CN106351798B - 一种叶帆可开合的立轴风力发电站 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶帆可开合的立轴风力发电站，包括固定于基台上的竖直中轴，所述竖直中轴由上至下连接有多个立轴风轮，所述立轴风轮包括与竖直中轴可转动连接的环形动力轴，所述环形动力轴上连接有多个可开合叶帆，所述叶帆与往复驱动装置连接，往复驱动装置与控制器通信，控制器控制往复驱动装置运转，进而带动叶帆开合。该发电站对风能的利用率高，设置与叶帆连接的往复驱动装置，可以在风速超出叶帆的承受范围时，将叶帆闭合，避开强劲风力，能够更好的保护叶帆及发电站设备。

Description

一种叶帆可开合的立轴风力发电站

技术领域

本发明涉及风能设备技术领域，具体的说，是涉及一种叶帆可开合的立轴风力发电站。

背景技术

风力发电是把风的动能转为电能。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据估计，仅1％的地面风力就能满足全世界对能源的需求，但目前对风能的利用远远无法满足要求。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。

风是没有公害的能源之一。而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。海上风电是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施。我国海上风能资源丰富，加快海上风电项目建设，对于促进沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式具有重要意义。

现有的风力发电站有水平轴风力发电站和垂直轴风力发电站，水平轴风力发电站的技术较为成熟，结构较为简单，但其对风的利用率较低，在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”；且水平轴风力发电站的叶帆在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样叶帆所受的就是一个交变载荷，这对于叶帆的疲劳强度是非常不利的。另外，水平轴的发电站都置于几十米的高空，这给发电站的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直轴风力发电站不会发生“对风损失”的问题，且垂直轴风轮的叶帆在旋转的过程中的受力情况要比水平轴的好的多，由于惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因此疲劳寿命要比水平轴的长。同时，垂直轴的发电站可以放在风轮的下部或是地面，便于安装维护。垂直轴风力发电站风能利用率高、起动风速低，运行时无噪音，但其也存在转轴过长、风能转换效率不高，启动、停机和变桨困难等问题，目前市场份额很小、应用数量有限，目前对垂直轴风力发电站的应用不是很广泛。且目前的垂直轴风力发电站仍然存在在风速较小时不易启动的问题，对小风资源无法利用；因其结构和强度关系，不管是水平轴风力发电站和垂直轴风力发电站，其叶帆都是与风力对立硬性抗击，在遇到极其恶劣天气和强劲风速下，叶帆容易被损坏，而风力发电站大多安装位置较高，维修非常不便。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种叶帆可开合的立轴风力发电站，该发电站对风能的利用率高，且在风力较大时可将叶帆闭合，能更好的保护叶帆不被损坏。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种叶帆可开合的立轴风力发电站，包括固定于基台上的竖直中轴，所述竖直中轴由上至下连接有多个立轴风轮，所述立轴风轮包括与竖直中轴可转动连接的环形动力轴，所述环形动力轴上连接有多个可开合叶帆，所述叶帆与往复驱动装置连接，往复驱动装置与控制器通信，控制器控制往复驱动装置运转，进而带动叶帆开合。

所述叶帆顶部设置杆体，所述杆体与往复驱动装置连接，所述往复驱动装置固定于环形动力轴上，往复驱动装置带动杆体转动进而使得叶帆张开或闭合。

所述叶帆一侧连接有支撑臂，支撑臂与环形动力轴连接，叶帆的另一侧悬空。

优选的，所述杆体与环形动力轴之间具有设定间隙，所述杆体与环形动力轴之间连接有倾斜伸缩拉杆。

优选的，所述环形动力轴外侧部设置有竖向卡槽。

优选的，所述竖直中轴为中空结构，所述环形动力轴上配合设置有水平传动齿轮，所述水平传动齿轮与多个竖向设置的第一齿轮啮合传动，所述第一齿轮的齿轮轴穿入竖直中轴且与第二齿轮连接，第二齿轮与水平设置的第三齿轮啮合传动，第三齿轮与连接至发电机的垂直轴相连接。发电站的发电机放置于基台内部。

