本發明涉及風能發電領域，具體涉及一種垂直風輪機及風力發電機。

背景技術：

風是一種潛力很大的新能源，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。我國的風力資源極為豐富，絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大；有的地方，一年三分之一以上的時間都是大風天。在這些地區，發展風力發電是很有前途的。

風力發電就是把風的動能轉變成機械動能，再把機械能轉化為電力動能，其原理，是利用風力帶動風輪旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風輪是把風的動能轉變為機械能的重要部件，在同樣受風面積下，風輪的效率直接關系到風力發電機的功率。

垂直軸風輪機是指風輪軸線的安裝位置與水平面垂直的風輪機。目前的垂直風力發電機裝置風葉基本上都是軸對稱結構。即旋轉軸兩側的風葉結構基本是軸對稱布置。其迎風角的葉片結構絕大部分為固定式，這種固定式風葉結構的有效力矩都較少，即風輪上迎風面與背風面的面積大致相等，受到的風阻力矩也類同。

軸對稱布置風輪結構的抗風能力也較差，在強風下情況下，風輪支架將受到很大的風阻力，經常造成風輪結構損壞，從而增加了風輪裝置的維護成本。

技術實現要素：

有鑒于此，為了解決現有技術風輪機啟動需要的風力大，對風的效率利用低、抗風能力差的問題，本發明一方面提供一種垂直風輪機，其啟動力矩小，效率高，抗風能力強，另一方面還提供一種風力發電機，該風力發電機利用垂直風輪機，對風能的利用率高。

下面為本發明的內容。

一方面，本發明提供一種垂直風輪機，包括風葉、固定于旋轉軸的風輪支架，還包括設置于所述風輪支架的止動裝置，所述風葉鉸接于所述風輪支架且鉸接中心兩側風葉面積不相等，所述止動裝置設有止動端，所述止動端用于抵接風葉以阻擋風葉的轉動。將風葉安裝在風輪支架上，其中，風葉鉸接中心靠近旋轉軸一側的面積大于另一側的面積，這樣風葉在轉動時，可以保證風葉面積大的一側壓緊在止動裝置的止動端上。

作為對上述發明的進一步改進，所述風葉設有尾翼結構。

進一步地，所述尾翼結構一體連接所述風葉。

進一步地，所述尾翼結構可拆卸連接所述風葉。

進一步地，所述止動裝置為電機，所述電機設有輸出端。

進一步地，所述止動裝置包括電機、傳動部件及止動桿，所述電機通過所述傳動部件連接所述止動桿。

作為對上述發明的進一步改進，還包括測風裝置，所述測風裝置固定在所述風輪支架上。

進一步地，所述測風裝置連接所述止動裝置。

進一步地，所述風葉數量為大于1的奇數個。

另一方面，本發明還提供一種風力發電機，包括發電機及所述的垂直風輪機，所述垂直風輪機與所述發電機通過增速機連接。

與現有技術相比，本發明的的有益效果在于：風葉可相對于風輪支架轉動，風輪支架固定在旋轉軸上可帶動旋轉軸轉動，將旋轉軸連接到被驅動設備，即可將風能轉化為機械能。風葉可隨著風輪支架轉動。因此，風輪啟動所需的力小，可提高風能的利用率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施方式或實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1示出了本發明垂直風輪機的整體結構示意圖。

圖2示出了本發明垂直風輪機的分解結構示意圖。

圖3、圖4、圖5依次示出了本發明垂直風輪機的風葉的連續轉動時俯視結構示意圖。

圖6示出了本發明垂直風輪機的止動裝置的一種結構示意圖。

圖7示出了本發明垂直風輪機的測風裝置的一種結構示意圖。

圖8示出了本發明垂直風輪機的自動控制系統的電路圖。

主要附圖標號說明：

100-垂直風輪機；

101-風葉；

102-風輪支架；

103-旋轉軸；

104-止動裝置；1041-殼體；1042-電機；1043-齒輪；1044-螺桿；1045-止動桿；1046-限位傳感器；

105-測風裝置；

106-風向；

107-轉向。

具體實施方式

為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖垂直風輪機及風力發電機進行更全面的描述。附圖給出了垂直風輪機及風力發電機的實施例，但是，垂直風輪機及風力發電機可以以不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對垂直風輪機及風力發電機的公開內容更加透徹全面。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“左”“右”、“前”、“后”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語“安裝”、“相連”、“聯接”、“連接”、“連通”應做廣義理解，例如，可以是機械聯接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。

如圖1、圖2所示，本發明的垂直風輪機100包括風葉101、固定于旋轉軸103的風輪支架102還包括設置于所述風輪支架102的止動裝置104，所述風葉101鉸接于所述風輪支架102且鉸接中心兩側面積不相等，所述止動裝置104設有止動端，所述止動端用于抵接風葉101以阻擋風葉101的轉動。止動裝置104的止動端抵接風葉101，止動端收到的反作用力帶動風輪支架102轉動，這樣，由于風葉101是不固定的，其在旋轉中心兩側的面積不相等，風葉101在風力很小時就可以啟動，并壓緊到止動裝置104的止動端上帶動風輪支架102轉動，這樣風葉101啟動的所需的動力小，而風輪支架102帶動旋轉軸103轉動，而旋轉軸103與被驅動設備(如發電機、聯軸器、增速機)連接，即可實現將風能轉化為機械能，從而實現對風能的利用。

