專利名稱：一種垂直軸風力發電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機，尤其是一種垂直軸風力發電機。
背景技術：
把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，這就是風力發電。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風車技術，大約是每秒三米的微風速度便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染，是一種環保的能源獲得方式。公知的風力發電機一般分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，水平軸風力發電機受風向變化影響較大，一般要加裝風輪轉向裝置才能適應風向變化， 使其機械結構復雜，且有能量損耗在風輪轉向過程中。垂直軸風力發電機受風向變化影響較小，風能利用率較高，但是由于其風能利用率較高造成對風輪結構強度的要求較高，在風力過大時容易損壞。
發明內容
針對現有垂直軸風力發電機所存在的問題，本發明提供一種風輪葉片可閉合的垂直軸風力發電機。本發明解決技術問題所采用的技術方案為
一種垂直軸風力發電機，包括支撐軸和風輪，所述支撐軸垂直于地面，所述風輪旋轉方向與地面平行，所述風輪與所述支撐軸連接，其中，所述風輪包括一對平行設置的扁平狀支撐部件，所述一對支撐部件橫截面中心設有通孔；
所述支撐軸橫截面形狀與所述一對支撐部件橫截面中心的通孔匹配，所述支撐軸插入所述一對支撐部件橫截面中心的通孔，并貫穿所述一對支撐部件，稱位于所述支撐軸上部的支撐部件為上支撐部件，位于所述支撐軸下部的支撐部件為下支撐部件；
所述一對支撐部件之間設有長條狀葉片，所述葉片有多片，所述多片葉片一端與所述上支撐部件連接且連接部位均勻分布于所述上支撐部件橫截面周向，另一端與所述下支撐部件連接且連接部位均勻分布于所述下支撐部件橫截面周向； 所述長條狀葉片包括上端面、下端面、迎風面和受風面；
所述多片葉片的上端面于迎風面一側邊線圍成所述上支撐部件橫截面周線形狀，所述多片葉片下端面于迎風面一側邊線圍成所述下支撐部件橫截面周線形狀；
所述多片葉片的受風面圍成腔體，所述腔體容納所述支撐軸，且不妨礙所述支撐軸自
由轉動；
所述多片葉片中的每片葉片與所述上支撐部件及所述下支撐部件連接部位有旋轉裝
置；
所述旋轉裝置內設有定位部件，所述定位部件鎖定所述旋轉裝置。上述垂直軸風力發電機，其中，所述一對平行設置的扁平狀支撐部件為圓環形且大小相同，所述葉片為柱形體；
所述圓環形支撐部件以多條連接其外圓和內圓的等分線分成與所述多片葉片數相同個等分，取其中一條等分線稱為當前等分線，所述當前等分線與所述圓環形支撐部件外圓的交點稱為所述當前等分線的外節點，所述圓環形支撐部件外圓上所述當前等分線的外節點的逆時針方向的前一個由其他等分線與所述外圓相交形成的外節點稱為所述當前等分線的前節點；
所述柱形體任一端面包括頭部和尾部，所述頭部為圓形，所述圓形頭部直徑等于所述圓環形支撐部件的外圓半徑減去內圓半徑之差，所述圓形頭部的圓心位于一條所述等分線中點，稱一端面圓形頭部位于所述當前等分線中點的柱形體為當前柱形體，該端面為當前端面，稱當前柱形體沿圓環形支撐部件逆時針方向的第一個所述柱形體為第二柱形體，稱當前柱形體沿圓環形支撐部件逆時針方向的第二個所述柱形體為第三柱形體，所述當前等分線的外節點通過一條圓弧與所述當前等分線的前節點相連稱為外圓弧，做一圓形，使該圓形與所述當前端面的所述圓形頭部