专利名称：一种行星垂直轴风力机及水平串式垂直轴风力发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风力动力装置，更具体地说，涉及一种可用于风力发电或输出动
力的行星垂直轴风力机以及使用该行星垂直轴风力机的水平串式垂直轴风力发电系统。
背景技术：
在石化、燃煤能源日渐枯的今天，风力发电已成为人类能源开发的重点方向之一。 资料表明，全球可开发风能资源的总量大约为人类能源需求总量的许多倍。风能的丰富性 和可自然再生性是最具吸引力的理由。 风力发电技术起源于欧洲，其中丹麦、荷兰、德国等国家对风力发电的开发和倡导 已经有超过20年的历史了。风力发电技术诞生以来，经历了不断的改进，目前较为常用的 风力机归纳起来可分为两类 1)水平轴风力机，其风轮的旋转轴与气流方向平行。水平轴风力机主要由塔架、 水平轴风轮、变速箱(加速齿轮箱)、发电机、对风装置、控制系统等部件所组成。风轮的作 用是将风能转换为机械能，它由气体流动性能良好的叶片装在轮轴上所组成，低速转动的 风轮通过传动机构由加速齿轮箱增速，进而将动力传递给发电机。水平轴风力机主要优点 是风轮可以架设到离地面较高的地方，减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响，风轮 架设离地面越高，风力越大，随高度增加发电量增高，启动风速低，可自启动。缺点是叶型设 计及风轮制造较为复杂；而且需要额外的对风装置，来调整风轮的叶片的对风方向，增加了 设计难度和成本。 2)垂直轴风力机，其风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。通常垂直轴风力机安 装在离地面近的地方，无需使用塔架、对风装置；由垂直轴风力机受风，带动垂直轴转动，通 过变速箱带动发电机转动。其优点是在气流方向改变时无需对风，也不需要对风装置，减少 风轮对风时的陀螺力。结构相对简单，成本低。然而，垂直轴风力机风能利用率低于水平轴， 风轮离地面近气流受地面影响大，无法更充分的接受风力，无法自启动，需要电动启动。 [OOOS] 现有的垂直轴风力机的风轮包括阻力型和升力型。阻力型虽然有较大的启动力 矩，但减速比较低，而且输出的功率也较低。而升力型利用升力来推动输出轴转动，但是在 产生升力的同时也会产生阻力，随着升力的增加，阻力也随之增加，而升力才是作为推动输 出轴转动的主要动力，阻力的增加必然会导致效率的降低，进而影响风机的输出功率。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的垂直轴风力机的效率低的缺
陷，提供一种可调整帆板组件的受风角度以提高效率的行星垂直轴风力机。 本实用新型所要解决的另一技术问题在于，提供一种可有效综合水平轴风力机和
垂直轴风力机机的优点，可大大增加受风面积、受风力度、降低成本的水平串式垂直轴风力
发电系统。 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种行星垂直轴风力机，包括输出轴、帆板组件、连杆、以及转动机构； 所述帆板组件包括与所述输出轴平行设置的转轴、以及固定安装在所述转轴上的 受风件； 所述连杆的一端与所述帆板组件连接并由所述帆板组件推动旋转，所述连杆的另 一端与所述输出轴固定连接，并由所述连杆推动所述输出轴转动； 所述转动机构包括固定安装在所述转轴上的第一伞齿轮、套设在所述输出轴上的 第二伞齿轮、与所述连杆同步旋转的传动杆、以及在所述传动杆两端设置分别与所述第一 伞齿轮和第二伞齿轮啮合的第三伞齿轮和第四伞齿轮。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述行星垂直轴风力机还包括带动所述第 二伞齿轮转动并定位的对风装置。