垂直轴式风力发电系统的风车装置及控制风车叶片的方法

摘要

本发明关于一种垂直轴式风力发电系统的风车装置及控制其风车叶片的方法。所述风车装置包括：垂直主轴；通过叶片支架连接到所述垂直主轴上、从而可绕该垂直主轴的轴线旋转的垂直叶片，所述垂直叶片包括叶片自转轴，垂直叶片可绕该叶片自转轴的轴线旋转，还包括导引装置，所述导引装置使得垂直叶片在绕垂直主轴的轴线旋转的同时，也绕叶片自转轴的轴线旋转，使得该垂直叶片在顺风方向运动时的有效受风面积大于逆风方向运动时的有效受风面积，从而提高发电的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直轴式风力发电装置的风车装置及控制该风车装置的叶片的方法，特别是指一种提高风车的风能转换效率的垂直轴式风力发电系统的风车装置及控制该风车装置的叶片的方法。

背景技术

对于现有的各种垂直轴型风力发电机，所需要解决的最大的问题是，如何有效地减低风车叶片在逆风向运动时的阻力，提高风车的风能量转换效率。

已有的主要解决方法是，通过改进风车叶片的形状，提高风能量转换效率。

但是，这些方法在制造成本以及实现大型化方面，都还有待更进一步改善。因此，需要一种既能有效提高风能量转换效率，又能降低制造成本，利于实现大型化的垂直轴型风力发电系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、能降低叶片在逆风向运动时阻力的垂直轴式风力发电系统的风车装置。

本发明的另一目的是提供一种结构简单、成本较低、能降低叶片在逆风向运动时阻力的垂直轴式风力发电系统风车装置的叶片控制方法。

为达成上述目的，本发明提供了一种垂直轴式风力发电系统的风车装置，包括：垂直主轴；通过叶片支架连接到所述垂直主轴上、从而可绕该垂直主轴的轴线旋转的垂直叶片，所述垂直叶片包括叶片自转轴，垂直叶片可绕该叶片自转轴的轴线旋转；其中还包括：导引装置，所述导引装置使得垂直叶片在绕垂直主轴的轴线旋转的同时，也绕叶片自转轴的轴线旋转，使得该垂直叶片在顺风方向运动时的有效受风面积大于逆风方向运动时的有效受风面积。

上述的垂直轴式风力发电系统的风车装置，其中所述导引装置包括导引轨迹构件，所述导引轨迹构件包括外轨迹部和内轨迹部；外轨迹部与内轨迹部在垂直叶片逆风方向运动的一侧相交于一点，该点为第一位置，并从该第一位置起，所述外轨迹部与内轨迹部之间的距离逐渐增大，在垂直叶片顺风方向运动的另一侧的第二位置处，所述外轨迹部与内轨迹部的距离为最大；从第一位置到第二位置，外轨迹部被分成第一外轨迹和第二外轨迹，内轨迹部被分成第一内轨迹和第二内轨迹；以及设置在垂直叶片上与该导引轨迹构件相配合的第一行进构件，在第一转动周期中，该第一行进件可沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置；在第二转动周期中，该第一行进件可沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；叶片自转轴始终绕该垂直主轴在外轨迹部和内轨迹部之间作圆周运动，从而使垂直叶片的表面在处于第二位置时与风向垂直，而在处于第一位置时与风向平行。

上述的垂直轴式风力发电系统的风车装置，其中所述导引装置还包括设置在垂直叶片上的第二行进构件，该第二行进构件相对于叶片自转轴与第一行进构件对称；在第一转动周期中，该第二行进件可沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；在第二转动周期中，该第二行进件可沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置。

上述的垂直轴式风力发电系统的风车装置，其中所述导引轨迹构件为导向槽，外轨迹部和内轨迹部分别为外导向槽和内导向槽；所述行进构件为由固定杆连接的第一滑杆和第二滑杆，第一滑杆和第二滑杆分别作为第一行进件和第二行进件。

上述的垂直轴式风力发电系统的风车装置，其中所述导引轨迹构件为轨道部件，外轨迹部和内轨迹部分别为外轨道和内轨道；所述行进构件为由滑轮固定杆连接的第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮和第二滑轮分别作为第一行进件和第二行进件。