外切，與所述第二柱形體的與所述當前端面同一平面內的端面的所述圓形頭部內切，并與所述第三柱形體的與所述當前端面同一平面內的端面的所述圓形頭部外切，以該圓形與所述當前端面的所述圓形頭部的切點至所述當前等分線的前節點截取圓弧，稱該段圓弧為內圓弧，所述外圓弧與所述內圓弧于所述當前等分線的前節點處相交形成所述當前端面的尾部，所述外圓弧半徑與所述圓環形支撐部件外圓半徑相等，所述外圓弧與所述內圓弧及所述圓形頭部自所述當前等分線外節點順時針至所述內圓弧與所述圓形頭部切點處截取的圓弧圍成所述當前端面；
所述任一柱形體上下端面的圓形頭部圓心與相鄰的所述支撐部件鉸接，所述任一柱形體以其所述上下端面的圓形頭部的圓心連線為軸樞轉。上述垂直軸風力發電機，其中，所述任一柱形體與所述支撐部件鉸接部位設有與所述柱形體聯動的從動齒輪，所述從動齒輪平行于所述支撐部件，且與其所屬柱形體的任一端面的圓形頭部同心，所述支撐軸設有驅動齒輪，所述從動齒輪與所述驅動齒輪嚙合。上述垂直軸風力發電機，其中，所述風輪有多個，所述多個風輪同心，所述多個風輪旋轉方向相互平行，所述多個風輪以相同的角速度旋轉。上述垂直軸風力發電機，其中，還包括發電機，所述發電機置于所述支撐軸底部， 所述發電機通過傳動機構與所述風輪連接。上述垂直軸風力發電機，其中，還包括發電機，所述發電機包括轉子和定子，所述轉子由所述風輪形成，所述定子設于所述支撐軸上。上述垂直軸風力發電機，其中，所述多個風輪于垂直方向相互緊貼。 上述垂直軸風力發電機，其中，所述多個風輪的支撐部件大小相同，所述多個風輪的葉片數不同。上述垂直軸風力發電機，其中，所述多個風輪中于最上部的風輪的葉片數為2片， 往下依次每個風輪的葉片數增加1片。上述垂直軸風力發電機，其中，所述風輪有5個、6個或者7個。本發明的有益效果是
1.風輪葉片可打開，可合上，合上后呈圓柱形，受風面積小，在風力過大時可保護風輪。2.改變了單一風輪結構的固有頻率，每層風輪旋轉產生的諧波分量相互干擾，阻礙共振發生，同時不同風輪的風輪葉片間氣流彼此干擾，阻礙了激振發生，使風輪壽命得到延長。3.可將發電機置于地面或較低位置方便維護。4.可設計成內轉子或者外轉子發電形式，結構靈活。5.上大下小的風輪系統可以更有效地利用風能，同時由于離地面越近風輪的旋轉半徑越小，使得靠近風力發電機的土地在一定高度范圍內可以得到利用。
圖1是本發明一種垂直軸風力發電機的立體結構示意圖2是本發明一種垂直軸風力發電機風輪葉片為三片時風輪的俯視結構示意圖； 圖3是本發明一種垂直軸風力發電機的葉片旋轉裝置的結構示意圖； 圖4是本發明一種垂直軸風力發電機的葉片鎖定裝置的的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為本發明的限定。如圖1、圖2、圖3和圖4所示本發明一種垂直軸風力發電機，包括支撐軸1和風輪 2，支撐軸1垂直于地面，風輪2旋轉方向與地面平行，風輪2與支撐軸1連接，其中，風輪2 包括一對平行設置的扁平狀支撐部件21，一對支撐部件21橫截面中心設有通孔211 ；
支撐軸1橫截面形狀與一對支撐部件21橫截面中心的通孔匹配211，支撐軸1插入一對支撐部件21橫截面中心的通孔211，并貫穿一對支撐部件21，稱位于支撐軸1上部的支撐部件21為上支撐部件2101，位于支撐軸1下部的支撐部件21為下支撐部件2102 ；
一對支撐部件21之間設有長條狀葉片22，葉片22有多片，多片葉片22 —端與上支撐部件2101連接且連接部位均勻分布于上支撐部件2102橫截面周向，另一端與下支撐部件 2101連接且連接部位均勻分布于所述下支撐部件橫截面周向；
