技术领域本发明涉及风力发电、风力气动、风力热电领域，具体而言，涉及一种伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机。
背景技术：
风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。风力发电利用的是自然能源，但自然风的风向随时在变化，现有的风力发电机采用偏航变桨距装置根据风向来调整风桨迎风的方向，变桨距改变迎风强度。但由于风向、风力的频繁变化，偏航变桨距装置一直在工作。由于偏航变桨距装置内含有多个电气元件，持续的工作会使偏航变桨距装置内部的控制器、传感器等发生故障或逻辑崩溃导致风叶无法转向，从而使风力发电机不能发电。风桨工作态为迎风，发电机风塔在后，强风风桨尖端负荷只能按最小值设计，否则风桨会撞到风塔导致损坏，桨尖负荷不能做大。浪费了大量的风力资源的同时还增加了很大的维修成本。因此为解决现有风力发电机偏航变桨距装置结构复杂、维修成本高、寻风滞后性大，风叶工作震荡大、微风效率低、强风易损坏等问题，有必要提供一种结构简单、工作可靠、低能耗高转化率，并且可以自动寻风的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机，或选配空压机。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种省去了复杂的偏航变桨距装置，采用单纯的机械结构，使风力发电系统可靠性更高、能耗更低，而且风向响应能力好、速度快，转向平稳、连续，采用风力发电机置于塔底的风能利用系统，并且可以自动寻风的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机。为解决上述技术问题，本发明采用的第一个技术方案是：一种伞形分布自寻风风叶，包括转动轴和风桨，所述风桨的数量为至少四个，所述风桨圆周均匀设于所述转动轴上，每一所述风桨与所述转动轴轴线的夹角为锐角，所述风桨圆周形成伞形结构。进一步，所述伞形分布自寻风风叶还包括连接件，所述风桨的一个端部通过所述连接件与所述转动轴连接，所述风桨可绕着所述连接件沿着所述转动轴的轴向转动。进一步，所述伞形分布自寻风风叶还包括风叶集联轴器，所述风桨通过所述风叶集联轴器连接于所述转动轴。风桨通过风桨集联轴器集中连接到转动轴上，然后使转动轴带动着风桨转动。进一步，所述伞形分布自寻风风叶还包括弹性连接件，所述弹性连接件设于每一所述风叶与所述连接件之间，所述弹性连接件的一端与所述风叶相连并可以相互转动，所述弹性连接件的另一端与所述连接件相连并可以相互转动。进一步，所述弹性件为弹簧阻尼器。进一步，每个所述风叶与转动轴轴线的夹角为15°～85°。为解决上述技术问题，本发明采用的第二个技术方案是：一种自寻风风力发电机，其包括动力转化装置和风塔，所述动力转化装置设于所述风塔之上，所述动力转化装置可绕着所述风塔的轴向转动；所述自寻风风力发电机还包括伞形分布自寻风风叶，所述伞形分布自寻风风叶包括转动轴和风桨，所述风桨的数量为至少四个，所述风桨圆周均匀设于所述转动轴上，每一所述风桨与所述转动轴轴线的夹角为锐角，所述风桨圆周形成伞形结构；所述伞形分布自寻风风叶通过所述转动轴与所述动力转化装置相连。进一步，所述伞形分布自寻风风叶还包括连接件，所述风桨的一个端部通过所述连接件与所述转动轴连接，所述风桨可绕着所述连接件沿着所述转动轴的轴向转动。进一步，所述伞形分布自寻风风叶还包括弹性连接件，所述弹性连接件设于每一所述风叶与所述连接件之间，所述弹性连接件的一端与所述风叶相连并可以相互转动，所述弹性连接件的另一端与所述连接件相连并可以相互转动。进一步，所述动力转化装置延伸于所述风塔的底部。动力转化装置由锥齿轮换向，再通过加长扭矩轴传动，将电机设于风塔的底部，降低了动力转化装置的重心，同时还降低了对风塔的强度要求，动力转化装置的核心部件的维护与检修更加简便。动力转化装置可以为电机或气泵。小型的风力发电机采用电机，电机接蓄电池，通过风叶直接带动电机转动，通过电机对蓄电池充电储能。中型风力发电机除直接带发电机给蓄电池充电以外，还可以直接驱动气泵等以其他的方式储能，如压缩空气储能。大型及超大型的风力发电机，通过加长扭矩轴和锥齿轮转接，将气泵置于风塔底部，再接储气罐，通过风叶带动气泵，将空气压缩储存于储气罐中。