所述基台包括由横向支架和竖向支架拼接构成的***框架结构，所述横向支架和竖向支架之间铺设外护板。

优选的，所述基台底部固定有多个桩体。

优选的，所述横向支架和竖向支架为玄武岩纤维筋制成。

优选的，所述竖直中轴上设置有风速传感器，所述风速传感器与控制器通信。

优选的，位于上部的所述立轴风轮中部设有连通至下部的立轴风轮的中空管路，所述中空管路的上侧部和下侧部均设有朝向立轴风轮的开口。

优选的，所述叶帆的横截面和纵截面均为弧形。

优选的，所述中轴为玄武岩纤维制成。

优选的，所述叶帆为玄武岩纤维制成。

优选的，所述杆体和支撑臂均为玄武岩纤维制成。

优选的，所述竖直中轴还通过水平连杆与环形框架结构连接，所述环形框架结构上固定有多个百叶帘式结构，所述百叶帘式结构的叶片呈弧形。

所述百叶帘式结构设置于立轴风轮的叶帆外部，将立轴风轮的叶帆包覆于其内。

本发明的有益效果为：

本发明的立轴风力发电站设置与叶帆连接的往复驱动装置，可以在风速超出叶帆的承受范围时，将叶帆闭合，避开强劲风力，能够更好的保护叶帆及发电站设备；且本发明的立轴风力发电站设置多个立轴风轮，可以在风速达到一定值时，先闭合较高位置风轮的叶帆，较低位置的风轮继续工作进行发电，在风速达到更高值时，闭合下部较低位置风轮的叶帆，可以根据风速逐级闭合风轮的叶帆，既能保护叶帆不被损坏，保障发电站的正常工作，又可以提高对风能的利用率。

本发明的基台由玄武岩纤维筋制成外部框架，在框架缝隙中铺设盖板，整个基台内部中空，基台的重量降低，安装及制造过程都更容易可行；且基台由玄武岩纤维筋制作，玄武岩纤维筋强度高、耐高温、高耐磨抗冲击，且耐腐蚀、不生锈，能承受更快的风速，基台的强度提高，耐久性更好。

本发明发电站置于基台内部，立轴风轮通过传动机构将风能传递给发电站，基台可以对发电站起到保护作用，且发电站置于底部，容易进行安装等操作。

本发明设置风速传感器，检测风速，从而在风力能够破坏叶帆前将叶帆闭合，避开强劲风力对其的影响，方便控制，且能及时做出反应，保护叶帆不被损坏。

本发明将叶帆设置成横截面和纵截面均为弧形，具有更好的兜风性，对风的动能接收转化率更高，能在风中获得更多的动能，并且不产生阻力，对风能的利用率更高。

本发明将中轴和叶帆都采用玄武岩纤维制作，既能减轻重量，又能增强强度。

附图说明

图1为本发明风力发电站的结构示意图；

图2为本发明立轴风轮与竖直中轴配合示意图；

图3为本发明立轴风轮与发电机连接的传动机构示意图；

图4为本发明立轴风轮间中空管路的布置示意图；

图5为百叶帘式结构示意图；

图中，1基台，2竖直中轴，3立轴风轮，4环形动力轴，5叶帆，6往复驱动装置，7横向支架，8竖向支架，9外护板，10桩体，11发电机，12风速传感器，13控制器，14中空管路，15开口，16百叶帘式结构，17杆体，18支撑臂，19伸缩拉杆，20竖向卡槽，21水平传动齿轮，22第一齿轮，23第二齿轮，24第三齿轮，25垂直轴，26水平连杆，27环形框架结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-2所示，一种叶帆可开合的立轴风力发电站，包括固定于基台1上的竖直中轴2，竖直中轴2由上至下连接有多个立轴风轮3，立轴风轮3包括与竖直中轴2可转动连接的环形动力轴4，环形动力轴4上连接有多个可开合叶帆5，叶帆5与往复驱动装置6连接，往复驱动装置6与控制器13通信，控制器13控制往复驱动装置6运转，进而带动叶帆5开合。本发明的立轴风力发电站设置与叶帆连接的往复驱动装置，可以在风速超出叶帆的承受范围时，将叶帆闭合，避开强劲风力，能够更好的保护叶帆及发电站设备；且本发明的立轴风力发电站设置多个立轴风轮，可以在风速达到一定值时，先闭合较高位置风轮的叶帆，较低位置的风轮继续工作进行发电，在风速达到更高值时，闭合下部较低位置风轮的叶帆，可以根据风速逐级闭合风轮的叶帆，既能保护叶帆不被损坏，保障发电站的正常工作，又可以提高对风能的利用率。

