专利名称：具有可调迎风面积叶片的风力机及应用的制作方法
技术领域：
本发明公开一种具有可调迎风面积叶片的风力机及应用，属于风力发电机领域。
背景技术：
风能作为一种清洁可再生的能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球 的风能约为2. 74X IO9MW,其中可利用的风能为2X IO7MW,比地球上可开发利用的水能总量 还要大10倍，但是风能的利用率却不高，因此怎样有效充分地利用风能一直是人们所探究 的问题。以风力发电为例，国内外传统的风能的采集与使用都局限于贝茨(Betz)理论，其 风能利用系数的最大值为0. 593。2004年，印度研究员做出了风能利用系数达到0. 89的最 大值报告。但是，无论风能利用系数是0.593还是0.89，我们不得不承认将采集到的风能 转换成电能过程中存在巨大耗损，使得最后产生的电力远不足原来风能的1/4。现在所使用的风力发电机的风力采集设备以三个叶片为主，风轮直径都在数百英 尺以上。巨大的结构及装备，无论是设备成本、安装和维修的造价都十分昂贵。现有的风力发电机还存在以下技术不足1)以上所述的风力发电机所适用的风场的风速必须大于6m/s才能投产发电，适 用地区受到限制，使得具有稳定低风速的地区不能利用风力发电。2)以上所述的风力发电机由于叶片尺寸巨大，其受到的推力也十分巨大，因此轴 承损坏与更换频率大大提高，这也是现有风力发电技术所共同面对的难题。3)以上所述的风力发电机的叶片的迎风面积是一定的，一部分叶片处于迎风、准 迎风状态，另一部分叶片则处于逆风和半逆风状态，这样会抵消部分力矩，从而降低发电机 的发电效率。4)单位时间内，理想状态下风轮叶片A所能采集的风能为PA，PA = 1/2 P XAXV3,其中，P为空气密度(单位kg/m3)，A为风轮叶片扫掠面积(单位m2)，V为风速， (单位:m/s)。由于风轮在风场中受到风速及风向波动的影响，使风力机输出的可用功率进一步 减少。考虑到此因素，风力机的实际采集有效风能为ΡΑ(|)，PA(有)=1/2 P XAXV3XCpX η，其中η表示系统效率，一般η为0.7，Cp表示风能利用系数，最大值为0. 593， CpmaxX n = 0. 593X0. 7 0. 42，因此，真正从风力机所获得的功率很少超过风轮叶片采 集风能的40%。针对风轮叶片不能随风调整迎风面积的技术缺陷，中国专利CN101225796A公开 了可以调节迎风面积的叶片，每个风叶本体(相当于本发明中所述的叶片)是由两个相互 铰链的叶片(相当于本发明中所述的折叠叶片)组成，铰链叶片的迎风面采用弹簧将两个 叶片相连，目的在于，当风叶本体不迎风时，两个叶片可以在弹簧的弹力作用下闭合，减少阻力。该专利的不足在于，整个风叶本体的张开是需要风能驱动的，因此难免会消耗部分风 能；其次整个风叶本体的张开时间也只是在风向与风叶本体完全垂直时才能完全张开，时 间相对较短，采集风能的效率比较低。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明公开一种能适用低风速地区、采集风能效率高的 具有可调迎风面积叶片的风力机，本发明还公开一种利用该风力机进行风力发电的方法。本发明的技术方案如下一种具有可调迎风面积叶片的风力机，包括塔架、水平轴和风轮，其中两个塔架之 间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与塔架相连；水平轴两端分别设有力矩盘，水平轴上设 有风轮；风轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，所述的叶片 包括两个折叠叶片、收展控制杆、联动杆、联动轴和配重块，其中在叶柄远离水平轴的端部 两侧对称设有折叠叶片，联动轴平行于叶柄；折叠叶片上设有骨架，两个联动杆的一端分 别通过轴承与联动轴垂直连接，另一端分别与两个折叠叶片上的与叶柄平行的骨架轴承连 接；收展控制杆的一端与联动轴垂直固定连接，在叶柄远离水平轴的末端设置一个轴向与 叶柄垂直的筒套，收展控制杆贯穿设置在筒套中，收展控制杆的另一端与配重块固定连接。 