風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電裝置及其方法

風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風(fēng)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(diǎn)，提供一種風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電裝置。現(xiàn)有風(fēng)力車具有水平軸螺旋槳風(fēng)力車和垂直軸風(fēng)力車之區(qū)別。采用垂直軸方式的風(fēng)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(fēng)葉迎風(fēng)時(shí)展現(xiàn)最大迎風(fēng)面積，而在風(fēng)葉逆風(fēng)時(shí)成為最小受風(fēng)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(dá)到上述技術(shù)追求的目的。其次，風(fēng)葉從最大迎風(fēng)面積到最小逆風(fēng)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(fēng)車的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這些技術(shù)要點(diǎn)是風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風(fēng)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(shí)現(xiàn)的：所述風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)向舵或偏航系統(tǒng)裝置連接風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)，風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)外緣有齒，或風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)上設(shè)置有動力傳動齒輪；所述風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸下端設(shè)置有風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪；所述風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸與風(fēng)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(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪與風(fēng)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(fēng)向舵的存在保證了風(fēng)葉在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合的情況下以最大迎風(fēng)面積和最小逆風(fēng)面積迎合風(fēng)向。風(fēng)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(fēng)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(yùn)轉(zhuǎn)情況：
??? 首先解釋風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的含義：所謂風(fēng)葉自轉(zhuǎn)是風(fēng)葉相對于風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸中心軸線的連續(xù)圓周運(yùn)動。所謂風(fēng)葉公轉(zhuǎn)是指風(fēng)葉帶動風(fēng)葉框架輪相對于風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸中心軸線的連續(xù)圓周運(yùn)動，實(shí)際上也就是風(fēng)葉帶動了公轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。
??? 參看圖1和圖2，風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)在風(fēng)向和風(fēng)向舵的作用下可以圍繞公轉(zhuǎn)軸中心軸線自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)風(fēng)的方向確定了風(fēng)向舵的位置以后，風(fēng)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(dāng)風(fēng)葉在風(fēng)力的作用下作公轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，也就是風(fēng)葉與風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸的組合圍繞著風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)作連續(xù)圓周轉(zhuǎn)動，前面解釋了風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)是相對靜止的，并且風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸與風(fēng)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(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪與風(fēng)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(dāng)風(fēng)葉與風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸組合的公轉(zhuǎn)是以順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)時(shí)，風(fēng)葉的自轉(zhuǎn)就會以逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)。相反，當(dāng)風(fēng)葉與風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸組合的公轉(zhuǎn)是以逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)時(shí)，風(fēng)葉的自轉(zhuǎn)就會以順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)方式表現(xiàn)”。這一點(diǎn)是極其重要的，它的重要意義在于，當(dāng)風(fēng)葉公轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)，風(fēng)葉自轉(zhuǎn)反向1比2的運(yùn)轉(zhuǎn)減緩了風(fēng)葉受風(fēng)角度的變化量度，也就是說當(dāng)風(fēng)葉在它最大迎風(fēng)面積和最小逆風(fēng)面積區(qū)域時(shí)，風(fēng)葉自轉(zhuǎn)造成的風(fēng)葉傾角的減緩有利于風(fēng)葉在這一區(qū)域時(shí)段運(yùn)行時(shí)風(fēng)葉的受風(fēng)作用，并且這種風(fēng)葉在傳統(tǒng)風(fēng)葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，例如圖2中的b、d點(diǎn)，風(fēng)葉也能產(chǎn)生有利于其沿公轉(zhuǎn)圓周切向運(yùn)動的分力F，極大地增強(qiáng)了風(fēng)葉運(yùn)行的效果。而它們的轉(zhuǎn)速比為1比2，使得風(fēng)葉在正迎風(fēng)面旋轉(zhuǎn)180°后，也就是到達(dá)它的正逆風(fēng)面，由于風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)速比為1比2，因此風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸只旋轉(zhuǎn)了風(fēng)葉公轉(zhuǎn)角180°的一半即90°角，那么風(fēng)葉表面正好與風(fēng)向平行，即到達(dá)它的最小逆風(fēng)面積，所受風(fēng)力的阻力達(dá)到最小。
