一种可提高风能截面利用率的风车的制作方法

本发明涉及风力发电技术领域，特别是指一种可提高风能截面利用率的风车。

背景技术：

在能源短缺和环境趋向恶化的今天，风能作为一种可再生清洁能源，日益为世界各国所重视和开发。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风力发电技术已经愈加成熟，风力发电控制技术也更加完善，总之风力发电前景广阔，我国对风力发电的研究也会更加深入。

利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将风车旋转的速度提升，来促使发电机发电，此为风力发电机组的发电原理。如附图1所示，传统的风车在风车叶片旋转时对于风能的截面一般只利用到风车叶片相对转动方向前后两个位置的区域(即有效捕风区)，而相当一部分的风可直接从相邻两风车叶片之间的间隙(即无效区)直接的穿过，致使风车的风能截面利用率偏低，而若需提高风能截面利用率，最直接的可通过增加风车叶末端的宽度，然而风车叶片末端设计过宽反而会影响气流通过风车叶片旋转平面不符合气动布局，即过宽的叶片可能对气流形成阻挡，导致风能转换率不升反降不利于风能的吸收，因此无法通过增加风车叶片末端宽度以进一步的提高风能截面的利用率。

技术实现要素：

本发明提供一种可提高风能截面利用率的风车，以克服现有风力发电的风车风能截面利用率偏低的问题。

本发明采用如下技术方案：一种可提高风能截面利用率的风车，包括有连接至发电机的做功主轴上的若干个公转力臂，其特征在于：所述公转力臂上沿其长度方向依次固定有若干个行星轮，所述行星轮包括有壳体和叶片，且各行星轮均连接有底座和摆动轴；所述底座固定于公转力臂上，所述摆动轴呈l型，摆动轴一端由固定于底座内的摆动电机驱动，摆动轴另一端连接至所述壳体，且壳体相对摆动轴自转，壳体上连接有若干所述叶片。

作为进一步的改进，所述行星轮的叶片转动时形成的旋转平面为旋翼面，且行星轮的叶片迎角与旋翼面的迎角相反。

作为进一步的改进，所述行星轮的叶片转动时形成的旋转平面为旋翼面，所述公转力臂各行星轮的旋翼面迎角由做功主轴一端向另一端逐渐变大，并且公转力臂上各行星轮的叶片的迎角由做功主轴一端向另一端逐渐变大。

作为进一步的改进，所述行星轮的叶片转动时形成的旋转平面为旋翼面，所述公转力臂各行星轮的旋翼面直径由做功主轴一端向另一端逐渐变大。

作为进一步的改进，所述公转力臂上的各行星轮上的叶片数量由发电机向一端向另一端依次减少，所述公转力臂上的各行星轮上的叶片的宽度由发电机一端向另一端逐渐缩窄。

作为进一步的改进，所述迎面调节器底部内固定有轴承，所述摆动轴相对底座的另一端与所述轴承固定连接。

作为进一步的改进，所述叶片可转动的连接于所述壳体，所述迎面调节器包括调节电机、驱动齿轮和伞齿轮，所述驱动电机固定于壳体内，且所述驱动齿轮固定连接至驱动电机的输出轴，各所述叶片穿装于壳体内后均固定连接有所述伞齿轮，且各伞齿轮均与驱动齿轮啮合连接。

由上述对本发明结构的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明的各行星轮转动时叶片转动形成的旋转平面为旋翼面,各公转力臂通过行星轮的自转以及旋翼面的迎角可形成侧向的顶推力，以带动公转力臂转动实现做功发电。通过利用此行星轮转动形成的旋翼面捕风可符合气动布局，且公转力臂通过行星轮的旋翼面可增加其在单位风能截面内的有效捕风区的面积，从而进一步的提高风能截面的利用率。并且行星轮的叶片处于转动的状态，且相邻两叶片间具有交叉且又不处于同一平面的间隙，因此行星轮对气流通过公转力臂的影响较小，相比一味地增加风车叶片末端宽度，更有利于对风能的吸收。

附图说明

图1现有风车转动时相对对风能截面的示意图。

图2为发电机组安装于塔筒上后整体的立体结构示意图。

图3为公转力臂上连接多个行星轮的立体结构示意图。

图4为图3中a向的放大示意图。

图5为公转力臂上连接多个行星轮的正面结构示意图。

图6为迎面调节器连接叶片的结构示意图。

图7为公转力臂上各行星轮的旋翼面的示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。

如附图2所示，一种可提高风能截面利用率的风车，包括有连接至发电机5的做功主轴51上的多个公转力臂2以及各公转力臂2上均连接有的行星轮3，所述公转力臂2上的各行星轮3沿公转力臂2的长度方向依次固定。所述发电机5安装于固定在地面的塔筒1顶部，通过各公转力臂2的转动，使公转力臂22带动做功主轴51转动，从而实现将风的动能转化为做功主轴51转动的机械能，进而通过发电机5将做功转轴51转动的机械能转化为电能以进行储存，此方式与现有技术的风力发电原理一致。

