一种垂直轴风力发电机

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种垂直轴风力发电机。背景技术：2.风力发电机机按主轴的布置方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，阻力型垂直轴风力机依靠迎风面阻力和背风面阻力差获得动力，其差值越大，效率发电就越高，相比于水平轴风力机具有启动风速低，噪音小，结构简单、方便维护检修等优点，但也存在风能利用率低、低速启动特性差的缺点。3.为提高现有垂直轴风力发电机发电效率，中国专利号2012101671057公开了一种变桨距垂直轴风力机，具体通过在叶片转动过程中进行变桨距处理来提高风能利用率，但该发明采用的是伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器来调整叶片桨距角,在实际使用过程中伺服电机一方面需要根据叶片位置实时转动来调节叶片的角度，同时，伺服电机还需要克服叶片自身的风阻来保持叶片的角度位置，这样一来，伺服电机在发电过程中始终保持通电状态，风力机发电产生的电能相当程度都用于在了给伺服电机供电上，导致发电效率并没有实质性的提高，另一方面，该发明大量伺服电机的配置，也导致风力机的制造成本较高并降低了使用可靠性。因此设计一种简单可靠的被动变桨机构是改善现有垂直轴风力发电机风能利用率的关键。技术实现要素：4.本发明的主要目的在于提供一种的垂直轴风力发电机，通过利用双曲柄机构使桨叶在转动时能够自主调整迎风角度，从而解决现有垂直轴风力发电机发电效率低的问题。5.本发明是这样实现的：6.本发明提供了一种垂直轴风力发电机，包括支架，所述支架包括基座、安装于基座上的主轴和平行设置在所述主轴旁的副轴；桨叶，所述桨叶均竖直设置并通过连杆机构安装于主轴和副轴上；连杆机构，所述连杆机构包括大推杆和小推杆，所述大推杆近端通过转动副安装在主轴上，远端通过转动副与桨叶远端相连；所述小推杆近端通过转动副安装在副轴上，远端通过转动副与桨叶近端相连；所述主轴、副轴、桨叶和小推杆一起形成双曲柄机构，所述大推杆近端通过传动机构与发电机相连，通过双曲柄机构改变桨叶绕着主轴旋转过程中的姿态，使得桨叶的迎风阻力发生变化，以持续旋转发电。7.整体上，本发明桨叶绕着主轴旋转同时，姿态绕着副轴发生变化。8.进一步地，所述桨叶有多个，多个桨叶分别通过相应的连杆机构安装在主轴四周，所述主轴上设有能自由转动的推杆座，每个大推杆的近端均固定在推杆座上，所述推杆座通过传动机构与发电机相连。9.进一步地，所述副轴通过固定杆连接于主轴上，并且所述固定杆垂直于风向。10.进一步地，所述主副轴之间距离小于所述桨叶的水平长度，并且主副轴之间距离加上大推杆长度等于小推杆长度加上桨叶的长度。11.进一步地，所述桨叶有三个，三个大推杆均布的固定在推杆座上。12.进一步地，所述支架还包括固定于基座上的矩形框架，所述主轴分成上下两个主轴，分别固定于矩形框架的底部中间和顶部中间；所述副轴为设于矩形框架内的长轴，副轴的上下两端分别通过固定杆固定在上主轴和下主轴上；对应的，上主轴和下主轴上分别设有一个推杆座，所述桨叶远端上下两侧分别通过一个大推杆安装在上下主轴的推杆座上；所述桨叶靠近主轴一端的上下两侧分别通过一个小推杆安装在副轴上下两端。13.进一步地，还包括用于检测风向的风向仪和设置在支架下的旋转调节装置，通过所述旋转调节装置能够驱动整个支架旋转，从而使桨叶适应不同的风向。14.进一步地，所述传动机构包括一体化同轴设置在推杆座的环形外齿轮和设置在所述发电机输出轴上的传动齿轮，所述环形外齿轮与所述传动齿轮相互啮合。15.进一步地，所述桨叶为矩形桨叶，桨叶一侧向内凹陷，从而形成具有较大迎风阻力的迎风面和具有较小迎风阻力的背风面。16.本发明利用双曲柄机构的急回特性提高所述桨叶迎风面的受风时间并减少所述桨叶背风面的受风时间，同时在一个旋转周期内对所述桨叶的迎风角度进行调节提高所述桨叶迎风面的受风面积并减少所述桨叶背风面的受风面积。17.本发明有益效果是：18.本发明提供的这种垂直轴风力发电机，结构简单，制造和维护成本低，其被动变桨机构采用双曲柄机构结构设计，既能使桨叶的迎风面和背风面具有较大阻力差值，能量损耗小，而且还能够自主对所述桨叶的迎风角度进行调节，提高所述桨叶的迎风面的受风时间并减少所述桨叶的背风面的受风时间，风能利用率更高。附图说明19.图1为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机的整体结构示意图；20.