風葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風力發(fā)電裝置及其方法
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種風葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的風力發(fā)電裝置。現(xiàn)有風力車具有水平軸螺旋槳風力車和垂直軸風力車之區(qū)別。采用垂直軸方式的風力發(fā)電裝置，無論技術(shù)方式如何，歸根結(jié)底其在技術(shù)上追求的是如何在風葉迎風時展現(xiàn)最大迎風面積，而在風葉逆風時成為最小受風面積。采用自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的技術(shù)方法，那么需要解決的是如何在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的情況下達到上述技術(shù)追求的目的。其次，風葉從最大迎風面積到最小逆風面積不可能一步到位，有其中間的延續(xù)過程，而在這部分的中間延續(xù)過程中，又如何有利于風車的連續(xù)運轉(zhuǎn)。這些技術(shù)要點是風葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風力發(fā)電裝置所必須解決的。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：所述風力發(fā)電裝置的風向舵或偏航系統(tǒng)裝置連接風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)，風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)外緣有齒，或風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)上設(shè)置有動力傳動齒輪；所述風葉自轉(zhuǎn)軸下端設(shè)置有風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪；所述風力發(fā)電裝置的風葉自轉(zhuǎn)軸與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)之間設(shè)置有同方向轉(zhuǎn)動的動力傳動裝置；所述風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)動力傳動齒輪的轉(zhuǎn)速比為1比2或它們齒輪的齒數(shù)比為2比1。
以上，風向舵的存在保證了風葉在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的情況下以最大迎風面積和最小逆風面積迎合風向。風向舵是被動偏航系統(tǒng)裝置之一方式，本發(fā)明對偏航系統(tǒng)裝置的相關(guān)描述與附圖以對風向舵的描述與附圖為主要對象。
??? 下面解釋齒輪及傳動系統(tǒng)的關(guān)系和運轉(zhuǎn)情況：
??? 首先解釋風葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的含義：所謂風葉自轉(zhuǎn)是風葉相對于風葉自轉(zhuǎn)軸中心軸線的連續(xù)圓周運動。所謂風葉公轉(zhuǎn)是指風葉帶動風葉框架輪相對于風葉公轉(zhuǎn)軸中心軸線的連續(xù)圓周運動，實際上也就是風葉帶動了公轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。
??? 參看圖1和圖2，風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)在風向和風向舵的作用下可以圍繞公轉(zhuǎn)軸中心軸線自由轉(zhuǎn)動，當風的方向確定了風向舵的位置以后，風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)就不再任意轉(zhuǎn)動，也就是說它是相對靜止的。當風葉在風力的作用下作公轉(zhuǎn)運動時，也就是風葉與風葉自轉(zhuǎn)軸的組合圍繞著風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)作連續(xù)圓周轉(zhuǎn)動，前面解釋了風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)是相對靜止的，并且風葉自轉(zhuǎn)軸與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)之間設(shè)置有同方向轉(zhuǎn)動的動力傳動裝置，風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)齒輪的轉(zhuǎn)速比為1比2。那么在這種條件下得到的結(jié)果是：“當風葉與風葉自轉(zhuǎn)軸組合的公轉(zhuǎn)是以順時針運轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)時，風葉的自轉(zhuǎn)就會以逆時針運轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)。