上述的垂直轴式风力发电系统的风车装置，其中还包括导引轨迹构件控制装置，用于使所述通过垂直主轴与外轨迹与内轨迹的交点的水平连线与风向的夹角保持不变，所述导引轨迹构件控制装置为通过连接杆与所述导引轨迹构件连接的风向舵；或者为用于转动所述导引轨迹构件的电子控制装置。

本发明还包括一种垂直轴式风力发电系统中风车装置的叶片控制方法，所述风车装置包括垂直主轴；通过叶片支架连接到所述垂直主轴上、从而可绕该垂直主轴的轴线旋转的垂直叶片，所述垂直叶片包括叶片自转轴，垂直叶片可绕该叶片自转轴的轴线旋转；其中所述方法包括利用导引装置导引所述垂直叶片，使得垂直叶片在绕垂直主轴的轴线旋转的同时，也绕叶片自转轴的轴线旋转，使得该垂直叶片在顺风方向运动时的有效受风面积大于逆风方向运动时的有效受风面积。

上述的叶片控制方法，其中所述导引装置包括导引轨迹构件，所述导引轨迹构件包括外轨迹部和内轨迹部；外轨迹部与内轨迹部在垂直叶片逆风方向运动的一侧相交于一点，该点为第一位置，并从该第一位置起，所述外轨迹部与内轨迹部之间的距离逐渐增大，在垂直叶片顺风方向运动的另一侧的第二位置处，所述外轨迹部与内轨迹部的距离为最大；从第一位置到第二位置，外轨迹部被分成第一外轨迹和第二外轨迹，内轨迹部被分成第一内轨迹和第二内轨迹；以及设置在垂直叶片上与该导引轨迹构件相配合的第一行进件，在导引的第一转动周期中，导引该第一行进件沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置；在导引的第二转动周期中，导引该第一行进件沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；保持叶片自转轴始终绕该垂直主轴在外轨迹部和内轨迹部之间作圆周运动，从而使垂直叶片的表面在处于第二位置时与风向垂直，而在处于第一位置时与风向平行。

上述的叶片控制方法，其中所述导引装置还包括设置在垂直叶片上的第二行进构件，该第二行进构件相对于叶片自转轴与第一行进构件对称；在导引的第一转动周期中，导引该第二行进件沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；在第二转动周期中，导引该第二行进件沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置。

上述的叶片控制方法，其中还包括控制导引轨迹的方位，使所述通过垂直主轴与外轨迹与内轨迹的交点的水平连线与风向的夹角保持不变。

采用本发明的技术方案，使得垂直轴型风力发电系统中的风车的叶片在风力的推动下绕垂直主轴的轴线公转的同时，风车叶片方向控制装置还使风车叶片围绕自身的旋转轴自转，以调整叶片与风向的交角。可以使得叶片顺风方向运动时，使叶片尽量保持大的有效受风面积；当叶片逆风方向运动时，使叶片尽量保持较小的有效受风面积。这样大大提高了风车的发电效率。

附图说明

图1是垂直轴型风力发电系统中的风车叶片的运动示意图；

图2是导向槽的结构以及与风向舵的连接的示意俯视图；

图3是使用导向槽控制风车叶片方向的风车装置的结构示意图；

图4是使用导向轨道控制风车叶片方向的风车装置的结构示意图。

具体实施方式

首先，对本发明垂直轴型风力发电系统的风车装置的工作原理进行简单解释。

在垂直轴型风力发电系统中，风车的叶片在风力的推动下绕垂直主轴的轴线旋转(公转)时，同时还使风车叶片围绕其自转轴转动以适当调整叶片与风向的交角。控制叶片与风向的交角的方法是，当风车叶片和叶片的自转轴一起绕风车的垂直主轴的轴线作圆周运动时，使叶片上的某一点，在运动时沿着特定的固定运动路径运动，而不是绕风车的垂直主轴作圆周运动。风车垂直主轴轴心到叶片自转轴轴心的距离是固定不变的，该点到自转轴轴心的距离也是固定不变的，这样，由于该点的运动路径与叶片自转轴轴心的运动路径的形状不同，由该点和风车垂直主轴轴心、叶片自转轴轴心这三个点构成的三角形的三个夹角的角度大小，在风车叶片绕风车垂直主轴公转时，会相对变化。由于该点与叶片自转轴轴心的连线的方向决定了叶片的方向，适当选择该点的运动路径，就可以在风车叶片绕风车垂直主轴旋转的同时控制叶片的方向。