本发明的风力机采用了可调迎风面积的叶片，叶片根据整个风轮的旋转角度的不同展开或 闭合，使叶片的迎风面积可随风轮的转动而改变例如当叶片旋转的角度处于迎风时，叶片 开展至最大，此时叶片处于完全采集风能阶段；当叶片旋转的角度处于逆风时，叶片闭合至 最小，此时叶片处于不完全采集风能阶段，同时也减小了逆向所产生的阻力，增加了风能的 利用率。所述的水平轴上设置3 5组风轮，所述的风轮设有3 7个叶片，每组风轮设置 的叶片数量均相同。所述的折叠叶片的材料为碳纤维布。所述风轮组数为3组，每组风轮均设有5个叶片，同组风轮的相邻两叶柄的夹角度 数为72度，相邻两风轮的叶柄的夹角度数24度。优选3组风轮，使得水平轴的长度适中，确 保水平轴在刚性范围内正常工作；每组风轮均设有5个叶片利于轴系平衡。相邻两风轮的 叶柄的夹角度数24度，从风力机的侧面可以看出，整个风轮的360度被15个叶柄所均分， 使风力机的采集风的密度增加，采集均勻，确保轴系的平衡稳定。实验表明，在水平轴上设置3组风轮，每组风轮设置5个叶片，共15个角度相错设 置的叶柄和叶片，其产生的力矩比一个风轮设置15个叶柄和叶片的情况均勻，风能利用率 高，也更加稳定。所述水平轴长3 5米，所述的力矩盘的直径为25-40cm。所述叶柄的长度为2 3米。所述折叠叶片长1 1. 2米，宽0. 2 0. 4米。所述的3组风轮，位于中间一组风轮中配重块分别重0. 8kg，位于两侧的两组风轮 中配重块分别重1. 5kg。在风轮边缘增加配重块的目的在于使本发明在低风速时能产生 最大的力矩，以维持正常转动；其次，利用重力，使配重块牵拉收展控制杆控制叶片的自动 张合。
所述的两个塔架下共同设有一个旋转底座，包括圆形导轨、连接杆、固定杆、动力 连接杆和中心圆盘，4条连接杆与中心圆盘的边缘固定连接，呈散射状，连接杆的一端与中 心圆盘的边缘相连，连接杆的另一端设有导轮；相邻连接杆的导轮端之间设有固定杆；中 心圆盘上设有动力连接杆，动力连接杆的一端设有导轮，另一端设有动力导轮；所述的导轮 和动力导轮分别与导轨活动连接；所述的中心圆盘设有风向仪。风向仪根据风向控制动 力导轮转动，从而带动中心圆盘、动力连接杆、连接杆和固定杆组成的圆形低架在导轨上转 动，直到将风向和风轮叶片的位置调节为垂直为止；连接杆的作用在于，与中心圆盘、动力 连接杆和固定杆形成圆形架体，保证形成的圆形架体能够在导轨上转动；固定杆的作用在 于，加固连接杆，增加旋转底座的承重；动力连接杆的作用在于，为圆形架体的旋转提供动 力源。所述的导轮包括导轮盖、轴和转轮，其中轴横穿转轮设置在导轮盖内。转轮可以在 导轨的上表面转动。所述的动力导轮包括导轮盖、轴、转轮，在导轮盖上固定设有电机，电机上的电机 齿轮与联动齿轮齿轮连接，动力导轮的轴横穿转轮和联动齿轮，转轮设置在导轮盖中，联动 齿轮设置在导轮盖外侧；在导轮盖内还设置有固定轮，导轨的上部被夹在转轮和固定轮之 间。电机带动电机齿轮转动，电机齿轮转动带动联动齿轮转动，联动齿轮通过轴带动转轮转 动，进而带动中心圆盘、动力连接杆、连接杆和固定杆组成的圆形低架在导轨上转动；固定 轮的作用在于，保证转轮在导轨上正常转动，避免出现脱轨等现象的发生。采用了旋转底座，使得风力机在无人操作的情况下即可根据风向自动调节风轮的 位置，使得风轮的叶片处于采集风力的最佳位置。利用以上的风力机采集风能进行发电的方法，步骤如下1)当风向速度大于等于2m/s时，风力机的风轮开始转动；2)风轮的叶片由0度旋转至90度时，叶片的张开角度最大；风轮的叶片由90度旋 转至180度时，叶片逐渐闭合，在180度时，叶片完全闭合；风轮的叶片由180度旋转至270 度时，叶片呈闭合状态；风轮的叶片由270度旋转至0度时，叶片逐渐张开，在0度时，叶片 张开角度最大；3)风轮通过水平轴带动力矩盘旋转，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机 组进行发电。