相反，當風葉與風葉自轉(zhuǎn)軸組合的公轉(zhuǎn)是以逆時針運轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)時，風葉的自轉(zhuǎn)就會以順時針運轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)”。這一點是極其重要的，它的重要意義在于，當風葉公轉(zhuǎn)運動時，風葉自轉(zhuǎn)反向1比2的運轉(zhuǎn)減緩了風葉受風角度的變化量度，也就是說當風葉在它最大迎風面積和最小逆風面積區(qū)域時，風葉自轉(zhuǎn)造成的風葉傾角的減緩有利于風葉在這一區(qū)域時段運行時風葉的受風作用，并且這種風葉在傳統(tǒng)風葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，例如圖2中的b、d點，風葉也能產(chǎn)生有利于其沿公轉(zhuǎn)圓周切向運動的分力F，極大地增強了風葉運行的效果。而它們的轉(zhuǎn)速比為1比2，使得風葉在正迎風面旋轉(zhuǎn)180°后，也就是到達它的正逆風面，由于風葉自轉(zhuǎn)軸與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)速比為1比2，因此風葉自轉(zhuǎn)軸只旋轉(zhuǎn)了風葉公轉(zhuǎn)角180°的一半即90°角，那么風葉表面正好與風向平行，即到達它的最小逆風面積，所受風力的阻力達到最小。
??? 參看圖2，具體描述風葉在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合情況下，風葉所受風力的受力狀況和運轉(zhuǎn)表現(xiàn)。圖中，設(shè)定風葉的公轉(zhuǎn)以順時針方式進行，粗箭頭為風向。風葉在a點位置時，風葉平面垂直于風向舵平面，即垂直于風向，這時的受風面最正，為正迎風面，整個風葉框架輪所受的旋轉(zhuǎn)力也最大。風葉運轉(zhuǎn)在a到b區(qū)域時，風葉自轉(zhuǎn)的反向運轉(zhuǎn)減緩了風葉受風角度的變化量度，增加了風葉迎風面在迎風運轉(zhuǎn)時的正迎風面的表現(xiàn)時間和效果。風葉運轉(zhuǎn)在b點位置時，該點是傳統(tǒng)風葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，風葉平面與風向舵平面成45°夾角，風力產(chǎn)生的分力中有一個沿公轉(zhuǎn)圓切線方向有利于整個風葉框架輪順時針旋轉(zhuǎn)的分力F。風葉運轉(zhuǎn)在b到c區(qū)域時，b點部位所述的分力仍然存在，但越來越小。風葉運轉(zhuǎn)在c 點位置時，風葉平面平行于風向舵平面，即與風向平行，此時所受的逆風面積達到最小，為正逆風面，所受的阻力也最小。風葉運轉(zhuǎn)在c到d區(qū)域時，b點部位所述的分力仍然存在，并越來越大。風葉運轉(zhuǎn)在d點位置時，該點也是傳統(tǒng)風葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，與風葉運轉(zhuǎn)在b點位置時相同，同樣有一個沿公轉(zhuǎn)圓切線方向有利于整個風葉框架輪順時針旋轉(zhuǎn)的分力F。風葉運轉(zhuǎn)在d到a區(qū)域時，風葉以45°的角度提前進入，風葉的受力情況逐漸向a點的受力情況靠攏，直到a點時的最大值，以后重復(fù)進行。綜上所述，風葉在a、b、c、d各點區(qū)域附近都有極好的受風運轉(zhuǎn)表現(xiàn)。
??? 關(guān)于這種風力發(fā)電裝置風輪的制作、運轉(zhuǎn)技術(shù)方法，其要點在于：
（一）．掌握風葉自轉(zhuǎn)軸與風葉公轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向相反；
??? （二）．掌握風葉自轉(zhuǎn)軸與風葉公轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速比為1比2。
??? 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案達到改善風力發(fā)電裝置的使用性能。參看圖3，所述風力發(fā)電裝置風葉的公轉(zhuǎn)軸垂直于風向且平行于水平面，分單邊和雙邊設(shè)置兩種方式。由于采用了這樣結(jié)構(gòu)的裝置，風葉框架輪在旋轉(zhuǎn)的過程中，風葉是高低變化的，相對來說高處氣流較大，適合風葉正面迎風受力，低處氣流較小適合風葉逆風回轉(zhuǎn)，也利于對風葉的安裝維修處理和脫換風葉的表面層，風葉逆風回轉(zhuǎn)時是呈水平狀態(tài)，這樣的狀況在總體上有利于降低整個風力發(fā)電裝置的高度。采用雙邊設(shè)置的方法有利于增大風力發(fā)電裝置的功率。
??? 與現(xiàn)有的風力發(fā)電裝置相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
1．提供了一種真正意義的風葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風力發(fā)電裝置。
2．這種風力發(fā)電裝置與傳統(tǒng)水平軸螺旋槳風力車、垂直軸風力車相比不僅具有切向風力而且具有直接作用垂直風葉面的風力，如上面對圖2內(nèi)容的描述，風葉在a、b、c、d點區(qū)域附近都有極好的受風運轉(zhuǎn)表現(xiàn)。因此在同樣占地面積的情況下本發(fā)明的風力發(fā)電裝置的輸出功率就大。