長條狀葉片22包括上端面2201、下端面2202、迎風面2203和受風面2204 ； 多片葉片22的上端面2201于迎風面2203 —側邊線圍成上支撐部件2101橫截面周線形狀，多片葉片22下端面2202于迎風面2203 —側邊線圍成下支撐部件2102橫截面周線形狀；
多片葉片22的受風面2204圍成腔體，腔體容納支撐軸1，且不妨礙所述支撐軸1自由轉動；
多片葉片22中的每片葉片22與上支撐部件2101及下支撐部件2102連接部位有旋轉
裝置；
旋轉裝置內設有定位部件，定位部件鎖定旋轉裝置。本發明的原理是，多片葉片22通過旋轉裝置圍攏時整個風輪2呈柱形或者臺形， 在風力較大時可降低受風面積，保護風輪2。本發明可以制成傳統的內轉子形發電機也可制成外轉子型發電機，當制成內轉子型發電機時風輪2與轉軸1同時轉動成為轉子，并設置額外的定子，制成外轉子型發電機時可將風輪2設置為轉子，轉軸1設置為定子即可實現外轉子型發電機。進一步的，一對平行設置的扁平狀支撐部件21為圓環形且大小相同，葉片22為柱形體；
圓環形支撐部件21以多條連接其外圓211和內圓212的等分線分成與多片葉片22數相同個等分，取其中一條等分線稱為當前等分線213，當前等分線213與圓環形支撐部件21 外圓211的交點稱為當前等分線213的外節點2131，圓環形支撐部件21外圓211上當前等分線213的外節點2131的逆時針方向的前一個由其他等分線與外圓211相交形成的外節點稱為當前等分線213的前節點2132 ；
柱形體任一端面包括頭部2211和尾部2212，頭部2211為圓形，圓形頭部2211直徑等于圓環形支撐部件21的外圓211半徑減去內圓212半徑之差，圓形頭部2211的圓心位于一條等分線中點，稱一端面圓形頭部2211位于當前等分線213中點的柱形體為當前柱形體 221，該端面為當前端面2210，稱當前柱形體221沿圓環形支撐部件21逆時針方向的第一個柱形體為第二柱形體222，稱當前柱形體沿圓環形支撐部件21逆時針方向的第二個柱形體為第三柱形體223，當前等分線213的外節點2131通過一條圓弧與當前等分線213的前節點相連稱為外圓弧2213，做一圓形，使該圓形與當前端面2210的圓形頭部2211外切，與第二柱形體222的與當前端面2210同一平面內的端面的圓形頭部2211內切，并與第三柱形體223的與當前端面2210同一平面內的端面的圓形頭部2211外切，以該圓形與當前端面2210的圓形頭部2211的切點2133至當前等分線213的前節點2132截取圓弧，稱該段圓弧為內圓弧2214，外圓弧2213與內圓弧2214于當前等分線213的前節點2132處相交形成當前端面2210的尾部2212，外圓弧2213半徑與圓環形支撐部件21外圓211半徑相等， 外圓弧2213與內圓弧2214及圓形頭部2211自當前等分線213外節點2131順時針至內圓弧2214與圓形頭部2211切點2133處截取的圓弧圍成當前端面2210 ；
任一柱形體上下端面的圓形頭部2211圓心與相鄰的支撐部件21鉸接，任一柱形體以其上下端面的圓形頭部2211的圓心連線為軸樞轉。同時葉片22的柱形體結構對一對圓環形支撐部件21起到支撐作用，尤其是柱形體上下端面的圓形頭部2211的部位形成的圓柱體形狀，可以有效的支撐一對圓環形支撐部件21，分擔支撐軸1的受力，延長支撐軸1的使用壽命，且在設計成外轉子的場合，可在支撐軸1中設置線圈或者永磁體，由于柱形體分擔了支撐軸1的受力，使支承軸1在強度上的要求降低，使整個發電機的設計更加靈活方便。