一种垂直风轮机及风力发电机的制作方法

本发明涉及风能发电领域，具体涉及一种垂直风轮机及风力发电机。

背景技术：

风是一种潜力很大的新能源，风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。

风力发电就是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，其原理，是利用风力带动风轮旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，在同样受风面积下，风轮的效率直接关系到风力发电机的功率。

垂直轴风轮机是指风轮轴线的安装位置与水平面垂直的风轮机。目前的垂直风力发电机装置风叶基本上都是轴对称结构。即旋转轴两侧的风叶结构基本是轴对称布置。其迎风角的叶片结构绝大部分为固定式，这种固定式风叶结构的有效力矩都较少，即风轮上迎风面与背风面的面积大致相等，受到的风阻力矩也类同。

轴对称布置风轮结构的抗风能力也较差，在强风下情况下，风轮支架将受到很大的风阻力，经常造成风轮结构损坏，从而增加了风轮装置的维护成本。

技术实现要素：

有鉴于此，为了解决现有技术风轮机启动需要的风力大，对风的效率利用低、抗风能力差的问题，本发明一方面提供一种垂直风轮机，其启动力矩小，效率高，抗风能力强，另一方面还提供一种风力发电机，该风力发电机利用垂直风轮机，对风能的利用率高。

下面为本发明的内容。

一方面，本发明提供一种垂直风轮机，包括风叶、固定于旋转轴的风轮支架，还包括设置于所述风轮支架的止动装置，所述风叶铰接于所述风轮支架且铰接中心两侧风叶面积不相等，所述止动装置设有止动端，所述止动端用于抵接风叶以阻挡风叶的转动。将风叶安装在风轮支架上，其中，风叶铰接中心靠近旋转轴一侧的面积大于另一侧的面积，这样风叶在转动时，可以保证风叶面积大的一侧压紧在止动装置的止动端上。

作为对上述发明的进一步改进，所述风叶设有尾翼结构。

进一步地，所述尾翼结构一体连接所述风叶。

进一步地，所述尾翼结构可拆卸连接所述风叶。

进一步地，所述止动装置为电机，所述电机设有输出端。

进一步地，所述止动装置包括电机、传动部件及止动杆，所述电机通过所述传动部件连接所述止动杆。

作为对上述发明的进一步改进，还包括测风装置，所述测风装置固定在所述风轮支架上。

进一步地，所述测风装置连接所述止动装置。

进一步地，所述风叶数量为大于1的奇数个。

另一方面，本发明还提供一种风力发电机，包括发电机及所述的垂直风轮机，所述垂直风轮机与所述发电机通过增速机连接。

与现有技术相比，本发明的的有益效果在于：风叶可相对于风轮支架转动，风轮支架固定在旋转轴上可带动旋转轴转动，将旋转轴连接到被驱动设备，即可将风能转化为机械能。风叶可随着风轮支架转动。因此，风轮启动所需的力小，可提高风能的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施方式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方式或实施例，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示出了本发明垂直风轮机的整体结构示意图。

图2示出了本发明垂直风轮机的分解结构示意图。

图3、图4、图5依次示出了本发明垂直风轮机的风叶的连续转动时俯视结构示意图。

图6示出了本发明垂直风轮机的止动装置的一种结构示意图。

图7示出了本发明垂直风轮机的测风装置的一种结构示意图。

图8示出了本发明垂直风轮机的自动控制系统的电路图。

主要附图标号说明：

100-垂直风轮机；

101-风叶；

102-风轮支架；

103-旋转轴；

104-止动装置；1041-壳体；1042-电机；1043-齿轮；1044-螺杆；1045-止动杆；1046-限位传感器；

105-测风装置；

106-风向；

107-转向。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图垂直风轮机及风力发电机进行更全面的描述。附图给出了垂直风轮机及风力发电机的实施例，但是，垂直风轮机及风力发电机可以以不同的形式来实现，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垂直风轮机及风力发电机的公开内容更加透彻全面。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“联接”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是机械联接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1、图2所示，本发明的垂直风轮机100包括风叶101、固定于旋转轴103的风轮支架102还包括设置于所述风轮支架102的止动装置104，所述风叶101铰接于所述风轮支架102且铰接中心两侧面积不相等，所述止动装置104设有止动端，所述止动端用于抵接风叶101以阻挡风叶101的转动。止动装置104的止动端抵接风叶101，止动端收到的反作用力带动风轮支架102转动，这样，由于风叶101是不固定的，其在旋转中心两侧的面积不相等，风叶101在风力很小时就可以启动，并压紧到止动装置104的止动端上带动风轮支架102转动，这样风叶101启动的所需的动力小，而风轮支架102带动旋转轴103转动，而旋转轴103与被驱动设备(如发电机、联轴器、增速机)连接，即可实现将风能转化为机械能，从而实现对风能的利用。