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述转动机构还包括可转动地安装在所述 转轴上的至少一个第一支架、以及固定安装在所述输出轴上的至少一个第二支架；所述连 杆与所述第一支架和第二支架固定连接。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述第一支架为一个，并可转动地安装在 所述转轴的上端；所述第二支架为一个，并固定安装在所述输出轴的上端； 所述连杆包括与所述第一支架和第二支架固定连接的第一连杆、以及与所述第一 连杆分开设置的第二连杆； 所述转轴的下端通过轴承转动安装在所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一 端与所述输出轴的下端固定连接。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述第一支架、第二支架和连杆均为中空 结构； 所述第一伞齿轮和第三伞齿轮可转动插入安装在所述第一支架上，并且所述第一 伞齿轮和第三伞齿轮的啮合部分设置在所述第一支架内； 所述第二伞齿轮和第四伞齿轮可转动插入安装在所述第二支架上，并且所述第二 伞齿轮和第四伞齿轮的啮合部分设置在所述第二支架内； 所述传动杆设置在所述连杆内，固定连接所述第三伞齿路和第四伞齿轮。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述第一支架为两个，并分别可转动地安 装在所述转轴的上端和下端；所述第二支架为两个，并分别固定安装在输出轴的上端和下 端；并且所述第一连杆也为两个，分别连接在上端的所述第一支架和第二支架之间、和下端 的所述第一支架和第二支架之间。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述转轴包括分开同轴设置的第一转轴和 第二转轴；在所述第一转轴和第二转轴相对的一端分别设有水平的第一支撑杆和第二支撑 杆； 所述受风件为柔性受风件；所述柔性受风件的上下两端分别固定安装在所述第一 支撑杆和第二支撑杆上。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述帆板组件、连杆和转动机构分别为至 少两组；所述转动机构共用一个所述第二伞齿轮，并且所述转动机构的第三伞齿轮均匀分 布设置在所述第二伞齿轮的圆周上。 在本实用新型的行星垂直轴风力机中，所述第一伞齿轮和第三伞齿轮的传动比为
52 : l;所述第二伞齿轮和第四伞齿轮的传动比为l : 1 ;或者，所述第一伞齿轮和第三伞齿
轮的传动比为i : i ;所述第二伞齿轮和第四伞齿轮的传动比为2 : i。 本实用新型还提供一种水平串式垂直轴风力发电系统，包括至少两个分开设置的
塔架、至少在其中一个所述塔架上安装的至少一组发电组件、以及水平串接在所述塔架之
间的至少两个行星垂直轴风力机； 每一行星垂直轴风力机，包括输出轴、帆板组件、连杆、以及转动机构； 所述帆板组件包括与所述输出轴平行设置的转轴、以及固定安装在所述转轴上的
受风件； 所述连杆的一端与所述帆板组件连接并由所述帆板组件推动旋转，所述连杆的另 一端与所述输出轴固定连接，并由所述连杆推动所述输出轴转动； 所述转动机构包括固定安装在所述转轴上的第一伞齿轮、套设在所述输出轴上的 第二伞齿轮、与所述连杆同步旋转的传动杆、以及在所述传动杆两端设置分别与所述第一 伞齿轮和第二伞齿轮啮合的第三伞齿轮和第四伞齿轮； 所述发电组件包括动力输入轴；每一所述行星垂直轴风力机的输出轴与地面基本 平行，并且所述帆板组件沿所述输出轴的轴线方向设置在所述输出轴外围； 所述动力输入轴与所述输出轴之间、相邻所述输出轴之间通过联轴组件连接。 