图2为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中一片桨叶的连接结构示意图；21.图3为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中支架的结构示意图；22.图4为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中桨叶的结构示意图；23.图5为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中大推杆的结构示意图；24.图6为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中推杆座与下主轴的连接结构示意图；25.图7为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机中小推杆的结构示意图；26.图8为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机的工作状态示意图，其中a、b、c、d、e依次为桨叶在受到从左至右的风力作用下顺时针旋转时的角度变化状态示意图；27.图9为本发明实施例一提供的一种垂直轴风力发电机所采用的双曲柄机构的机构简图；28.图10为本发明实施例二提供的一种垂直轴风力发电机的整体结构示意图。29.图中：1-基座，2-上主轴，3-下主轴，4-副轴，5-固定杆，6-推杆座，7-矩形框架，8-桨叶，9-短连接轴，10-长连接轴，11-大推杆，12-小推杆，13-旋转调节装置，14-环形外齿轮，15-传动齿轮，16-发电机。具体实施方式30.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。31.本发明提供了一种垂直轴风力发电机，包括支架、桨叶8以及连杆机构。所述桨叶8通过所述连杆机构均匀设置在所述支架上。具体的：32.实施例一：33.如图1至图3所示，所述支架包括基座1、发电机16、主轴、固定杆、副轴4、以及矩形框架7，所述基座1垂直设置在地面上，用于对桨叶8和连杆机构进行支撑；所述发电机16设置在所述基座1内，用于将桨叶8绕主轴旋转的机械能转化为动能；所述矩形框架7一体化垂直设置所述基座1顶部，用于提高垂直轴风力发电机整体结构的稳定性，所述矩形框架7的水平长度大于所述连杆机构中两倍的大推杆11的长度，其竖直高度大于所述桨叶8的竖直高度；所述主轴竖直设置在所述矩形框架7中部，为了防止对桨叶8和连杆机构的运动轨迹产生干涉，所述主轴为分别固定在所述矩形框架7顶部中间的上主轴2和同轴固定在矩形框架7底部中间的下主轴3；所述副轴4为平行与所述主轴设置在所述矩形框架7内的长轴，所述副轴4的上下两端分别通过固定杆5与所述上主轴2和所述下主轴3固定相连，并且所述固定杆5的长度小于所述桨叶8的水平长度。34.为方便后续进行描述，定义靠近主轴轴心的一端为近端，远离主轴轴心的一端为远端。35.如图2和图4所示，在本实施例中，所述支架四周一共均布有三片竖直设置的桨叶8，每片桨叶8结构相同，均为具有一定竖直高度和水平长度的矩形叶片，并且所述桨叶8叶面为向内凹陷的弧形，从而形成具有较大迎风阻力的迎风面和具有较小迎风阻力的背风面，保证风力的最大化利用；所述桨叶8水平方向的两侧还竖直设有用于方便与所述连杆机构进行连接的连接轴，其中所述桨叶8远端的连接轴为上下两根向外突出的短连接轴9，桨叶8近端的连接轴为设置在所述桨叶8内的一根长连接轴10，每片桨叶8通过上下对称的两个结构相同的连杆机构设置在所述支架上。36.如图2所示，所述连杆机构包括用于将所述桨叶8与所述主轴相连的大推杆11和用于将所述桨叶8所述与副轴4相连小推杆12，所述桨叶8远端的上下两侧分别通过一个大推杆11安装在上、下主轴上；所述桨叶8近端的上下两侧分别通过一个小推杆12安装在所述副轴4的上下两端。具体的，以设置在所述桨叶8上方的连杆机构为例，所述大推杆11的近端通过转动副(比如铰链或者轴承)安装在所述上主轴2上，所述大推杆11的远端通过转动副(比如铰链或者轴承，以下类同)与所述桨叶8上的短连接轴9转动相连，所述小推杆12的近端通过转动副安装在所述副轴4上，所述小推杆12的远端通过转动副与所述桨叶8上的长连接轴10转动相连，使所述桨叶8、连杆机构、主轴和副轴4共同构成一个双曲柄机构，通过双曲柄机构能够改变所述桨叶8绕着主轴旋转过程中的姿态，使得桨叶8的迎风阻力发生变化，从而持续发电。