本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机的风桨圆周均匀设于转动轴上，每一风桨与转动轴的轴线成锐角，风桨圆周形成伞形结构，该结构可以实现伞形分布自寻风风叶的自寻风功能，转动轴连接在动力转化装置上，动力转化装置相对风塔转动，无需采用偏航变桨距装置。伞形分布自寻风风叶省去了复杂的偏航变桨距装置，采用单纯的机械结构，使风力发电系统可靠性更高、能耗更低，而且风向响应能力好、速度快、转向平稳、抗强风、弱风能力强，是一种结构简单、工作可靠、低能耗高转化率，并且可以自动寻风的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机。为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1示出了本发明实施例所提供的一种自寻风风力发电机的结构示意图；图2示出了本发明实施例所提供的一种自寻风风力发电机的侧面剖视示意图；图3示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶的俯视图；图4示出了本发明实施例所提供的一种自寻风风力发电机的阻尼器的结构示意图；图5示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶受风力作用收起的示意图；图6示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶正面受0°～90°风的受力分析图；图7示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶正面受90°～180°风的受力分析图；图8示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶背面受180°～270°风的受力分析图；图9示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶背面受270°～360°风的受力分析图。主要元件符号说明：100-伞形分布自寻风风叶；200-自寻风风力发电机；10-风桨；20-动力转化装置；21-转动轴；22-连接件；23-第一锥齿轮；24-第二锥齿轮；25-转子；26-定子；27-电机；30-阻尼器；31-第一端部；32-第二端部；33-活塞杆；34-阻尼缸；35-活塞；36、37-弹簧；40-风塔；50-风叶集联轴器；60-转动轴。具体实施方式为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机进行更全面的描述。附图中给出了伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机的优选实施例。但是，伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对伞形分布自寻风风叶的公开内容更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。实施例本发明的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机，对风叶的结构进行改进，不使用偏航变桨距装置即可实现自寻风功能。使风叶的风桨与转动轴的夹角始终成锐角，利用风桨受力不均匀的原理，使风桨随着风向转动，直到各个风桨的受力平衡时，伞形分布自寻风风叶停止转动。又由于传统采用偏航变桨距装置的风叶在改变方向时，一次只会偏转几度，且控制系统的反应有一定的延时，导致风叶的寻风速度较慢，反应的滞后性很大。伞形分布自寻风风叶采用单纯的机械结构，可以随时根据风向的变化做出调整，转向没有时间上的延时，以及转向连续，没有传统风叶的阶跃变化时的震荡。请一并参阅图1、图2和图3，伞形分布自寻风风叶100呈伞状，伞形分布自寻风风叶100连接在动力转化装置20的转动轴21上。动力转化装置20设于风塔40之上，动力转化装置20绕着风塔40的轴向转动。风向发生变化时，伞形分布自寻风风叶100的各个风桨10受力不均匀，从而使伞形分布自寻风风叶100产生偏转，直到各个风桨10受力达到平衡时，伞形分布自寻风风叶100停止偏转，达到自动寻风的效果。