实施本实用新型具有以下有益效果本实用新型的帆板组件受风，通过连杆推动 输出轴旋转，同时传动杆随同连杆同步旋转，进而带动第四伞齿轮绕第二伞齿轮转动，带动 传动杆转动，进而带动传动杆另一端的第三伞齿轮转动，进一步的带动第一伞齿轮转动，从 而由第一伞齿轮带动转轴转动一定角度，从而实现了在帆板组件受风转动的过程中，带动 受风件转动一定角度，实现对风的自动调整，使得受风件始终保持在同一方向推动输出轴 转动，消除了阻力的影响，大大提高了输出效率。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中 图1是本实用新型行星垂直轴风力机第一实施例的示意图； 图2是图1中A部的局部放大示意图； 图3是本实用新型行星垂直轴风力机的帆板在不同位置时的转动角度的示意图； 图4是本实用新型行星垂直轴风力机第二实施例的示意图； 图5是本实用新型行星垂直轴风力机第三实施例的示意图； 图6是本实用新型行星垂直轴风力机第四实施例的局部示意图； 图7是本实用新型行星垂直轴风力机多个帆板的位置示意图； 图8是本实用新型的水平串式垂直轴风力发电系统的示意图。
具体实施方式如图1至图3所示，是本实用新型的行星垂直轴风力机的一个实施例，包括输出轴 101、帆板组件、连杆以及转动机构等。在图中，仅示意性的给出了一组帆板组件、连杆和转 动机构的示意图，可以理解的，还可以根据需要设置多组帆板组件、连杆和转动机构。 该帆板组件包括转轴102以及与转轴102固定结合安装的受风件。在本实施例中，该受风件为刚性的帆板103。该帆板103可以采用金属板材、塑料板材、化合板材、木质板材 等各种材质做成，作为受风元件。该转轴102与输出轴101平行设置，可以采用金属型材或 其他型材做成。为了便于帆板103与转轴102的固定结合，可以通过多根辐条104来夹紧 帆板103和转轴102，在通过螺钉、螺栓、铆钉或焊接的方式进行紧固连接，从而将转轴102 和帆板103组成一个整体；从而在转轴102转动时，可以带动帆板103转动，来调整受风角 度。该等辐条104还具有增加帆板103的强度的作用，可有效防止帆板103的变形。 可以理解的，帆板103和转轴102的结构形式还可以是多种的，例如整体式、转轴 为分段式等；而帆板的形状除了板状外，还可以根据传统的垂直轴风力机的叶片的形状进 行设计。 该输出轴101与转轴102平行分开设置，作为动力输出，可以与外接的发电机的输 入轴连接，驱动发电机工作发电。当然，也可以驱动其他的动力部件输出做功。 该连杆的一端与帆板组件连接并由帆板组件推动旋转，而连杆的另一端与输出轴 101固定连接，并由连杆推动输出轴101转动。在本实施例中，该连杆包括第一连杆105和 第二连杆106，分别设置在转轴102的上下两端。第一连杆105用于连接转动机构的第一支 架112和第二支架113 ;而第二连杆106直接连接转轴102和输出轴101。该第二连杆106 的一端与输出轴101的下端固定连接；而第二连杆106的另一端与转轴102的下端连接。 该转轴102的下端可以通过轴承连接在第二连杆106上，从而该转轴102可以相对于第二 连杆106转动，来调整帆板103的角度。可以理解的，第二连杆106与输出轴101之间可以 通过连接件，通过螺钉、螺栓、铆钉、焊接等方式固定连接。 该转动机构包括固定安装在转轴102上的第一伞齿轮107、可转动套设安装在输 出轴101上的第二伞齿轮108、与连杆同步旋转的传动杆109、以及固定设在传动杆109两 端分别与第一伞齿轮107和第二伞齿轮108啮合传动的第三伞齿轮110和第四伞齿轮111 ; 并且第二伞齿轮108相对于输出轴101为固定的。 在本实施例中，为了便于安装和使得整个结构更加的紧凑，该转动机构还包括可 转动地安装在转轴102上端的第一支架112、以及固定安装在输出轴101上端的第二支架 113，而连杆固定连接第一支架112和第二支架113。第一支架112可以通过轴承等转动地 安装在转轴102上端或者安装在第一伞齿轮107的光轴部。第二支架113通过焊接、螺钉、 螺栓、铆钉等方式与输出轴101固定连接。 并且，第一支架112、第二支架113和连杆均为中空结构。