反之，如果预先确定了叶片在绕垂直主轴公转时所在各个位置的方向，就可以计算出叶片上任何一点的运动路径，如果使该点沿着计算出的运动路径运动，就可以反过来控制叶片在运动时的方向。

下面结合附图与具体实施例对本发明作详细说明。

图1为本发明的垂直轴型风力发电系统中的风车叶片的运动示意图。如图1所示，风车叶片3在风力1的作用下绕垂直主轴2按逆时针方向旋转的同时，还绕自转轴4自转。叶片自转轴4围绕垂直主轴2旋转的运动路径是以垂直主轴2的轴心为圆心的一个圆，如图1的点划线所示。叶片上的行进点5在运动时，沿着运动路径6运动。叶片上的行进点5与叶片自转轴4的轴心的距离是固定不变的，由于运动路径6不是以垂直主轴2的轴心为圆心的圆，因此，叶片在运动时，由于运动自由度受到限制，被迫改变叶片与垂直主轴2和自转轴4的连线的交角，使叶片3绕自转轴的轴线转动。

具体地，该运动路径6包括外轨迹部61和内轨迹部62。外轨迹部61与内轨迹部62在垂直叶片逆风方向运动的一侧相交于点A，并从该第一位置起，所述外轨迹部与内轨迹部之间的距离逐渐增大，直至在第二位置处所述外轨迹61的点B与内轨迹62的点C距离为最大。从第一位置到第二位置，外轨迹部61被分成第一外轨迹和第二外轨迹，内轨迹部62被分成第一内轨迹和第二内轨迹。

若以该行进点5位于外轨迹部61于第二位置的点B为起点，如图1所示，行进点5的轨迹是这样的：沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置(点B至点A)，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置(点A至点C)；然后再沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置(点C至点A)，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置(点A至点B)。上述的行进轨迹为行进点5的完整周期，行进点5最终回到起点B。

当行进点5按照上述轨迹行进时，风车叶片3顺风方向运动时，叶片尽量与风向垂直，保持大的有效受风面积；当叶片3逆风方向运动时，叶片尽量与风向平行，保持较小的有效受风面积。例如，如图1所示，当行进点5处于第二位置的点B时，叶片3表面与风力1的方向垂直，使得有效受风面积最大；当行进点5处于第一位置(点A)时，叶片3表面与风力1的方向平行，使得有效受风面积最小。

由于风车叶片在顺风方向运动时的有效受风面积被增大，而在逆风方向运动时的阻力被减小，因此，本发明可以更有效地提高垂直轴型风力发电系统的风能量转换效率。

在图1中，风车叶片3的自转轴4绕垂直主轴2旋转360°时，叶片3绕自转轴旋4转180°，也就是说，叶片3每绕垂直主轴的轴线公转2圈，会同时绕自转轴自转1圈，叶片上的行进点5会从自转轴的外侧绕到自转轴的内侧，之后又从自转轴的内侧绕到自转轴的外侧，循环反复。

下面通过两个具体实施实例来进一步进行说明。

图3是一个使用导向槽作为导引装置，来导引风车叶片绕自转轴的轴心转动的方向，从而控制风车叶片方向的具体实施例的风车装置的结构示意图。图3中，风车叶片11和叶片自转轴14固定连接，叶片自转轴14与风车叶片支架10固定连接，叶片支架10与风力发电系统的垂直主轴9形成固定连接并支撑起风车叶片11。风车叶片11和叶片自转轴14可以相对叶片支架10绕自转轴的轴心转动。风车叶片支架10与垂直主轴9一起可以绕垂直主轴9的轴线转动。风车叶片所接受的风能量通过风车叶片的转动，经由自转轴14、叶片支架10传递到垂直主轴上的发电系统。

在叶片自转轴14的下端设有与叶片自转轴14固定连接的滑动件12。滑动件12包括在水平方向延伸的固定杆121以及在固定杆的两端向下延伸的滑杆122。叶片自转轴14位于两滑杆122之间的中点。同样，在叶片自转轴14的上端设有与叶片自转轴14固定连接的滑动件18，滑动件18包括通过水平方向延伸的固定杆181以及在固定杆的两端向下延伸的滑杆182。叶片自转轴14位于两滑杆182之间的中点。该叶片自转轴14上端的滑动件18与下端的滑动件12是对称设置的。

