风叶组件及垂直轴风力发电装置的制作方法

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种风叶组件及垂直轴风力发电装置。

背景技术：

在升力型垂直轴风力发电领域的现有技术中，风轮不受风向的影响，能够360度吸收风能，可微风启动，有效风速低，安装条件限制少，结构简单，初期安装成本低廉等优点，对开发及推广中小型风力发电装置具有积极意义。

在垂直轴风力发电领域的现有技术中，自然风只能对风轮的50％产生推动力，而对风轮的另外50％产生阻力，故严重影响着风能的有效利用率，所以现有技术中的垂直轴风力发电装置的风能利用率较低，很难超过25％，虽然采取了很多降低阻力的风轮结构，但目前为止其效果不明显。

因此，现有技术中存在着对垂直轴风力发电装置的风轮结构进行改进，达到其在逆风转动时减少自然风对风轮产生的阻力来提高垂直轴风力发电装置的风能利用率的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风叶组件及垂直轴风力发电装置，以缓解了现有技术中垂直轴风力发电装置的风叶组件逆风向阻力大，导致风能利用率小的技术问题。

本发明提供的一种风叶组件，包括挡风板、风叶以及风叶限位杆；

所述挡风板通过连接件与所述风叶铰接固定，所述风叶上设有通孔，所述风叶限位杆固定在所述挡风板上并穿过所述通孔，所述风叶限位杆上设有第一限位件和第二限位件，所述第一限位件和第二限位件位于所述风叶的两侧，所述风叶接触所述第一限位件时与所述挡风板形成的扇形空间最大，所述风叶接触所述第二限位件时与所述挡风板之间形成一夹角。

进一步的，所述连接件包括轴承座和连接螺杆，所述轴承座通过螺栓固定在所述挡风板上，所述轴承座内设有轴承，所述风叶的一端设有连接孔，所述连接螺杆穿过所述连接孔和所述轴承的内圈并用螺母拧紧固定。

进一步的，所述挡风板和所述风叶的铰接处设有用于减小铰接处缝隙的V形挡板，所述V形挡板的一面板固定在所述挡风板上，另一面板的顶面抵在所述轴承的外圈圆面上，所述V形挡板的两端形成的夹角等于所述风叶接触所述第一限位件时与所述挡风板形成的夹角。

进一步的，所述第一限位件和所述第二限位件朝向所述风叶的一端均固定设有缓冲装置，所述缓冲装置的轴向横截面积大于所述通孔的横截面积。

进一步的，所述第一限位件和所述第二限位件可拆卸的固定在所述风叶限位杆上，且所述第一限位件和第二限位件能够固定在所述风叶限位杆的不同位置处。

本发明还提供一种垂直轴风力发电装置，包括底座、发电机、控制器、传动骨架及如上述所述的风叶组件；

所述传动骨架上固定若干所述风叶组件，所述传动骨架与所述发电机的转轴相连接，所述发电机的输出端与所述控制器连接，所述控制器控制电力的输出，所述发电机和所述控制器都固定在所述底座上。

进一步的，所述挡风板和所述风叶之间的铰接轴的轴向方向与所述发电机的转轴的轴向方向相互平行。

进一步的，所述传动骨架固定有若干个风叶组件，每个风叶组件只包括一个所述挡风板和所述风叶；

所述传动骨架和所述挡风板通过螺栓固定连接。

进一步的，所述挡风板和所述风叶均为弧形长板，所述挡风板和所述风叶凹陷的一面朝向所述传动骨架。

本发明提供的风叶组件及垂直轴风力发电装置的有益效果如下：

本发明提供的风叶组件包括挡风板、风叶以及风叶限位杆，具体的，挡风板通过连接件与风叶铰接固定，风叶上设有通孔，风叶限位杆固定在挡风板上并穿过通孔，风叶限位杆上设有第一限位件和第二限位件，风叶在第一限位件和第二限位件的限制下，可以绕铰接轴旋转并与挡风板形成扇形空间的同时将扇形的角度控制在一定范围，在实际工作中，当面对360度任意风向时，风叶组件与传动骨架形成的风轮转动，此时，正风向区域的风叶组件的挡风板和风叶形成的扇形空间在风力的作用下使风叶展开，进而使该挡风板和风叶的组合的正对于风向的投影面积变大，增加了风能的利用率，而在逆风向区域，风力作用在风叶的背离挡风板的一面，进而驱动着风叶朝向挡风板转动，扇形空间的角度变小，使该挡风板和风叶的组合正对于风向的投影面积变小，降低了逆风区域风能的损耗，两者结合，整体显著提高了风能的利用率。