优选的，步骤1)所述的风速范围是2m/s 40m/s，风轮的转速为6 7转/min。优选的，步骤2)所述叶片的张开角度最大为135度。本发明的优势在于1)本发明的风力机适用于稳定低风速的地区，风场的最低风速为2m/s时即可进 行发电。2)本发明的风力机的设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，经济 适用。3)本发明应用在风能采集时，通过机械方式控制叶片面积随风轮的转动而改变， 以减少运转时的阻力，使风能的利用率达80%以上。4)本发明还采用了旋转底座，使得风力机在无人操作的情况下即可根据风向自动 调节风轮的位置，使得风轮的叶片处于采集风力的最佳位置。
图1是风力机的主视图；图2是风轮叶片的张、合示意图；图3是风力机的单组风轮的立体示意图；图4是风力机的可调迎风面积叶片的结构示意图，其中实线部分为叶片完全张开 的状态，虚线部分为叶片完全闭合状态；图5是图4实线部分的右视图；图6是旋转底座的结构示意图；图7是导轮的结构示意图；图8是动力导轮的结构示意图。在图1-8中1、塔架；2、水平轴；3、风轮；4、力矩盘；5、叶柄；6、折叠叶片；7、收展 控制杆；8、联动杆；9、联动轴；10、配重块；11、骨架；12、轴承；13、套筒；14、风向；15、导轨； 16、导轮；17、中心圆盘；18、连接杆；19、固定杆；20、动力连接杆；21、电机；22、电机齿轮； 23、联动齿轮；24、轴；25、导轮盖；26、转轮；27、固定轮；28、动力导轮。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例1、一种具有可调迎风面积叶片的风力机，结构如图1-8所示，包括塔架1、水平轴2和 风轮3，其中两个塔架1之间水平设置水平轴2，水平轴2通过轴承12与塔架1相连；水平 轴2两端分别设有力矩盘4，水平轴2上设有风轮3 ；风轮3包括叶柄5和叶片，叶片通过叶 柄5与水平轴2固定连接；所述的叶片包括两个折叠叶片6、收展控制杆7、联动杆8、联动 轴9和配重块10，其中在叶柄远离水平轴的端部两侧对称设有折叠叶片6，联动轴9平行于 叶柄5 ；折叠叶片6上设有骨架11，两个联动杆8的一端分别通过轴承12与联动轴9垂直 连接，另一端分别与两个折叠叶片6上的与叶柄5平行的骨架11轴承连接；收展控制杆7 的一端与联动轴9垂直固定连接，在叶柄5远离水平轴的末端设置一个轴向与叶柄5垂直 的筒套13，收展控制杆7贯穿设置在筒套13中，收展控制杆7的另一端与配重块10固定连 接。所述的折叠叶片6的材料为碳纤维布。在水平轴2上设置3组风轮3，所述的风轮3均设有5个叶片。同组风轮3的相邻两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两风轮3的叶柄5的夹角度 数24度。从风力机的侧面可以看出，整个风轮3的360度被15个叶柄5所均分，因此在图 2中θ角的度数为24度。所述水平轴2长3米，所述的力矩盘4的直径为30cm。所述叶柄5的长度为2米。所述折叠叶片6长1米，宽0. 3米。所述的3组风轮中位于中间一组风轮中配重块分别重0. 8kg，位于两侧的两组风 轮中配重块分别重1. 5kg。根据风轮的旋转，叶片自动张合并采集风能的过程
