，所述风接收叶片具有圆形凸起部，用于从水平和垂直所示在内表面上产生旋转驱动力。
(14)在(11)-(13)任一中的用于风车的风接收叶片中，其中所述安装支架在旋转的方向中凸起，风接收部分的上端向前固定至安装支架的端部。
(15)在(9)-(14)任一的风车用叶片中，其中所述软弹性纤维强化树脂自未饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂和聚氨酯丙烯酸酯树脂所构成的组中选择作为软弹性树脂的基体，所述树脂被设置使得在室温的延长率是35％至50％，纤维强化材料是有机和无机纤维的混合物，复合材料在断裂时的延长率是30-40％。
(16)在上述(15)的用于风车的叶片中，其中纤维强化材料是复合材料，其中无机纤维自玻璃纤维、碳纤维、金属纤维垫、单向材料和编织材料所构成的组中选择，有机纤维自芳族聚酰胺纤维、维尼纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维和聚乙烯纤维构成的组中选择。
图1是根据本发明的风力发电机的正视图；图2是盖移除的风力发电机的俯视图；图3是风力发电机的垂直截面正视图；图4是盖安装在风力发电机之上的转子的垂直截面正视图；图5是根据本发明的风接收叶片的第一实施例的风接收叶片的右侧视图；图6是沿着线VI-VI所取的水平截面图；图7是根据本发明的风接收叶片的第二实施例的右侧视图；图8是沿着图7中线VIII-VIII所取的水平截面平面图；图9是根据本发明的风接收叶片的第三实施例的左侧视图；图10是图9中风接收叶片的顶部平面图；图11是安装了第三实施例中的风接收叶片的风车的顶部平面图；图12是根据本发明的风接收叶片的第四实施例的正视图；图13是风接收叶片的第四实施例的中间水平截面图；图14是图12中的风接收叶片被安装在其中的风车的顶部平面图；图15是顶部平面图，用于说明安装到转子的风接收叶片的力；图16是风接收叶片的第五实施例的前部视图；图17是风接收叶片的第五实施例的中间垂直截面图；图18是风接收叶片的第五实施例的左侧视图；以及图19是根据本发明的风接收叶片的第六实施例的顶部平面图。
具体实施例方式
将参照附图对用于执行此发明的最佳模式进行说明。图1是根据本发明的风力发电机的正视图；图2是其中盖被移除的风力发电机顶部平面图；图3是其中盖被移除的风车的垂直截面正视图；图4是其中盖被安装的在其上的转子的垂直截面前部视图；图5是风接收叶片的右侧视图；图6是沿着线A-A所取的水平截面图。
在图1中，在风力发电机19中，具有垂直轴的风车1被安装到发电单元20的上端。
在发电单元20中，设置了普通发电机22并通过图3中的变速箱21连接到输出轴12。
图1中的数字23表示FRP塔，所述塔包括多个垂直层，由此允许其高度改变。
在风力发电机19中，风朝相等放置在转子3的周边上的风接收叶片4吹动以允许转子3旋转。如图2、3中所示，随着主垂直轴2的旋转，输出轴12旋转，由此旋转图1所示风力发电机19的发电单元20的发电机22以产生电。主垂直轴2的转数通过图3中的旋转传感器13检测，并输入自动控制器中并进行数学计算。如果转数超过预定值，通过自动控制器14启动电磁闸15以刹住主垂直轴2，由此防止风车1被强风过分旋转。
在台风的情况下，通过刹住使得转子3的旋转延迟以及风接收叶片4的后部弯曲避免对叶片4造成损坏。由于自动控制器14，变速箱的齿轮比的自动开关控制导致速度降低。
风根据季节和时间变化，并从来不是以相同的方式吹动。即使风力发电机19在对地理条件进行调查之后被安装，风接收叶片4也不能在尺寸、数目和形状上与发电机22的发电容量相匹配。
在此发明中，风接收叶片4很轻。周边3C被连接到固定部分4a，螺栓被固定在螺纹孔41c中，由此允许叶片4被更换，这样可以选择最合适的叶片4，这是有利的。
下面将说明合适的叶片4形状。
在图2中，风力发电机19的风车1包括主垂直轴2、水平转子3以及在转子3的周边上相等间隔的多个风接收叶片4。
如图3中所示，在主垂直轴2中，固定到转子3的上部2a具有例如100mm的直径，并在下端是例如10mm的更小直径部分2b。为了在旋转过程中减小摩擦接触区域，较小的直径部分2b可以优选地尽可能薄，诸如上部2a的直径的0.5％至50％，更为优选地是上部2a的直径的0.5％至20％。主垂直轴2的垂直中间部分2c可以直径尽可能地小于上部2a，只要能保持其刚度。
