风叶自转和公转结合的风力发电装置及其方法

风叶自转和公转结合的风力发电装置及其方法
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种风叶自转和公转相结合的风力发电装置。现有风力车具有水平轴螺旋桨风力车和垂直轴风力车之区别。采用垂直轴方式的风力发电装置，无论技术方式如何，归根结底其在技术上追求的是如何在风叶迎风时展现最大迎风面积，而在风叶逆风时成为最小受风面积。采用自转和公转相结合的技术方法，那么需要解决的是如何在自转和公转相结合的情况下达到上述技术追求的目的。其次，风叶从最大迎风面积到最小逆风面积不可能一步到位，有其中间的延续过程，而在这部分的中间延续过程中，又如何有利于风车的连续运转。这些技术要点是风叶自转和公转结合的风力发电装置所必须解决的。
本发明是通过以下技术方案实现的：所述风力发电装置的风向舵或偏航系统装置连接风向舵旋转环，风向舵旋转环外缘有齿，或风向舵旋转环上设置有动力传动齿轮；所述风叶自转轴下端设置有风叶自转轴齿轮；所述风力发电装置的风叶自转轴与风向舵旋转环之间设置有同方向转动的动力传动装置；所述风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环动力传动齿轮的转速比为1比2或它们齿轮的齿数比为2比1。
以上，风向舵的存在保证了风叶在自转和公转相结合的情况下以最大迎风面积和最小逆风面积迎合风向。风向舵是被动偏航系统装置之一方式，本发明对偏航系统装置的相关描述与附图以对风向舵的描述与附图为主要对象。
    下面解释齿轮及传动系统的关系和运转情况：
    首先解释风叶自转和公转的含义：所谓风叶自转是风叶相对于风叶自转轴中心轴线的连续圆周运动。所谓风叶公转是指风叶带动风叶框架轮相对于风叶公转轴中心轴线的连续圆周运动，实际上也就是风叶带动了公转轴的转动。
    参看图1和图2，风向舵旋转环在风向和风向舵的作用下可以围绕公转轴中心轴线自由转动，当风的方向确定了风向舵的位置以后，风向舵旋转环就不再任意转动，也就是说它是相对静止的。当风叶在风力的作用下作公转运动时，也就是风叶与风叶自转轴的组合围绕着风向舵旋转环作连续圆周转动，前面解释了风向舵旋转环是相对静止的，并且风叶自转轴与风向舵旋转环之间设置有同方向转动的动力传动装置，风叶自转轴齿轮与风向舵旋转环齿轮的转速比为1比2。那么在这种条件下得到的结果是：“当风叶与风叶自转轴组合的公转是以顺时针运转方式表现时，风叶的自转就会以逆时针运转方式表现。相反，当风叶与风叶自转轴组合的公转是以逆时针运转方式表现时，风叶的自转就会以顺时针运转方式表现”。这一点是极其重要的，它的重要意义在于，当风叶公转运动时，风叶自转反向1比2的运转减缓了风叶受风角度的变化量度，也就是说当风叶在它最大迎风面积和最小逆风面积区域时，风叶自转造成的风叶倾角的减缓有利于风叶在这一区域时段运行时风叶的受风作用，并且这种风叶在传统风叶无法产生公转效益的部位，例如图2中的b、d点，风叶也能产生有利于其沿公转圆周切向运动的分力F，极大地增强了风叶运行的效果。而它们的转速比为1比2，使得风叶在正迎风面旋转180°后，也就是到达它的正逆风面，由于风叶自转轴与风向舵旋转环的转速比为1比2，因此风叶自转轴只旋转了风叶公转角180°的一半即90°角，那么风叶表面正好与风向平行，即到达它的最小逆风面积，所受风力的阻力达到最小。
    参看图2，具体描述风叶在自转和公转相结合情况下，风叶所受风力的受力状况和运转表现。图中，设定风叶的公转以顺时针方式进行，粗箭头为风向。风叶在a点位置时，风叶平面垂直于风向舵平面，即垂直于风向，这时的受风面最正，为正迎风面，整个风叶框架轮所受的旋转力也最大。风叶运转在a到b区域时，风叶自转的反向运转减缓了风叶受风角度的变化量度，增加了风叶迎风面在迎风运转时的正迎风面的表现时间和效果。风叶运转在b点位置时，该点是传统风叶无法产生公转效益的部位，风叶平面与风向舵平面成45°夹角，风力产生的分力中有一个沿公转圆切线方向有利于整个风叶框架轮顺时针旋转的分力F。风叶运转在b到c区域时，b点部位所述的分力仍然存在，但越来越小。风叶运转在c 点位置时，风叶平面平行于风向舵平面，即与风向平行，此时所受的逆风面积达到最小，为正逆风面，所受的阻力也最小。风叶运转在c到d区域时，b点部位所述的分力仍然存在，并越来越大。风叶运转在d点位置时，该点也是传统风叶无法产生公转效益的部位，与风叶运转在b点位置时相同，同样有一个沿公转圆切线方向有利于整个风叶框架轮顺时针旋转的分力F。风叶运转在d到a区域时，风叶以45°的角度提前进入，风叶的受力情况逐渐向a点的受力情况靠拢，直到a点时的最大值，以后重复进行。综上所述，风叶在a、b、c、d各点区域附近都有极好的受风运转表现。