在风车叶片11的下方和上方分别有一个导向槽15、16，导向槽的形状请参照图2，其轨迹与图1所示的运动路径6相同。各导向槽15、16分别包括对应于外轨迹部的外导向槽和内轨迹部的内导向槽。相应地，该外导向槽分为第一外槽(对应第一外轨迹)和第二外槽(对应第二外轨迹)；该内导向槽分为第一内槽(对应第一内轨迹)和第二内槽(对应第二内轨迹)。滑杆122、182分别设置在导向槽15、16内并可以在导向槽内运动。叶片11和自转轴14绕垂直主轴9的轴线转动时，带动滑杆122、182在导向槽内滑动。与此同时，滑杆122、182在导向槽15、16的作用下，带动固定杆121、181和自转轴14以及风车叶片11绕自转轴14的轴线转动，从而改变风车叶片的方向，达到控制风车叶片方向的目的。

风车叶片11在风力的作用下绕垂直主轴9旋转的同时，还与自转轴14一起绕自转轴14的轴线自转。图1为图3的风车叶片的运动示意图。该滑杆122、182即相当于图1所示的行进件5，其运动轨迹与该行进件5相同。

具体地，以图3中的滑杆12为例，并结合参考图1和图2，将处于外导向槽的滑杆122称为第一滑杆，处于内导向槽的滑杆122称为第二滑杆。在第一转动周期中，该第一滑杆122可沿第一外槽从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置，同时该第二滑杆122可沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置。此时，自转轴14正好绕转动主轴9转动360°，而叶片11则翻转了180°。第一滑杆122位于内导向槽中，而第二滑杆122则位于外导向槽中，两者正好颠倒了位置。

在第二转动周期中，该第一滑杆122可沿第一内槽从第二位置运动到第一位置，再沿第二外槽从第一位置运动到第二位置，该第二滑杆122可沿第一外槽从第二位置运动到第一位置，再沿第二内槽从第一位置运动到第二位置。此时，自转轴14再次绕转动主轴9转动360°，而叶片11则再翻转了180°。第一滑杆122回到外导向槽中，而第二滑杆122则回到内导向槽中，两者再次颠倒位置。利用这样的方式，使滑杆122反复地在外、内导向槽中交替运动，从而使叶片改变角度。

在这两个周期中，叶片自转轴14始终绕该垂直主轴9在外导向槽和内导向槽之间作圆周运动，从而使垂直叶片的表面在处于第二位置时与风向垂直，而在处于第一位置时与风向平行。

参考图1，可以看出由于运动路径6不是圆形对称的，因此当风向改变时，带动叶片11与其自转轴14一起绕自转轴的轴心转动的导向槽的方位也需要根据风向进行调整。因此，需要导引控制装置来调整导向槽的方位进而达到调整风车叶片的方位。可以通过使用风向舵，将导向槽15、16与风向舵20连接，利用风力自动改变导向槽的方位，使外轨迹部61与内轨迹部62的交点A与垂直主轴2的水平连线与风向的夹角保持不变。如图2所示，图2中导向槽15、16与风向舵20相连接，风向改变时，在风力的作用下，风向舵20带动导向槽15、16改变方位。

具体的，参考图3，导向槽连接杆19将上下两个导向槽15、16固定连接起来，并与风向舵20相连接。当风向改变时，风向舵20在风力的推动下带动导向槽15、16绕垂直主轴的轴线转动并改变方向，调整导向槽15、16的方位到适当的位置。

本实施例中，分别具有两个导向槽15、16，但可以仅在风车叶片11的上方或下方设置一个导向槽。滑动件12和18也各具有两个滑杆122和182，但只需具有一个滑杆作为行进件5即可。

采用导向槽结构比较简单，叶片的路径容易控制，设备的成本较低。

对于大型的风力发电系统，由于改变导引装置的方位需要较大的动力，在这种情况下，使用电子自动控制装置更适合一些，具体如图4所示。

图4是一个使用导向轨道作为导引装置，控制风车叶片方向的具体实施例的风车装置的结构示意图。与图3所示的实施例类似，图4中，风车叶片22和叶片自转轴21固定连接，叶片自转轴21与风车叶片支架31连接，叶片支架31与风力发电系统的垂直主轴30相连接并支撑起风车叶片。风车叶片22和叶片自转轴21可以绕自转轴的轴心转动。风车叶片支架31跟叶片和叶片自转轴一起，可以绕垂直主轴30的轴线转动。风车叶片所接受的风能量通过风车叶片的转动，经由自转轴21、叶片支架31传递到垂直主轴上的发电系统，发电系统将能量转化为电能。