37.如图5和图6所示，在本实施例中，为了提高对风力利用率，设置三个桨叶8，对应的每个桨叶8上下均通过一个连杆机构安装在主轴上，所有上部的大推杆11近端均固定在推杆座6上，该推杆座6通过转动副为能自由转动的安装在上主轴2上；所有下部的大推杆11近端也均固定在一个推杆座6上，该推杆座6通过转动副为能自由转动的安装在下主轴3上；所述推杆座6为空心轴，设置在同一根主轴上的三根大推杆11周向均匀固定在一个推杆座6上，其中，设置在所述下主轴3上的推杆座6的下端还通过传动机构与设置在所述基座1内的发电机16相连，所述传动机构包括一体化同轴设置在所述空心轴下端的环形外齿轮14和设置在所述发电机16输出轴上的传动齿轮15，所述环形外齿轮14与所述传动齿轮15相互啮合，从而将桨叶8旋转的机械能传递给所述发电机16，实现将风能转化为电能。38.如图8所示，当时所述桨叶8在受到从左至右的风力作用时，与风向垂直的桨叶8处于最大迎风阻力，而此时另外两侧桨叶8则处于收桨状态，迎风阻力较小，使得本发明提供的这种垂直轴风力机的迎风面阻力和背风面具有较大阻力差值，保证桨叶8持续顺时针旋转，能量损耗小，风能利用率高；并且利用双曲柄机构的急回特性还能够有效提高所述桨叶8的迎风面的受风时间并减少所述桨叶8的背风面的受风时间，从而大大提高垂直轴风力发电机的发电效率。39.如图9所示，作为一种优选实施例，主副轴之间的距离与所述大推杆11的长度之和等于所述桨叶8的水平长度与所述小推杆12的长度之和，具体的，所述主轴与所述副轴4的间距、所述大推杆11的长度、所述小推杆12的长度以及所述桨叶8的宽度之比为：4/9/5/8，从而保证所述桨叶8拥有比较好的攻角，以提高发电效率，当然，通过以所述主轴与所述副轴4的间距为参照，适当改变所述大推杆11的长度与所述小推杆12的长度之比，还能使本装置适用于不同大小的叶片。40.如图1所示，作为一种优选实施例，本垂直轴发电机还包括风向仪和旋转调节装置13，所述风向仪用于实时检测风向，所述旋转调节装置13为旋转平台，所述基座1通过所述旋转平台设置在地面上，所述旋转平台能够根据所述风向仪反馈的风向驱动所述支架旋转，从而实现对所述桨叶8受风角度的调节，使桨叶8能够自动适应不同的风向。41.需要说明的是，由于本发明能够通过双曲柄结构改变桨叶8绕主轴转动过程中的自身姿态，通过调整固定杆5的方向与风向垂直，桨叶8在于风向垂直的两个位置，一个位置处于最大迎风面(与风向垂直迎风阻力最大)，如图8(a)中上部的桨叶8所示，另一个位置，桨叶8处于与风向平行方向，如图8(c)中左侧的桨叶8，因此，就算只具有一个桨叶8，本发明也能进行持续发电，而提高桨叶8数量能够提高风能利用率，然后过多的桨叶8会造成相互干涉，大推杆11越长，能够设置的桨叶8数量越多，一般为1-6个桨叶，再多不仅增加设备复杂性和制作成本，而且对风能利用率没有明显提高。42.实施例二：43.如图10所示，与实施例一不同的是，在本实施例中，所述下主轴3转动设置在所述矩形框架7底部中间并与设置在基座1内的发电机16相连，所述上主轴2转动设置在所述矩形框架7顶部中间并与旋转调节装置13相连，所述旋转调节装置13为步进电机；所述副轴4的上端通过一根固定杆5与所述上主轴2固定相连，所述副轴4的下端通过另一根固定杆5与所述下主轴3转动相连，保证在工作时所述副轴4并不会随着所述下主轴3一起转动，通过转动所述步进电机能够带动所述副轴4绕主轴转动一定角度，从而使桨叶适应不同的风向。44.每片桨叶8通过上下对称的两个的连杆机构设置在所述支架上，其中，设置在所述桨叶8上方的上部连杆机构的大推杆11的近端通过转动副设置在所述主轴的上短轴2上，大推杆11的远端通过转动副与所述桨叶8的短连接轴9转动相连，所述上部连杆机构的小推杆12的近端与通过转动副设置在所述副轴4上，远端通过转动副与所述桨叶8的长连接轴10相连；而设置在所述桨叶8下方的下部连杆机构的大推杆11的近端与所述主轴的下主轴3则是固定连接，大推杆11的远端通过转动副与所述桨叶下端的短连接轴转动相连，所述下部连杆机构的小推杆12的近端通过转动副设置在所述副轴4上，另一端通过转动副与所述桨叶8的长连接轴10转动相连，从而保证所述下短轴3能够随着所述桨叶8一起转动，进而带动所述发电机16旋转实现将风能转换为电能。45.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。









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