上述风叶101是将接受风力并转动的构件，该风叶101铰接于风轮支架102，风叶101的铰接中心(也是转动中心)设在风叶101上。需要说明的是，风叶101的结构形式是重要的技术设计点，风叶101是风轮机中最基础和最关键的部件，其良好的涉及、可靠的质量以及优越的性能是重要的因素。在现有技术中，风叶设计的理论较多，有圆盘理论、涡流理论等。风叶设计涉及到空气动力学、结构动力学、气象学等。其中，风叶的外形是通过空气动力学设计确定的，其尺寸、表面光洁的以及质量分布都有较高要求。风叶的材料影响风叶的性能和效率，风叶材料的选择是风叶结构设计之重要的一项设计工作，需要考量的因素有：材料的特性、可靠性、安全性、物理属性、可用性、易处理性、回收再利用特性以及经济特性。用于制造的风叶的材料必须具有良好的力学、热、化学特性，包括高强度、高刚度、低密度、长寿命、良好的耐腐蚀性等等。风叶的剖面结构形式主要有实心截面、空心截面以及空心薄壁符合截面。

上述风轮支架102是一种塔架用于支撑风叶101及带动转动轴转动。在具体的实施方式中，风轮支架102设有固定风叶的支撑部。

上述止动装置104，是阻止风叶101转动的装置，其利用自身受到的反作用力带动风轮支架102转动。该止动装置104可以是设置在风轮支架102上一个凸起端，该凸起端与风轮支架102固定连接。该止动装置104还可以是固定连接与风轮支架102，但可在竖直方向移动的止动端，通过手动的方式来调节该止动端，当止动端突出与风轮支架102时，可抵接风叶101用于阻挡风叶101的转动，当止动端收缩入风轮支架102时，其不会妨碍风叶101的转动，适用于风力较大且超多安全风速时使用。该止动装置104还可以是电机，该电机带有输出端，如可采用步进电机，该输出端用作止动端，该止动端可以在止动状态和非止动状态间切换。

上述旋转轴103是带动被驱动设备，如增速机、联轴器、发电及的构件，该旋转轴103在在风力的作用下可以转动。

上述铰接是风叶101连接于风轮支架102的连接方式，该铰接保证风叶101可以绕着铰接中心转动，铰接中心是风叶101自转的转动中心。

实施例1

本实施例将详细介绍风叶101结构及其安装方式。

如图1～5所示的风叶101，该风叶101设有尾翼结构。该尾翼结构是一种斜尾翼结构，尾翼利用了空气动力学原理，用来改善产生一定的作用力，通过此风叶101，在不同的风向下，尾翼受到的风力都是同一方向的。尾翼将受风力转换为风叶101的旋转力，最终将风叶101压制在止动装置104上，从而保证风轮机转向的恒定，该尾翼结构保证了风轮机的转向不改变。在图3～5中，风叶101在风向106的作用下，风轮支架102的转向107如图所示，风叶101在风力及风轮支架102的作用下，发生自传，当其转至与风向106平行的方向时，风叶101保持与风向106平行，至该风叶101所在的风轮支架连接端转至与风向106平行时，风叶101又重新压紧在止动装置104的止动端。需要说明的是，在图示中，左边风叶101此时受风面积最小，对风轮支架102的反作用力最小，而右边的风叶101受风面积最大，对风轮支架102的反作用力最大。这样就使得风轮支架102有持续的转向力。止动装置104的止动端部不会阻碍到风叶非尾翼结构的转动。

在本实施例中，风叶101可枢接于风轮支架102，在一种具体的实施方式中，一个风叶101对称设有两个枢轴端，该枢轴端可枢接于风轮支架102的枢轴孔。该枢轴端可以与风叶101一体连接，也可以通过可拆卸的方式连接于风叶101，如可以通过紧固件(如螺栓等)连接于风叶101。在铰接的连接方式中，也可以在风轮支架102上设置枢轴端，在风叶101对应的位置设置枢轴孔，通过改变装配顺序来完成风叶101与风轮支架102的装配。

在本实施例中，尾翼结构可以一体连接所述风叶101。该尾翼结构也可以通过可拆卸连接连接所述风叶101。需要说明的是，尾翼结构和风叶101在运转中要高速的转动，因此，这种可拆卸的连接必须保证连接可靠。这种可拆卸连接的好处是给运输中带来方便。在可拆卸的连接方式中，可同时采用几种现有的技术来完成，如可采用卡接的方式将尾翼结构固定，然后通过紧固件将其固定。

