CN102996348A - 流体能发电*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体能发电***，包括动力轴、叶片、叶片轴和储能装置，叶片设置在叶片轴端部的一侧，设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角这种流体能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的流体能量都能够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所受到的动力最大，这种具有储能装置的垂直轴流体能具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点。

Description

流体能发电***

技术领域

本发明涉及一种流体能利用装置，特别是一种流体能发电***，适合作为风能利用、海洋能发电及其它动力装置。

背景技术

在现有能源结构中，有很大一部分是取自于自然界的能源，如太阳能、地热能、风能等，例如在风能利用方面，长期以来，人们设计了多种形式和结构的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向与位置的不同，又可分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机，目前应用最多还是水平轴风力发电机，水平轴水力发电机有它的优点，如水平轴风力发电机组已经完全达到工业化生产，配套生产与运营经验全面，但垂直轴风力发电机具有结构体积小、无方向性要求、维修方便等特点，垂直风力发电机还具有安全、高效、噪声低、成本低、维护方便等优势。目前的绝大部分垂直轴发电机为固定迎风角的叶片结构，这种结构有效力矩较小，并且还可能在特定条件存在负力矩，降低了整体效率，所以影响了这种类型发电装置的推广和应用，所以目前垂直轴发电机还有一些不足和缺点有待改善。

同时，海洋中所蕴藏的能量更为巨大，在涨潮的过程中，汹涌而来的海水具有很大的动能，而随着海水水位的升高，就把海水的巨大动能转化为势能；在落潮的过程中，海水奔腾而去，水位逐渐降低，势能又转化为动能，同时，也具有潮流能量，潮汐能的利用方式主要是发电，潮汐发电与普通水利发电原理类似，通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮位之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。这样的话，就要修建储水水库，就有大量的土建工程以及运行以后的维护工作，所以，目前这种能量利用方式还有很大的改善空间。

而对于风能和海洋能，都可以看成是一个流体能量利用的问题，在具备一定条件的基础上，应当具有一种基本工作形式或结构，可以将此类的能量利用或挖掘出来。

发明内容

本发明目的就是提供一种启动力矩小、效率高、应用范围广的垂直轴流体能利用装置，可以自动切换能量叶片的角度，并可以把所采集的能量稳定的采集和储存起来。

为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术解决方案：一种流体能发电***,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；具有防逆向旋转装置；由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行转换；两种状态对于流体阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴，动力轴将动力输出到发电机，在动力轴与发电机之间具有储能装置。

进一步的，所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间，最优选为90度。

进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为90度。

进一步的，所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度或向上90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

进一步的，所述的储能装置为发条装置、惯性轮装置其中之一，或是两者的组合。

进一步的，所述的储能装置包括单向旋转控制装置。

进一步的，所述的单向控制装置为棘轮或单向离合器其中之一。

另外，还有一种流体能发电***,至少包括动力轴、叶片、叶片轴，叶片轴水平横向设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的一端设置有叶片；叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，与轴承装配，以形成一侧的驱动力矩；叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线的，叶片轴通过连接结构与动力轴装配；叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；具有防逆向旋转装置；由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面；叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体能的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行切换；两种状态对于流体阻力分别是最大和最小；在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴。

进一步的，在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件。

进一步的，所述的叶片轴力矩平衡部件设置在叶片轴重力力矩较小一侧，叶片轴力矩平衡部件的形状可以为条状、棒状、重锤等其中一种或多种。

本发明效果和特点体现在以下：

这种流体能利用装置的具有两个工作状态，对于来自于任何一个方向的流体能量都能够形成一个单向驱动力，在旋转时能够自动切换，使阻力面所受的阻力最小，而使动力面所受到的动力最大，叶片始终处于做正功的状态，形成正扭矩，它能够最大程度地迎着风向或水流流向，克服现有机械的叶片在某些位置处做负功的状态，提高流体能利用率，并且在动力轴与发电机之间具有储能装置可以调节输出能量，不但可以稳定存储，而且可以自动切换，还具有防震装置，可以防止的旋转切换时由于部件的撞击而过早损坏，以及有效防止偶尔出现的逆转现象。这种垂直轴流体能利用装置具有结构简单、启动力矩小、效率高、易于维护的特点。

