一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置及控制方法与流程

本发明涉及一种风能利用装置，特别是一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置及控制方法。

背景技术：

1、新能源技术主要包括太阳能、风能、生物质能、水能、地热能等可再生能源的技术研发、设备制造、项目建设和运营管理等，特点有：市场规模不断扩大：随着全球对可再生能源的需求不断增加，新能源技术市场的规模不断扩大；技术创新不断涌现：新能源技术市场是一个高度创新的领域，不断涌现出新的技术和产品；产业链不断完善：随着市场的不断发展，产业链不断完善，各个环节之间的协作和配合也更加紧密。而风电具有可再生、清洁能源、低成本、分布式等优点。

2、在风能利用方面，应用最多还是水平轴风力发电机，水平轴风力发电机有它的优点，如水平轴风力发电机组已经完全达到工业化生产，配套生产与运营经验全面，但垂直轴风力发电机具有结构体积小、无方向性要求、维修方便等特点，还具有安全、高效、噪声低、成本低、维护方便等优势。但目前的绝大部分垂直轴发电机为固定迎风角的叶片结构，这种结构的逆转力矩较大，即有较大的负力矩，导致有效力矩小，降低了整体效率，并且启动风速较高，制作成本也较高。以及还有以下不足：风能资源利用不充分：风能资源的利用不充分，多用4级风以上，3级风以下被弃用，无法最大限度地发挥风力发电的潜力；发电效率低：风速的不均匀分布会导致风力发电机的出力波动大，从而影响整个风电场的发电效率；设备安装不方便：风电设备一般都比较大，运输、安装也比较麻烦；投资回报周期长：风力发电项目的投资回报周期延长，降低项目的经济效益等以上不足。

3、目前虽然有偏矩形的垂直轴发电机，但不具备自适应的性能，在微风下调节性较差，特别启动工况不稳定，启动力矩大，实用性较弱。

技术实现思路

1、本发明目的就是提供一种启动力矩小、极低的负转动力矩，运行效率高、成本低的自适应旋翼垂直轴风力发电装置及转速控制方法，并可以自动切换叶片的旋转角度。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用下述技术解决方案：一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴、发电机，动力轴可输出动力，叶片轴水平横向设置并以动力轴轴心为中心；

3、在叶片轴的两端固定设置有叶片，在同一叶片轴两端的叶片之间的角度为设定角度，叶片轴可在有限角度范围内自由转动；

4、叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，同一叶片分为两个区，叶片较小面积侧为一区，设置在叶片轴水平面之上方；叶片较大面积侧为二区，设置在叶片轴水平面之下方，重力作用下叶片(3)的二区部分自然下垂在叶片轴(4)水平面之下；

5、叶片较大面积侧的二区重量略大于叶片较小面积侧的一区；

6、具有控制单元，用于该装置的转动控制及启停。

7、所述同一叶片轴两端的两个叶片之间的夹角为60-120度之间，优选为80-90度，最优选为85度。

8、所述同一叶片轴两端的两个叶片的叶片较大面积侧的二区设置在叶片轴水平面下方，与水平面呈45度。

9、所述同一叶片的两个区域的边长比为0.618。

10、所述叶片较小面积侧的一区配置有配重，用以平衡因面积不等而导致的重量差。

11、所述的叶片、叶片轴至少之一具有限位装置，由静限位结构与动限位结构组成，静限位结构装配于基板上，动限位结构设置于叶片轴上，所限定叶片转动的角度范围为90度的范围，随着动力轴旋转角度的不同而变换不同的状态。

12、所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片、叶片轴、轴承、轴承架、动力轴等部件之上。

13、转速控制开关，由弹片与刚片构成，弹片可在风力作用下发生变形并与刚接触而导通，弹片的变形程度可随调节内筒的高度而改变。

14、一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置的控制单元：由弹片与刚片构成，弹片可在风力作用下发生变形并与刚片接触而导通，弹片的变形程度可随调节内筒的高度而改变。