上述描述是建立在風輪2順時針轉動的基礎上，逆時針轉動的風輪2只需將上述當前等分線213的前節點2132定義成順時針方向的前一條等分線于圓環形支撐部件21外圓211的交點，同時將第二柱形體222和第三柱形體223的方向定義在順時針方向即可。進一步的，任一柱形體與支撐部件21鉸接部位設有與柱形體聯動的從動齒輪23， 從動齒輪23平行于支撐部件21，且與其所屬柱形體的任一端面的圓形頭部同心，支撐軸1 設有驅動齒輪11，從動齒輪23與驅動齒輪11嚙合。以上實施方式可以通過一個驅動裝置驅動支撐軸1旋轉帶動驅動齒輪11，進而帶動從動齒輪23轉動，從動齒輪23帶動葉片22傳動，實現葉片11開合，由于葉片22兩端都設有從動齒輪23，這樣可以使葉片22開合時受力均勻，在葉片22縱向尺寸很大時也能平穩開合。進一步的，上述實施方式還可以改進成，以驅動裝置直接驅動驅動齒輪11，以驅動裝置驅動直接驅動齒輪11，使得支撐軸1不須旋轉，即可實現葉片22開合，由于風力發電機一般高度較大，支撐軸1通常都較長，驅動支撐軸1旋轉會消耗較多能源，設置額外的驅動裝置驅動驅動齒輪11可節省能源同時避免支撐軸1因旋轉產生磨損。還可以增加控制裝置和感應裝置，控制裝置與驅動裝置連接，感應裝置與控制裝置連接，感應裝置感應風速后傳遞信號至控制裝置，控制裝置根據當前風速指令控制裝置調整葉片22的開合角度，使本發明能提高風能利用效率同時有效保護風輪2。進一步的，從動齒輪23上可以設置定位銷孔231，支撐部件21上可以設置與定位銷孔匹配231的定位銷子24，還包括伸縮裝置，伸縮裝置與定位銷子24連接，伸縮裝置與控制裝置連接。伸縮裝置控制定 位銷子24伸出或者縮回，定位銷子24伸出時插入從動齒輪23上的定位銷孔231中，使從動齒輪23無法旋轉，進而鎖定葉片22以實現定位的功能， 定位銷子24縮回時動齒輪23解除鎖定使葉片22得以轉動，由控制裝置控制伸縮裝置動作使得葉片22的鎖定與解除鎖定可以遠程實現。定位銷孔231可以設置多個，多個定位銷孔 231呈以從動齒輪23軸芯230為圓心的圓環狀分布于從動齒輪23上。設置圓環狀分布的多個定位銷孔231使葉片22可以呈多種角度定位，定位銷子24也可以設置多個，多個定位銷子24可以在葉片22定位時使受力均勻分配，延長單個定位銷子24的使用壽命。定位銷子24為圓柱形，圓柱形插入從動齒輪23上的定位銷孔231中，定位銷子24的縱向截面可制成梯形，或者將圓柱形插入定位銷孔231的部分制成半球形，這樣可以方便定位銷孔231 與定位銷子24對位，以避免從動齒輪23與驅動齒輪11使用時間過長出現偏移的情況下定位銷子24無法伸入定位銷孔231的情況發生。進一步的，風輪2可以設置多個，多個風輪2同心，多個風輪2旋轉方向相互平行， 多個風輪2以相同的角速度旋轉，設置多個風輪2是每個風輪2的葉片22不必過長，可以降低葉片22的加工難度，同時提高葉片22的強度。在此基礎上，多個風輪2于垂直方向相互緊貼且每個風輪2的支撐部件21大小相同，多個風輪2的葉片22數不同，其中位于上部的風輪2的葉片可以少于位于下部的風輪2的葉片，在上述基礎上本發明可以以下形式實施，位于最上部的風輪2的葉片22數為2片，往下依次每個風輪2的葉片22數增加1片， 風輪可以設置5-7個，葉片22的柱形體對風輪2的一對支撐部件21起到了支撐作用，每個風輪2的葉片22的柱形體又對相鄰的風輪2的支撐部件21起支撐作用，使整個風輪系統結構得到加強，同時處于轉軸1下方的風輪2的葉片22多于處于轉軸1上方的風輪2，由于每個風輪2的葉片22合攏后都圍成直徑相同的圓柱體，使得葉片22多的風輪2的葉片 