除此之外，上述尾翼结构也可以采用非可拆卸的方式连接于风叶101，如焊接、粘接、铆接等。

在本实施例中，可将多个所述风叶101中心对称的设置于所述风轮支架102。如可采用多个奇数个风叶101以中心对称的方式设置于所述风轮支架102。具体地，如采用5个风叶101安装于风轮支架102，这5个风叶101呈五角星形式布置于风轮支架102上。可以理解的是，风叶101的数量可为3个或7个等奇数个。

实施例2

本发明将详细介绍测风系统及止动装置104，该止动装置104固定与风轮支架102，可以阻挡风叶101的转动。该止动装置104可以是设置在风轮支架102上一个凸起端，该凸起端与风轮支架102固定连接。该止动装置104还可以是固定连接于风轮支架102，但可在竖直方向移动的止动端，通过手动的方式来调节该止动端，当止动端突出与风轮支架102时，可抵接风叶101用于阻挡风叶101的转动，当止动端收缩入风轮支架102时，其不会妨碍风叶101的转动，适用于风力较大且超多安全风速时使用。该止动装置104还可以是电机，该电机带有输出端，如可采用步进电机，该输出端用作止动端，该止动端可以在止动状态和非止动状态间切换。

止动装置104为电机时，具体地，止动装置104设有两个状态：止动状态、非止动状态。在止动状态下，止动装置104的止动端抵接风叶101，用于阻挡风叶101的转动，这样就可以带动风轮支架102转动。而在极端天气，如在风力较大，已经高于安全风速时，止动装置104处于非止动状态，此时所有的风叶101将可自传，此时风叶101将会自动调整至最小受风状态，风轮机将停止运行，从而保证了风轮机在强风环境下的安全。

本实施例中，还可以包括测风装置105，所述测风装置105固定在所述风轮支架102上，该测风计用于测量风速以便了解实时的风速情况。在测风装置105属于现有技术，现有技术中的测风装置105有测风计、测风表、风速仪、风速计。其中，风速计是测量空气流速的仪器。它的种类较多，气象台站最常用的为风杯风速计，它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。整个感应部分安装在一根垂直旋转轴103上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。

实施例3

本实施例将详细介绍测风装置105与止动装置104自动控制的实现方式。

在本实施例中，垂直风轮机100可根据风速的情况进行自动的调节。

具体地，将一测风装置105与带有电机的止动装置104连接。

如图6、图7、图8所示，具体地，现有技术中有一种测风装置105，如图7所示，它是一种球形测风系统，它两部分组成测风球和猫须式限位开关，猫须式限位开关可万向动作，任何方向的风都可以触发猫须式限位开关，当安装在猫须式限位开关摇杆上的测风球受到大于安全运行风速的风作用下，将触发猫须式限位开关动作，进而触发电机的电气控制系统的动作，可以通过调整测风球在摇杆上的位置来调整猫须式限位开关的动作值。

如图6所示的止动装置104，它包括有壳体1041、电机1042、止动杆1045、限位传感器1046，还包括传动部件，该传动部件包括有：齿轮1043、螺杆1044，限位传感器1046包括有止动位限位开关、非止动位限位开关。该电机1042可采用直流电机，直流电机通过齿轮1043与螺杆1044连接，螺杆1044仅能做轴向旋转。止动杆1045可能上下运动，止动杆1045与螺杆1044通过螺牙连接。通过控制直流电机的正反转来控制止动杆1045在止动状态和非止动状态之间转换。

如图8所示，为该自动控制的电路图，该电气控制系统由手动开关S1、球型测风限位开关L1，非止动位限位开关L2，止动位限位开关L3、时间继电器KT1和KT2、直流电机M组成。通过手动开关S1和球型测风限位开关L1来控制直流电机M的正反转，从而控制止动杆1045工作状态的转换。

为避免直流电机的频繁动作，可将控制电机的时间继电器KT1和KT2的主触点设定延时30秒(可调)闭合。在工作情况下，手动开关S1置于止动位，在安全风速下，球型测风限位开关L1不动作，当止动位限位开关L3未动作时，时间继电器KT1回路得电，直流电机将在30秒后将止动杆1045推出，直至止动位限位开关L3动作，即时止动杆1045置于止动状态。在非安全风速下，球型测风限位开关L1动作，非止动位限位开关L2未动作时，时间继电器KT2回路得电，直流电机将在30秒后将止动杆1045收回，直至非止动位限位开关L2动作，此时止动杆1045置于非止动状态。在非工作情况下，手动开关S1置于非止动位，此时只有时间继电器KT2回路可以得电。在时间继电器KT2回路得电的情况下，直流电机将在30秒后将止动杆1045收回，直至非止动位限位开关L2动作，此时止动杆1045置于非止动状态。

本发明还提供一种风力发电机，包括发电机及垂直风轮机100，垂直风轮机100与发电机通过增速机连接。该发电机属于现有技术。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。