主垂直轴2的较小直径部分2b通过止推轴承6在外壳1a的底部的油池5中得以支撑。油池5A被填充以润滑油。止推轴承6承载固定到主垂直轴2的转子3的重量。止推轴承6的较小直径部分2b具有更小的接触面积，以在主垂直轴2的旋转过程中显著减小摩擦阻力，由此增加旋转效率。在油杯2下，设置提升装置(未示出)，油杯5被降低以进行维护，以使其中的止推轴承6可以替换，油杯5被升高以承载主垂直轴2。
主垂直轴2可以通过轴承(未示出)支撑以减小摩擦接触。主垂直轴2的下端可以是锥形的并且/或者由陶瓷制造。
较大直径的套圈8被安装到外壳1a中的主垂直轴2的上部2a，并在套圈8的周边上具有径向轴承，由此在转子3的旋转过程中防止径向振动。
如果必要，径向轴承10被设置在主垂直轴2的中间部分2c的周边上，由此防止主垂直轴2的下部径向振动。除了径向轴承，可以设置线性电机(linier motor)。
输出轴承11设置在主垂直轴2的中间部分2c的下部上。数字12表示用于输出到变速箱21的输出轴，所述变速箱21连接到图3中的风力发电机19的发电机22。
当转子3的直径增加，例如10m，主垂直轴2越长，发电机变得更加稳定。在此情况下，发电机22可以与油杯5相同设置或者设置在油杯5之上。
图3中的数字13表示旋转传感器，所述旋转传感器检测主垂直轴2的转数，以将所检测的数据输入到自动控制器14中，其中旋转传感器的旋转数值被计算以自动控制电磁闸15。数字18表示电磁铁，所述电磁铁具有垂直设置在外壳1a和主垂直轴2的中间部分2c之间的不同磁极以升高主垂直轴2，由此减小止推轴承6的摩擦接触压力。
如图2所示，在风车1的转子3上，在此图中诸如5个的多个支撑臂3b被相等间隔地放置在轴向部分3a的周边上。每个支撑臂3b的的外端连接到周向环3c。
如图3中所示，每个支撑臂3b用螺栓3d可分离地固定到轴向部分3a，并用螺栓3d固定到周向环3c。支撑臂3b具有翼状部分并由覆盖以FRP或者含氟树脂薄膜的金属所覆盖以防止生锈和持久性。可以使用不锈钢。
在图2中，周向环3c具有U形截面以及多个连接部分3c。连接部分3c通过龙头接嘴(未示出)连接，这样周向环3c可以被拆装以进行传输。
周向环3c的直径为4m或者更多，高度为6至8cm或者更多，重量是200至250kg或者更多，并由钢制造。所述截面是U形、L形、管状、矩形等。重量可以通过将钢粘接至周向环3c的内周而增加。周向环3c的表面通常可以镀以或者覆盖以FRP。这样，风车1的转子3通过包括轴向部分3a、支撑臂3b和周向环3c而构成惯性轮，由此通过旋转惯性来利用质量的动能而有效增加扭矩。周向环3c是环形的以提供稳定旋转。
不改变轴向部分的尺寸，支撑臂越长，半径也越长。具有对应支撑臂3b的长度的半径的周向环3c被选择以使得转子3具有更大的半径。当然，半径可以变得更小。根据发电机22的输出和其安装的位置的吹动条件，转子3的直径、作为惯性轮的周向环3c的重量以及尺寸和风接收叶片4的数目可以被确定。
转子3可以很容易组装和拆装，这在运输和工作效率中是有利的。
代替支撑臂3b，圆盘(未示出)被同心固定在轴向部分3a之上，周向环3c被固定在圆盘的周边之上。
例如，转子3直径是4m，周长是12.56m，重量是20kg。当所述周长以2m/sec(7.2km/h)旋转，动量通过下述公式计算P＝mv其中P是动量，m是质量，v是速度。这样“P”是400Kg·m/sec，其等于200kg乘以2m/sec。
转子3包括惯性轮，由此将动能施加到扭矩。
例如，当需要力100来旋转具有直径10cm的主垂直轴2时，其需要力100来手工旋转主垂直轴2。但是，当具有直径4m的转子4被安装到具有直径10cm的的主垂直轴，转子3的周长是12.56m，这样主垂直轴2相对转子3的周长的比率是1/40。需要旋转主垂直轴2的力是100，而需要旋转直径为4m的转子3的周长的力是1/40或者2.5。特别是，如果2.5级风力施加到转子3的周边上的风接收叶片4，需要力100以进行旋转的主垂直轴2可以很容易旋转。即使具有速度2m/sec的风也可以旋转轴2。转子3的较低的旋转速度可以极大地增加旋转主垂直轴2的扭矩。