附图说明

图1是本发明提出流体能发电***的外观示意图。

图2是本发明提出流体能发电***的正视图。

图3是本发明提出流体能发电***的俯视图。

图4是本发明提出流体能发电***的侧视图。

图5是本发明提出流体能发电***储能装置局部示意图。

图6是本发明提出流体能发电***实施例一储能装置解剖示意图。

图7是本发明提出流体能发电***实施例一储能装置解剖效果图。

图8是本发明提出流体能发电***实施例二储能装置解剖示意图。

图9是本发明提出流体能发电***实施例二储能装置解剖效果图。

图10是本发明提出流体能发电***实施例三储能装置解剖示意图。

图11是本发明提出流体能发电***实施例三储能装置解剖效果图。

图12是本发明提出流体能发电***叶片轴力矩平衡部件示意图。

图中说明：

1为动力轴；

2为发电机；

3为叶片；

4为叶片轴；

5为轴承架

51为轴承；

6为防逆向装置；

61为防逆向装置支架；

7为储能装置；

71为发条；

72为发条连接栓

73为发条连接盘

74发电机连接栓

75为惯性轮；

76为惯性轮单向离合器；

77为储能装置上下壳体

8为叶片轴力矩平衡部件。

具体实施方式

实施例一：

这是一种流体能发电***,基本结构至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，以及由动力轴1带动的发电装置发电机2，由图1、图2中可以看出。

如图1至图4所示，叶片轴4水平横向设置，叶片轴4的中心与动力轴1或动力轴1的延长线垂直相交，这样的设置可以使效率最高，避免偏心力矩的产生，在叶片轴4的两端设置有叶片3，并且是固定设置的，叶片3是受风力或水力的主要部件，如图2和图3所示，风向或液体的流动方向如附图3中箭头所示，叶片3设置在叶片轴4端部的一侧，而不是偏心设置，这样，不但可以形成完全在一侧的驱动力矩，避免在叶片轴4的两侧分别作用大小不同的力矩以产生抵消，而且在状态切换时更加容易和方便。

为了使能够充分利用能量和方便自动切换，使设在同一叶片轴4两端的叶片3不在同一平面内，使两个叶片3之间具有夹角；如图1、2、3所示，在同一叶片轴4两端的叶片3之间的夹角可为60-120度之间，最优选为90度，在本实施例中就是采用90度夹角。

图4是显示的侧视图，也可以看出这样的效果。

叶片轴4通过连接结构与动力轴1进行装配，这个连接结构为轴承架5，如图5所示，在轴承架内具有轴承51，可以对叶片轴4进行装配，同时，因为是轴承装置，所以叶片轴4还可以旋转，也就是说，叶片轴4和叶片3可以旋转。

叶片3与叶片轴4可以旋转，但是，如果没有限制的旋转是无法实现本发明目的的，因为，如果没有限位的话，叶片3与叶片轴4就无法在受到流体动力最大时保证叶片3的稳定性及受力最大，也就是说，在流体方向的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直于流体流动方向，受力截面积最大，而在同一轴上、在流体反方向的叶片3受到的阻力最小，即叶片3平面平行于流体流动方向，受力截面积最小，因而也就无法实现正常的能量收集，因而，叶片轴4或叶片3必须具有限位装置，可以限定叶片3及叶片轴4旋转的角度。限定叶片3在绕叶片轴4转动的角度为60-120度之间，最优选为90度。

还有，由于叶片3、叶片轴4在旋转时，与固定部件之间一定会有一个撞击，特别是在风速或流体速度较大的情况下，长期受力会产生疲劳现象，容易损坏，因而，在叶片3、叶片轴4至少之一与非旋转结构件之间具有旋转缓冲装置，可以防止的旋转切换时由于部件的撞击而过早损坏。

