实时变桨风轮及风力发电机的制作方法

本发明涉及风力发电领域，具体而言，涉及一种实时变桨风轮及风力发电机。

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。目前大中型风电主要采用水平支撑杆风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点。目前投入商业运营的风力发电机主流风力发电机基本上是水平支撑杆风力发电机。

风力发电机的支撑采用的是竖向直立塔筒，随着风力发电机单机容量的不断增大，目前主流风力发电机的容量已达2兆瓦—3.5兆瓦，相应的发电机整体重量已达70-100吨，塔筒直径也已达4米以上，随着设备的道路超限运输已快达极限，设备道路运输而变的更加困难，设备的制作、运输、安装成本显著增加，因此水平支撑杆风力发电机的发展已达到瓶颈期。

旋转轴是垂直的风力发电机叫垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机具有低噪声、维护简单等优点。但现有的垂直轴风力发电机由于叶片固定，叶片运动阻力较大，虽然有的叶片背部成流线型，但运动阻力仍然较大，因此传统垂直轴风力发电机的风能利用率较低。采用垂直轴风力发电机建设大规模的风力发电站几乎没有。

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，提供一种结构简单、工作可靠、对风能的转化率高的、实时寻风的实时变桨风轮及风力发电机。

为解决上述技术问题，本发明采用的第一个技术方案是：

实时变桨风轮，包括风轮支架和风桨，还包括风桨转轴，至少三个所述风桨圆周均匀设于所述风轮支架上，每一所述风桨通过所述风桨转轴转动地与所述风轮支架连接。

在示例性实施例中，还包括驱动装置，每一所述风桨转轴上连接有一所述驱动装置；

所述驱动装置驱动位于迎风半周的所述风桨始终垂直于风向的水平分向；

所述驱动装置驱动位于逆风半周的所述风桨始终平行于风向的水平分向。

在示例性实施例中，所述驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；所述驱动马达的输出轴与所述风桨转轴连接，所述控制器控制所述驱动马达转动。

在示例性实施例中，所述风桨支架包括与所述风桨数量相等的圆周均匀分布的水平支撑杆，每一所述水平支撑杆在竖直方向上连接有一所述风桨转轴。

在示例性实施例中，所述水平支撑杆与所述风桨转轴铰接连接，所述风桨与所述风桨转轴固定连接。

为解决上述技术问题，本发明采用的第二个技术方案是：

风力发电机，包括发电机、风轮固定架和风轮转轴，所述发电机的定子固定在所述风轮固定架上，所述风轮转轴与所述发电机的转子连接；所述风力发电机还包括实时变桨风轮，所述实时变桨风轮包括风轮支架、风桨和风桨转轴，至少三个所述风桨在竖直方向圆周均匀设于所述风轮支架上，每一所述风桨通过所述风桨转轴转动地与所述风轮支架连接；

所述风轮支架连接在所述风轮转轴上，所述风桨转轴在竖直方向上。

在示例性实施例中，所述实时变桨风轮还包括驱动装置，每一所述风桨转轴上连接有一所述驱动装置；

所述驱动装置驱动位于迎风半周的所述风桨始终垂直于风向的水平分向；

所述驱动装置驱动位于逆风半周的所述风桨始终平行于风向的水平分向。

在示例性实施例中，所述驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；所述驱动马达的输出轴与所述风桨转轴连接，所述控制器控制所述驱动马达转动。

在示例性实施例中，所述风桨支架包括与所述风桨数量相等的圆周均匀分布的水平支撑杆，每一所述水平支撑杆在竖直方向上连接有一所述风桨转轴。

在示例性实施例中，所述水平支撑杆与所述风桨转轴铰接连接，所述风桨与所述风桨转轴固定连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明的实时变桨风轮及风力发电机的风桨圆周均匀设于风轮支架上，且每一风桨通过风桨转轴转动的连接于风轮支架上，通过风桨可转动的结构实现在不同风向时小面积逆风，提高了风能的利用率。在风轮转动的过程中，风桨实时转动，转向平稳、连续，是一种结构简单、工作可靠、对风能的转化率高的、实时寻风的实时变桨风轮及风力发电机。

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风力发电机的主视图；

图2示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的第一工作状态示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的第二工作状态示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的第三工作状态示意图。

主要元件符号说明：

11-风力发电机；111-实时变桨风轮；1111-风轮支架；11111-水平支撑杆；1112-风桨；1113-风桨转轴；112-发电机；1121-风轮转轴；113-风轮固定架。