    关于这种风力发电装置风轮的制作、运转技术方法，其要点在于：
（一）．掌握风叶自转轴与风叶公转轴的旋转方向相反；
    （二）．掌握风叶自转轴与风叶公转轴的转速比为1比2。
    本发明通过以下技术方案达到改善风力发电装置的使用性能。参看图3，所述风力发电装置风叶的公转轴垂直于风向且平行于水平面，分单边和双边设置两种方式。由于采用了这样结构的装置，风叶框架轮在旋转的过程中，风叶是高低变化的，相对来说高处气流较大，适合风叶正面迎风受力，低处气流较小适合风叶逆风回转，也利于对风叶的安装维修处理和脱换风叶的表面层，风叶逆风回转时是呈水平状态，这样的状况在总体上有利于降低整个风力发电装置的高度。采用双边设置的方法有利于增大风力发电装置的功率。
    与现有的风力发电装置相比，本发明的优点是：
1．提供了一种真正意义的风叶自转和公转结合的风力发电装置。
2．这种风力发电装置与传统水平轴螺旋桨风力车、垂直轴风力车相比不仅具有切向风力而且具有直接作用垂直风叶面的风力，如上面对图2内容的描述，风叶在a、b、c、d点区域附近都有极好的受风运转表现。因此在同样占地面积的情况下本发明的风力发电装置的输出功率就大。
3．这种风叶成方形、长方形的形态可以使制造方便、费用降低、结构牢固、不易折断，并且利于风叶表面或者中间部位的脱装。在气象情报的配合下，可在强风、飓风的多发地带或城市地区使用。
4．这种风力发电装置的基础部分相应较低，双垂直轴（风叶自转轴和风叶公转轴都垂直风向，平行水平面，可两边分置）风力发电装置的风叶在转动过程中高低变化，有部分过程接近底部，利于对风叶和自转轴的维修。
附图说明
    图1是风力发电装置风叶的自转轴垂直于风向且垂直于水平面的结构图；
    图2是风叶在四个关键位置时，风叶的角度与受力运转的俯视示意图；
    图3是风力发电装置风叶的公转轴垂直于风向且平行于水平面的结构图；
图中： 风叶公转轴1  风叶框架轮2  风叶3  风叶加强筋4  风叶自转轴5  风叶自转轴齿轮6  风向舵旋转环和齿轮的组合7  自转轴同步齿轮8  环状齿形传动皮带9  底座支柱10  伞型齿轮11  发电机12  刹车装置13  风向舵14
具体实施方式
    结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：参看图1，图中风叶公转轴1和风叶框架轮2作固定连接，风叶自转轴5安装于风叶框架轮2的外缘并可转动，风叶自转轴5居中于风叶3并作固定连接，风叶3的框架内设置有风叶加强筋4，根据风叶的结构强度决定风叶加强筋4的疏密，选用冲压钢丝网或直接用钢丝拉织成网或其它材料，风叶自转轴5与风叶自转轴齿轮6作固定连接，风向舵旋转环和齿轮的组合7与风向舵14连接且与底座支柱10作可转动连接（结合参看图1和图2），风叶自转轴齿轮6与风向舵旋转环和齿轮的组合7之间用环状齿形传动皮带9作同方向动力传动连接，也可用链条或齿轮动力传动装置代替，同样，自转轴同步齿轮8与风叶自转轴5固定连接，所有风叶的自转轴同步齿轮8之间用环状齿形传动皮带9作同步转动连接，采用同步齿轮比单风叶连接结构简单。风叶公转轴1安置于底座支柱10内可转动，并通过伞型齿轮11把旋转动力传输给发电机12，整个风力发电装置可安置刹车装置13，根据需要也可安置离合器装置。为使系统良好地运行，相关部位可以安置合适的轴承。因制图原因，风叶部分在实际应用时比例还要放大，风叶表面可采用轻型材料的脱装活页如帆布、涂胶布、人工或化学合成的薄片、或者表面采用加强钢丝网，中间采用泡沫塑料等轻型材料。通过控制风叶表面材料或中间材料的结构强度还可以达到预防强风和飓风的目的，当风力超过一定强度时，表面或中间材料首先遭到破坏，保护了风叶和风力发电装置。
参看图2，风叶运转原理部分不再重复。着重描述风叶的调整和安装。风叶的片数可以是2、3、4、5、6……不等，均匀配置公转圆周上。根据设计选择的风叶框架轮旋转方向，现以顺时针旋转为例。以风向舵的指向作参照方向，（风向舵与实际风向之间可以有一个平衡风叶转动的偏转角度）选择在风向舵左边的风叶自转轴，作通过风叶自转与公转轴中心轴线（两相互平行）的平面，顺时针转动风叶框架轮，当该平面垂直于风向舵平面时，也就是垂直于风向，达到正迎风面时，把该风叶自转轴的风叶平面也成垂直于风向舵平面的状态安装到位。继续顺时针转动风叶框架轮，依照上面方法把第二个风叶自转轴的风叶安装到位，直到装完所有的风叶。风叶框架轮逆时针旋转的调整和安装方法，只要选择在风向舵右边的风叶自转轴进行。另外可根据计算结果来进行安装。
图3中，与图1的差别在于风叶公转轴平行于水平面，并且动力传动齿轮设置在风向舵旋转环上，其余部分都相似。风叶两边设置，在同样风叶结构强度的条件下可增加风力发电装置的功率，并且有其独特的运转美观。