[发明专利]一种基于杠杆原理设计的垂直轴风力发电机

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于杠杆原理设计的垂直轴风力发电机，更具体的说是一种利用可伸缩折叠的力臂为支撑,驱动风机叶片伸展或收缩的垂直轴风力发电机。本发明是一种利用杠杆原理将微弱的风力进行放大，利用放大后的风力驱动发电机进行发电的技术。

背景技术：

风力发电不是一种新技术，但是随着人类对新能源的需求逐渐增长，风力发电已经成为21世纪最热门的技术之一。

传统风力发电的设计者一直基于贝兹理论、动量叶素理论等空气动力学方面的理论进行设计和研发，但是这些研究者都忽略了一个重要参数——杠杆效应：

受传统思维桎梏，风力发电研究者一直以空气动力学为研究方向。常见的垂直轴风力发电机的叶轮直径只有几米，虽然叶片面积不断提高，但功率并没有明显改善。而水平轴风力发电机虽然在同样指导思想下进行研究，但水平轴风力发电机的发展方向恰巧与杠杆式风力发电机相吻合，因此得到了一定的发展。

以常见水平轴风力发电机为例，风机叶片长度往往能够达到几十米，而风机主轴直径一般不超过1米。假如将风机叶片视为一个杠杆，一根50米长的叶片对风力最少可以提供50倍以上的放大效应。当风机主轴获得低转速大扭力输入后，可以通过变速箱将低速大扭力转化为高速扭力输出，之后可以利用输出扭力驱动发电机进行发电。

垂直轴风力发电机的研究者因为缺乏正确的理论指导，导致研究方向跑偏，没有考虑过通过增加叶轮直径来提高风能利用率。继而导致垂直轴风力发电机的发展举步维艰。

发明内容：

风能的本质是一种低密度的能源。单纯的风能并不足以推动发电机发电。为了将低密度的风能转化为足够大的机械能，人类发明了各种对风能利用的方法。无论是风帆还是风车都是将低密度风能集中起来变为高密度能量的解决方案。

为了有效利用风力进行发电，单纯的增加叶片面积并不是最佳解决方案。为了达到对风能利用与杠杆效应的平衡，我设计了以杠杆效应放大风力进行发电的解决方案。（参考ZL201510497988.1一种智能化风力发电机叶片结构）

根据上述理论，垂直轴风力发电机也可以进行相应改造。贝兹理论中将空气视为一个连续流体，传统风力发电研究者只局限于风轮附近的空气流动。而我认为风能是一种低密度的范围性能源，因为空气流动是一种大范围整体性流动。也就是说一旦开始刮风，一个范围内整体空气都会流动，风机叶片无论远近都会随时受到风力影响。风机叶片无论是在距离塔架1米处还是在距离塔架50米处，无论是在上风方向还是在下风方向，均会受到风力的影响。而基于伯努利定律设计出的风机叶片也能保证无论是正向气流还是反向气流均可为风机提供动力。

因此，对应传统垂直轴风力发电机，新式垂直轴风力发电机应在叶片面积与力臂长度和风轮转速之间寻找一个平衡点。风机叶片面积越大，单位时间内受风力影响就越大。但风机叶片越大自重越大同时风阻也会越大，继而转速也会受到影响。风机力臂越长，能够获得越大的杠杆效应比例，但是力臂加长也会造成风机自重增加。同时杠杆效应也会导致输出转速降低。

本发明由以下各部分组成，包括：塔架1、力臂2、驱动装置3、叶片4、监控装置5；

塔架1为垂直轴风力发电机主要支撑结构，其主要作用为保证风力发电机稳定工作。

力臂2为塔架与风机叶片之间的连接装置。为了规避强风造成风机的损毁，为了便于风机维护，力臂2可以设计为可伸缩折叠结构。力臂2可以有多种不同的结构，可以是直臂结构（见图1），也可以是折叠结构（见图2）或是异形结构。力臂可以是一根，也可以是多根共同组成（见图3）。在实际应用中，风机力臂可以是一体的，也可以是由多组力臂组成。力臂的结构也可以根据需要进行各种改变。力臂2可以在塔架1的支撑下自由伸展或收缩（见图4）力臂结构可以是一根空心管状物体，或是在空心管状结构内部增加辅助支撑梁，或是仿照生物骨骼在管状结构内部增加网状支撑结构。力臂结构可以是包括圆形、椭圆形、六边形等任意几何形态（见图5）。

根据不同的风力环境和不同的建造预算以及不同的审美观念，风机叶片也可以有多种选择。首先风机叶片的角度可以是固定的也可以是可变的。固定角度叶片优势在于成本低，可靠性强。可变角度叶片优势在于能够灵活应对天气情况，对风能利用率更高。其次叶片的形状和体积结构也可以根据需要进行自由改变。

驱动装置3的主要作用是驱动力臂和叶片的伸展和收缩，风力发电机可以根据风力调整叶片的工况。