同时，设置第二限位件以避免挡风板和风叶相互贴合而难以展开，使该结构能够在微风时也可以更好的利用风能，适应性强。

本发明提供的风叶组件还具有结构简单，安装保养简便，安装条件限制少，安装初期成本低廉，对大力发展分户型风电机组具有积极意义的特点。

本发明提供的垂直轴风力发电装置的技术优势与上述风叶组件的技术优势相同，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的风叶组件的俯视图；

图2为本发明实施例提供的垂直轴风力发电装置的俯视图；

图3为本发明实施例提供的垂直轴风力发电装置的主视图；

图4为本发明实施例提供的风叶的结构示意图。

图标：1－挡风板；2－风叶；3－风叶限位杆；4－传动骨架；5－轴承座；6－V形挡板；7－发电机；8－控制器；9－底座；21－通孔；31－第一限位件；32－第二限位件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例提供一种风叶组件，包括挡风板1、风叶2以及风叶限位杆3；挡风板1通过连接件与风叶2铰接固定，风叶2上设有通孔21，风叶限位杆3固定在挡风板1上并穿过通孔21，风叶限位杆3上设有第一限位件31和第二限位件32，第一限位件31和第二限位件32位于风叶2的两侧，风叶2接触第一限位件31时与挡风板1形成的扇形空间最大，风叶2接触第二限位件32时与挡风板1之间形成一夹角。

本发明提供的风叶组件包括挡风板1、风叶2以及风叶限位杆3，具体的，挡风板1通过连接件与风叶2铰接固定，风叶2上设有通孔21，风叶限位杆3固定在挡风板1上并穿过通孔21，风叶限位杆3上设有第一限位件31和第二限位件32，风叶2在第一限位件31和第二限位件32的限制下，可以绕铰接轴旋转并与挡风板1形成扇形空间的同时将扇形的角度控制在一定范围，在实际工作中，当面对360度任意风向时，风叶组件与传动骨架4形成的风轮转动，此时，正风向区域的风叶组件的挡风板1和风叶2形成的扇形空间在风力的作用下使风叶2展开，进而使该挡风板1和风叶2的组合的正对于风向的投影面积变大，增加了风能的利用率，而在逆风向区域，风力作用在风叶2的背离挡风板1的一面，进而驱动着风叶2朝向挡风板1转动，扇形空间的角度变小，使该挡风板1和风叶2的组合正对于风向的投影面积变小，降低了逆风区域风能的损耗，两者结合，整体显著提高了风能的利用率。

同时，设置第二限位件32以避免挡风板1和风叶2相互贴合而难以展开，使该结构能够在微风时也可以更好的利用风能，适应性强。

本发明提供的风叶组件还具有结构简单，安装保养简便，安装条件限制少，安装初期成本低廉，对大力发展分户型风电机组具有积极意义的特点。

进一步的，为了保证风叶2能够在微风产生的力的作用下也能够绕铰接轴旋转，需要保证连接件处旋转产生的摩擦力要足够小，所以，本实施例设置连接件包括轴承座5和连接螺杆，轴承座5通过螺栓固定在挡风板1上，轴承座5内设有轴承，风叶2的一侧设有连接孔，连接螺杆穿过连接孔和轴承的内圈并用螺母拧紧固定。

其中，每个挡风板1上至少设置两个轴承座5，以平衡风叶2对轴承带来的轴向支撑力，优选的，设置轴承为密封轴承，以防止轴承内部的润滑油在外界的复杂环境下被快速损耗，影响轴承的性能，增大摩擦力，使风叶2旋转所需的力变大，进而降低了风能的利用率。

当风叶组件小型化，即用于小型垂直轴风力发电装置时，还可以用其他的结构来代替轴承座5，比如，风叶2与挡风板1之间通过合页铰接，拆卸和安装灵活且降低使用成本，同样能够满足人们的需求。

进一步的，易知在正风向区域时，由于风叶2角度的问题，风叶2正对于风向的投影面积很小，造成其相对于挡风板1旋转的力主要是风进入挡风板1和风叶2形成的扇形空间后，一部分风从风叶2和挡风板1铰接处的缝隙，另一部风则是沿着风叶2和挡风板1转折向外溢出，而风溢出时对风叶2产生的力是主要的力。