3．這種風葉成方形、長方形的形態(tài)可以使制造方便、費用降低、結(jié)構(gòu)牢固、不易折斷，并且利于風葉表面或者中間部位的脫裝。在氣象情報的配合下，可在強風、颶風的多發(fā)地帶或城市地區(qū)使用。
4．這種風力發(fā)電裝置的基礎(chǔ)部分相應(yīng)較低，雙垂直軸（風葉自轉(zhuǎn)軸和風葉公轉(zhuǎn)軸都垂直風向，平行水平面，可兩邊分置）風力發(fā)電裝置的風葉在轉(zhuǎn)動過程中高低變化，有部分過程接近底部，利于對風葉和自轉(zhuǎn)軸的維修。
附圖說明
??? 圖1是風力發(fā)電裝置風葉的自轉(zhuǎn)軸垂直于風向且垂直于水平面的結(jié)構(gòu)圖；
??? 圖2是風葉在四個關(guān)鍵位置時，風葉的角度與受力運轉(zhuǎn)的俯視示意圖；
??? 圖3是風力發(fā)電裝置風葉的公轉(zhuǎn)軸垂直于風向且平行于水平面的結(jié)構(gòu)圖；
圖中： 風葉公轉(zhuǎn)軸1? 風葉框架輪2? 風葉3? 風葉加強筋4? 風葉自轉(zhuǎn)軸5? 風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6? 風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)和齒輪的組合7? 自轉(zhuǎn)軸同步齒輪8? 環(huán)狀齒形傳動皮帶9? 底座支柱10? 傘型齒輪11? 發(fā)電機12? 剎車裝置13? 風向舵14
具體實施方式
??? 結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述：參看圖1，圖中風葉公轉(zhuǎn)軸1和風葉框架輪2作固定連接，風葉自轉(zhuǎn)軸5安裝于風葉框架輪2的外緣并可轉(zhuǎn)動，風葉自轉(zhuǎn)軸5居中于風葉3并作固定連接，風葉3的框架內(nèi)設(shè)置有風葉加強筋4，根據(jù)風葉的結(jié)構(gòu)強度決定風葉加強筋4的疏密，選用沖壓鋼絲網(wǎng)或直接用鋼絲拉織成網(wǎng)或其它材料，風葉自轉(zhuǎn)軸5與風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6作固定連接，風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)和齒輪的組合7與風向舵14連接且與底座支柱10作可轉(zhuǎn)動連接（結(jié)合參看圖1和圖2），風葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6與風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)和齒輪的組合7之間用環(huán)狀齒形傳動皮帶9作同方向動力傳動連接，也可用鏈條或齒輪動力傳動裝置代替，同樣，自轉(zhuǎn)軸同步齒輪8與風葉自轉(zhuǎn)軸5固定連接，所有風葉的自轉(zhuǎn)軸同步齒輪8之間用環(huán)狀齒形傳動皮帶9作同步轉(zhuǎn)動連接，采用同步齒輪比單風葉連接結(jié)構(gòu)簡單。風葉公轉(zhuǎn)軸1安置于底座支柱10內(nèi)可轉(zhuǎn)動，并通過傘型齒輪11把旋轉(zhuǎn)動力傳輸給發(fā)電機12，整個風力發(fā)電裝置可安置剎車裝置13，根據(jù)需要也可安置離合器裝置。為使系統(tǒng)良好地運行，相關(guān)部位可以安置合適的軸承。因制圖原因，風葉部分在實際應(yīng)用時比例還要放大，風葉表面可采用輕型材料的脫裝活頁如帆布、涂膠布、人工或化學(xué)合成的薄片、或者表面采用加強鋼絲網(wǎng)，中間采用泡沫塑料等輕型材料。通過控制風葉表面材料或中間材料的結(jié)構(gòu)強度還可以達到預(yù)防強風和颶風的目的，當風力超過一定強度時，表面或中間材料首先遭到破壞，保護了風葉和風力發(fā)電裝置。
參看圖2，風葉運轉(zhuǎn)原理部分不再重復(fù)。著重描述風葉的調(diào)整和安裝。風葉的片數(shù)可以是2、3、4、5、6……不等，均勻配置公轉(zhuǎn)圓周上。根據(jù)設(shè)計選擇的風葉框架輪旋轉(zhuǎn)方向，現(xiàn)以順時針旋轉(zhuǎn)為例。以風向舵的指向作參照方向，（風向舵與實際風向之間可以有一個平衡風葉轉(zhuǎn)動的偏轉(zhuǎn)角度）選擇在風向舵左邊的風葉自轉(zhuǎn)軸，作通過風葉自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)軸中心軸線（兩相互平行）的平面，順時針轉(zhuǎn)動風葉框架輪，當該平面垂直于風向舵平面時，也就是垂直于風向，達到正迎風面時，把該風葉自轉(zhuǎn)軸的風葉平面也成垂直于風向舵平面的狀態(tài)安裝到位。繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動風葉框架輪，依照上面方法把第二個風葉自轉(zhuǎn)軸的風葉安裝到位，直到裝完所有的風葉。風葉框架輪逆時針旋轉(zhuǎn)的調(diào)整和安裝方法，只要選擇在風向舵右邊的風葉自轉(zhuǎn)軸進行。另外可根據(jù)計算結(jié)果來進行安裝。
圖3中，與圖1的差別在于風葉公轉(zhuǎn)軸平行于水平面，并且動力傳動齒輪設(shè)置在風向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)上，其余部分都相似。風葉兩邊設(shè)置，在同樣風葉結(jié)構(gòu)強度的條件下可增加風力發(fā)電裝置的功率，并且有其獨特的運轉(zhuǎn)美觀。