伞形分布自寻风风叶100包括转动轴21和风桨10。风桨10整体呈平直的薄板状，局部带有螺旋曲面，使风桨10的流体导向性能更好。可根据不同环境情况选用不同大小的风桨10，如在风力比较强劲的海边或高原地带的大型风力发电机上选用长而窄的局部带有螺旋曲面的薄板状风桨10。因为在风力比较强劲的情况下，较大的风桨10惯性较大，采用较窄的风桨10可以使风桨10的转速达到相对较高的水平，减少风桨10自身所造成的能量损失，所以选用较窄的风桨10。如在风力较小的路边等地带的风力发电机上选用短而宽的局部带有螺旋曲面的薄板状风桨10。因为风速较小时，风桨10的受力面积越大，风速的转换率越高，增大风力的受力面积，可以在微风情况下做到极值发电，所以选用较宽的风桨10。风桨10的材料选用抗弯曲变形能力较大的材料，且与发电机功率、风桨10投影面积相匹配的材料，即采用弹性模量较高的材料，以减小风桨10受力时的挠度，本实施例选用不锈钢，在其他实施例中还可以选用其他弹性模量较高的复合材料、合金材料等。伞形分布自寻风风叶100包括至少四片风桨10，本实施例包括四片风桨10。风桨10圆周均匀的分布于转动轴21上，风桨10的一个端部通过连接件22与转动轴21连接。所有风桨10可以通过一个连接件22与转动轴21连接，也可每个风桨10各自通过一个连接件22与转动轴21连接，本实施例为四个风桨10通过一个连接件22与转动轴21连接。风桨10通过连接件22汇集于风叶集联轴器50上，风叶集联轴器50与转动轴21相连。每个风桨10与转动轴21的轴线夹角呈锐角，且风桨10绕着转动轴21圆周呈伞状，即为圆锥形。风桨10可绕着连接件22转动，其转动方向为伞形体底面的径向，该结构类似于雨伞收起时辐条的转动方向。转动轴21要尽可能的短，以保持伞形自寻风风叶100的转动稳定性以及转动轴21自身的强度。伞形分布自寻风风叶100还包括弹性连接件30，弹性连接件30设于每一风桨10与连接件22之间。弹性连接件30可以采用弹簧、弹片和阻尼器等，可根据伞形分布自寻风风叶100的应用环境选用不同的弹性连接件30，风力较大的选用阻尼器，风力适中的可选用弹簧，风力较小的可不采用弹性连接件30，单靠风桨10自身的弹性来吸收震荡即可。本实施例中的弹性连接件30为弹簧阻尼器。如图4所示，弹性连接件30包括活塞杆33、阻尼缸34、活塞35和弹簧36、37。活塞杆33的一端为活塞35，另一端连接弹性连接件30的第一端部31，即活塞杆33一端为带有大于活塞杆33直径的圆柱体，第一端部31带有连接轴承。阻尼缸34为带有圆柱形空腔的缸体，活塞杆33设于阻尼缸34之内，活塞杆33可以在阻尼缸34内腔移动。阻尼缸34端部的开口大于活塞杆33及小于活塞35的横截面积，即活塞35不能从阻尼缸34内腔中脱离出来，阻尼缸34的另一端亦带有连接轴承，即为弹性连接件30的第二端部32。阻尼缸34的无杆腔和有杆腔内分别设有弹簧36、37，弹簧37套在活塞杆33上。弹簧36、37的两端分别与活塞35和阻尼缸34内腔相连。弹性连接件30一端与风桨10相连并可以相互转动，弹性连接件30另一端与连接件22相连并可以相互转动，即第一端部31与风桨10连接且可以相互转动、第二端部32与连接件22连接且可以相互转动；或者第一端部31与连接件22连接且可以相互转动，第二端部32与风桨10连接且可以相互转动。本实施例第一端部31与风桨10连接，第二端部32与连接件22连接。当风桨10与转动轴21轴线夹角的角度变大时，拉伸弹簧36，压缩弹簧37；当风桨10与转动轴21轴线夹角的角度变小时，压缩弹簧36，拉伸弹簧37。因为弹簧36、37的变形是一个连续的过程，且在变形的过程中可以吸收风桨10的震荡，使风桨10与转动轴21轴线夹角的变化更稳定，更连续。每个风桨10与转动轴21轴线夹角为15°～85°。弹性连接件30还起到了对风桨10与转动轴21轴线夹角的限位作用，使每个风桨10与转动轴21轴线夹角的变化保持在15°～85°。防止伞形分布自寻风风叶100受到背向大风时，风桨10与转动轴21轴线夹角过小，甚至为0，此时风桨10的有效作用面积过小甚至为0，丧失动力转换的能力，即风叶10不再随风转动。图5示出了本发明实施例所提供的一种伞形分布自寻风风叶受风力作用收起的示意图。