另外，本实施例还具有防逆向旋转装置，本装置在受到流体力的作用时，会产生一个力矩，但由于流体不具有很好的稳定性，如风力或海浪，特别是在换向这种状况更加明显，这时就可能会产生，叶片3的状态还来不及转换，会产生暂时的不稳定状态，这种状态对于装置的连续运转是不利的，因而在这里设置了防止逆向旋转的装置，在本实施例中是在动力轴1上设置了单向旋转装置，这种装置可以为单向离合器、棘轮等多种单向装置中至少其中一种，如附图4中所示，如图4中，6为防逆向装置，实施例中为单向离合器，而61为固定这个单向离合器的支架，即防逆向装置支架61，这个支架可以固定的发电机2的壳体上，可以固定在地基上或其它牢固的物体上。

另外，本发明是由一个叶片轴4和两端的叶片3组成一个叶片组，这种叶片组在一个完整圆周内只能够产生非连续或不稳定的作用力，如果需要产生连续的、较为稳定的作用力，至少具有两组或以上的叶片组，并在动力轴1旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴1垂直的工作面，因此，在本实施例中是由两组叶片组构成了一个工作面。

还有，本发明还具有一个储能装置7，如附图5，使旋转不稳定的叶片3所输出的能量更稳定和连续，通过附图6、7可以看出，储能装置7主要由发条71、发条连接栓72、发条连接盘73、发电机连接栓74组成，动力轴1将扭矩传送到发条71，发条71可以通过发条连接栓72将扭矩传递到发条连接盘73，而发条连接盘73与发电机连接栓74连接，这样，可以将扭矩传递到发电机2，来完成流体发电的过程，而在实际应用中，由于叶片3会受到不稳定气流或液体流的影响，例如在风向发生改变时，在海洋流中，潮汐的流向变化，都会使叶片的转速产生变化，如果直接连接发电机2，会使产生的发电效果不稳定，通过本发明所涉及的储能装置7，使产生的扭矩通过发条71储存起来，储存到一定程度再通过发条连接栓72、发条连接盘73、发电机连接栓74传递到发电机2，这样，到达发电机2的扭矩就会稳定和连续的多，即使是叶片3受到的力不稳定，发电的效果也更为出色。

在本装置中还有储能装置上下壳体77，起到了保护和支撑的作用，在实际应用中在上下壳体77还有圆环状壳体，为显示清晰，在附图6-11中没有显示出来，以下几个实施例也是如此。

上面，已经介绍了储能装置的基本结构，下面来说明整体发明的基本工作过程，在上述装置的基础上，以及在风能或水力的作用下，叶片轴4以及叶片3是可以转动的，并分别会稳定在两个状态，也就是具有两个稳定状态，即叶片3分别是垂直或水平的状态，也可以这样表示，在同一叶片轴4上两端的两个叶片3分别是两个工作状态：阻力状态和动力状态，可以结构图3以及图2、图4来进一步说明，在图3中，标示出了四个位置，分别是A、B、C、D四个位置，B、C为动力状态，D、A为阻力状态，把位置A作为来风面，或是来水面，也就是正视图图2的一面，在动力轴4转动的不同的角度或不同位置时，四个叶片3及叶片轴4在流体的作用下，以及在限位装置静限位块52、动限位块53的作用下，会在阻力状态、动力状态两种状态之间进行转换，两种状态对于流体阻力分别是最大和最小，而形成的动力也就分别是最小和最大。更具体的说，在流体方向B位置的叶片3受到的动力最大，即叶片3平面垂直于流体流动方向，受力截面积也最大；而在同一轴上、在流体反方向的D位置叶片3受到的阻力最小，即叶片3平面平行于流体流动方向，受力截面积也最小，而在位置A和C，由于叶片3截面与流体流向平行，不会产生动力，同时阻力也最小，也就是说，这时在动力轴4上的两个叶片3都没有出力，同时阻力也更小，但是在转过这个位置之后，处在原来位置C的叶片3继续旋转时会受到来自于流体方向的阻力，迫使此位置的叶片3由垂直方向转换为水平位置，这样，就会带动同一动力轴4另外轴的叶片3发生转动，也就是原来位置A的叶片发生转动，由原来的水平方向转变为垂直方向，并且其截面逐渐与流体方向垂直，且面积逐渐变大，直到到达位置B，此时，受力的动力状态，而在同一动力轴4另一端的叶片3为水平状态，受到的阻力最小，这种状态一直稳定到位置C，这样经过180度的旋转就完成了一个基本的工作状态的切换。在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴3产生力矩，并传递到动力轴1，并通过储能装置7带动发电机2产生电能。