第一伞齿轮107和第三 伞齿轮110可转动插入安装在第一支架112上，并且第一伞齿轮107和第三伞齿轮110的 啮合部分设置在第一支架112内。第二伞齿轮108和第四伞齿轮111可转动插入安装在第 二支架113上，并且第二伞齿轮108和第四伞齿轮111的啮合部分设置在第二支架113内。 传动杆109设置在连杆内，固定连接第三伞齿轮IIO和第四伞齿轮111。 在本实施例中，第一伞齿轮107和第三伞齿轮110的传动比为2 : 1 ;第二伞齿轮 108和第四伞齿轮111的传动比为1 : 1 ;从而使得在第四伞齿轮111在第二伞齿轮108上 转动90度时，第三伞齿轮110驱动第一伞齿轮107转动45度；在第四伞齿轮111在第二伞 齿轮108上转动180度时，第三伞齿轮110驱动第一伞齿轮107转动90度，以此类推，以获 得最佳的迎风角度。当然，也可以为第一伞齿轮和第三伞齿轮的传动比为1 : l;第二伞 齿轮和第四伞齿轮的传动比为2 : l，同样可以得到上述传动效果。可以理解的，可以通过
7改变各个齿轮的传动比，来得到不同的转动角度，来符合不同风场的特点。 进一步的，第二伞齿轮108外侧还可以安装对风装置114，由对风装置114来控制 第二伞齿轮108转动一定角度，来带动帆板组件转动一定角度，以获得最佳的迎风角度。当 然，在风向较为稳定的场合，该第二伞齿轮108也可以为固定不动的。 为了增加稳定性，在每一连杆的中间位置与转动轴之间还可以连接有加固绳索或 链索115。 工作时，正对风向的帆板103受风，产生推动力，推动帆板103连同转动轴同时绕 输出轴101旋转；在转动轴绕输出轴101旋转的同时，带动连杆绕输出轴101旋转；由于连 杆与输出轴101固定连接，因此，连杆的旋转会带动输出轴101的转动，进而由输出轴101 输出动力。 在连杆绕输出轴101旋转的过程中，带动传动杆109同步旋转，此时，由于第四伞 齿轮111与第二伞齿轮108的啮合传动，使得传动杆109产生转动(相当于自转)，从而带 动传动杆109另一端的第三伞齿轮110转动，进而带动与第三伞齿轮110啮合的第一伞齿 轮107转动；由于第一伞齿轮107与转动轴是固定连接的，转动轴被第一伞齿轮107带动转 动，从而带动帆板103转动，实现了对帆板103角度的调整。图3中给出了同一帆板103在 不同位置时的角度，由图中可以看出，各个位置的帆板103产生的推动力都是顺时针方向 的，也就是说使得输出轴101的转动方向是一致的，不会产生阻力，从而大大的提高了输出 效率。 如图4所示，是本实用新型的第二实施例，其与第一实施例的区别在于，帆板组件 的下端与输出轴下端连接的第二连杆的结构形式与第一实施例的第一连杆105的连接形 式相同。也就是说，在转轴的上端和下端均可转动的安装有第一支架212、在输出轴的上端 和下端均固定安装有第二支架213 ;并分别通过第一连杆205固定连接。并且，在第一支架 212、第一连杆205和第二支架213上安装有传动机构的第一伞齿轮、第二伞齿轮、传动杆、 第三伞齿轮和第四伞齿轮等，其结构与第一实施例相同，故不赘述。这种通过在转轴和输出 轴的两端都设置传动机构的方式，使得传动更加的稳定，方便对帆板组件的调整。 如图5所示，是本实用新型的第三实施例，其与第二实施例的区别在于，在本实施 例中，转轴分为同轴设置的两段，包括第一转轴301和第二转轴302。在第一转轴301和第 二转轴302相对的一端分别水平设置由第一支撑杆303和第二支撑杆304 ;同时，受风件采 用柔性受风件306，例如用不同材质做成的帆布等。该帆布的上下两端分别固定安装在第一 支撑杆303和第二支撑杆304上；其他结构基本与前述实施例相同，故不赘述。在本实施例 中，由于受风件为柔性受风件306，在受风时可以形成风袋形式，能够更好的受风；而且在 风力很大时，还可以避免过强风力对受风件的损坏。 进一步的，在第一支撑杆303和第二支撑杆304的两侧还可以安装有加强杆305， 柔性受风件306的两侧可以固定在加强杆305上，增加柔性受风件306安装的稳定性和强 度。 如图6所示，是本实用新型的第四实施例，其与第一实施例的区别在于，帆板组 件、连杆和转动机构分别为两组；转动机构共用一个第二伞齿轮108，并且转动机构的第四 伞齿轮111均匀分布设置在第二伞齿轮108的圆周上。通过增加帆板组件来充分利用风力， 提高效率。可以理解的，帆板组件、连杆和转动机构的数量还可以增加，对应转动机构共用
