垂直轴风力发电机的风叶系统
技术领域
本发明涉及一种垂直轴风力发电机的风叶系统。
背景技术
最早的垂直轴风力发电机的风叶采用的是圆弧形双风叶的结构，也就是所谓的Φ型或称为达里厄双风叶结构，这种结构的风叶由于其受风面积小，相应的需要较高的启动风速，带这种风叶的垂直轴风力发电机一直未得到大力发展，究其原因是其发电效果始终不太理想。
近年来，人们提出了采用H型风叶来代替传统圆弧形双风叶的结构，H型垂直轴风力发电机的风叶是采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，风叶采用飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个风叶组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接风叶的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。
根据H型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快(力矩上升速度快)，它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。这种H型风力发电机的风叶系统虽然有上述优点，但是，在风轮的转速上升速度及发电曲线方面也还存在许多需要改进之处。
发明内容
本发明目的是设计一种在微风下即可以启动风力发电机，并且风阻非常小的垂直轴风力发电机的风叶系统。
本发明的另一个目的是本发明的垂直轴风力发电机的风叶系统具有结构简单，制作方便的特点。
本发明的技术方案是：一种垂直轴风力发电机的风叶系统，包括至少两片风叶，在每片风叶的水平方向平衡轴线的上方设有风叶轴，所述风叶轴与水平方向平衡轴线之间的距离要满足风叶轴上、下的力差，使风叶在无风状态下，风叶由水平状态在力差的作用下迅速地转为垂直状态，在有风状态下风叶沿风叶轴旋转；风叶轴的一端与风轮轴固定连接，风叶与风叶轴活动连接，风叶的挡风面与风叶轴的轴线在同一平面内，在风叶轴上设有用于限制风叶在垂直状态时，只能单向水平转动的限制器。
作为对本发明的改进，所述风叶包括边框和设置在边框内的挡风面，在所述边框的相对两竖直的边框上设有轴承，所述轴承设置在所述风叶轴上。
所述挡风面所用材料为不透风纤维布或不透风无纺布。
作为对本发明的进一步改进，在所述风叶轴的上方或下方设有配重块。
作为对本发明的更进一步改进，在所述风叶轴上设有盘簧，所述盘簧一端固定在风叶轴上，所述盘簧的另一端抵在所述风叶一面上。
本发明中的限制器是直形或直角形。
作为对本发明的另一种改进，所述风叶系统还包括附风叶、转盘、拉线及支架，所述附风叶下端与所述转盘上平面固定连接，所述转盘下平面与所述风叶轴固定连接，所述拉线一端固定在所述转盘的侧面上，所述拉线的另一端通过支架后与风叶的一面固定连接。
所述风叶系统还包括风向检测器及电机，所述风向检测器根据风向，控制电机转动，从而带动风叶转动，而使风叶迎风时呈竖直状态，背风时呈水平状态。
所述风向检测器设置在所述风叶轴上。
所述电机设置在风叶一面，并通过轮齿带动风叶旋转。
采用了本发明垂直轴风力发电机的风叶系统的垂直轴风力发电机具有如下优点：一是安全性高；本发明中风叶脱落、断裂和风叶飞出等问题得到了较好的解决，故安全性高；二是抗风能力强和噪音小；本发明采用了在迎风时，风叶垂直，而背风是风叶水平，这样使得本发明可以抵抗较强台风，并且噪音可以降低到在自然环境下测量不到的程度；三是回转半径小，在相同发电功率的情况下，本发明具有比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；四是利用风速范围广，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性。
此外，本发明还具有结构非常简单，易于维护，可适合大中小型风力发电机；成本低；可拆散运输，重量轻，可现场安装，方便运输；可制作超大型风叶，使单机发电量增高；对风塔的要求相对较低；不需对风向，可自适应风向等优点。