如附图3和4所示，所述行星轮3包括有壳体32、叶片31和迎面调节器，且各行星轮3均连接有底座41和摆动轴42。所述壳体32的环面上连接有若干可转动的所述叶片31，且各叶片31的叶面均相对壳体32倾斜形成迎角，即叶片31宽度方向的两侧相对壳体32呈一侧高一侧低的状态，此结构可使行星轮上各相邻两叶片31之间的间隙形成交叉且不处于同一平面的位置关系。所述底座31固定于公转力臂2上，具体可通过穿装螺栓进行连接锁固，且底座31内固定有摆动电机(示图未示)，该摆动电机可以是电机和减速机组合而成的动力总成。所述摆动轴32呈l型，摆动轴32的一端与摆动电机的动力输出轴固定连接，以实现摆动电机驱动摆动轴32转动。摆动轴32的另一端连接至所述壳体32，具体的，壳体32底部内固定有轴承37，所述摆动轴34穿入所述轴承37内，并与轴承37的内环固定连接，其连接方式可以采用装配卡环进行固定连接，以此轴承37连接的结构可实现整个行星轮3相对摆动轴32自转。

继续参照附图3和4所示，当处于迎风状态时，叶片31固定的形状(一侧高一侧低)使风在叶片31表面往一个方向吹动(由高到低)，从而改变风经过的风向，相当于给风一个转向力，同时风也给了叶片31一个反向的作用力。而又由于行星轮3相对摆动轴32自转，因此风给叶片31的力又通过固定的叶片31转化为行星轮3的切应力，使整个行星轮3转动，从而产生一个顶推力。当行星轮3转动时，各叶片31的转动形成的旋转平面可形成一个完整的旋翼面311，该旋翼面311相对公转力臂2倾斜形成旋翼面311的迎角，而行星轮3产生的顶推力即为旋翼面311的顶推力，当风速达到一定速度时，同一公转力臂2的各行星轮3的叶片31受风的反作用力转动而产生顶推力，同时利用旋翼面311以一定的迎角侧向顶推公转力臂2，可带动公转力臂2的转动，从而带动做功主轴51转动，以实现将风能转化为电能进行储存。

如附图1和7所示，相比传统的风车叶片而言，公转力臂2通过增加行星轮3，使行星轮3转动时叶片31形成的旋翼面311可增加公转力臂2在单位风能截面内的有效捕风区的面积，即最大范围的侵入无效区以提高风能截面的利用率，进而从整体上提高风能的利用率。并且行星轮3的叶片31处于转动的状态，且相邻两叶片31间具有间隙，相比一味地增加风车叶片末端的宽度，更有利于对风能的吸收。另外，在实际设计使用过程中，传统的风车在增加风车叶片的长度的情况下，将使风能截面的无效区的面积进一步的加大，从而导致增加的风车叶片的投入成本与产生发电量形成的经济效益无法形成正比，因此传统的风车叶片不宜增加过长；而本发明同样在通过增加公转力臂2的长度的情况下，可通过增加行星轮3的旋翼面311的面积以侵入无效区，从而减少无效区随公转力臂2的加长而变化的变化量，进而使公转臂2可加长至实现投入产出比的经济利益的最大化。

此外，各公转力臂2上的行星轮3的旋翼面311的迎角还与行星轮3的叶片31形成的迎角相反，此设计方式可使公转力臂2和公转力臂上2的行星轮3反向的旋转，防止公转力臂2的圆周位移速度和行星轮3的圆周移动位移速度叠加，从而提高公转力臂2的扭矩。具体的，假设行星轮3的叶片31的迎角和旋翼面311的迎角方向同向，则将导致行星轮3的圆周位移速度和公转力臂2的圆周位移速度叠加，当行星轮3的圆周位移速度和公转力臂2的圆周位移速度叠加后，旋翼面311的迎角会在某一特定的半径点上过早的加到最大，而行星轮3的顶推力和公转力臂2上(即摆动轴)的扭矩取决于旋翼面311的迎角，迎角越小扭矩越大，迎角越大则扭力越小，因此，通过行星轮3的旋翼面311的迎角与行星轮3的叶片31形成的迎角相反的结构可有效提高公转力臂的扭矩。

如附图6所示，所述迎面调节器装配于壳体32内，用以驱动各叶片31相对壳体32转动。所述迎面调节器可以是包括有调节电机(示图未示)、驱动齿轮34和伞齿轮33，所述驱动电机固定于壳体32内相对摆动轴42的另一端，且所述驱动齿轮34固定连接至驱动电机的动力输出轴。各所述叶片31穿装于壳体内后均固定连接有所述伞齿轮33，且连接各叶片31的伞齿轮33均与驱动齿轮34啮合连接。具体的，壳体34环面内装配有轴承，各叶片一端均设有连接轴312，叶片31的连接轴311穿过轴承连接于壳体32内之后，伞齿轮33穿套于连接轴312上并固定。由于各叶片31连接的伞齿轮33均与驱动齿轮34啮合，因此通过驱动电机带动驱动齿轮34转动，在带动各个伞齿轮33转动的同时，可带动各叶片31相对壳体32摆动，以此达到改变叶片31迎角的目的。