风桨10与转动轴21轴线的夹角于零风力时为初始角度85°，风桨10的受力投影面积最大，有最高的效率。风力渐强风桨10与转动轴21轴线的夹角变小，风桨投影面积减小，风能的转化率减小，风力超大时，风桨10与转动轴21轴线的夹角达到最小15°，此时风桨10的受力投影面积也最小，风能的转化率最低。风桨10也转动轴21轴线的夹角随着风力的变化而减小，不同的风力时达到稳态的夹角不同。本发明的伞形分布自寻风风叶100能实现较大范围的变桨功能。为了方便描述，定义风桨10与转动轴21轴线夹角为锐角的面为伞形分布自寻风风叶100的正面，定义风桨10与转动轴21轴线夹角为钝角的面为伞形分布自寻风风叶100的背面。本实施例中伞形分布自寻风风叶100的背面为设有动力转化装置20的一面，伞形分布自寻风风叶100寻风时的受力面为背面，即风从动力转化装置20的方向刮来。这种寻风方式，在风力超大时也不会发生风桨10与风塔40产生碰撞导致风桨10损坏的情况，使得伞形分布自寻风风叶100能承受较大的风力，且不用考虑伞形分布自寻风风叶100与风塔40之间的距离问题。伞形分布自寻风风叶100应用于自寻风风力发电机200上。自寻风风力发电机200包括动力转化装置20、风塔40和伞形分布自寻风风叶100。伞形分布自寻风风叶100通过转动轴21连接于动力转化装置20上。动力转化装置20为发电机或气泵，可根据储能装置选用不同的动力转化装置20，若储能装置为蓄电池则采用发电机，若储能装置为气罐则采用气泵。还可以根据使用环境选用不同的动力转化装置20，在风力比较强劲的地区可选用气泵做为动力转化装置20，将气体压缩储存在气罐中，直接将风能转化为气体的动能，将气体的动能直接使用在轮胎加压、或一些生产车间的气枪上，不用将电能再次进行二次转化为气体的动能造成能源的损耗；若在风力比较小的地区可以选用发电机作为动力转化装置20，直接将风能转化成电能储存在蓄电池中。动力转化装置20设于风塔40之上，动力转化装置20可绕着风塔40的轴向转动。动力转化装置20与风塔40之间设有转动轴60，转动轴60设于动力转化装置20的径向，转动轴60设于风塔40的轴向，从而使动力转化装置20的径向可以相对于风塔40的轴向转动。动力转化装置20延伸于风塔40的底部。动力转化装置20包括第一锥齿轮23、第二锥齿轮24和电机27。电机27包括转子25和定子26。第一锥齿轮23连接于转动轴21，第二锥齿轮24与第一锥齿轮23垂直啮合，第二锥齿轮24的轴线垂直于地面。第二锥齿轮24轴向接有转子25。转子25设于定子26的内部，转子25和定子26设于风塔40的底部。发电时，伞形分布自寻风风叶100连带着转动轴21转动，转动轴21带动第一锥齿轮23转动，第一锥齿轮23与第二锥齿轮24啮合，改变转动为垂直于地面方向的转动，从而第二锥齿轮24带着转子25在定子26内旋转，做切割磁感线运动，从而发电。由于动力转化装置20中较重的电机27位于风塔40的底部，减轻了风塔40的承重，也减小了伞形分布自寻风风叶100连通的动力转换装置20的重量，转动惯量变小了，使自寻风功能更灵敏，反应的滞后性越小。动力转化装置20的主体设于风塔40之上，将电机27置于风塔40的底部，采用锥齿轮和加长扭矩轴的结构将伞形分布自寻风风叶100的转动传动到位于风塔40底部的电机27上，降低了动力转化装置20的重心，同时降低了对风塔40的强度要求，使电机27的核心部件的维护与检修更加简便。转动轴21与动力转化装置20的输入轴之间还连接有齿轮箱(图中未示出)，齿轮箱低速轴接转动轴21，齿轮箱高速轴接动力转化装置20的输入轴。风塔40可以为筒塔或格子塔。筒塔为一体式建造的风塔40，其一体式结构利于攀爬，便于自寻风风力发电机200发生故障时进行维修。格子塔为钢结构组装搭建而成，其结构灵活，搭建简单。由于转动轴21很短，传统的风叶呈平直分布状，所以传统风叶与风塔40的距离较近，当风力比较大时，会使风桨10与风塔40产生碰撞，造成风桨10的损坏。自寻风风力发电机200的维修率较低，本实施例采用的风塔40为格子塔，在大风地区可以在风塔40的四周搭建纤绳固定风塔40，防止风塔40被大风吹断或吹倒。由于伞形分布自寻风风叶100的风桨10与转动轴21轴线呈锐角，所以风桨10与风塔40之间留有足够的空间，当风力较大时，风叶10不会与风塔40发生碰撞。