图4说明了覆盖有盖3f的转子3，所述盖3f是锥形的或者半球形的。在盖3f上，安装太阳能电池16。在图4中，数字17表示电池，17a是绳子，2a是绳子17a用孔。当太阳出现时，通过太阳能电池16产生电。不管太阳时在夏天或者冬天或者在早晨或者夜晚，因为盖3f的上表面是倾斜的，太阳光被有效地辐射到太阳能电池16的表面上。盖3f的角度相对水平小于45度，冬天中的太阳光可以辐射到相对表面。如果盖3f的角度非常小，太阳能电池就难于吸收早晨或者夜晚太阳光的辐射。因此盖31的角度可以优选地是10至40度。
随着转子3的旋转，盖31上的太阳能电池16旋转，太阳光均匀地辐射到整个太阳能电池16的表面上以在特定的时间过程中增加太阳光收集率，由此自太阳光有效获得电能。
通过太阳能电池16所产生的电被用于风车1用外壳1a中的自动控制器14、旋转传感器13、电磁闸15、用于减轻重量载荷的电磁铁18、远程控制开关(未示出)、电磁离合器(未示出)等。
当风是静止的，或者当风速很低时，驱动电机(未示出)设置在外壳1a中并被太阳能电池16中所产生的电力驱动以帮助启动风车1的转动。
风接收叶片的示例将在下面说明。其尺寸对应具有直径4m的转子4。
图5显示了第一实施例的风接收叶片4的右侧视图，图6是自图5中的线VI-VI所取的水平截面图。风接收叶片4包括支架41和风接收部分42，并由软弹性纤维强化塑料(FRP)或者树脂模制。风接收部分42几乎是三角形并具有支撑风接收薄膜42b的支撑体42。支撑体42具有弯曲部分，薄膜42b一体形成在支撑体42上。为了实现均匀的厚度，薄膜42b可以是维尼纶布或者片，其中树脂形成在所述布上，这样，当风接收部分42的后部在转子3的旋转过程中承受强风压，其可以像尾鳍那样弯曲。形成风接收叶片4的软弹性纤维强化树脂包括未饱和聚酯树脂，乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂或者聚氨酯丙烯酸酯树脂作为基体。
树脂的延长率在断裂时优选地设置为30％至50％。小于30％的延长率导致弹性较低，这样难于弯曲。更高的延长率导致弯曲非常容易，从而削弱风接收能力。纤维强化材料是无机纤维和有机纤维的混合物，其延长率在断裂时可以优选地是30％至40％。
在纤维强化材料中，无机纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、金属纤维垫、单向材料或者织物，有机材料可以是芳族聚酸胺纤维、维尼纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维。从其中选择的纤维韧性和弹性好，在断裂时延长率是30％至40％，以保持合适的弹性。
重量比为30％至50％的无机纤维以及范围大约是10％重量比的有机纤维被确定，这样延长率在断裂时是30％至40％。无机和有机纤维的混合物允许风接收叶片4的弯曲硬度和弹性合适变化。
有机纤维包括两个或者多个混合物而不是单一材料以实现更好的效果，并可以25至50％的重量比组合。这样的弹性纤维提高了弹性和弯曲属性。纤维强化材料限制在10％至50％的范围之内。如果它们在所述范围之下，刚度恶化，同时如果在所述范围之上，弯曲将恶化。
在图2中，当风在箭头“A”的方向中吹动时，风车1在箭头“B”的方向中旋转。在主垂直轴2的左侧的风接收叶片4中，当风接收叶片42承受逆风时，沿着风接收部分42的内表面通过的风速将高于沿着外表面通过的风的速度，这样风接收部分42外部的空气密度将低于负压，风接收部分42的内部的常压风将风接收叶片4的后部向外推动以旋转转子3。当主垂直轴2的下风的风接收叶片4承受风的作用，风接收部分42的后部被推动以旋转转子3。图2中的主垂直轴2的右侧的风接收叶片2在内表面承受风以产生旋转驱动力。在图2中主垂直轴2的风接收叶片4的下风中，当风很强时，后部朝下风弯曲以减小风阻。
根据本发明的风力发电机提供的试验结果如下AC发电机2.5KW/h，转子直径4m转子重量150kg风接收叶片7(300mm×1500mm)风速1.5m/s至2.1m/s，旋转速度51至56rpm尽管转子的旋转速度较低，转矩很高。
一年有365天或者8760小时。公知的水平风力发电机是不经济的，除非风速超过2m/sec并连续吹动2000小时。