也可以这样表述：在图3中，在位置A时，风力或水力流向叶片3，这时无论叶片3是垂直状态或水平状态，都不会产生力矩，但只是一个瞬间；在位置B时，叶片3的平面在限位装置的作用下，为垂直向下状态，在迎风面上面积最大，所受到的动力最大，所以称之为动力状态时动力最大；而在同一根叶片轴4的另一端D位置的叶片，因为与另一端成90度设置，所以此时呈现水平状态，并且为迎风（水）面，此时迎风（水）面的面积最小，所以阻力最小，所以称之为阻力状态时阻力最小；在位置C时，也是一个临界状态，也同一叶片轴上另一端叶片3的状态类似，在转过临界点的附近或瞬时，在此位置上的叶片3会受到风（水）力的阻力，形成一个翻转力矩，叶片3就由原来的动力状态转变为阻力状态，同时，在叶片轴4另一端的叶片就变成了动力状态，此时，也是由于静限位52与动限位块53的作用，转动了90度，而动力轴1转到了位置A、B时呈现为动力状态，这个状态一直持续到位置C点，直至叶片3翻转，大约为二分之一圆周在做功。这样，在风（水）力的作用下，在两种状态的不断切换中，工作面对动力轴形成了持续不断的旋转力矩和电能。

在本实施例中，所述的叶片轴4具有限位装置，所限定叶片3转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度或向上90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态，由图1-4可以得到。而这种叶片向上的情况下，叶片3在叶片轴4的上方，这样所利用的风能更加充分，效率更高一些。

实施例二：

在本实施例中，除储能装置7有所不同以外，其它部分都是相同，因此，在这里仅说明储能装置7的内容，储能装置7的核心部件为惯性轮75和惯性轮单向离合器76，如附图8、9所示，动力轴1与惯性轮单向离合器76连接，而惯性轮单向离合器76与惯性轮75相连接，这样，由动力轴1所产生的扭矩就会先驱动惯性轮75，并稳定的一定的范围之内，然后再通过发电机连接栓74传递到发电机2，这样，也可以保证发电机2能够得到稳定和连续的扭矩。

实施例三：

本实施例与前述的主要区别是将发条71与惯性轮75进行了结合，同时，也加入了发条连接栓72、发条连接盘73，如附图10、11所示，可以取得更好的效果，但是结构会复杂一些。

实施例四：

这是一种流体能发电***,至少包括动力轴1、叶片3、叶片轴4，与前一实施基本相同，不同之处在于：叶片轴4的一端的延长线与动力轴1或动力轴1的延长线垂直相交，如图8、图9所示，也就是说，叶片轴4是不穿过动力轴1的轴线及延长线的，同样，在叶片3、叶片轴4至少之一与非旋转结构件之间具有旋转缓冲装置，以及具有防逆向旋转装置，在叶片轴4的一端设置有叶片3；叶片3设置在叶片轴4端部的一侧，与轴承51装配，以形成一侧的驱动力矩；由一个叶片轴4和一端的叶片3组成一个叶片组，至少具有三组或以上的叶片组，并在动力轴旋转平面内均匀分布，构成一个与动力轴垂直的工作面，动力轴可以将动力输出到发电机，在动力轴与发电机之间具有储能装置，这个储能装置为发条、惯性轮、棘轮类型中至少一种。

另外，上述几个实施例的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上，也可以达到同样的效果和目的,因此，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，是十分具有必要的。

