專利名稱：風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電裝置，特別涉及一種風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)有技術(shù)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要有兩種形式一種是利用風(fēng)阻力工作的 S型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，優(yōu)點是起動風(fēng)速低，可在低風(fēng)速工作，但其缺點側(cè)向壓力過大，嚴(yán)重影響整 機(jī)安全。另一種是利用機(jī)翼升力工作，其工作力矩對稱側(cè)向壓力小?，F(xiàn)有技術(shù)的垂直軸風(fēng) 力發(fā)電機(jī)共同的優(yōu)點是設(shè)備在地面建造容易維護(hù)簡單和不擇來風(fēng)向無需偏航控制。但其 致命傷首先是垂直主軸的兩側(cè)中當(dāng)一側(cè)順風(fēng)，而另一側(cè)必是逆風(fēng)，只要是葉片與風(fēng)輪軸固 定的，葉片在順風(fēng)鍘和逆?zhèn)鹊娘L(fēng)向投影面積都相等，只是葉片的兩面型線有些區(qū)別才產(chǎn)生 力矩，但逆風(fēng)側(cè)做負(fù)功不可避免，因此現(xiàn)有技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)都很低。另一 方面，葉片固定，不能實現(xiàn)類似水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)槳葉變距的動能，無法改變?nèi)~片的迎風(fēng)面 積，當(dāng)暴風(fēng)來臨時將面臨機(jī)毀之災(zāi)。因此現(xiàn)代風(fēng)電行業(yè)很少見有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤其是 大型機(jī)組更是未見使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種風(fēng)輪主軸沒有側(cè)向力的、逆風(fēng)側(cè)不 做負(fù)功的、起動風(fēng)速更低和切出風(fēng)速更高、風(fēng)能利用系數(shù)更高的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)輪周邊安裝有風(fēng)帆及風(fēng)帆升降裝置， 風(fēng)帆的桅桿中心O1繞風(fēng)輪中心0轉(zhuǎn)動作公轉(zhuǎn)，同時風(fēng)帆以相反方向繞桅桿中心O1轉(zhuǎn)動作自 轉(zhuǎn)，風(fēng)輪上安裝有偏航裝置。該風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)帆通過風(fēng)帆升降裝置實現(xiàn)變距，風(fēng)輪在逆風(fēng)側(cè)做 正功，風(fēng)輪的側(cè)向力為零，風(fēng)能利用系數(shù)高于水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)。偏航裝置包括套裝在風(fēng)輪上 的中心錐齒輪，中心錐齒輪通過大齒輪、小齒輪、蝸輪、蝸桿與偏航伺服電機(jī)相連接，通過轉(zhuǎn) 動中心錐齒輪實現(xiàn)偏航控制。中心錐齒輪是風(fēng)向座標(biāo)XY的載體，通過轉(zhuǎn)動中心錐齒輪跟蹤 來風(fēng)方向，來風(fēng)方向未變時，中心錐齒輪是靜止的，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動時，錐齒輪繞著中心錐齒輪作 行星運(yùn)動，錐齒輪通過軸帶動錐齒輪和錐齒輪，使得風(fēng)帆也作行星運(yùn)動。風(fēng)帆升降裝置包括 安裝在風(fēng)輪周邊的升降伺服電機(jī)，升降伺服電機(jī)帶動蝸桿、蝸輪、卷筒、滑輪和纜繩動作，實 現(xiàn)安裝在桅桿上的風(fēng)帆的升降，桅桿的頂端設(shè)有頂套。當(dāng)來風(fēng)速度小時風(fēng)帆升起以增加動 能，當(dāng)來風(fēng)速度太大時降下部份風(fēng)帆，以減少風(fēng)力。風(fēng)帆包括風(fēng)帆板和風(fēng)帆板鉸鏈，風(fēng)帆板 鉸鏈與桅桿之間設(shè)有導(dǎo)向環(huán)耳軸，風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)為折疊式、伸縮式或卷簾式。眾所周知，帆船在海面行駛，逆風(fēng)也能頂風(fēng)行駛，其原理是調(diào)整風(fēng)帆面與來風(fēng)方向 的夾角，依此原理本發(fā)明采用的風(fēng)帆是根據(jù)來風(fēng)方向，按設(shè)定的規(guī)律運(yùn)動，使得風(fēng)帆面與來 風(fēng)方向夾角處于最佳狀態(tài)，使得風(fēng)帆既在順風(fēng)一側(cè)作正功，在逆風(fēng)一側(cè)也作正功，無側(cè)向壓 力，從而大幅度提高風(fēng)能利用系數(shù)。因為本發(fā)明的逆風(fēng)側(cè)也作正功，因而產(chǎn)生很大的起動力，所以起動的風(fēng)速也比較低。同時本發(fā)明的風(fēng)帆自身也在轉(zhuǎn)動，而且與風(fēng)輪的角速度相 反，與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，相同的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，其最外圓葉尖速度比較低。