环形动力轴4与中轴2可以通过轴承结构连接。支撑结构4可以为顶部和底部均为圆盘，中部为圆筒的结构。

叶帆5顶部设置杆体17，杆体17与往复驱动装置6连接，往复驱动装置6固定于环形动力轴4上，往复驱动装置6带动杆体17转动进而使得叶帆5张开或闭合。往复驱动装置6可以选用电控的液压缸或者其他可以伸缩往复运动的装置。横轴风轮发电利用率仅为25％，在风大、风小或风向不对时都不能使用，而立轴风轮的利用率是横轴风轮的3倍之多。

叶帆5一侧连接有支撑臂18，支撑臂18与环形动力轴4连接，叶帆5的另一侧悬空。或者，叶帆5的连接部与环形动力轴4活节连接。

杆体17与环形动力轴4之间具有设定间隙，杆体17与环形动力轴4之间连接有倾斜伸缩拉杆19。

环形动力轴4外侧部设置有竖向卡槽20。杆体17与往复驱动装置6铰接，当风力过大时，往复驱动装置6的伸缩杆顶出，杆体17向下旋转，带动叶帆5向环形动力轴4的方向转动，伸缩拉杆19可在叶帆转动过程中起支撑作用，叶帆5全部闭合后可部分卡入竖向卡槽20，对闭合后的叶帆5起一定限位作用；当风力减小时，往复驱动装置6的伸缩杆缩进，杆体17向上旋转，带动叶帆5向上张起，待叶帆5全部张开后继续工作。

如图3所示，竖直中轴2为中空结构，本发明风力发电站的发电机11放置于基台1内部，发电站11通过传动机构与立轴风轮3连接。传动机构包括以下结构：环形动力轴4上配合设置有水平传动齿轮21，水平传动齿轮21与多个竖向设置的第一齿轮22啮合传动，水平传动齿轮21一周可以与四个第一齿轮22配合，第一齿轮22的齿轮轴穿入竖直中轴2且与第二齿轮23连接，第二齿轮23与水平设置的第三齿轮24啮合传动，第三齿轮24与连接至发电机11的垂直轴25相连接。水平传动齿轮21与环形动力轴4相连接，第二齿轮23和第三齿轮24设置于竖直中轴2内部，立轴风轮3的动力通过上述传动机构传递给发电机11。

杆体17和支撑臂18均为玄武岩纤维制成。

基台1包括由横向支架7和竖向支架8拼接构成的***框架结构，横向支架7和竖向支架8之间铺设外护板9。基台1底部固定有多个桩体10。横向支架7和竖向支架8为玄武岩纤维筋制成。基台由玄武岩纤维筋制成外部框架，在框架缝隙中铺设盖板，整个基台内部中空，基台的重量降低，安装及制造过程都更容易可行；且基台由玄武岩纤维筋制作，玄武岩纤维筋强度高、耐高温、高耐磨抗冲击，且耐腐蚀、不生锈，能承受更快的风速，基台的强度提高，耐久性更好。

如图1、4所示，中轴2上设置有风速传感器12，风速传感器12与控制器13通信。本发明中在叶帆处设置往复驱动装置6，在风速传感器12检测到风速达到破坏叶帆的级别时，风速传感器12给控制器信号，控制器控制往复驱动装置6将叶帆闭合，避免硬性抵抗风力，而造成叶帆损坏。

位于上部的立轴风轮3中部设有连通至下部的立轴风轮3的中空管路14，中空管路14的上侧部和下侧部均设有朝向立轴风轮的开口15。中空管路14可以设置在中轴2内部或外侧部。可以对风力再利用，在风力流过上一级立轴风轮时，残留的风可由上部开口进入中空管路，进而由下部开口送入下一级立轴风轮，对上一级立轴风轮未利用到的风再次利用，风力利用率高。本发明的风力发电装置可以用于岛礁、沙漠、生态区、高速路、高铁沿线等。

