一种多轴旋转式风能捕捉装置

技术领域

本发明涉及风能技术领域，具体为一种多轴旋转式风能捕捉装置。

背景技术

风能捕捉装置是对风能进行收集，并将风能转化为机械能的一种装置，在风力发电机上应用广泛。根据风能捕捉装置主轴的方向，可分为水平轴风能捕捉装置和垂直轴风能捕捉装置。水平轴风能捕捉装置的旋转轴垂直于叶片，通常平行于地面，其叶片旋转空间大，转速高，适用于大型风力发电厂。垂直轴风能捕捉装置的旋转轴平行于叶片，通常垂直于地面；与水平轴发电机相比，垂直轴风力发电机具有发电效率高、叶片旋转空间小、抗风能力强、启动风速小、维护简单等优点。

现有技术中已有部分对垂直轴风能捕捉装置的研究，例如授权公告号为CN104389742B的中国发明专利公开的一种竖直轴内转子磁悬浮风力发电机。包括定子，转子，风轮装置三部分，采用转子上径向磁化永磁环阵列与定子上径向磁化永磁环阵列之间的排斥力，转子下径向磁化永磁环阵列与定子下径向磁化永磁环阵列之间的排斥力，定子轴向磁化永磁体与转子轴向磁化永磁体之间的排斥力，建立五自由度磁悬浮状态，并采用上径向调节线圈和下径向调节线圈，进行转子径向位置的动态调整。又例如公开号为CN201666221U的中国实用新型专利公开的一种风能高效转化为电能的装置，由以下构件组成：叶片、叶片铉、中轴、小连杆、发电机、导流板、大连杆、尾翼、底板、主轴。该实用新型采用两个风轮相邻布置方式，并且使阻力臂都处于内侧，在风力机的正前方布置导流板，导流板的大小为刚好完全遮挡住风力机的阻力臂，这样就可以使本应吹向风力机阻力臂的风经过导流板的作用导流到风力机的动力臂上；在导流板正后方装设尾翼，使尾翼正好处于风力机的对称轴上，这样就可以使风力机在运行时候可以依据风向的变化自动迎风。

包括上述专利公开内容在内的现有的垂直轴风能捕捉装置，其叶片相对主轴的角度是固定的，这就导致在主轴旋转过程中，部分叶片会对主轴的旋转产生阻力，即图1中最左侧叶片和底部叶片会对主轴的逆时针旋转产生阻力，这就降低了主轴的转速，影响了风能捕捉装置对风能的捕捉效率。基于此，如何降低主轴转动过程中部分叶片对其产生的阻力，成为了本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多轴旋转式风能捕捉装置，以解决现有技术中的上述不足之处。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多轴旋转式风能捕捉装置，包括主轴，主轴上固定安装有两个上下对应的支架，两个支架之间围绕主轴均匀安装有三个以上平行于主轴的转轴，转轴与两个支架均转动配合且转轴上固定安装有叶片。

所述主轴转动安装在底座上，底座上还转动安装有与主轴配合的轴套；所述多轴旋转式风能捕捉装置还包括用于控制转轴的控制机构。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制机构包括固定安装在轴套上的圆台，圆台的圆周面上固定安装有指示块，圆台的表面开设有控制槽；转轴靠近圆台的一端固定安装有水平的连接板，连接板上竖直安装有与控制槽配合的控制杆；圆台的底面开设有连通控制槽的排水槽。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制杆为圆杆且控制杆与连接板转动配合。

作为本发明的一种优选技术方案，所述控制槽包括靠近指示块的弧形段和远离指示块的月牙段；弧形段的两端分别连通月牙段的两端；弧形段的槽宽与控制杆的直径大小相同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述月牙段的内壁上固定安装有用于对控制杆进行导向的弧形块。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轴套上竖直固定安装有导风板；导风板与轴套连接位置位于轴套上距离指示块最远处。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轴套底端固定安装有位于底座内的第一圆盘，底座内开设有与第一圆盘同轴的圆槽；第一圆盘的圆周面上均匀安装有若干个活动的圆球，圆槽的圆周面上均匀开设有若干个与圆球配合的卡槽。

作为本发明的一种优选技术方案，所述主轴贯穿第一圆盘且主轴上固定套设有与第一圆盘轴线重合且位于第一圆盘内的第二圆盘，第二圆盘的圆周面上沿其周向均匀开设有若干个滑槽，滑槽内滑动安装有金属块，金属块与滑槽内壁之间通过弹性绳连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述金属块朝向第一圆盘圆周面的端面为半球面。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一圆盘的表面安装有与圆槽滚动配合的滚珠。

在上述技术方案中，本发明提供的一种多轴旋转式风能捕捉装置，其每个叶片均单独固定安装在单个转轴上，每个叶片和转轴均能相对主轴转动；在外部风力作用下，每个叶片围绕主轴公转的过程中均能进行自转，并促进主轴转动，大大减小了主轴转动过程中受到的阻力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中垂直轴风能捕捉装置的工作状态示意图；