??? 參看圖2，具體描述風(fēng)葉在自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相結(jié)合情況下，風(fēng)葉所受風(fēng)力的受力狀況和運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)。圖中，設(shè)定風(fēng)葉的公轉(zhuǎn)以順時(shí)針方式進(jìn)行，粗箭頭為風(fēng)向。風(fēng)葉在a點(diǎn)位置時(shí)，風(fēng)葉平面垂直于風(fēng)向舵平面，即垂直于風(fēng)向，這時(shí)的受風(fēng)面最正，為正迎風(fēng)面，整個(gè)風(fēng)葉框架輪所受的旋轉(zhuǎn)力也最大。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在a到b區(qū)域時(shí)，風(fēng)葉自轉(zhuǎn)的反向運(yùn)轉(zhuǎn)減緩了風(fēng)葉受風(fēng)角度的變化量度，增加了風(fēng)葉迎風(fēng)面在迎風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的正迎風(fēng)面的表現(xiàn)時(shí)間和效果。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在b點(diǎn)位置時(shí)，該點(diǎn)是傳統(tǒng)風(fēng)葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，風(fēng)葉平面與風(fēng)向舵平面成45°夾角，風(fēng)力產(chǎn)生的分力中有一個(gè)沿公轉(zhuǎn)圓切線方向有利于整個(gè)風(fēng)葉框架輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的分力F。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在b到c區(qū)域時(shí)，b點(diǎn)部位所述的分力仍然存在，但越來越小。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在c 點(diǎn)位置時(shí)，風(fēng)葉平面平行于風(fēng)向舵平面，即與風(fēng)向平行，此時(shí)所受的逆風(fēng)面積達(dá)到最小，為正逆風(fēng)面，所受的阻力也最小。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在c到d區(qū)域時(shí)，b點(diǎn)部位所述的分力仍然存在，并越來越大。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在d點(diǎn)位置時(shí)，該點(diǎn)也是傳統(tǒng)風(fēng)葉無法產(chǎn)生公轉(zhuǎn)效益的部位，與風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在b點(diǎn)位置時(shí)相同，同樣有一個(gè)沿公轉(zhuǎn)圓切線方向有利于整個(gè)風(fēng)葉框架輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的分力F。風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)在d到a區(qū)域時(shí)，風(fēng)葉以45°的角度提前進(jìn)入，風(fēng)葉的受力情況逐漸向a點(diǎn)的受力情況靠攏，直到a點(diǎn)時(shí)的最大值，以后重復(fù)進(jìn)行。綜上所述，風(fēng)葉在a、b、c、d各點(diǎn)區(qū)域附近都有極好的受風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)。
??? 關(guān)于這種風(fēng)力發(fā)電裝置風(fēng)輪的制作、運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)方法，其要點(diǎn)在于：
（一）．掌握風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸與風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向相反；
??? （二）．掌握風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸與風(fēng)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(dá)到改善風(fēng)力發(fā)電裝置的使用性能。參看圖3，所述風(fēng)力發(fā)電裝置風(fēng)葉的公轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)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(fēng)葉框架輪在旋轉(zhuǎn)的過程中，風(fēng)葉是高低變化的，相對來說高處氣流較大，適合風(fēng)葉正面迎風(fēng)受力，低處氣流較小適合風(fēng)葉逆風(fēng)回轉(zhuǎn)，也利于對風(fēng)葉的安裝維修處理和脫換風(fēng)葉的表面層，風(fēng)葉逆風(fēng)回轉(zhuǎn)時(shí)是呈水平狀態(tài)，這樣的狀況在總體上有利于降低整個(gè)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電裝置的功率。
??? 與現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電裝置相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
1．提供了一種真正意義的風(fēng)葉自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電裝置。
2．這種風(fēng)力發(fā)電裝置與傳統(tǒng)水平軸螺旋槳風(fēng)力車、垂直軸風(fēng)力車相比不僅具有切向風(fēng)力而且具有直接作用垂直風(fēng)葉面的風(fēng)力，如上面對圖2內(nèi)容的描述，風(fēng)葉在a、b、c、d點(diǎn)區(qū)域附近都有極好的受風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn)表現(xiàn)。因此在同樣占地面積的情況下本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出功率就大。
3．這種風(fēng)葉成方形、長方形的形態(tài)可以使制造方便、費(fèi)用降低、結(jié)構(gòu)牢固、不易折斷，并且利于風(fēng)葉表面或者中間部位的脫裝。在氣象情報(bào)的配合下，可在強(qiáng)風(fēng)、颶風(fēng)的多發(fā)地帶或城市地區(qū)使用。