而为了能够进一步的提升风能利用率，则需要风叶2展开的速度更快，即在风力一定时，其受到的力更大，如图1所示，本实施通过缩小风叶2和挡风板1之间的缝隙的截面积来达到上述目的。具体的，设置挡风板1和风叶2的铰接处设有用于减小铰接处缝隙的V形挡板6，V形挡板6的一面板固定在挡风板1上，另一面板的顶面抵在轴承的外圈圆面上，V形挡板6的两端形成的夹角等于风叶2接触第一限位件31时与挡风板1形成的夹角。

V形挡板6能够将要从缝隙中吹出的风重新导向扇形空间内，进而使只有更少量的风从缝隙处漏出，间接的增大了对风叶2的冲击力，提高了风能的利用率。

作为本实施例的进一步改进，该V形挡板6和挡风板1可以一体设计，并与对应的轴承座5配套使用，以减少风叶组件的安装工序，使风叶组件的结构更标准化，满足人们的需求。

进一步的，为了增加风叶2的使用寿命，避免通孔21处在频繁的碰撞下造成应力疲劳而损坏，本实施例设置第一限位件31和第二限位件32朝向风叶2的一面均固定设有缓冲装置，缓冲装置的轴向横截面积大于通孔21的横截面积。

进一步的，本实施还设置第一限位件31和第二限位件32可拆卸的固定在风叶限位杆3上，且第一限位件31和第二限位件32能够固定在风叶限位杆3的不同位置处。

风叶组件的大小和环境中风力的大小对风叶2的旋转行程具有很大的影响，如果风叶2的可旋转角度的范围很大，而实际过程中风叶2接触不到第一限位件31或第二限位件32时就需要向相反方向旋转，反方向旋转时需要自己抵消先前的惯性力，造成风叶2旋转效率低，不能很好的提高风能利用率，本实施例可以灵活的调整第一限位件31或第二限位件32在风叶限位杆3的位置，保证风叶2的每次旋转均可以接触第二限位件32或第一限位件31来抵消惯性力，使风能利用率高。

如图2和图3所示，本发明实施例还提供一种垂直轴风力发电装置，包括底座9、发电机7、控制器8、传动骨架4及如上述所述的风叶组件；传动骨架4上固定若干风叶组件，传动骨架4与发电机7的转轴相连接，发电机7的输出端与控制器8连接，控制器8控制电力的输出，发电机7和控制器8都固定在底座9上。

垂直轴风力发电装置与上述发电用风轮相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

值得注意的，作为升力型垂直轴风力发电装置，本实施例设置挡风板1的一面与传动骨架4固定，相对的另一面与风叶2铰接，同时，由于挡风板1也是全封闭的板状结构，在没有风叶2的情况下，垂直轴风力发电装置也可以360度吸收风能来进行发电，且风能利用率接近于现有产品，起点高，适应性强；

进一步的，挡风板1和风叶2之间的铰接轴的轴向方向与发电机7转轴的轴向方向的相对位置关系不同，对风能的利用率也不尽相同，本实施例还对风叶2的旋转做主要的改进，即设置挡风板1和风叶2之间的铰接轴的轴向方向与发电机7的转轴的轴向方向相互平行，使风对风叶2形成的推力全部用于风叶2的旋转力。

作为本实施例的进一步改进，还可以设置铰接轴的轴向方向与发电机7转轴的轴向方向之间具有一定的夹角，使风叶组件安装完成后，风叶2与挡风板1之间形成的扇形区域正对于斜下方；当正对于斜下方时，水平吹过的风力吹过风叶组件时，除了给予让风叶2旋转的推力外，还给予风叶2向上的升力，减小了风轮轴孔处的轴向受力，更利于风轮的旋转，这种状态可以同时加快风叶2和风轮的旋转速度，具备该结构的风轮适合于能够轻易地使风叶2快速展开且还有额外风力溢出的环境，比如一些经常遭遇强风的西北地区和沿海地区等。

进一步的，垂直轴风力发电装置根据环境等需要可以设计若干个风叶组件，本实施例设置传动骨架4固定三个风叶组件，且每个风叶组件只包括一个挡风板1和一个风叶2，传动骨架4和挡风板1通过螺栓固定连接。

设计三个叶片的优点如下：三角形结构是最坚固、最稳定的，同时在高速运转的时候能有更好的稳定性；从技术方面考虑，叶片数过多会使弦长变短，叶片曲率变大，逆压梯度增大，气流容易分离，导致效率的下降；从制作成本考虑，三叶片的风轮比较经济；从外观考虑：三叶片的风轮比二片、四片更为美观一点。

进一步的，如图4所示，本实施例还设置挡风板1和风叶2均为弧形长板，挡风板1和风叶2凹陷的一面朝向传动骨架4，使逆风区受到的风阻更小，提高风能利用率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。