因此本發(fā)明風(fēng) 帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的破壞風(fēng)速比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的破壞風(fēng)速高，也就是說本發(fā)明的 切出風(fēng)速可以比較高，早起動晚切出，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)一年內(nèi)的工作時間增多，這從另一方 面提高了風(fēng)能資源的利用率。本發(fā)明為了實現(xiàn)類似變距的功能，采用與帆船一樣升降風(fēng)帆改變風(fēng)帆的迎風(fēng)面 積，風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)可有三種形式，一是折疊式、二是伸縮式、三是卷簾式，都能實現(xiàn)風(fēng)帆的升 降，以折疊最易實施，由來風(fēng)的速度信號控制風(fēng)帆升降伺服電機(jī)，實現(xiàn)了風(fēng)帆因來風(fēng)速度改 變而升降，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速工作，也避免因暴風(fēng)而毀機(jī)之災(zāi)。本發(fā)明仍保留現(xiàn)有 技術(shù)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動力輸出軸在地面，主要設(shè)施在地面，有便于建造和容易維修的 優(yōu)點。但是本發(fā)明的風(fēng)帆面對來風(fēng)方向有要求，現(xiàn)有技術(shù)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可接受任方 向來風(fēng)的優(yōu)點，在本發(fā)明風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)中已不存在，因而本發(fā)明必須解決和水 平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一樣的偏航問題。本發(fā)明的有益效果是該風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，逆風(fēng)側(cè)不作負(fù)功，因而風(fēng)能利 用系數(shù)得以提高，其理論數(shù)值可突破了貝茲極限，本發(fā)明起動風(fēng)速低切出風(fēng)速高，工作時間 長資源利用率高，其主要設(shè)施在地面，便于建造和維修。同時該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪無側(cè)向 力，利用風(fēng)帆升降實現(xiàn)了變距。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。附圖1為本發(fā)明風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理圖。附圖2為本發(fā)明風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動系統(tǒng)圖。附圖3為本發(fā)明水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1桅桿，2滑輪，3纜繩，4頂套，5風(fēng)帆板，6風(fēng)帆板鉸鏈，7導(dǎo)向環(huán)耳軸，8、17 蝸桿，9、15蝸輪，10卷筒，11風(fēng)帆升降伺服電機(jī)，12,13,20錐齒輪，14小齒輪，16偏航伺服 電機(jī)，19動力輸出軸，21中心錐齒輪，23風(fēng)輪，26大齒輪，ω風(fēng)輪角速度，ω 1風(fēng)帆角速度， α風(fēng)輪轉(zhuǎn)角，δ風(fēng)帆轉(zhuǎn)角，F(xiàn)風(fēng)帆作用力，r力矩半徑，R風(fēng)輪受力半徑。
具體實施例方式附圖為本發(fā)明的一種具體實施例。該風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)輪 23周邊安裝有風(fēng)帆及風(fēng)帆升降裝置，風(fēng)帆的桅桿中心O1繞風(fēng)輪中心0轉(zhuǎn)動作公轉(zhuǎn)，同時風(fēng) 帆以相反方向繞桅桿中心O1轉(zhuǎn)動作自轉(zhuǎn)，風(fēng)輪23上安裝有偏航裝置。風(fēng)帆通過風(fēng)帆升降裝 置實現(xiàn)變距，風(fēng)輪23在逆風(fēng)側(cè)做正功，風(fēng)輪23的側(cè)向力為零，風(fēng)能利用系數(shù)高于水平風(fēng)力 發(fā)電機(jī)。偏航裝置包括套裝在風(fēng)輪23上的中心錐齒輪21，中心錐齒輪21通過大齒輪26、 小齒輪14、蝸輪15、蝸桿17與偏航伺服電機(jī)16相連接，通過轉(zhuǎn)動中心錐齒輪21實現(xiàn)偏航 控制。中心錐齒輪21是風(fēng)向座標(biāo)XY的載體，通過轉(zhuǎn)動中心錐齒輪21跟蹤來風(fēng)方向，來風(fēng) 方向未變時，中心錐齒輪21是靜止的，風(fēng)輪23轉(zhuǎn)動時，錐齒輪20繞著中心錐齒輪21作行 星運(yùn)動，錐齒輪20通過軸24帶動錐齒輪13和錐齒輪12，使得風(fēng)帆也作行星運(yùn)動。風(fēng)帆升 降裝置包括安裝在風(fēng)輪周邊的升降伺服電機(jī)11，升降伺服電機(jī)11帶動蝸桿8、蝸輪9、卷筒10、滑輪2和纜繩3動作，實現(xiàn)安裝在桅桿1上的風(fēng)帆的升降，桅桿1的頂端設(shè)有頂套4。當(dāng) 來風(fēng)速度小時風(fēng)帆升起以增加動能，當(dāng)來風(fēng)速度太大時降下部份風(fēng)帆，以減少風(fēng)力。風(fēng)帆包 括風(fēng)帆板5和風(fēng)帆板鉸鏈6，風(fēng)帆板鉸鏈6與桅桿1之間設(shè)有導(dǎo)向環(huán)耳軸7，風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)為 折疊式、伸縮式或卷簾式。