8一个第二伞齿轮108，并且转动机构的第四伞齿轮111均匀分布设置在第二伞齿轮108的 圆周上即可。并且，在相邻的两根连杆的中间位置、或者相邻的转轴102的中间位置还可以 连接有加固绳索或链索H5，如图7所示，是三个组帆板组件的情况下，加固绳索或链索115 的连接情况。 如图8所示，是应用行星垂直轴风力机的水平串式垂直轴风力发电系统的示意 图。该系统包括至少两个分开设置的塔架401、至少在其中一个塔架401上安装的至少一组 发电组件402、以及水平串接在塔架401之间的至少两个行星垂直轴风力机。该行星垂直轴 风力机可以选用上述实施例中的任一种。 该发电组件402包括动力输入轴404 ;每一行星垂直轴风力机的输出轴404与地 面基本平行，并且帆板组件沿输出轴404的轴线方向设置在输出轴404外围。动力输入轴 404与输出轴404之间、相邻输出轴404之间通过联轴组件405连接。该联轴组件405可选 用挠性联轴器(如万向节联轴器)；也可以选用其他的联轴器，如刚性联轴器、或其他无弹 性元件的挠性联轴器、或其他有弹性元件的挠性联轴器等，来补偿由于各个行星垂直轴风 力机受到的重力、气流方向等的不一致而导致的角偏移。并且，行星垂直轴风力机的第二伞 齿轮可以使用各种固定结构来固定，使得第二伞齿轮相对于输出轴404是固定的，以实现 受风件的受风角度的调整。 通过在两个塔架401之间水平串联的垂直风机大大增加了受风面积，由于提高了 受风高度，发电效率也得到提高，启动风速低可自启动，从而在相同的投资下可以发出更多 的电能，具有高效、成本低的优点。
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权利要求一种行星垂直轴风力机，其特征在于，包括输出轴、帆板组件、连杆、以及转动机构；所述帆板组件包括与所述输出轴平行设置的转轴、以及固定安装在所述转轴上的受风件；所述连杆的一端与所述帆板组件连接并由所述帆板组件推动旋转，所述连杆的另一端与所述输出轴固定连接，并由所述连杆推动所述输出轴转动；所述转动机构包括固定安装在所述转轴上的第一伞齿轮、套设在所述输出轴上的第二伞齿轮、与所述连杆同步旋转的传动杆、以及在所述传动杆两端设置分别与所述第一伞齿轮和第二伞齿轮啮合的第三伞齿轮和第四伞齿轮。
2. 根据权利要求1所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述行星垂直轴风力机还 包括带动所述第二伞齿轮转动并定位的对风装置。
3. 根据权利要求1所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述转动机构还包括可转 动地安装在所述转轴上的至少一个第一支架、以及固定安装在所述输出轴上的至少一个第 二支架；所述连杆与所述第一支架和第二支架固定连接。
4. 根据权利要求3所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述第一支架为一个，并可 转动地安装在所述转轴的上端；所述第二支架为一个，并固定安装在所述输出轴的上端；所述连杆包括与所述第一支架和第二支架固定连接的第一连杆、以及与所述第一连杆 分开设置的第二连杆；所述转轴的下端通过轴承转动安装在所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端与 所述输出轴的下端固定连接。