22打開后的旋轉半徑小于葉片22少的風輪2，進而令整個風輪系統呈上大下小的形態，由于離地越高風力越大，上大下小的風輪系統可以更有效地利用風能，同時由于離地面越近風輪的旋轉半徑越小，使得靠近風力發電機的土地在一定高度范圍內可以得到利用；在此基礎上，由于每個風輪2所包含的葉片22數目不同，使得每個風輪2的固有頻率不同，多個風輪2旋轉時每個風輪2旋轉產生的諧波分量相互干擾，使得每個風輪2產生共振的頻點發生改變，同時，由于每個風輪2所包含的葉片22數目不同，使得多個風輪2在以相同角速度旋轉時不同的風輪2的風輪葉片22產生的氣流相互干擾，從而阻礙了氣動激振的產生。 雖然上述實施方式在風能利用率上略低于單風輪結構的垂直軸風力發電機，但是卻能延長風力發電機風輪的壽命，減少重因復制造風力發電機風輪所消耗的能源。進一步的，還包括發電機，發電機置于支撐軸1的底部，發電機通過傳動機構與風輪2連接。可將發電機置于地面，甚至是地下，通過傳動裝置與風輪2連接，將發電機位置降低可以方便發電機的維修和保養，此實施方式下不適合設計成外轉子型風力發電機的場
以上所述僅為本發明較佳的實施例，并非因此限制本發明的申請專利范圍，所以凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等效結構變化，均包含在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種垂直軸風力發電機，包括支撐軸和風輪，所述支撐軸垂直于地面，所述風輪旋轉方向與地面平行，所述風輪與所述支撐軸連接，其特征在于，所述風輪包括一對平行設置的扁平狀支撐部件，所述一對支撐部件橫截面中心設有通孔；所述支撐軸橫截面形狀與所述一對支撐部件橫截面中心的通孔匹配，所述支撐軸插入所述一對支撐部件橫截面中心的通孔，并貫穿所述一對支撐部件，稱位于所述支撐軸上部的支撐部件為上支撐部件，位于所述支撐軸下部的支撐部件為下支撐部件；所述一對支撐部件之間設有長條狀葉片，所述葉片有多片，所述多片葉片一端與所述上支撐部件連接且連接部位均勻分布于所述上支撐部件橫截面周向，另一端與所述下支撐部件連接且連接部位均勻分布于所述下支撐部件橫截面周向；所述長條狀葉片包括上端面、下端面、迎風面和受風面；所述多片葉片的上端面于迎風面一側邊線圍成所述上支撐部件橫截面周線形狀，所述多片葉片下端面于迎風面一側邊線圍成所述下支撐部件橫截面周線形狀；所述多片葉片的受風面圍成腔體，所述腔體容納所述支撐軸，且不妨礙所述支撐軸自由轉動；所述多片葉片中的每片葉片與所述上支撐部件及所述下支撐部件連接部位有旋轉裝置；所述旋轉裝置內設有定位部件，所述定位部件鎖定所述旋轉裝置。
2.如權利要求1所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述一對平行設置的扁平狀支撐部件為圓環形且大小相同，所述葉片為柱形體；所述圓環形支撐部件以多條連接其外圓和內圓的等分線分成與所述多片葉片數相同個等分，取其中一條等分線稱為當前等分線，所述當前等分線與所述圓環形支撐部件外圓的交點稱為所述當前等分線的外節點，所述圓環形支撐部件外圓上所述當前等分線的外節點的逆時針方向的前一個由其他等分線與所述外圓相交形成的外節點稱為所述當前等分線的前節點；所述柱形體任一端面包括頭部和尾部，所述頭部為圓形，所述圓形頭部直徑等于所述圓環形支撐部件的外圓半徑減去內圓半徑之差，所述圓形頭部的圓心位于一條所述等分線中點，稱一端面圓形頭部位于所述當前等分線中點的柱形體為當前柱形體，該端面為當前端面，稱當前柱形體沿圓環形支撐部件逆時針方向的第一個所述柱形體為第二柱形體，稱當前柱形體沿圓環形支撐部