当叶片由270度旋转至0度时，叶片的状态是由图4的虚线部分到实线部分的转 变过程当叶片逆时针旋转至0度时，配重块10因重力向叶片闭合的方向运动，随即带动收 展控制杆7向叶片闭合的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收 展控制杆7推离叶片，同时两个联动杆8之间的夹角变大，即叶片逐渐张开至最大张角；当叶片由0度旋转至90度时，叶片的状态是图4、5的实线部分配重块10因重力 的作用停滞在离叶片最近的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展 控制杆7推离并停滞在离叶片最远的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最大，即叶片保持 最大张角；当叶片由90度旋转至180度时，叶片的状态是由图4的实线部分到虚线部分的转 变过程当叶片逆时针旋转至180度时，配重块10因重力向叶片展开的方向运动，随即带动 收展控制杆7向叶片展开的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被 收展控制杆7向叶片方向拉近，同时两个联动杆8之间的夹角变小，即叶片逐渐闭合至最小 角；当叶片由180度旋转至270度时，叶片的状态是图4的虚线部分配重块10因重 力的作用停滞在离叶片最远的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收 展控制杆拉近并停滞在离叶片最近的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最小，即叶片保
持最小角。为了使风轮的叶片自动处于采集风力的最佳位置，在两个塔架1下共同设有一个 旋转底座，它包括圆形导轨15、连接杆18、固定杆19、动力连接杆20和中心圆盘17，4条连 接杆18与中心圆盘17的边缘固定连接，呈散射状，连接杆18的一端与中心圆盘17的边缘 相连，连接杆18的另一端设有导轮15 ；相邻连接杆18的导轮端之间设有固定杆19 ；中心圆 盘17上设有动力连接杆20，动力连接杆20的一端设有导轮16，另一端设有动力导轮28 ； 所述的导轮16和动力导轮28分别与导轨15活动连接；所述的中心圆盘17设有风向仪。所述的导轮16包括导轮盖25、轴24和转轮26，其中轴24横穿转轮26设置在导 轮盖25内。转轮26可以在导轨15的上表面转动。所述的动力导轮28包括导轮盖25、轴24、转轮26，在导轮盖25上固定设有电机 21，电机21上的电机齿轮22与联动齿轮23齿轮连接，动力导轮28的轴24横穿转轮26和 联动齿轮23，转轮26设置在导轮盖25中，联动齿轮23设置在导轮盖25外侧；在导轮盖25 内还设置有固定轮27，导轨16的上部被夹在转轮26和固定轮27之间。所述的架体可以用 焊接的方式与旋转底座上的连接杆、固定杆、中心圆盘或动力杆连接。实施例2、利用实施例1所述的风力机采集风能进行发电的方法，步骤如下1)当风向速度大于等于2m/s时，风力机的风轮3开始转动；2)风轮3的叶片由0度旋转至90度时，叶片的张开角度最大；风轮的叶片由90 度旋转至180度时，叶片逐渐闭合，在180度时，叶片完全闭合；风轮的叶片由180度旋转至 270度时，叶片呈闭合状态；风轮的叶片由270度旋转至0度时，叶片逐渐张开，在0度时， 叶片张开角度最大；3)风轮3通过水平轴2带动力矩盘4旋转，力矩盘4与低速永磁发电机相连，带动 发电机组进行发电。
步骤2)所述的风速范围是2m/s 40m/s，风轮的转速为6 7转/min。步骤3)所述叶片的张开角度最大为135度。实施例3、如实施例1所述的风力机，区别在于在水平轴2上设置5组风轮3，所述的风轮3均设有5个叶片。同组风轮3的相邻 两叶柄5的夹角度数为72度，相邻两风轮3的叶柄5的夹角度数14. 4度。从风力机的侧面可以看出，整个风轮的360度被25个叶柄6所均分，因此θ角的 度数为14. 4度。
权利要求
一种具有可调迎风面积叶片的风力机，包括塔架、水平轴和风轮，其中两个塔架之间水平设置水平轴，水平轴通过轴承与塔架相连；水平轴两端分别设有力矩盘，水平轴上设有风轮；风轮包括叶柄和叶片，叶片通过叶柄与水平轴固定连接，其特征在于，所述的叶片包括两个折叠叶片、收展控制杆、联动杆、联动轴和配重块，在叶柄远离水平轴的端部两侧对称设有折叠叶片，联动轴平行于叶柄；折叠叶片上设有骨架，两个联动杆的一端分别通过轴承与联动轴垂直连接，另一端分别与两个折叠叶片上的与叶柄平行的骨架轴承连接；收展控制杆的一端与联动轴垂直固定连接，在叶柄远离水平轴的末端设置一个轴向与叶柄垂直的筒套，收展控制杆贯穿设置在筒套中，收展控制杆的另一端与配重块固定连接。