但是，如果风速为1m/sec至4m/sec的风每年吹动3000小时，根据本发明的风力发电机可以与具有风速超过4m/sec的风一起每年利用5000小时，由此极大增加收集率以及提高风力发电率。
在所述实施例中，风接收叶片4设置在周向环3c的外部，但是可以设置在环3c的内部。如果周向环3c设置在风接收叶片4的外部，施加到风接收叶片4的风阻通过周向环3c的动能所偏移。
图7是风接收叶片的第二实施例的右视图，图8是自图7中线VIII-VIII所取的水平截面图。相同的附图标记被分配给相同的部件，并由此省略说明。在第二实施例中，安装支架41较长，后部可以弯曲。
安装支架41由软弹性树脂制造，后部较薄并可弯曲。当强风吹动，其可以被弯曲以防止断裂。
当风接收叶片4承受逆风，所施加的力由于风压的变化自内侧往外推动以旋转转子3，其中因为外部长度大于内部长度，外侧变成负压。
图9是风接收叶片的第三实施例的左视图，图10是顶部平面图。相同的附图标记被分配给相同的部件，并省略说明。
在第三实施例中，风接收叶片4包括安装支架41和垂直风接收部分42，所述风接收部分包括垂直支撑骨42a，以及被支撑骨42a的支撑的矩形风接收薄膜板42b。如图10中所示，安装支架41水平地具有反向L形截面并在端部具有U形截面固定部分41a。固定部分41a被安装使得端表面41b在风车1的转子3的周向平行于切线“L”。安装支架21呈锥形并向前凸起50cm，横向凸起70cm。这是因为远离主垂直轴2的风接收叶片4用于强化杠杆效应。数字41c表示带螺纹孔，螺栓通过所述孔螺纹连接。
风接收部分42被固定到安装支架41并在相对安装支架41的端表面41b以13至16度倾斜。风接收薄膜板42b自支撑骨42a弯曲，圆形凸起部42c形成在风接收部分42中以增加旋转驱动力。
在对应具有4m直径的转子4的风接收叶片4中，支撑骨42a高度为2m。锥形支撑骨42a的前部厚度是3cm，后端是2至5mm厚。叶片4宽度大约是7cm。
连接到支撑骨42a的后端的风接收薄膜42b具有与支撑骨42a相同的高度并具有大约30cm的宽度。薄膜板42b的前端的厚度是2至5mm，这与支撑骨42a的后端相同，并在朝向厚度为0.3mm至1mm厚的后端变小。数字值只是出于说明目的。
如图12中所示，当风接收叶片4设置在风车1的转子1上，风接收部分42相对在转子3的周边之上产生吹动的风的角度是13至16度，圆形支撑骨42a相对风在风接收部分42的前部内部产生负压以产生推力。
在图11中，当风在箭头“A”的方向中吹动，主垂直轴2的右侧上的风接收叶片4A、4B接收顺风以产生旋转推力。在风向的风接收叶片4A中，整个风接收薄膜板42b与风压成比例朝内弯曲，以接收更多的风压以产生强推力。
在主垂直轴2的左侧上的下风的风接收叶片4C中，整个风接收薄膜板42b与风压成比例朝外屈曲以产生旋转推力，诸如旋转力用于旋转推进器。通过弯曲风接收薄膜板42b，沿着内表面的风速变得高于沿着外表面的风速，这样外表面上的压力低于内表面上的压力，由此导致旋转驱动力。
在主垂直轴2的左侧上的风接收叶片4D中，沿着风接收薄膜板42b的内表面的风速高于沿着外表面的风速，这样风接收薄膜板42b的内部的压力低于外部的压力，由此导致旋转驱动力。
当主垂直轴2的左侧上的风接收叶片4E接受逆风，风接收薄膜板42b朝内与风压成比例弯曲以减小风受击区域。通过弯曲风接收叶片4E，风接收叶片4E的外表面变为倾斜表面，风沿着所述倾斜表面通过以产生旋转驱动力。同样，风接收叶片4E的后端与风相对，并与风接收叶片4D相似，外表面上的压力小于内表面上的压力以产生驱动力。
如上所述，根据转子3的周向上的风接收薄膜板42b上的位置，风压和弯曲方向相反，两者都增加旋转驱动力。
风接收薄膜板42b包括薄弹性体，并可以朝内和朝外均匀弯曲并均匀恢复。尤其是支撑骨42a只设置在前端，并具有优良的弯曲属性。
风接收薄膜板42b在基部通过强风压弯曲，并在后端通过弱风压弯曲。根据右、左风压的差异，其分别在右向和左向挤压。
在图11中，当风车1的转子3开始转动，由于转子3的周向环3c的重量使得旋转惯性增加，这样转子3比风快。这样，风接收叶片4的风接收部分42接收涉及更快旋转的风阻。但是，如图11中所示，风接收部分42的形状遵循转子3的周边，这样难于承受与旋转相关的风压阻力。即使风接收薄膜板42的后端通过风压稍微向内挤压和弯曲，其被放置到支撑骨42a的轨道内以防止进一步风阻。