上述風葉101是將接受風力并轉動的構件，該風葉101鉸接于風輪支架102，風葉101的鉸接中心(也是轉動中心)設在風葉101上。需要說明的是，風葉101的結構形式是重要的技術設計點，風葉101是風輪機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的涉及、可靠的質量以及優越的性能是重要的因素。在現有技術中，風葉設計的理論較多，有圓盤理論、渦流理論等。風葉設計涉及到空氣動力學、結構動力學、氣象學等。其中，風葉的外形是通過空氣動力學設計確定的，其尺寸、表面光潔的以及質量分布都有較高要求。風葉的材料影響風葉的性能和效率，風葉材料的選擇是風葉結構設計之重要的一項設計工作，需要考量的因素有：材料的特性、可靠性、安全性、物理屬性、可用性、易處理性、回收再利用特性以及經濟特性。用于制造的風葉的材料必須具有良好的力學、熱、化學特性，包括高強度、高剛度、低密度、長壽命、良好的耐腐蝕性等等。風葉的剖面結構形式主要有實心截面、空心截面以及空心薄壁符合截面。

上述風輪支架102是一種塔架用于支撐風葉101及帶動轉動軸轉動。在具體的實施方式中，風輪支架102設有固定風葉的支撐部。

上述止動裝置104，是阻止風葉101轉動的裝置，其利用自身受到的反作用力帶動風輪支架102轉動。該止動裝置104可以是設置在風輪支架102上一個凸起端，該凸起端與風輪支架102固定連接。該止動裝置104還可以是固定連接與風輪支架102，但可在豎直方向移動的止動端，通過手動的方式來調節該止動端，當止動端突出與風輪支架102時，可抵接風葉101用于阻擋風葉101的轉動，當止動端收縮入風輪支架102時，其不會妨礙風葉101的轉動，適用于風力較大且超多安全風速時使用。該止動裝置104還可以是電機，該電機帶有輸出端，如可采用步進電機，該輸出端用作止動端，該止動端可以在止動狀態和非止動狀態間切換。

上述旋轉軸103是帶動被驅動設備，如增速機、聯軸器、發電及的構件，該旋轉軸103在在風力的作用下可以轉動。

上述鉸接是風葉101連接于風輪支架102的連接方式，該鉸接保證風葉101可以繞著鉸接中心轉動，鉸接中心是風葉101自轉的轉動中心。

實施例1

本實施例將詳細介紹風葉101結構及其安裝方式。

如圖1～5所示的風葉101，該風葉101設有尾翼結構。該尾翼結構是一種斜尾翼結構，尾翼利用了空氣動力學原理，用來改善產生一定的作用力，通過此風葉101，在不同的風向下，尾翼受到的風力都是同一方向的。尾翼將受風力轉換為風葉101的旋轉力，最終將風葉101壓制在止動裝置104上，從而保證風輪機轉向的恒定，該尾翼結構保證了風輪機的轉向不改變。在圖3～5中，風葉101在風向106的作用下，風輪支架102的轉向107如圖所示，風葉101在風力及風輪支架102的作用下，發生自傳，當其轉至與風向106平行的方向時，風葉101保持與風向106平行，至該風葉101所在的風輪支架連接端轉至與風向106平行時，風葉101又重新壓緊在止動裝置104的止動端。需要說明的是，在圖示中，左邊風葉101此時受風面積最小，對風輪支架102的反作用力最小，而右邊的風葉101受風面積最大，對風輪支架102的反作用力最大。這樣就使得風輪支架102有持續的轉向力。止動裝置104的止動端部不會阻礙到風葉非尾翼結構的轉動。

在本實施例中，風葉101可樞接于風輪支架102，在一種具體的實施方式中，一個風葉101對稱設有兩個樞軸端，該樞軸端可樞接于風輪支架102的樞軸孔。該樞軸端可以與風葉101一體連接，也可以通過可拆卸的方式連接于風葉101，如可以通過緊固件(如螺栓等)連接于風葉101。在鉸接的連接方式中，也可以在風輪支架102上設置樞軸端，在風葉101對應的位置設置樞軸孔，通過改變裝配順序來完成風葉101與風輪支架102的裝配。

在本實施例中，尾翼結構可以一體連接所述風葉101。該尾翼結構也可以通過可拆卸連接連接所述風葉101。需要說明的是，尾翼結構和風葉101在運轉中要高速的轉動，因此，這種可拆卸的連接必須保證連接可靠。這種可拆卸連接的好處是給運輸中帶來方便。在可拆卸的連接方式中，可同時采用幾種現有的技術來完成，如可采用卡接的方式將尾翼結構固定，然后通過緊固件將其固定。