对伞形分布自寻风风叶100的自动寻风原理做如下说明：为了方便描述，以伞形分布自寻风风叶100的转动面，即垂直于地面方向的平面为基准面。伞形分布自寻风风叶100呈伞形锥面，结构相对转动轴21的轴向对称，对其受力做轴向截面的分析。下面以对称的两片风桨10a、10b的受力分析来说明本发明。常态时风桨10a、10b与基准面的夹角为α，风桨10a、10b与转动轴21轴线的夹角为90°-α，设α的角度为5°，这里将α看做近似不变。当风向为正面风时，风力为F0，风向与基准面的夹角为β，正面风的角β范围为0°～180°。如图5所示，当0<β<90°时，容易得出，垂直作用于风桨10a上的力F1＝F0*sin(β-α)，垂直作用于风桨10b上的力F2＝F0*sin(β+α)。正弦函数在此区间递增，F2>F1，伞形分布自寻风风叶100受力不均，向受力大的F2方向偏转，一直到伞形分布自寻风风叶100受力均匀，伞形分布自寻风风叶100达到平衡不再发生偏转，根据受力分析可知，达到稳态时伞形分布自寻风风叶100背向朝风。如图6所示，当90°<β<180°时，容易得出，垂直作用于风桨10a上的力F3＝F0*sin(β-α)，垂直作用于风桨10b上的力F4＝F0*sin(β+α)。正弦函数在此区间递减，F3>F4，伞形分布自寻风风叶100受力不均，向受力大的F3方向偏转，一直到伞形分布自寻风风叶100受力均匀，伞形分布自寻风风叶100达到平衡不再发生偏转，根据受力分析可知，达到稳态时伞形分布自寻风风叶100背向朝风。当风为背面风时，风力为F3，风向与基准面的夹角为β，背面风的角β范围为180°～360°。如图7所示，当180°<β<270°时，容易得出，垂直作用于风桨10a上的力F5＝F0*sin(β-π-α)＝-F0*sin(π-β+α)＝-F0*sin(β-α)，垂直作用于风桨10b上的力F6＝F0*sin(β-π+α)＝-F0*sin(π-β-α)＝-F0*sin(β+α)。正弦函数在此区间递增，F6>F5，伞形分布自寻风风叶100受力不均，向受力大的F5方向偏转，一直到伞形分布自寻风风叶100受力均匀，伞形分布自寻风风叶100达到平衡不再发生偏转，根据受力分析可知，达到稳态时伞形分布自寻风风叶100背向朝风。如图8所示，当270°<β<360°时，容易得出，垂直作用于风桨10a上的力F7＝F0*sin(2π-β-α)＝-F0*sin(β+α)，垂直作用于风桨10b上的力F8＝F0*sin(2π-β+α)＝-F0*sin(β-α)。正弦函数在此区间递减，F7>F8，伞形分布自寻风风叶100受力不均，向受力大的F4方向偏转，一直到伞形分布自寻风风叶100受力均匀，伞形分布自寻风风叶100达到平衡不再发生偏转，根据受力分析可知，达到稳态时伞形分布自寻风风叶100背向朝风。根据受力分析可知，无论风从哪个方向吹来，伞形分布自寻风风叶100达到稳定状态时都是背向朝风。伞形分布自寻风风叶100背向朝风时，根据其锥面的流体特性，会产生一定的风能损失，可在风桨10的背部加垂直于风桨10平面的挡板(图中未示出)。当风力作用于风桨10的表面时，风能流出时，挡板会产生一定的阻挡作用，使本要流出的风力产生一个反向的作用力，减少了风能的损失。在自寻风风力发电机200寻风的过程中，伞形分布自寻风风叶100带动动力转化装置20绕着风塔40不断的转动，直到伞形分布自寻风风叶100受力平衡，动力转化装置20不再相对风塔40转动，伞形分布自寻风风叶100通过转动轴21带动动力转化装置20转动，进行能量的转化。本发明的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机的风桨圆周均匀设于转动轴上，每一风桨与转动轴的轴线成锐角，风桨圆周形成伞形结构，该结构可以实现伞形分布自寻风风叶的自寻风功能，转动轴连接在动力转化装置上，动力转化装置相对风塔转动，无需采用偏航变桨距装置。伞形分布自寻风风叶省去了复杂的偏航变桨距装置，采用单纯的机械结构，使风力发电系统可靠性更高、能耗更低，而且风向响应能力好、速度快、转向平稳、抗强风、弱风能力强，是一种结构简单、工作可靠、低能耗高转化率，并且可以自动寻风的伞形分布自寻风风叶及自寻风风力发电机。在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。