另外，所述动力轴4的防逆向旋转装置为单向离合器、棘轮等多种单向装置中至少其中一种，在本说明书实施例中是设置在动力轴4上的。

还有，在上述实施例中，为了制作方便和降低成本，叶片3为平面，为了获得更好的动力性能，可以为曲面，特别是规则曲面。

另外，在上述实施例中，由于在叶片轴4上的叶片3是安装在叶片轴4的一侧的，即在90度范围内，这样会使受力不均，特别是受重力影响容易下垂，会使受力和运行不稳定，为了改善这个不良影响，在叶片轴4上设置有叶片轴力矩平衡部件8,叶片轴力矩平衡部件8是设置在叶片轴4上并与叶片3相对的另一侧，或重力力矩较小的一侧，来平衡叶片3的重量，如图12所示，叶片轴力矩平衡部件8的形状可以为条状、棒状、重锤等其中一种或多种，或叶片3自身，通过改变尺寸或重量、密度来调整。

因此，这种垂直轴流体能利用装置具有结构简单、启动风力小、效率高、不易损坏、易于维护，防止逆向旋转的特点。

上述的实施例不仅是一种风力发电机或海洋能潮汐动力机，更可以是一风力或水力动力装置，可以是流体能水泵、流体能气泵、流体能磨机等各种动力装置。

虽然这里只说明了本发明的部份优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (10)

1.一种流体能发电***,至少包括动力轴、叶片、叶片轴、发电机，其特征在于:

叶片轴水平设置，叶片轴的中心与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的两端设置有叶片；

叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；

设在同一叶片轴两端的叶片不在同一平面内，两个叶片平面具有夹角；

叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；

由一个叶片轴和两端的叶片组成一个叶片组，至少具有两组或以上的叶片组；

具有两个工作状态，在两种状态之间进行转换；

在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴；

动力轴将动力输出到发电机，在动力轴与发电机之间具有储能装置。

2.根据权利要求1所述的流体能发电***,其特征在于：所述的同一叶片轴两端的叶片之间的夹角为60-120度之间，最优选为90度。

3.根据权利要求1所述的流体能发电***,其特征在于：所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片在绕叶片轴转动的角度，所限定的角度为60-120度之间，最优选为90度。

4.根据权利要求3所述的流体能发电***,其特征在于：所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，所限定叶片转动的角度范围为水平方向至垂直向下90度或向下90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同有着水平和垂直不同的状态。

5.根据权利要求1所述的流体能发电***,其特征在于： 所述的储能装置为发条装置、惯性轮装置其中之一，或是两者的组合。

6.根据权利要求5所述的流体能发电***,其特征在于： 所述的储能装置包括单向旋转控制装置。

7.根据权利要求6所述的流体能发电***,其特征在于：所述的单向控制装置为棘轮或单向离合器其中之一。

8.一种流体能发电***,至少包括动力轴、叶片、叶片轴、发电机，其特征在于:

叶片轴水平设置，叶片轴的一端的延长线与动力轴或动力轴的延长线垂直相交，在叶片轴的一端设置有叶片；

叶片固定设置在叶片轴端部的一侧，以形成一侧的驱动力矩；

叶片轴不穿过动力轴的轴线及延长线；

叶片轴可以旋转，叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，可以限定叶片及叶片轴旋转的角度；

由一个叶片轴和一端的叶片组成一个叶片组，至少具有三组或以上的

叶片组；

叶片轴具有两个工作状态，在动力轴转动的不同的角度时，叶片及叶片轴在流体能的作用下，以及限位装置的限制下，在两种状态之间进行切换；

在重复切换的过程中，流体能作用使叶片及叶片轴产生力矩，并传递到动力轴；

动力轴可以将动力输出到发电机，在动力轴与发电机之间具有储能装置。

9.根据权利要求1、8所述的流体能发电***,其特征在于：在叶片轴上设置有叶片轴力矩平衡部件。

10.根据权利要求9所述的流体能发电***,其特征在于：所述的叶片轴力矩平衡部件设置在叶片轴重力力矩较小一侧，叶片轴力矩平衡部件的形状可以为条状、棒状、重锤等其中一种或多种，也可为叶片。

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