除此之外，上述尾翼結構也可以采用非可拆卸的方式連接于風葉101，如焊接、粘接、鉚接等。

在本實施例中，可將多個所述風葉101中心對稱的設置于所述風輪支架102。如可采用多個奇數個風葉101以中心對稱的方式設置于所述風輪支架102。具體地，如采用5個風葉101安裝于風輪支架102，這5個風葉101呈五角星形式布置于風輪支架102上。可以理解的是，風葉101的數量可為3個或7個等奇數個。

實施例2

本發明將詳細介紹測風系統及止動裝置104，該止動裝置104固定與風輪支架102，可以阻擋風葉101的轉動。該止動裝置104可以是設置在風輪支架102上一個凸起端，該凸起端與風輪支架102固定連接。該止動裝置104還可以是固定連接于風輪支架102，但可在豎直方向移動的止動端，通過手動的方式來調節該止動端，當止動端突出與風輪支架102時，可抵接風葉101用于阻擋風葉101的轉動，當止動端收縮入風輪支架102時，其不會妨礙風葉101的轉動，適用于風力較大且超多安全風速時使用。該止動裝置104還可以是電機，該電機帶有輸出端，如可采用步進電機，該輸出端用作止動端，該止動端可以在止動狀態和非止動狀態間切換。

止動裝置104為電機時，具體地，止動裝置104設有兩個狀態：止動狀態、非止動狀態。在止動狀態下，止動裝置104的止動端抵接風葉101，用于阻擋風葉101的轉動，這樣就可以帶動風輪支架102轉動。而在極端天氣，如在風力較大，已經高于安全風速時，止動裝置104處于非止動狀態，此時所有的風葉101將可自傳，此時風葉101將會自動調整至最小受風狀態，風輪機將停止運行，從而保證了風輪機在強風環境下的安全。

本實施例中，還可以包括測風裝置105，所述測風裝置105固定在所述風輪支架102上，該測風計用于測量風速以便了解實時的風速情況。在測風裝置105屬于現有技術，現有技術中的測風裝置105有測風計、測風表、風速儀、風速計。其中，風速計是測量空氣流速的儀器。它的種類較多，氣象臺站最常用的為風杯風速計，它由3個互成120°固定在支架上的拋物錐空杯組成感應部分，空杯的凹面都順向一個方向。整個感應部分安裝在一根垂直旋轉軸103上，在風力的作用下，風杯繞軸以正比于風速的轉速旋轉。

實施例3

本實施例將詳細介紹測風裝置105與止動裝置104自動控制的實現方式。

在本實施例中，垂直風輪機100可根據風速的情況進行自動的調節。

具體地，將一測風裝置105與帶有電機的止動裝置104連接。

如圖6、圖7、圖8所示，具體地，現有技術中有一種測風裝置105，如圖7所示，它是一種球形測風系統，它兩部分組成測風球和貓須式限位開關，貓須式限位開關可萬向動作，任何方向的風都可以觸發貓須式限位開關，當安裝在貓須式限位開關搖桿上的測風球受到大于安全運行風速的風作用下，將觸發貓須式限位開關動作，進而觸發電機的電氣控制系統的動作，可以通過調整測風球在搖桿上的位置來調整貓須式限位開關的動作值。

如圖6所示的止動裝置104，它包括有殼體1041、電機1042、止動桿1045、限位傳感器1046，還包括傳動部件，該傳動部件包括有：齒輪1043、螺桿1044，限位傳感器1046包括有止動位限位開關、非止動位限位開關。該電機1042可采用直流電機，直流電機通過齒輪1043與螺桿1044連接，螺桿1044僅能做軸向旋轉。止動桿1045可能上下運動，止動桿1045與螺桿1044通過螺牙連接。通過控制直流電機的正反轉來控制止動桿1045在止動狀態和非止動狀態之間轉換。

如圖8所示，為該自動控制的電路圖，該電氣控制系統由手動開關S1、球型測風限位開關L1，非止動位限位開關L2，止動位限位開關L3、時間繼電器KT1和KT2、直流電機M組成。通過手動開關S1和球型測風限位開關L1來控制直流電機M的正反轉，從而控制止動桿1045工作狀態的轉換。

為避免直流電機的頻繁動作，可將控制電機的時間繼電器KT1和KT2的主觸點設定延時30秒(可調)閉合。在工作情況下，手動開關S1置于止動位，在安全風速下，球型測風限位開關L1不動作，當止動位限位開關L3未動作時，時間繼電器KT1回路得電，直流電機將在30秒后將止動桿1045推出，直至止動位限位開關L3動作，即時止動桿1045置于止動狀態。在非安全風速下，球型測風限位開關L1動作，非止動位限位開關L2未動作時，時間繼電器KT2回路得電，直流電機將在30秒后將止動桿1045收回，直至非止動位限位開關L2動作，此時止動桿1045置于非止動狀態。在非工作情況下，手動開關S1置于非止動位，此時只有時間繼電器KT2回路可以得電。在時間繼電器KT2回路得電的情況下，直流電機將在30秒后將止動桿1045收回，直至非止動位限位開關L2動作，此時止動桿1045置于非止動狀態。

本發明還提供一種風力發電機，包括發電機及垂直風輪機100，垂直風輪機100與發電機通過增速機連接。該發電機屬于現有技術。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。