附图说明
图1是本发明一种实施例立体结构示意图。
图2是图1中一个风叶的放大结构示意图。
图3是本发明另一种风叶的放大结构示意图。
图4是第三种风叶的放大结构示意图。
图5是第四种风叶的放大结构的结构示意图。
图6是本发明另一种实施例的立体结构示意图。
图7是本发明带附风叶的实施例立体结构示意图。
图8是本发明带扭簧结构的实施例立体结构示意图。
图9是本发明带风向测风器及电机的实施例立体结构示意图。
具体实施方式
请参见图1，它是一种垂直轴风力发电机的风叶系统，包括两片风叶1，在每片风叶1的水平方向平衡轴线2(图中虚线)的上方设有平行于水平方向平衡轴线2的风叶轴3，本发明中的水平方向平衡轴线2是一根假想线，它假想水平方向平衡轴线2的水平方向，该风叶1正好上下平衡。在无风状态下，风叶可以沿风叶轴3垂直竖立；本发明中所述风叶轴3与水平方向平衡轴线2之间的距离H要满足风叶轴3上、下的力差(本实施中为重力差，当然，也可以人为的设置其它作用力，如用扭力、拉力等作用力，关于这种作用力的实例在后叙述)，使风叶1在无风状态下，风叶1由水平状态能迅速地转为垂直状态(本例中，就是重力差能使风叶1在无风状态下迅速由平行于地面转为垂直于地面即可)，在有风状态下风叶1可以沿风叶轴3旋转；风叶轴3的一端与垂直于地面的风轮轴4固定连接，风轮轴的另一端与发电机5的转子轴相接，风叶1与风叶轴3活动连接，本例中，所述风叶1包括边框11和设置在边框11内的挡风面12，在所述边框11的相对两竖直的边框上各设有一个轴承13，所述轴承13设置在所述风叶轴3上；风叶1的挡风面12与风叶轴3的轴线在同一平面内，在风叶轴3上设有用于限制风叶1在垂直状态时，只能单向水平转动的限制器14，本例中，限制器14是在当风从纸面吹向观图者的方向时，限制器14正好顶在图中左边的风叶1的边框上，使用图中左边的风叶1不能继续向观图者方向转动，具有最大风阻，而图中右边的风叶1，沿风叶轴3在风的作用下，水平旋转接近水平，具有最小风阻，从而对风叶轴3形成一个力矩，使风叶轴3旋转，带动发电机5发电。当图中左边的风叶1向另一侧旋转180度时，同样是在风力的作用下，该风叶1就会被风吹为水平状态(如图中右边风叶所示，图中右边风叶并没有完画为水平状态，主要是为了便于说明及视图)，此时，该风叶风阻最小，有利于风叶系统旋转。这种两个风叶1的风叶系统，在启动时，可能会存在死点(如图中所示旋转到90度时)的问题，这时，只需要在该死点处，施加一个外力，使其越过死点，本发明就可以在惯性的作用下，周而复始的不停旋转。为了精准地调整风叶轴3与水平方向平衡轴线2之间的距离H，以使风叶系统达到最佳效果，可以在风叶1上或下设置配重块6。本发明中的风叶1既可以随着风叶轴3沿着风轮轴4公转，也可以沿着风叶轴3单向水平转动。
图1中是以两片风叶1对称设置对本发明的风叶系统进行了解释，实际上，本发明还可以设计成由三片风叶1组成的风叶系统，这时，三片风叶最好设置成星形结构，即相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角为120度的结构。同样的道理，本发明还可以设计成由四片风叶，五片风叶或六片风叶的结构，被设置成四片风叶，五片风叶或六片风叶时，其各自相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角最好相等，如四片风叶时，相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角为90度；五片风叶时，相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角为72度；六片风叶时，相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角为60度。图1中，所述挡风面12所用材料为不透风纤维布，该纤维布要具有一定的抗拉力，如帆布，即可以承受一定的风力，又具有较轻的重量，有利于安装和运输。显然，一切具有质量轻，抗拉力强的软质材料或硬质材料均可以使用，如不透风无纺布等，其中，以具有抗拉力的质量轻的软质材料为最优。