在图4所示的风车装置中，风车叶片22的方向通过与自转轴21固定相连接的滑轮固定杆23和滑轮24以及轨道25来控制。轨道25分为外轨道和内轨道，具体的路径与图1中所示的运动路径6一致，也与图2所示的导向槽的路径一致。在风力的推动下，风车叶片带动自转轴21和风车叶片支架31绕垂直主轴30的轴线转动，同时也通过滑轮固定杆23带动滑轮24沿着轨道25运动。由于滑轮24的运动自由度受到轨道25的限制，在轨道的作用下，滑轮带动滑轮固定杆23和风车叶片22绕叶片自转轴的轴心转动，使风车叶片改变方向，起到控制风车叶片的方向的作用。在本实施例中，滑轮24有两个，分别位于外轨道和内轨道中。滑轮24的运动模式与图3的滑杆相同，故在此不再赘述。

图4中的轨道25固定在平台26上，平台26由带轮子的支撑转置28、29所支撑着。电子控制装置27可以根据风向的变化，驱动支撑装置28的轮子，自动控制平台26绕垂直主轴30转动，调节轨道25的方位，与风向保持一致。

在图4所示的结构中，风车叶片的部分重量还可以由下方的轨道与平台来支承。这样，可以大大降低对风车材料特别是对风车叶片支架的材料强度的要求。从而可以降低风车系统的成本，而且还使得制造超大型的垂直轴型风力发电系统成为可能。

通过本发明的两个实施例，使得垂直轴型风力发电系统中的风车的叶片在风力的推动下绕垂直主轴的轴线公转的同时，风车叶片方向控制装置还使风车叶片围绕自身的旋转轴自转，以调整叶片与风向的交角。当叶片顺风方向运动时，使叶片尽量保持大的有效受风面积；当叶片逆风方向运动时，使叶片尽量保持较小的有效受风面积。

本发明的具体实施例还可以通过以下方式进行替换。

具体的，导引装置不必为导向槽或导向轨道，也可以是导向档板，进一步，该导引装置可以是使叶片上的某一点或与叶片固定相连接的构件上的某一点，在运动时沿着预定的运动路径进行的风车叶片方向控制结构。

根据本发明，还提供了一种对上述垂直轴式风力发电系统中风车装置的叶片进行控制的方法。该方法包括设置导引装置导引垂直叶片，所述导引装置包括导引轨迹构件，所述导引轨迹构件包括外轨迹部和内轨迹部；外轨迹部与内轨迹部在垂直叶片逆风方向运动的一侧相交于一点，该点为第一位置，并从该第一位置起，所述外轨迹部与内轨迹部之间的距离逐渐增大，在垂直叶片顺风方向运动的另一侧的第二位置处，所述外轨迹部与内轨迹部的距离为最大；从第一位置到第二位置，外轨迹部被分成第一外轨迹和第二外轨迹，内轨迹部被分成第一内轨迹和第二内轨迹；以及设置在垂直叶片上与该导引轨迹构件相配合的第一行进件。

在导引的第一转动周期中，导引该第一行进件沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置；在导引的第二转动周期中，导引该第一行进件沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；保持叶片自转轴始终绕该垂直主轴在外轨迹部和内轨迹部之间作圆周运动，从而使垂直叶片的表面在处于第二位置时与风向垂直，而在处于第一位置时与风向平行。

进一步，在本发明的控制方法中还包括在垂直叶片上设置第二行进构件，该第二行进构件相对于叶片自转轴与第一行进构件对称；在导引的第一转动周期中，导引该第二行进件沿第一内轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二外轨迹从第一位置运动到第二位置；在第二转动周期中，导引该第二行进件沿第一外轨迹从第二位置运动到第一位置，再沿第二内轨迹从第一位置运动到第二位置。

进一步，本发明的控制方法中还包括控制导引轨迹的方位，使通过垂直主轴与外轨迹部与内轨迹部的交点的水平连线与风向的夹角保持不变。

综上所述，本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的权利要求保护范围之内。