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实时变桨风轮及风力发电机进行更全面的描述。附图中给出了实时变桨风轮及风力发电机的优选实施例。但是，实时变桨风轮及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实时变桨风轮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。本文中在实时变桨风轮及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。

本发明的实时变桨风轮及风力发电机，实为一种垂直轴风力发电机。对风轮的结构进行改进，使得实施变桨风轮的风桨可转动，具有寻风的作用。风轮在转动过程中，始终有一半为迎风半周，迎风半周即为受驱动力的半圆周，另一半为逆风半周，逆风半周即为受阻力的半圆周。风桨的转动增大迎风半圆周的受力面积以增加风轮所受的驱动力，减小逆风半圆周的受力面积以减小风轮所受的阻力，从而使得实时变桨风轮始终具有较高的风能利用率。

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

如图1所示，风力发电机11，包括发电机112和风轮固定架113。发电机112设于风轮固定架113之内，发电机112包括在竖直方向上设置的风轮转轴1121。

发电机112包括定子和转子，发电机112的定子与风轮固定架113固定，发电机112的转子与风轮转轴1121连接，从而在风轮转轴转动时带动转子做切割磁感线的运动，从而达到发电机112发电的效果。

风力发电机11还包括实时变桨风轮111，包括风轮支架1111、风桨1112和风桨转轴1113。至少三个风桨1112圆周均匀设于风轮支架1111上，每一风桨1112通过风桨转轴1113转动地与风轮支架1111连接。

实时变桨风轮111通过风轮支架1111连接在风轮转轴1121上，实时变桨风轮111在转动时带动风轮转轴1121一起转动，通过风轮转轴1121向发电机112输入动能。风力发电机11将风能转换成风轮转轴1121的动能，通过发电机112发电。

风轮支架1111包括水平分布的水平支撑杆11111，水平支撑杆1111一端连接在风桨1112上，另一端连接在风轮转轴1121上。

本实施例中，每一风桨转轴1113上连接有三条水平支撑杆11111，风桨转轴1113可相对风轮支架1111转动，即风桨转轴1113可相对水平支撑杆11111的连接处转动。连接在水平支撑杆11111上的风桨转轴1113与水平支撑杆11111垂直。在实时变桨风轮111安装时，水平支撑杆11111在水平方向上，风桨转轴1113在竖直方向上，即风桨1112在竖直方向上。

在另一实施例中，风桨1112的数量不限于八个，可以为3个、4个，甚至是10个。可以理解，实时变桨风轮的受力面积，一方面和迎风角度有关，一方面和风桨1112的数量相关，理论上风桨1112的数量越多，受力面积越大。

根据风力发电机11的结构特点，实时变桨风轮111的风桨1112离风轮转轴1121最远，承载和固定风叶的水平支撑杆11111的强度和刚度要求较高。如要获得较大的风能风轮支架1111的几何尺寸会比较大，实时变桨风轮111的直径越大。风轮支架1111的尺寸也越大，风轮支架1111的尺寸达到一定程度，其制造难度和制造成本会徒然增大。因此性价比较高的带有实时变桨风轮111的风力发电机11并不会很大，同时由于发电功率的需求也不会太小。根据现已运行的垂直轴风力发电机11推断，本风力发电机11的实时变桨风轮111的直径应该在10-30米，叶片长度应该在10-30米。

带有实时变桨风轮111的风力发电机11为垂直轴风力发电机11。垂直轴风力发电机11无噪音，维护简单。成本远低于目前的水平轴风力发电机。第一个优势为对风力的反应较为灵敏，可在低风速、弱风力的条件下发电。第二个优势是恒定的受力特性优势。由于垂直轴风力发电机11惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因而叶片疲劳寿命相对长。而水平轴风力发电机的风轮受到重力和惯性力的双重作用，重力方向不变，惯性力方向随时变化，一方面对于风轮的疲劳强度非常不利，另一方面也制约着水平轴风力发电机风轮尺寸的进一步增大。

实时变桨风轮111架与风轮固定架113之上，风轮转轴1121连接发电机112的输入轴。发电机112设于风轮固定架113的底部，风轮转轴1121同轴的设于风轮固定架113中，并延伸置风轮固定架113的顶部与风轮支架1111连接。

发电机112设于风轮固定架113的底部。发电时，实时变桨风轮111连带着风轮转轴1121转动，从而发电。实时变桨风轮111的转动直接驱动发电机112发电，避免了多级传动，传动效率更高。可以理解，发电机112还可以连接变速箱。