4．這種風(fēng)力發(fā)電裝置的基礎(chǔ)部分相應(yīng)較低，雙垂直軸（風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸和風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸都垂直風(fēng)向，平行水平面，可兩邊分置）風(fēng)力發(fā)電裝置的風(fēng)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(fēng)葉和自轉(zhuǎn)軸的維修。
附圖說明
??? 圖1是風(fēng)力發(fā)電裝置風(fēng)葉的自轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)向且垂直于水平面的結(jié)構(gòu)圖；
??? 圖2是風(fēng)葉在四個(gè)關(guān)鍵位置時(shí)，風(fēng)葉的角度與受力運(yùn)轉(zhuǎn)的俯視示意圖；
??? 圖3是風(fēng)力發(fā)電裝置風(fēng)葉的公轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)向且平行于水平面的結(jié)構(gòu)圖；
圖中： 風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸1? 風(fēng)葉框架輪2? 風(fēng)葉3? 風(fēng)葉加強(qiáng)筋4? 風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸5? 風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6? 風(fēng)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(jī)12? 剎車裝置13? 風(fēng)向舵14
具體實(shí)施方式
??? 結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：參看圖1，圖中風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸1和風(fēng)葉框架輪2作固定連接，風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸5安裝于風(fēng)葉框架輪2的外緣并可轉(zhuǎn)動，風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸5居中于風(fēng)葉3并作固定連接，風(fēng)葉3的框架內(nèi)設(shè)置有風(fēng)葉加強(qiáng)筋4，根據(jù)風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度決定風(fēng)葉加強(qiáng)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(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸5與風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6作固定連接，風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)和齒輪的組合7與風(fēng)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(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸齒輪6與風(fēng)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(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸5固定連接，所有風(fēng)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(fēng)葉連接結(jié)構(gòu)簡單。風(fēng)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(jī)12，整個(gè)風(fēng)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(yùn)行，相關(guān)部位可以安置合適的軸承。因制圖原因，風(fēng)葉部分在實(shí)際應(yīng)用時(shí)比例還要放大，風(fēng)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(qiáng)鋼絲網(wǎng)，中間采用泡沫塑料等輕型材料。通過控制風(fēng)葉表面材料或中間材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還可以達(dá)到預(yù)防強(qiáng)風(fēng)和颶風(fēng)的目的，當(dāng)風(fēng)力超過一定強(qiáng)度時(shí)，表面或中間材料首先遭到破壞，保護(hù)了風(fēng)葉和風(fēng)力發(fā)電裝置。
參看圖2，風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)原理部分不再重復(fù)。著重描述風(fēng)葉的調(diào)整和安裝。風(fēng)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(jì)選擇的風(fēng)葉框架輪旋轉(zhuǎn)方向，現(xiàn)以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例。以風(fēng)向舵的指向作參照方向，（風(fēng)向舵與實(shí)際風(fēng)向之間可以有一個(gè)平衡風(fēng)葉轉(zhuǎn)動的偏轉(zhuǎn)角度）選擇在風(fēng)向舵左邊的風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸，作通過風(fēng)葉自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)軸中心軸線（兩相互平行）的平面，順時(shí)針轉(zhuǎn)動風(fēng)葉框架輪，當(dāng)該平面垂直于風(fēng)向舵平面時(shí)，也就是垂直于風(fēng)向，達(dá)到正迎風(fēng)面時(shí)，把該風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸的風(fēng)葉平面也成垂直于風(fēng)向舵平面的狀態(tài)安裝到位。繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動風(fēng)葉框架輪，依照上面方法把第二個(gè)風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸的風(fēng)葉安裝到位，直到裝完所有的風(fēng)葉。風(fēng)葉框架輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的調(diào)整和安裝方法，只要選擇在風(fēng)向舵右邊的風(fēng)葉自轉(zhuǎn)軸進(jìn)行。另外可根據(jù)計(jì)算結(jié)果來進(jìn)行安裝。
圖3中，與圖1的差別在于風(fēng)葉公轉(zhuǎn)軸平行于水平面，并且動力傳動齒輪設(shè)置在風(fēng)向舵旋轉(zhuǎn)環(huán)上，其余部分都相似。風(fēng)葉兩邊設(shè)置，在同樣風(fēng)葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下可增加風(fēng)力發(fā)電裝置的功率，并且有其獨(dú)特的運(yùn)轉(zhuǎn)美觀。