但是，风接收部分42旋转，同时支撑骨42a的前端向内凸起。随着旋转，负压产生在风接收部分42的前部的内部中以产生旋转驱动力。随着旋转速度的增加，风接收薄膜板42b的后端旋转同时其被挤出。这是因为惯性超出了空气阻力。
图12是风接收叶片4的第四实施例的前部视图；图14是图12中的中心水平截面图；图14是上部平面图，其显示了图12中的风接收叶片4被安装在转子之上。相同的附图标记被分给前述实施例中相同的部件，并省略说明。
第四实施例中的风接收部分42的特征在于包括与第三实施例的相反的结构。
如图13中所示，支撑骨42a被弯曲以形成产生旋转驱动力的圆形凸起部42c。连接到支撑骨42a的后端的风接收薄膜板42b弯曲以与支撑骨42a相交。风接收部分42完全弯曲。
安装支架41在与第三实施例相反的转子3的旋转方向中倾斜凸起。风接收部分42的支撑骨42a被固定到安装支架41的端部，风接收薄膜板42b的后端位于安装支架41的基部表面41b的基表面相对应的位置中。
优选地，风接收部分42的端部之间的直线L1朝安装支架41的基表面41b的内部和后部倾斜。相对风接收部分42的端部和主垂直轴2之间的直线上的转子3的切线上的倾斜角度的范围是13至16度。
在第四实施例中，如图12中所示，安装支架41的端部垂直分离以扩展其高度，由此牢固地固定风吹动部分42。
风接收部分42的支撑骨42a例如是高度180cm，长度15cm，最大厚度是大约3cm。支撑骨42a呈锥形以形成厚度为0.3至1mm的后端。
因此，风接收部分42的风接收薄膜板42b根据施加到其上的风压强度而弯曲。特别地，当风较弱时，风接收薄膜板42b的后端摇摆，当风较强时，其根据风压自中部或者前端弯曲。
在图14中，当风在箭头“A”的方向中吹动时，主垂直轴2右侧上的风接收叶片4A、4B承受顺风以接收旋转驱动力。
在主垂直轴2的左侧上的风接收叶片4C的下风方向中，风接收薄膜板42b的后端朝后弯曲以变得如同推进器并在旋转的方向中挤压以产生旋转驱动力。
在主垂直轴2的左侧上的风接收叶片4D中，沿着风接收薄膜板42b的内表面的风比沿着外表面的风快，这样支撑骨42a的前部变为负压。气压施加到风接收部分42的旋转方向。
在风接收叶片4E中，风接收薄膜板42b的后端向内弯曲以变得如同推进器，这样其在旋转方向中产生旋转驱动力。不管风接收叶片4放置在何处，其承受风来将所承受的风没有风阻地改变为驱动力。
在图14中，当转子开始旋转时，周向环惯性增加，转子3由于周向环3c的重量而变得更快。然后，风接收叶片4的风接收薄膜板42b的后端由于离心力和风压不可避免地朝外弯曲。
由于风接收部分42上的圆形凸起部42c的缘故，沿着内表面通过的风比沿着外表面的风速快，从而使得支撑骨42a的前部中的负压产生旋转驱动力。
如图13中所示，在风接收部分42中，支撑骨42a厚度大约是3cm，深度较小，这样旋转过程中的风阻变得相当的小，即使是在整个风接收部分42被极大弯曲时。尤其是，在支撑骨42a的轨道内旋转的风接收薄膜板42b没有在侧面上接收风阻。即使在风接收薄膜板42b的后端由于离心力和风压的缘故向外移动，其在旋转的过程中承受外部风压，这样其在支撑骨42a的轨道内旋转。
特别地，普通垂直叶片提供的优点在于整个深度承受顺风。但是，相反地，加速受到限制。
在风接收叶片4的第四实施例中，旋转过程中只有支撑骨42a的厚度和深度承受风阻。风接收薄膜板42b在旋转过程中在后端摆动，并覆盖以支撑骨42a，由此用作沿着表面通过的风的引导件。
在风接收叶片4的第四实施例中，转子3直径是4m，周向环11重量是250kg，主垂直轴2直径是10cm，主垂直轴2的小直径部分直径是1cm。当风车1如图14旋转，平均风速是7m/sec以及60rpm。
这意味着风接收叶片4在12.56m/sec旋转并大约是风速的1.8倍。
通常垂直轴风车的收集率是35％，并且不能旋转的比风快。这显然是可以清楚识别的。
随着风车1的转子3旋转，其添加动能作为惯性轮。通过旋转驱动力，具有圆形凸起部42c以增加旋转驱动力的风接收叶片4在风接收部分42的前部产生负压，以产生用于加速的旋转驱动力，由此提供作为惯性轮转子3的增效器效果以及风接收部分4的旋转驱动力。