由于发电机112位于风轮固定架113的底部，减轻了风轮固定架113的承重，使得垂直轴风力发电机11更统一实现直接驱动，更便于安装、控制和维护，降低了安装、维护的成本。

风轮固定架113可以为筒塔或格子塔。筒塔为一体式建造的风轮固定架113，其一体式结构利于攀爬，便于风力发电机11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。

风桨转轴1113连接在风桨1112的纵向中线上，风桨1112和风桨转轴1113固定连接，且风桨1112。风桨1112呈板状，其表面或者说背部呈流线型，流线型的风桨1112具有较好的运动性能，减小了风桨1112与风的摩擦力。

由于风桨1112攻角的存在，实时变桨风轮111才能转动，攻角即为相对于一端圆周运动的外切线的角度，即当风向与风桨1112平行时攻角为零，风桨1112不受力，其余情况下攻角不为零，风桨1112或受推力或受阻力。

本实施例中，实时变桨风轮111还包括驱动装置(图中未示出)，每一转轴上连接有一驱动装置。驱动装置驱动位于迎风半周的风桨1112始终垂直于风向的水平分向。驱动装置驱动位于逆风半周的风桨1112始终平行于风向的水平分向。

上述，因为实时变桨风轮111转动的驱动力来自于风的水平分力。驱动装置驱动迎风半周的风桨1112始终垂直于风向的水平分向，从而使得迎风半周的驱动力为最大。驱动装置驱动逆风半周的风桨1112始终平行于风向的水平分向，从而使得逆风半周的阻力虽不是零，但是尽可能小，提高了风能的利用率。

具体的，驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；驱动马达的输出轴与风桨转轴1113连接，控制器控制驱动马达转动。实时变桨风轮111在工作时一直在转动，风桨1112也在实时的连续的变化，其角度的变化的是连续的，不是阶跃性的变化，因而实时变桨风轮111在工作时噪声小、震动小，能够稳定的工作。

驱动马达连接在水平支撑杆11111上，电机的输出轴与风桨转轴1113连接，通过电机的转动直接带动风桨1112转动。在控制器上加设速度传感器、风向传感器等，实现风桨1112的实时寻风，从而实现风能的高利用率。

可以理解，驱动装置除了可以采用驱动马达驱动以外，还可以采用液压驱动、连杆驱动或电动液动连杆的组合驱动。驱动马达除了可以直接连接在风桨转轴1113驱动风桨转轴1113转动以外，还可以通过驱动连杆带动风桨转轴1113转动，该结构较为常见在此不赘述。

请一并参阅图2，当风速未超过风力发电机11的额定风速时，迎风半周的风桨1112与风向垂直，逆风半周的风桨1112与风向平行，使得迎风面积最大，逆风面积最大。

请一并参阅图3，当风速超过风力发电机11的额定风速时，若实时变桨风轮111的仍保持最大的迎风面积，风力发电机11会过载，造成损坏。此时风桨1112与原风向并非垂直态，以适当的减小迎风面，降低对风能的利用率，使得风力发电机11在额定负载下工作。

请一并参阅图4，当风速超过风力发电机11的额定风速的极限状态下工作时，所有的风桨1112均平行于风向，实时变桨风轮111所受的阻力为零。当由于风桨1112不能制作的足够薄，和风桨1112不能制作的足够光滑，始终会有阻力存在，因而极限工作状态是不能达到的。

风桨1112整体呈平直的薄板状，局部带有螺旋曲面，使风桨1112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1112，如在风力比较强劲的海边或高原地带的大型风力发电机11上选用长而窄的局部带有螺旋曲面的薄板状风桨1112。因为在风力比较强劲的情况下，较大的风桨1112惯性较大，采用较窄的风桨1112可以使风桨1112的转速达到相对较高的水平，减少风桨1112自身所造成的能量损失，所以选用较窄的风桨1112。如在风力较小的路边等地带的风力发电机11上选用短而宽的局部带有螺旋曲面的薄板状风桨1112。因为风速较小时，风桨1112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1112。

风桨1112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1112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1112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。

本发明的实时变桨风轮及风力发电机的风桨圆周均匀设于风轮支架上，且每一风桨通过风桨转轴转动的连接于风轮支架上，通过风桨可转动的结构实现在不同风向时小面积逆风，提高了风能的利用率。且在风轮转动的过程中，风桨实时转动，转向平稳、连续，是一种结构简单、工作可靠、对风能的转化率高的、实时寻风的实时变桨风轮及风力发电机。

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，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。