15、基于上述控制单元的转速控制方法：是通过弹片与刚片的触点的接通而连通发电装置的功率输出所形成的扭矩而停止转动的。

16、有一方面，一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置的运行方法：

17、静默工作状态，叶片的二区都处于自由下垂的状态，没有启动，处于等待状态；

18、第一工作状态，叶片a受到风对叶面的作用，并呈现垂直位置，受风力作用最大；叶片c呈现水平位置，受风力作用最小；

19、第二工作状态：叶片a与叶片c受到的风的作用力逐渐减小，叶片a与叶片c呈现自由45角度状态，此时风力作用于另一组叶片；

20、第三工作状态：叶片a呈现水平状态，叶片c呈现垂直状态，受风力作用最大；

21、第四工作状态：叶片a与叶片c呈现自由状态，此时风力作用于另一组叶片，并驱动叶片轴旋转，及带动叶片a与叶片c旋转；

22、重复第一至第四工作状态。

23、本发明效果和特点体现在以下：本装置启动风速低，一级风0.8米/s风速可启动，为已知最低风速要求；1.6米/s即可开始发电，二级风可正常工作发电；自适应旋翼垂直轴发电机的逆向转矩接近于零；基于自适应旋翼的创新设计，使得在迎风面风翼的逆向旋转力矩非常小，同时翼片的自旋力矩也接近于零，从而使得正向旋转力矩达到较高效率；制造工艺简单，便于携带，易于安装。

技术特征：

1.一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，至少包括动力轴、叶片、叶片轴、发电机，动力轴可输出动力，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的叶片轴（4）两端的叶片（3）之间的夹角为60-120度之间，优选为80-90度，最优选为85度。

3.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述叶片轴（4）两端的两个叶片（3）的叶片较大面积侧的二区设置在叶片轴（4）水平面下方，与水平面呈45度。

4.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述叶片（3）的两个区域一区、二区的边长比为0.618。

5.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述叶片（3）较小面积侧的一区配置有配重，用以平衡因面积不等而导致的重量差。

6.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的叶片（3）、叶片轴（4）至少之一具有限位装置，由静限位结构（7）与动限位结构（8）组成，静限位结构（7）装配于基板（6）上，动限位结构（8）设置于叶片轴（4）上，所限定叶片（3）转动的角度范围为90度的范围，随着动力轴（1）旋转角度的不同而变换不同的状态。

7.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的限位装置由限位块、限位条、限位板至少之一组成，可以设置于叶片（3）、叶片轴（4）、轴承架（5）、动力轴（1）等部件之上。

8.根据权利要求1所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述控制单元，主要为转速控制开关，由弹片（10）与刚片（11）构成，弹片（10）可在风力作用下发生变形并与刚片（11）接触而导通，弹片（10）的变形程度可随调节内筒（13）的高度而改变。

9.根据权利要求8所述的一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的转速控制开关，是通过弹片（10）与刚片（11）的触点的接通而连通发电装置的功率输出所形成的巨大扭矩而停止转动的。

10.基于一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置的运行方法：

技术总结本发明是一种风能利用装置，是一种自适应旋翼垂直轴风力发电装置及控制方法，是在叶片轴的两端固定设置有叶片，在同一叶片轴两端的叶片之间的角度为设定角度，叶片轴可在有限角度范围内自由转动；叶片中心与叶片轴轴心偏离设置，同一叶片分为两个区，叶片较小面积侧为一区，设置在叶片轴水平面之上方；叶片较大面积侧为二区，设置在叶片轴水平面之下方，自动下垂；该装置可以自适应地调整叶片以获得较高的工作效率，启动风速低，在迎风面风叶的逆向旋转力矩小，正向旋转力矩达到较高效率，制造工艺简单，便于携带，易于安装。技术研发人员：宋柏君受保护的技术使用者：北京创新加科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/4