件逆時針方向的第二個所述柱形體為第三柱形體，所述當前等分線的外節點通過一條圓弧與所述當前等分線的前節點相連稱為外圓弧，做一圓形，使該圓形與所述當前端面的所述圓形頭部外切，與所述第二柱形體的與所述當前端面同一平面內的端面的所述圓形頭部內切，并與所述第三柱形體的與所述當前端面同一平面內的端面的所述圓形頭部外切，以該圓形與所述當前端面的所述圓形頭部的切點至所述當前等分線的前節點截取圓弧，稱該段圓弧為內圓弧，所述外圓弧與所述內圓弧于所述當前等分線的前節點處相交形成所述當前端面的尾部，所述外圓弧半徑與所述圓環形支撐部件外圓半徑相等，所述外圓弧與所述內圓弧及所述圓形頭部自所述當前等分線外節點順時針至所述內圓弧與所述圓形頭部切點處截取的圓弧圍成所述當前端面；所述任一柱形體上下端面的圓形頭部圓心與相鄰的所述支撐部件鉸接，所述任一柱形體以其所述上下端面的圓形頭部的圓心連線為軸樞轉。
3.如權利要求1或2所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述任一柱形體與所述支撐部件鉸接部位設有與所述柱形體聯動的從動齒輪，所述從動齒輪平行于所述支撐部件，且與其所屬柱形體的任一端面的圓形頭部同心，所述支撐軸設有驅動齒輪，所述從動齒輪與所述驅動齒輪嚙合。
4.如權利要求1、2或3所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述風輪有多個，所述多個風輪同心，所述多個風輪旋轉方向相互平行，所述多個風輪以相同的角速度旋轉。
5.如權利要求1、2或3所述垂直軸風力發電機，其特征在于，還包括發電機，所述發電機置于所述支撐軸底部，所述發電機通過傳動機構與所述風輪連接。
6.如權利要求1、2或3所述垂直軸風力發電機，其特征在于，還包括發電機，所述發電機包括轉子和定子，所述轉子由所述風輪形成，所述定子設于所述支撐軸上。
7.如權利要求4所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述多個風輪于垂直方向相互緊貼。
8.如權利要求7所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述多個風輪的支撐部件大小相同，所述多個風輪的葉片數不同。
9.如權利要求8所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述多個風輪中于最上部的風輪的葉片數為2片，往下依次每個風輪的葉片數增加1片。
10.如權利要求9所述垂直軸風力發電機，其特征在于，所述風輪有5個、6個或者7個。
全文摘要
本發明公開了一種一種垂直軸風力發電機，包括支撐軸和風輪，所述支撐軸垂直于地面。本發明的有益效果是1．風輪葉片可打開，可合上，合上后呈圓柱形，受風面積小，在風力過大時可保護風輪。2．改變了單一風輪結構的固有頻率，每層風輪旋轉產生的諧波分量相互干擾，阻礙共振發生，同時不同風輪的風輪葉片間氣流彼此干擾，阻礙了激振發生，使風輪壽命得到延長。3．可將發電機置于地面或較低位置方便維護。4．可設計成內轉子或者外轉子發電形式，結構靈活。5．上大下小的風輪系統可以更有效地利用風能，同時由于離地面越近風輪的旋轉半徑越小，使得靠近風力發電機的土地在一定高度范圍內可以得到利用。
文檔編號F03D3/02GK102367782SQ20111029875
公開日2012年3月7日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者周陽 申請人:上海慶華蜂巢建材有限公司