本实施方式还可包含有一套控制系统，该控制系统电连接至各迎角调节器的调节电机以及摆动电机，且控制系统可以是plc控制器，用以分别控制各个行星轮3的调节电机以及摆动电机的转动。通过控制摆动电机驱动摆动轴32转动，可改变壳体32相对公转力臂2的倾斜角度，从而可改变旋翼面311的倾斜角度，即改变了旋翼面311的迎角，相当于改变公转力臂2的迎角。优选的，做功主轴51还可连接电刷滑环，该电刷滑环的定子部分连接至电源及控制系统，电刷滑环的转子部分固定于做功主轴51，且连接各驱动电机和摆动电机的电源线均连接至转子部分，通过此结构可避免公转力臂2转动时造成线路的缠绕。

现有的风力发电机组一般都有一个最低启动扭力，而当传统的风车叶片在微风条件下形成的扭力小于最低启动扭力时，一般默认选择放弃发电。在本发明中，当处于同等微风条件下时，可以通过控制各行星轮3的调节电机带动叶片31转动至形成较大的迎角，使行星轮3实现在微风状态下相对高转速的自转，同时结合行星轮3形成的巨大的捕风面积，从而可形成较大的扭力以带动主轴力臂2转动，进而实现做功发电。即本发明的此方式相比传统风车而言，可将传统风车叶片无法做功的部分风能利用，并实现做功发电，以进一步的提高风能的利用率。

所述叶片31宽度取决于对做工主轴51的转速的设定，做功主轴51设定转速越慢则叶片31越宽，做功主轴51设定转速越快则叶片31越窄。并且如附图5所示，所述公转力臂2上靠近做功主轴5一端的行星轮3的叶片31的宽度大于远离做功主轴51一端的行星轮3的叶片31宽度，且公转力臂2上的各行星轮3上的叶片31数量由发电机5向一端向另一端依次减少，此两种结构可使公转力臂2上的各行星轮3的所承受的风流阻力由内至外逐步减少，从而使公转力臂2上的各行星轮3的转速由做功主轴51一端至外逐步提高。另外，公转力臂2上靠近做功主轴51一端的行星轮3的叶片31的长度小于远离做功主轴51一端的行星轮3的叶片31长度，在同等风场条件下，越长的叶片31捕风面积越大其产生的扭矩也就越大，在单位时间内做功越多，并且此结构可使公转力臂2上的各行星轮3的直径逐渐增加，使行星轮3嵌入无效区面积逐渐增加，从而提高风能的利用率。

另外，如附图7所示，所述公转力臂2上的各行星轮3上的叶片31的迎角由做功主轴51一端向另一端逐渐变大，即远离发电机5的行星轮3的叶片31的迎角大于接近发电机5的行星轮3的叶片31的迎角；并且转力臂2上的各行星轮3的旋翼面311的迎角同样由做功主轴51一端向另一端逐渐变大，即远离发电机5的行星轮3的旋翼面311的迎角大于接近发电机5的行星轮3的旋翼面311的迎角。当处于迎风状态时，越大的迎角可越大承受风的反作用力越大，因此提高行星轮3的转速，从而使公转力臂2上的各行星轮3的转速由发电机5一端向另一端逐渐提高，即远离发电机5的行星轮3的转速大于接近发电机5的行星轮3的转速。

通过此迎角调节器控制行星轮3的各叶片31的迎角，使叶片31受风的反作用力改变，从而达到控制行星轮3自转的转速的目的，使行星轮3不超过设计的极限转速，可达到保护行星轮3防止行星轮3损坏的作用。另外通过控制摆动轴控制旋翼面311的迎角，以改变旋翼面311的顶推力，进而改变公转力臂2的转速(即做功主轴51的转速)，此方式可用于保护风力发电电机组，使做功主轴51不超过设计的极限转速，以最大化的提高风能的利用率。具体的，在处于强台风中，可通过控制驱动电机带动摆动轴34摆动，以降低各行星轮3的旋翼面311的迎角，同时通过控制各行星轮3的调节电机转动以带动各行星轮3的叶片31摆动，使各行星轮3的叶片31均摆动至处于在较小迎角的状态，从而使行星轮3的自转速度大幅下降，进而实现控制各公转力臂2在强风速下的转速，使风力发电机组在强风速条件下进行满载发电，以最大化的提高风能的利用率。反之，当处于软风(如风速为1.5m/s)的风场中，可通过控制调节电机带动各行星轮3的叶片31摆动至处于较大迎角的状态，并且控制摆动电机带动各行星轮3的旋翼面311亦摆动至处于较大迎角的状态，此时软风穿过行星轮3的叶片31和旋翼面311可形成更大的顶推力，以侧向推动公转力臂2转动，从而驱动做功主轴51做功，最大程度的利用风能以实现发电。通过上述方式可使风力发电机组的适候性能大幅提高，可适应于劣质的风场，并且连局部混斜流都可得到有效的利用，可大幅的提高风能的利用效率。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。