叶帆5的横截面和纵截面均为弧形。将叶帆设置成横截面和纵截面均为弧形，具有更好的兜风性，对风的动能接收转化率更高，能在风中获得更多的动能，并且不产生阻力，对风能的利用率更高。

中轴2和叶帆5均为玄武岩纤维制成。目前的风电都是采用金属杆，重量大，安装非常昂贵，而采用玄武岩纤维的中轴重量轻，组装方便、简单。

相比于现有的风电机只能在合适的风速下进行工作，本发明的发电机可在微风(2-4级风力)下启动，强风(5-10级)下仍可工作，在超强风力时可闭合叶帆，在叶帆闭合后，可在叶帆之间预留缝隙，叶帆可鼓起，仍可转动发电。本发明风电机可以离地面仅5米，利用环形动力轴，使得传动轴变短，重量减轻，动力输送效率提高。

竖直中轴2还通过水平连杆26与环形框架结构27连接，环形框架结构27上固定有多个百叶帘式结构16，百叶帘式结构16的叶帆呈弧形。百叶帘式结构16设置于立轴风轮3的叶帆5外部，将立轴风轮3的叶帆5包覆于其内。百叶帘式结构16的叶帆可以是纵向上呈弧形或在横向上呈弧形，采用现有的百叶帘结构，可以采用电动方式开合或者手动方式开合。在立轴风轮3的叶帆5外部设置百叶帘式结构16，可以通过对百叶帘式结构的开闭控制进入立轴风轮的风力的大小，对立轴风轮起到更进一步的保护作用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种叶帆可开合的立轴风力发电站，其特征是，包括固定于基台上的竖直中轴，所述竖直中轴由上至下连接有多个立轴风轮，所述立轴风轮包括与竖直中轴可转动连接的环形动力轴，所述环形动力轴上连接有多个可开合叶帆，所述叶帆与往复驱动装置连接，往复驱动装置与控制器通信，控制器控制往复驱动装置运转，进而带动叶帆开合；

所述叶帆顶部设置杆体，所述杆体与往复驱动装置连接，所述往复驱动装置固定于环形动力轴上，往复驱动装置带动杆体转动进而使得叶帆张开或闭合；

所述杆体与环形动力轴之间具有设定间隙，所述杆体与环形动力轴之间连接有倾斜伸缩拉杆；所述环形动力轴外侧部设置有竖向卡槽；所述杆体与所述往复驱动装置铰接。

2.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述叶帆一侧连接有支撑臂，支撑臂与环形动力轴连接，叶帆的另一侧悬空；所述杆体和支撑臂均为玄武岩纤维制成。

3.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述竖直中轴为中空结构，所述环形动力轴上配合设置有水平传动齿轮，所述水平传动齿轮与多个竖向设置的第一齿轮啮合传动，所述第一齿轮的齿轮轴穿入竖直中轴且与第二齿轮连接，第二齿轮与水平设置的第三齿轮啮合传动，第三齿轮与连接至发电机的垂直轴相连接；所述发电机放置于基台内部。

4.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述基台包括由横向支架和竖向支架拼接构成的***框架结构，所述横向支架和竖向支架之间铺设外护板；所述基台底部固定有多个桩体；所述横向支架和竖向支架为玄武岩纤维筋制成。

5.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述竖直中轴上设置有风速传感器，所述风速传感器与控制器通信；所述竖直中轴为玄武岩纤维制成。

6.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，位于上部的所述立轴风轮中部设有连通至下部的立轴风轮的中空管路，所述中空管路的上侧部和下侧部均设有朝向立轴风轮的开口。

7.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述叶帆的横截面和纵截面均为弧形；所述叶帆为玄武岩纤维制成。

8.如权利要求1所述的风力发电站，其特征是，所述竖直中轴还通过水平连杆与环形框架结构连接，所述环形框架结构上固定有多个百叶帘式结构，所述百叶帘式结构的叶片呈弧形；所述百叶帘式结构设置于立轴风轮的叶帆外部，将立轴风轮的叶帆包覆于其内。