CN202132178U - 垂直式多层级风轮的风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其技术方案是，所述风力发电机在一驱动风力发电机之发电马达转子的垂直转轴上，设复数层级的风轮。本实用新型以多层级风轮增加受风面积，从而增加风能利用率，增进风轮起动性能，使其能在低风力环境中运转。

Description

垂直式多层级风轮的风力发电机

技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机，更详而言之，系一种具有垂直式多层级风轮之风力发电机。 

背景技术

风力发电之原理简单地说是透过风能转动叶片，将风能转换为机械能，并利用发电机将机械能转换为电能，再利用蓄电池将能量储存。所以风力发电机主要包括风轮以及发电机两大部分。风轮依照其主轴与水平面的相对位置可分为水平式与垂直式。 

许多的实验以及研究显示，在风轮受风面积相等的条件下，水平式风轮的风能利用率约为23%~29%左右，而垂直式的可以达到40%以上。在起动风速方面，水平式风轮的起动性能好已经是目前的共识，而垂直轴的起动性能相对而言是较差的，但是若改良设计，只要翼型和安装角选择合适，则可以改善这个问题。在结构特点方面，水平式风轮的叶片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，而重力的方向则始终不变，这样叶片所受的就是一个交变载荷，这对叶片的疲劳强度是非常不利的。水平式风轮的发电机应用于风力强，风速快的场域，因此都置于几十米的高空，这使发电机的安装及维修非常不便。垂直轴风轮的叶片在旋转的过程中受力情况要比水平轴好得多，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式长，同时，垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装维护。 

　　虽然风力发电机号称是清洁能源，能起很好的环保作用，但是随着越来越多大型风电场的建立，一些由风力发电机引发的环保问题也凸显出来，一是噪音问题，二是对当地生态环境的影响。水平轴叶片的尖速比一般在5~7左右，在这样的高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音，鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免。垂直式的尖速比则比水平轴小得多，约在1.5~2之间，这样的低转速基本上不产生气动噪音，几乎达到了静音的效果。而低尖速比对于风力发电机的整体性能也是非常有利的。从空气动力学分析，物体速度愈快，外形对流场的影响愈大。当风力发电机在户外运行时，叶片上不可避免的受到污染，这种污染实际上改变了叶片的外形。对于水平式风轮而言，这样微小的外形变化也会大大降低风能利用率。而垂直式因转速低，对于外形的改变则没有那么敏感，风轮的气动性没有影响。 

　　基于以上的分析，垂直式风轮的优点多于水平式，风力发电机的应用领域亦较为广阔。 

基于已有技术中对于水平式和垂直式风轮的比较论述，在垂直式风轮的利基条件较多的情况下，申请人着手研发垂直式风轮的改良，特别是风能利用率以及起动性能这两个部分。 

实用新型内容

本实用新型之目的是提供一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其具有以多层级风轮增加受风面积并增加风能利用率之效能。 

本实用新型之目的是提供一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其具有以多层级风轮增加起动性能之功效，而能在低风力环境中运转。 

本实用新型之目的是提供一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其虽以多层级风轮增加受风面积，但气流切割作用并没有随着受风面积增大而增加，而是均等的分布在每一层级的叶片上，基于此，切割气流而产生的噪音不会因此而增加。 

本实用新型之目的是提供一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其以多层级风轮构成高质量中心，具有稳定重心的作用，使风轮能稳定运转。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的： 

它主要是在一驱动风力发电机之发电马达转子的垂直转轴上，设至少两个层级的风轮。

附图说明

图1为本实用新型风力发电机多层级叶片第一实施例之立体外观图； 

图2为本实用新型风力发电机多层级叶片第一实施例之正视图；

图3为本实用新型风力发电机多层级叶片第二实施例之立体外观图；

图4为本实用新型风力发电机多层级叶片第二实施例之正视图。

附图中主要组件标号说明：10-转轴；20-风轮；21-叶片；22-迎风面；23-背风面；24-辅助运转装置；241-支杆；242-重量块；25-缓冲对象；31-叶片；32-叶板；33-叶板；34-活动枢连构造；35-迎风面；36-背风面；D-受风距离。