图15视图显示了第四实施例中转子3旋转过程中风接收叶片4与侧叶片“X”的驱动力之间的关系。在图15中，当转子15在箭头“B”的方向中旋转，风压或者相反力“C”产生在相对方向中。
在外表面上具有圆形凸起部42c的叶片“X”在箭头“D”的方向中产生力，这样风接收部分42的后端接受向外的力以将旋转驱动力施加到转子3。
在图15的风接收叶片4的第四实施例中，用于增加旋转驱动力的圆形凸起部42c形成在风接收部分42的内表面上，以在风接收部分42的前部产生负压，从而在箭头“E”的方向中产生旋转驱动力。风接收部分42的前部承受向内的旋转驱动力以旋转转子3。
比较这两个示例，在前者中，风接收部分42的后端向外承受旋转驱动力，而在后者中，风接收部分42的前端向内承受旋转驱动力。这似乎在旋转驱动力所施加的位置中有所差异。
但是，在图15中，在其中圆形凸起部42c形成在外表面上的叶片“X”中，旋转驱动力指向外部。为了自风接收部分3的后端收上产生向外的力，即使向内的力如同杠杆作用那样被施加到前端，其通过安装支架2限制以降低效率。
同时，在图15所示的第四实施例的风接收叶片4中，旋转驱动力“E”在主垂直轴2和安装支架41的基部之间的直线之前，从而直接作用在转子3上以增加效率。
飞机中的叶片状翼被提供用来升高飞机。这样，当圆形凸起部形成在风接收叶片的外表面上时，外拉力被施加以减小旋转驱动力来用离心力增加损坏率。
在风车1中，转子3是圆形的，周边上的风接收叶片4如同弧状旋转。对于由风接收叶片4的形状的旋转驱动力，优选地旋转驱动力沿着风接收叶片4内的转子3的周向方向施加。第四实施例中的风接收叶片非常合适。
图16是风接收叶片4的第五实施例的前视图；图17是中间垂直截面图；图18是左视图。相同的附图标记被分配给与前述实施例中相同的部件，并省略说明。
第五实施例中的风接收叶片4包括具有凹陷42d的薄板以形成圆形凸起部42c。这样，沿着风接收部分42的内表面通过的风垂直改变方向，从而在圆形凸起部42c上产生强负压以产生强旋转驱动力。
图19是风接收叶片的第六实施例。相同的附图标记被分配给前述实施例中相同的部件，并省略说明。风接收叶片4是中空的。风接收部分42的外表面作为曲线形成，所述曲线与风接收部分42的端部的轨道相一致。风接收部分42在内表面上凸起以形成产生旋转驱动力的圆形凸起部42c。
风接收叶片4在旋转的过程中增加风阻，并不适合高速旋转。但是，圆形凸起部42c产生较高的旋转驱动力，并适于较重低速转子3产生较高的扭矩。
风接收叶片4的形状可以根据是否在高于风速的速度旋转转子3或者在低速获得较高的扭矩来确定。
风接收叶片4的形状和材料不限于所述实施例，并在不背离权利要求所述范围的情况下进行选择。上述尺寸只是出于示例而不是为了限制。风接收叶片4的尺寸、形状和数目可以根据转子3的直径、重量和所需扭矩来合适选择。
本发明的风车可以通过自水管中喷出高压水来稳定旋转。因此，风接收叶片可以由水接收叶片替换，风车可以由水轮所替换。
工业应用性根据本发明的风力发电机的尺寸较小，扭矩大，用于产生较高的电流。
其不受限于风的方向，并防止在家庭的屋顶上以为家庭提供电力。其也适合应用在陆地上、山顶上以及沙漠中，因为较轻重量的风车很容易被运输和组装。
根据本发明的风车不仅可以用于发电，也可以用于磨面、泵水和其它目的。
本发明的优点(1)在权利要求1中的风力发电机中，风车包括主垂直轴、转子和风接收叶片。固定到主垂直轴的上端的转子3被构造为惯性轮。不管风接收叶片的形状和结构，当转子旋转时，动能被施加，风车的稳定旋转通过惯性旋转来保证，而不管风速的变化。即使从风接收叶片获得较小的风能，动能使用旋转惯性施加来实现较高的扭矩以与主垂直轴的载荷相顺应，由此尽管是较弱的风也提供有效的发电。
(2)在权利要求2中的风力发电机中，风车的转子被覆盖以盖，从而防止轴经受风吹雨淋，并将太阳能电池安装到上表面上。
(3)在权利要求3中的风力发电机中，风接收叶片包括垂直风接收部分和其中的安装支架。产生旋转驱动力的圆形凸起部形成在风接收部分的内表面上。在风接收叶片之一上，在旋转过程中，在靠近转子的前部中产生负压，外压朝风接收叶片的前内部施加，这样可以有效地获得旋转方向中的旋转驱动力。