2.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述的水平轴上设置3 5组风轮，所 述的风轮设有3 7个叶片，每组风轮设置的叶片数量均相同。
3.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述的折叠叶片的材料为碳纤维布。
4.根据权利要求2所述的风力机，其特征在于，所述风轮组数为3组，每组风轮均设有 5个叶片，同组风轮的相邻两叶柄的夹角度数为72度，相邻两风轮的叶柄的夹角度数24度。
5.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述水平轴长3 5米，所述的力矩盘 的直径为25-40cm ；所述叶柄的长度为2 3米；所述折叠叶片长1 1. 2米，宽0. 2 0. 4 米。
6.根据权利要求4所述的风力机，其特征在于，所述的3组风轮，位于中间一组风轮中 配重块分别重0. 8kg，位于两侧的两组风轮中配重块分别重1. 5kg。
7.根据权利要求1所述的风力机，其特征在于，所述的两个塔架下共同设有一个旋转 底座，包括圆形导轨、连接杆、固定杆、动力连接杆和中心圆盘，4条连接杆与中心圆盘的边 缘固定连接，呈散射状，连接杆的一端与中心圆盘的边缘相连，连接杆的另一端设有导轮; 相邻连接杆的导轮端之间设有固定杆；中心圆盘上设有动力连接杆，动力连接杆的一端设 有导轮，另一端设有动力导轮；所述的导轮和动力导轮分别与导轨活动连接；所述的中心 圆盘设有风向仪；优选的，所述的导轮包括导轮盖、轴和转轮，其中轴横穿转轮设置在导轮盖内。转轮可 以在导轨的上表面转动；优选的，所述的动力导轮包括导轮盖、轴、转轮，在导轮盖上固定设有电机，电机上的电 机齿轮与联动齿轮齿轮连接，动力导轮的轴横穿转轮和联动齿轮，转轮设置在导轮盖中，联 动齿轮设置在导轮盖外侧；在导轮盖内还设置有固定轮，导轨的上部被夹在转轮和固定轮 之间。
8.利用权利要求1所述的风力机采集风能进行发电的方法，步骤如下1)当风向速度大于等于2m/s时，风力机的风轮开始转动；2)风轮的叶片由0度旋转至90度时，叶片的张开角度最大；风轮的叶片由90度旋转 至180度时，叶片逐渐闭合，在180度时，叶片完全闭合；风轮的叶片由180度旋转至270度 时，叶片呈闭合状态；风轮的叶片由270度旋转至0度时，叶片逐渐张开，在0度时，叶片张 开角度最大；3)风轮通过水平轴带动力矩盘旋转，力矩盘与低速永磁发电机相连，带动发电机组进 行发电。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的风速范围是2m/s 40m/s，风轮的转速为6 7转/min。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2)所述叶片的张开角度最大为135度。
全文摘要
本发明公开一种具有可调迎风面积叶片的风力机及应用。风力机包括塔架、水平轴和风轮，其中两个塔架之间水平设置水平轴；水平轴两端分别设有力矩盘，水平轴上设有风轮；风轮上设置有可调迎风面积叶片；风轮的叶片根据整个风轮的旋转角度的不同展开或闭合，使叶片的迎风面积可随风轮的转动而改变，充分有效地采集风能。本发明设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，适用于低风速地区，而且风能的利用率达到80％。
文档编号F03D3/06GK101963128SQ201010271398
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月3日 优先权日2010年9月3日
发明者许士泉, 许盟来 申请人:许士泉