以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明1、本發(fā)明風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆風(fēng)側(cè)不作負(fù)功的求證。附圖1中XY是來方 向座標(biāo)，來風(fēng)方向一定時它是相對固定的，其原點0是風(fēng)輪的軸心，Y是來風(fēng)方向，X1Y1是動 座標(biāo)，其原點是OnO1是風(fēng)帆軸心，也是桅桿中心，它繞風(fēng)輪軸心0點以角速度ω在作公轉(zhuǎn)， 而風(fēng)帆則繞O1以角速度ω工在作自轉(zhuǎn)，風(fēng)帆寬度為B高度為H，該風(fēng)輪上的O1點從X軸開始 以角速度ω在轉(zhuǎn)過α角，而風(fēng)帆則以ω工角速在轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)過δ角，風(fēng)帆面寬度B與X軸的 夾角將θ = α-8。風(fēng)帆升力F垂直于風(fēng)帆面，其大小是風(fēng)帆的迎風(fēng)面積與風(fēng)壓力的乘積。F = PHBcos θ工作力矩 M = T1 F = T1PH Bcos θ Γι = Rcos δ則有Μ= RPHBcos θ cos δ
M = RPHBcos (α - δ )cos δ公式中P是來風(fēng)壓力給以上公式設(shè)定邊界條件當(dāng)α = 180°時，M = O。求解δ 解出δ = α /2代 入上式得
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)輪(23)周邊安裝有風(fēng)帆及風(fēng)帆升降裝 置，風(fēng)帆的桅桿中心O1繞風(fēng)輪中心0轉(zhuǎn)動作公轉(zhuǎn)，同時風(fēng)帆以相反方向繞桅桿中心O1轉(zhuǎn)動 作自轉(zhuǎn)，風(fēng)輪(23)上安裝有偏航裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)帆通過風(fēng)帆升降裝 置實現(xiàn)變距，風(fēng)輪(23)在逆風(fēng)側(cè)做正功，風(fēng)輪(23)的側(cè)向力為零，風(fēng)能利用系數(shù)高于水平 風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是偏航裝置包括套裝 在風(fēng)輪(23)上的中心錐齒輪(21)，中心錐齒輪(21)通過大齒輪(26)、小齒輪(14)、蝸輪 (15)、蝸桿(17)與偏航伺服電機(jī)(16)相連接，通過轉(zhuǎn)動中心錐齒輪(21)實現(xiàn)偏航控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是中心錐齒輪(21)是風(fēng) 向座標(biāo)XY的載體，通過轉(zhuǎn)動中心錐齒輪(21)跟蹤來風(fēng)方向，來風(fēng)方向未變時，中心錐齒輪 (21)是靜止的，風(fēng)輪(23)轉(zhuǎn)動時，錐齒輪(20)繞著中心錐齒輪(21)作行星運(yùn)動，錐齒輪 (20)通過軸(24)帶動錐齒輪(13)和錐齒輪(12)，使得風(fēng)帆也作行星運(yùn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)帆升降裝置包括 安裝在風(fēng)輪周邊的升降伺服電機(jī)(11)，升降伺服電機(jī)(11)帶動蝸桿(8)、蝸輪(9)、卷筒 (10)、滑輪(2)和纜繩(3)動作，實現(xiàn)安裝在桅桿(1)上的風(fēng)帆的升降，桅桿(1)的頂端設(shè) 有頂套⑷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是當(dāng)來風(fēng)速度小時 風(fēng)帆升起以增加動能，當(dāng)來風(fēng)速度太大時降下部份風(fēng)帆，以減少風(fēng)力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)帆包括風(fēng)帆板(5) 和風(fēng)帆板鉸鏈(6)，風(fēng)帆板鉸鏈(6)與桅桿(1)之間設(shè)有導(dǎo)向環(huán)耳軸(7)，風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)為折 疊式、伸縮式或卷簾式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電裝置，特別公開了一種風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是風(fēng)輪周邊安裝有風(fēng)帆及風(fēng)帆升降裝置，風(fēng)帆的桅桿中心O1繞風(fēng)輪中心O轉(zhuǎn)動作公轉(zhuǎn)，同時風(fēng)帆以相反方向繞桅桿中心O1轉(zhuǎn)動作自轉(zhuǎn)，風(fēng)輪上安裝有偏航裝置。該風(fēng)帆式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，逆風(fēng)側(cè)不作負(fù)功，因而風(fēng)能利用系數(shù)得以提高，其理論數(shù)值可突破了貝茲極限，本發(fā)明起動風(fēng)速低切出風(fēng)速高，工作時間長資源利用率高，其主要設(shè)施在地面，便于建造和維修。同時該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪無側(cè)向力，利用風(fēng)帆升降實現(xiàn)了變距。
文檔編號F03D9/00GK102003350SQ20101057080
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者岑益南 申請人:岑益南