本发明中的限制器14可以是直形的，也可以是直角形的，还可以其它几何形状，只要能挡住风叶1，保证其只能单向水平旋转即可以。配重块6可以改善风叶轴3两端的平衡，使两端的面积差较大时重力差减小，使风叶能在迎风减小、在接近平行地面状态，在重力作用下快速转为垂直状态就足够。此重力差越小，风轮轴两边风叶的风力差越大，风能的利用率越高。配重块的重量很易调整，位置可在风叶内或风叶外。风叶1为一平面，以四边体为佳，其四周为钢性管状结构，中间平面可用帆布或足够拉力的不透风纤维组成，重量减轻。
请参见图2至图5，图2至图5揭示了几种典型的风叶1的结构。图2所示的结构是其配重块6位于风叶1的风叶轴3的下方；图3所示的结构是其配重块6位于风叶1的风叶轴3的上方；图4所示的结构是其配重块6位于风叶1的风叶轴3的下方中间；图5所示的结构是其配重块6位于风叶1的风叶轴3的上方右边，并与边框连接为一体，图2至图5说明，配重块6可以设置在风叶1的上或下方的任何位置，只要有利于调节风叶轴3与水平方向平衡轴线2距离H即可。
请参见图6，图6是本发明具有四片风叶的一种实施例，本实施例中，四片风叶1成两对分别对称设置，相邻两片风叶1的风叶轴3之间的夹角为90度。为了防止风叶轴3过长，而造成工作时不稳定，本实例中将风轮轴4向上延伸构成延伸段41，再用斜拉线42拉住风叶轴3。
请参见图7，图7是本发明带附风叶的实施例立体结构示意图。本实施例中，所述风叶系统还包括附风叶71、转盘72、拉线73及支架74，所述附风叶71下端与所述转盘72上平面固定连接，所述转盘72下平面通过支杆75与所述风叶轴3固定连接，所述拉线73一端固定在所述转盘72的侧面上，所述拉线73的另一端通过支架74后与风叶1的一面固定连接，这种增加附风叶71的系统，主要是用在当风叶1的风叶轴3正好处在与水平方向平衡轴线2同轴上时(即风叶轴3与水平方向平衡轴线2之间的距离H等于零时)使用。增加附风叶71，它可以在风叶1处于平衡状态时，通过附风叶71在风力的作用下旋转，从而带动转盘72旋转，转盘72拉动拉线，拉线拉动风叶下部，从而打破风叶1的平衡状态，使整个系统可以正常工作。加装附风叶71另一个作用是使风叶1迎风时加快风叶1的水平转动。当然，增加附风叶71的系统，也可以用于风叶轴3与水平方向平衡轴线2之间的距离H大于零的情况，这时，附风叶71可以加快风叶1的水平旋转速度。
请参见图8，图8是本发明带扭簧结构的实施例立体结构示意图。这种实施例是在图1所示实施的基础上改进而来，它是在所述风叶轴3上设有盘簧8，所述盘簧8一端固定在风叶轴3上，所述盘簧8的另一端抵在所述风叶1一面上，本实施例中，所述盘簧8起到配重块6的作用。
请参见图9，图9是本发明带风向测风器及电机的实施例立体结构示意图。这种实施例中，所述风叶系统还可以包括风向检测器9及电机10，所述风向检测器9根据风向，控制电机10转动，电机10带动风叶1转动，而使风叶1迎风时呈竖直状态，背风时呈水平状态。本例中，所述风向检测器9设置在所述风叶轴3上。所述电机10设置在风叶1背面，并通过轮齿101带动风叶1水平旋转。
本发明的工作原理是有风时，由于风叶1上下两端的面积不一样，产生的风力不一样，此风力差大于风叶轴两端的重力差时，会使风叶1以风叶轴3为中心水平旋转，风力越大，转动角度越大，直到接近90度与风向平行，此时风阻最小。对称于风轮轴4的另一风叶1，此时由于风叶1的限制器14的限制，无法转动，垂直于地面，产生最大的阻力，此时风轮轴4两边产生风力差，使风叶1以风轮轴4为中心旋转。垂直的风叶1沿风轮轴4旋转大于90度后，由于风叶1的限制器14是单方向限制，此时风叶1沿风叶轴3水平旋转，减小风阻；水平的风叶1沿风轮轴4旋转90度后，此时风叶1与风向平行，上下两端都无风阻，由于风叶1的重力差，风叶1水平旋转90度，与地面垂直，由于风叶1的限制器14的限制，此时风叶产生最大风阻。这样风叶1不停的水平旋转、由水平转为垂直，又由垂直转为水平，阻力由最小变为最大，由最大又变为最小，使风叶沿风轮轴4不停旋转，使风轮轴4带动发电机5旋转，产生电力。