(4)在权利要求4中的风力发电机中，转子水平安装在主垂直轴并构造为惯性轮。多个风接收叶片等距分布在转子的周向上。由于转子的杠杆效应，即使微风也可以实现高的扭矩。惯性动能通过旋转转子添加，所述旋转转子适于风力发电机。
(5)在权利要求5中的风力发电机中，转子包括轴、多个支撑臂和重周向环以形成惯性轮。通过旋转，周向环产生旋转惯性以添加动能，这是有利的。周向环是环向的以保持稳定旋转。
(6)在权利要求6的风力发电机中，盖安置在转子之上，太阳能电池安置在盖的上表面上。即使风很慢，通过太阳能电池在太阳出现时也可以产生电。通过太阳能电池所产生的电被用于诸如旋转传感器、自动控制器、电磁闸和远程控制开关的电力电器来控制其功能。
(7)在权利要求7的风车用垂直轴中，较小的直径部分被形成在转子用主垂直轴下端，较小直径部分的直径是直径的0.5％至50％，这样主垂直轴的小直径部分和轴承之间的摩擦阻力在旋转过程中变得至少小于一半，由此使得转子旋转平稳，这是有利的。
(8)在风车的主垂直轴中，下端被形成为锥形以在旋转过程中减小接触摩擦。
(9)在权利要求9中的风车用主垂直轴包括安装支架和由软弹性纤维强化树脂一体模制的风接收部分。风接收部分的后端可以在左右的方向中被风压在使用过程中弯曲，这样风阻即使在风压被产生不同于垂直或者水平时也能转开。
(10)在权利要求10中所述的主垂直轴中，风接收部分的支撑骨被形成柱状，其刚度优良。连接到支撑骨的后端的风接收薄膜板被形成为自前端至后端厚度逐渐减小，由此使得其被弯曲到对应风压的角度，这样只有风接收薄膜板可以设计在曲面上。
(11)权利要求11中的风接收叶片包括风接收部分的内表面上的产生旋转驱动力的圆形凸起部。随着旋转，在风接收部分的前部中产生负压，这样旋转驱动力施加在旋转的方向中以产生有效的旋转驱动力，这是有利的。
(12)权利要求12中的用于风车的风接收叶片是中空的，风接收部分的内表面上产生的旋转驱动力用圆形凸起部较大，这样旋转过程中的风压变得很高，并获得很高的旋转驱动力，尽管其不适合高速旋转。旋转速度较低，由此很容易旋转大且重的转子，这是适合获得高的扭矩的。
(13)权利要求13重的风接收叶片包括安装支架和风接收部分，并通过软弹性纤维强化树脂一体模制，这样就难于破裂。在风接收部分中，产生旋转驱动力的圆形凸起部形成在内表面上。当风接收部分被安装在风车的转子上并旋转，沿着风接收部分的内表面通过的风上下改变方向以增加圆形凸起部上的负压。这样，当转子旋转时，更高的负压产生在内表面上而不是垂直风接收部分上以增加更大的旋转驱动力。
(14)在权利要求14中的用于风车的风接收叶片中，支撑风接收部分的安装支架在旋转的方向中自基部凸起到端部，风接收部分的端部朝叶片的端部向前固定。施加到风接收部分的端部的旋转驱动力在转子的旋转方向中被启动，风接收部分接收的风能可以在杠杆原理的作用下很强地施加到主轴上。
(15)在权利要求15中的风车用风接收叶片中，所使用的软弹性纤维强化树脂被设置到最合适的弯曲范围，断裂时延长率是35％至50％。纤维强化材料是无机和有机纤维的混合物，复合材料的延长率的最佳范围在断裂时是30％至40％，这样其弹性和弯曲属性优良并难于断裂。
(16)在权利要求16中的风接收叶片中，纤维强化材料是有机纤维复合材料，所述材料弹性和延伸率优良并自添加无机纤维的合成纤维中选择。断裂时最佳的延长率是30％至40％，并且其难于与软弹性树脂一起断裂。
权利要求
1.一种风力发电机(19)，包括风车(1)，所述风车(1)具有用于旋转发电机的垂直轴(2)，所述风车(1)包括主垂直轴(2)、转子(3)和风接收叶片(4)，安装到所述主垂直轴(2)的上端的转子(3)被构造为惯性轮，多个风接收叶片(4)被等矩分布在所述转子(3)的周边上。
2.根据权利要求1所述的风力发电机(19)，其特征在于，所述转子(3)被覆盖以盖(3f)。
3.根据权利要求1或者2中所述的风力发电机(19)，其特征在于，所述风接收部分(4)包括垂直风接收部分(42)和其中的安装支架(41)，所述风接收部分(42)具有用于产生旋转驱动力的圆形凸起部。
4.一种风车(1)，转子水平安装到主垂直轴(2)，所述转子(3)被构造为惯性轮，多个风接收叶片(4)被等矩分布在转子(3)的周边上。
5.根据权利要求4所述的风车(1)，其特征在于，所述转子(3)在径向方向中具有多个支撑臂(3b)，较重周向环(3c)被固定到每个所述支撑臂(3b)外端，以构造为惯性轮。