具体实施方式 

　　为便于说明本实用新型在上文中所表示的中心思想，兹以具体实施例来进行详述。实施例中各种不同对象系按适于说明之比例、尺寸、变形量或位移量而描绘，而非按实际组件的比例予以绘制，特在此预作声明。且以下的说明中，类似的组件是以相同的编号来表示。

　　如图1至图4，本实用新型垂直式多层级风轮之风力发电机，其系在驱动发电马达转子的转轴10上，设置至少两层的风轮20。每一层风轮20包括复数片(3~5片)的叶片21，每一叶片21具有一切风角度θ。在本实用新型中，风轮20系为四个层级，每个层级的风轮之间具有一个使叶片彼此不互相干扰的受风距离D。 

　　如图1和图2，所述的叶片21系为单片板叶型，具有平板式的迎风面22和背风面23。在每一叶片21的底部，设有一辅助运转装置24。该转助运转装置24系以增加离心力为手段，以增加该叶片21的旋转惯性，从而使叶片21的旋转运动更为顺畅，且在风力达到一定速率时，就可使该叶片21稳定而持续的运转。在本实用新型实施例中，该辅助运转装置24包括一与该叶片21的延伸长度相当的支杆241以及可滑动的设于该支杆241上的重量块242。该支杆241的一端固定于该转轴10，另一端固定于该叶片21。该支杆241的两端另各设有一缓冲对象25。当叶片21受风开始旋转时，该重量块241即因离心作用而从该叶片21的内侧渐向叶片21的外侧滑移，增加该叶片21的运转离心力。 

　　如图3和图4，所述的叶片31为张合活动型，是由两片叶板32,33于侧缘以活动枢连构造34相连接；每一个叶板32,33亦具有迎风面35和背风面36。在迎风面35受风时，两片叶板32,33张开至一最大张开角度；在背风面36受风时，两片叶板32,33相对闭合至一最小闭合角度。所述的最大张开角度系大于90度小于180度，最佳值为150~160度。所述的最小闭合角度系大于20度小于90度，最佳值为45度。在此一实施例中，同一层级的叶片31因受风与背风之作用，而产生连续性的开合作用。 

　　本实用新型图例中描述了多层级风轮具有相同的叶片形状，但本实用新型并不排除复数层级的风轮采用不同叶片形状的可能性。 

    已知，撷取风能之多寡与风轮受风面积成正比，具多层级风轮之风力发电机，其受风面积较单层级叶片大，可撷取之风能多，风能利用率增加。本实用新型多层级风轮之间保持不干涉彼此运转之受风距离D，这个受风距离保持良好的气体流动性，使风力大部分作用在叶片的受风面上，从空间中穿过而损失未利用的风能减少，所以更再增加了风能利用性，增加风轮的起动性能，可在低风速的风力环境中启动，并有低速稳定运转之功效。此外，本实用新型虽以多层级风轮增加受风面积，但气流切割作用并没有随着受风面积增大而增加，而是均等的分布在每一层级的叶片上，基于此，切割气流而产生的噪音不会因此而增加。本实用新型风轮系采用板片型的叶片，多层级的风轮构成整个风车的质量中心，使其具有稳定的重心，风轮受风时可稳定的转动，而减少摇晃的情形。 

虽然本实用新型是以两个最佳实施例做说明，但精于此技艺者能在不脱离本实用新型精神与范畴下做各种不同形式的改变。以上所举实施例仅用以说明本实用新型而已，非用以限制本实用新型之保护范围。举凡不违背本实用新型精神所从事的种种修改或变化，俱属本实用新型专利的保护范围。 

Claims (8)

1.一种垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述风力发电机在一驱动风力发电机之发电马达转子的垂直转轴上，设至少两个层级的风轮。

2.如权利要求1所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述风轮为四个层级。

3.如权利要求1或2所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述复数层级的风轮之叶片形状相同。

4.如权利要求1或2所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其中，各别层级的风轮具有各别的叶片形状。

5.如权利要求1所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其中，各层级之风轮之间具有一个使各别风轮之叶片不互相干扰的受风距离。

6.如权利要求5所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述风轮之叶片系为板片型。

7.如权利要求6所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述风轮具有单板片型之叶片。

8.如权利要求7所述垂直式多层级风轮之风力发电机，其特征在于，所述风轮具有可张合活动的叶片。

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