5. 根据权利要求3所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述第一支架、第二支架和 连杆均为中空结构；所述第一伞齿轮和第三伞齿轮可转动插入安装在所述第一支架上，并且所述第一伞齿 轮和第三伞齿轮的啮合部分设置在所述第一支架内；所述第二伞齿轮和第四伞齿轮可转动插入安装在所述第二支架上，并且所述第二伞齿 轮和第四伞齿轮的啮合部分设置在所述第二支架内；所述传动杆设置在所述连杆内，固定连接所述第三伞齿路和第四伞齿轮。
6. 根据权利要求3所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述第一支架为两个，并分 别可转动地安装在所述转轴的上端和下端；所述第二支架为两个，并分别固定安装在输出 轴的上端和下端；并且所述第一连杆也为两个，分别连接在上端的所述第一支架和第二支 架之间、和下端的所述第一支架和第二支架之间。
7. 根据权利要求6所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述转轴包括分开同轴设 置的第一转轴和第二转轴；在所述第一转轴和第二转轴相对的一端分别设有水平的第一支 撑杆和第二支撑杆；所述受风件为柔性受风件；所述柔性受风件的上下两端分别固定安装在所述第一支撑 杆和第二支撑杆上。
8. 根据权利要求1所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述帆板组件、连杆和转动 机构分别为至少两组；所述转动机构共用一个所述第二伞齿轮，并且所述转动机构的第三 伞齿轮均匀分布设置在所述第二伞齿轮的圆周上。
9. 根据权利要求l-8任一项所述的行星垂直轴风力机，其特征在于，所述第一伞齿轮和第三伞齿轮的传动比为2 : 1 ;所述第二伞齿轮和第四伞齿轮的传动比为l : l;或者，所述第一伞齿轮和第三伞齿轮的传动比为i : i;所述第二伞齿轮和第四伞齿轮的传动比为`2 ! 1。
10. —种水平串式垂直轴风力发电系统，其特征在于，包括至少两个分开设置的塔架、至少在其中一个所述塔架上安装的至少一组发电组件、以及水平串接在所述塔架之间的至少两个行星垂直轴风力机；每一行星垂直轴风力机，包括输出轴、帆板组件、连杆、以及转动机构；所述帆板组件包括与所述输出轴平行设置的转轴、以及固定安装在所述转轴上的受风件；所述连杆的一端与所述帆板组件连接并由所述帆板组件推动旋转，所述连杆的另一端 与所述输出轴固定连接，并由所述连杆推动所述输出轴转动；所述转动机构包括固定安装在所述转轴上的第一伞齿轮、套设在所述输出轴上的第二 伞齿轮、与所述连杆同步旋转的传动杆、以及在所述传动杆两端设置分别与所述第一伞齿 轮和第二伞齿轮啮合的第三伞齿轮和第四伞齿轮；所述发电组件包括动力输入轴；每一所述行星垂直轴风力机的输出轴与地面基本平 行，并且所述帆板组件沿所述输出轴的轴线方向设置在所述输出轴外围；所述动力输入轴与所述输出轴之间、相邻所述输出轴之间通过联轴组件连接。
专利摘要本实用新型涉及行星垂直轴风力机及使用该行星垂直轴风力机的水平串式垂直轴风力发电系统。该行星垂直轴风力机包括输出轴、帆板组件、连杆、以及转动机构等。通过连杆推动输出轴旋转，同时传动杆随同连杆同步旋转，进而带动第四伞齿轮绕第二伞齿轮转动，带动传动杆转动，进而带动传动杆另一端的第三伞齿轮转动，进一步的带动第一伞齿轮转动，从而由第一伞齿轮带动转轴转动一定角度，从而实现了在帆板组件受风转动的过程中，带动帆板组件转动一定角度，实现对风的自动调整，使得帆板始终保持在同一方向推动输出轴转动，消除了阻力的影响，大大提高了输出效率。
文档编号F03D9/00GK201546893SQ200920133508
公开日2010年8月11日 申请日期2009年7月3日 优先权日2009年7月3日
发明者李世展 申请人:李世展;刘海平;郭德建