6.根据权利要求4或者5所述的风车(1)，其特征在于，盖(3f)被设置在所述转子(3)之上，太阳能电池(16)被设置在所述盖(3f)的上表面上。
7.一种主风车垂直轴(2)，其特征在于，较小的直径部分(2b)被形成在主垂直轴(2)的下端，所述主垂直轴(2)被固定到转子(3)以作为惯性轮，所述小直径部分(2b)的直径是所述轴的直径的0.5％至50％。
8.根据权利要求7所述的主风车垂直轴(2)，其特征在于，所述主垂直轴(2)在下端具有锥形部分。
9.一种安装到转子(3)的周边的风车风接收叶片(4)，所述转子(3)具有作为惯性轮的垂直轴，所述风车风接收叶片(4)包括由软弹性纤维强化树脂一体模制的安装支架(41)，以及风接收部分(42)，所述风接收部分(42)在使用中可以由风压在端部弯曲。
10.根据权利要求9所述的风车风接收叶片(4)，其特征在于，所述风接收部分(42)包括支撑骨(42a)和风接收薄膜板(42b)，所述支撑骨(42a)被形成为具有锥度表面的支柱，连接到所述支撑骨(42a)的后端的风接收薄膜板(42b)是矩形的，薄膜板(42b)的前端具有与支撑骨(42a)的后端相同的厚度并是锥形的。
11.根据权利要求9所述的风车风接收部分(4)，其特征在于，所述叶片(4)被垂直安装到转子(3)，所述转子(3)具有作为惯性轮的垂直轴，包括由软弹性纤维强化树脂一体模制的安装支架(41)，以及风接收部分(42)，所述风接收部分(42)具有用于在内表面上产生旋转驱动力的圆形凸起部(42c)。
12.根据权利要求9所述的风车风接收部分(4)，其特征在于，所述叶片(4)被垂直安装到具有作为惯性轮的垂直轴的转子(3)，包括由软弹性纤维强化树脂一体模制的中空体，所述中空体包括安装支架(41)和风接收部分(42)，所述风接收部分(42)沿着风接收部分(42)的外前端的轨道具有外周表面，用于产生旋转驱动力的圆形凸起部(42c)形成在风接收部分(42)的内表面上。
13.根据权利要求9至12任一所述的风车风接收部分(4)，其特征在于，所述叶片(4)被垂直安装到具有作为惯性轮的垂直轴的转子(3)，包括由软弹性纤维强化树脂一体模制的安装支架(41)，以及风接收部分(42)，所述风接收部分(42)在内表面上具有用于产生旋转驱动力的圆形凸起部(42c)。
14.根据权利要求11至13任一所述的风车风接收叶片，其特征在于，所述安装支架(41)在转子(3)的旋转方向中凸起，风接收部分(42)的上端被朝前固定到安装支架(41)的端部。
15.根据权利要求9至14任一所述的风车风接收叶片(4)，其特征在于，所述软弹性纤维强化树脂自未饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、环氧丙烯酸酯树脂和聚氨酯丙烯酸酯树脂所构成的组中选择作为软弹性树脂的基体，所述树脂被设置使得在室温的断裂延长率是35％至50％，纤维强化材料是有机和无机纤维的混合物，复合材料的延长率在断裂时是30％-40％。
16.根据权利要求15所述的风车风接收叶片(4)，其特征在于，纤维强化材料是复合材料，其中无机纤维自玻璃纤维、碳纤维、金属纤维垫、单向材料和编织材料所构成的组中选择，有机纤维自芳族聚酰胺纤维、维尼纶纤维、尼龙纤维、聚酯纤维和聚乙烯纤维所构成的组中选择。
全文摘要
风力发电机(19)、风车(1)、轴(2)和风车的叶片(4)，风力发电机(19)包括风车(1)，所述风车(1)具有用于旋转发电机的垂直轴，所述风车(1)还包括垂直轴(2)、旋转体(3)和风接收叶片(4)，安装到所述主垂直轴(2)的上部的旋转体(3)被构造为惯性轮，以为风车(1)提供由旋转惯性造成的动能。多个风接收叶片(4)以特定的间距垂直设置在所述旋转体(3)的周边上，所述多个风接收叶片(4)具有良好的柔韧性，即使时微风，也能通过杠杆原理在垂直轴(2)施加力；风车(1)使用所述风力发电机(19)；所述轴(2)和叶片(4)用于风车(1)。
文档编号F03D9/00GK1604993SQ02824920
公开日2005年4月6日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月14日
发明者铃木政彦 申请人:环球能源株式会社, 株式会社Fjc