图2为实施例1中多轴旋转式风能捕捉装置的第一立体结构示意图；

图3为实施例1中多轴旋转式风能捕捉装置的第二立体结构示意图；

图4为实施例1中多轴旋转式风能捕捉装置的工作状态示意图；

图5为实施例2中底座内部结构正视图；

图6为实施例2中第一圆盘和第二圆盘的内部结构俯视图。

附图标记说明：

1、主轴；2、支架；3、转轴；4、叶片；5、底座；501、圆槽；502、卡槽；6、轴套；7、控制机构；701、圆台；702、指示块；703、控制槽；7031、弧形段；7032、月牙段；704、连接板；705、控制杆；706、排水槽；707、弧形块；8、导风板；9、第一圆盘；10、圆球；11、第二圆盘；1101、滑槽；12、金属块；13、弹性绳；14、滚珠。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种多轴旋转式风能捕捉装置，包括主轴1，主轴1上固定安装有两个上下对应的支架2，两个支架2之间围绕主轴1均匀安装有四个平行于主轴1的转轴3，转轴3与两个支架2均转动配合且转轴3上固定安装有叶片4；转轴3和叶片4能够相对主轴1进行转动；水平的风力作用在叶片4上时对转轴3施加力矩，转轴3会通过支架2带动主轴1转动；主轴1转动产生的机械能经过能量转换装置后成为电能。

如图2所示，所述主轴1转动安装在底座5上，底座5上还转动安装有与主轴1配合且同轴的轴套6；主轴1和轴套6均通过轴承转动安装在底座5上，主轴1和轴套6之间能够进行相对转动，但主轴1和轴套6均无法相对底座5产生轴向的移动。

如图3所示，所述多轴旋转式风能捕捉装置还包括用于控制转轴3的控制机构7，控制机构7包括固定安装在轴套6上且与轴套6同轴的圆台701，轴套6转动时圆台701会同步转动；圆台701的圆周面上固定安装有指示块702，指示块702起到指示作用，工作过程中，指示块702指向风的来向，例如刮东风的时候，指示块702指向东方；圆台701的表面开设有控制槽703，转轴3靠近圆台701的一端固定安装有水平的连接板704，连接板704上竖直安装有与控制槽703配合的控制杆705。

当水平风力作用在叶片4上时会向转轴3施加力矩，各个转轴3所承受的力矩共同作用使得主轴1产生转动；在圆台701转动至指示块702指向风的来向状态下，即图4所示状态下，最左侧的叶片4为倾斜状态，风力作用在最左侧的叶片4上，对该叶片4对应的转轴3施加促进主轴1沿逆时针方向转动的力矩；最下方的叶片4为竖直状态(即垂直于风向的状态)，风力作用在最下方的叶片4上，对该叶片4对应的转轴3施加促进主轴1沿逆时针方向转动的力矩；需要说明的是，最左侧的叶片4围绕主轴1公转到最下方的叶片4的位置过程中，控制槽703与最左侧叶片4对应的控制杆705产生作用，从而使得该叶片4和对应的转轴3自身进行逆时针转动，才得以促进主轴1转动。

图4所示状态下，最右侧的叶片4以及最上方的叶片4均为水平状态(即平行于风向的状态)，风力作用在这两个叶片4上，并不会对主轴1的转动起到阻碍的作用；需要说明的是，最下方的叶片4围绕主轴1逆时针公转至最上方叶片4的位置过程中，控制槽703不会与对应的控制杆705产生作用而带动对应的连接板704和转轴3转动，实际上，该叶片4和对应的转轴3自身是在风力的作用下进行逆时针转动，从而进入平行于风向的状态的。

图4所示状态下，最上方的叶片4围绕主轴1逆时针公转至最左侧叶片4的位置过程中，控制槽703与最上方叶片4对应的控制杆705产生作用，从而使得该叶片4和对应的转轴3自身进行逆时针转动；该过程中，风力作用在该叶片4上，对该叶片4对应的转轴3施加较小的促进主轴1沿逆时针方向转动的力矩。

综上所述，在本实施例中，叶片4围绕主轴1逆时针公转一圈的过程中，其靠近风向的半圈，风力对叶片4作用，促进主轴1沿逆时针方向转动，其远离风向的半圈，风力不会阻碍主轴1沿逆时针方向转动；如此，叶片4围绕主轴1公转的每一圈，风力均处于促进主轴1快速转动的状态，提高了风能捕捉的效率。

需要说明的是，在风向不变的情况下，圆台701不会相对底座5进行转动，风向变化时，圆台701发生转动，使得指示块702指向风的来向；圆台701转动的方式有很多种，包括但不限于遥控电动控制，此为现有技术，在此不过多阐述。

如图3和图4所示，圆台701的底面开设有连通控制槽703的排水槽706，排水槽706用于排出控制槽703内的积水，防止冬季温度低于零下时控制槽703内积水成冰影响控制杆705在控制槽703内的正常移动。

如图4所示，控制槽703包括靠近指示块702的弧形段7031和远离指示块702的月牙段7032；弧形段7031的两端分别连通月牙段7032的两端；弧形段7031的槽宽与控制杆705的直径大小相同；具体的，弧形段7031所在虚拟圆的圆心与圆台701的轴线不相交；图4最上方的叶片4围绕主轴1逆时针公转至最下方叶片4的位置过程中，该叶片4对应的控制杆705处于弧形段7031内，弧形段7031对该叶片4对应的控制杆705施加作用力，从而使得该叶片4和对应的转轴3自身进行逆时针转动；图4最下方的叶片4围绕主轴1逆时针公转至最上方叶片4的位置过程中，该叶片4对应的控制杆705处于月牙段7032内，月牙段7032与该叶片4对应的控制杆705不产生带动对应转轴3自转的作用力，该叶片4和对应的转轴3自身会在风力的作用下发生转动，从而进入平行于风向的状态，平行于风向状态下的叶片4不会向转轴3施加阻碍主轴1逆时针转动的力矩。

需要说明的是，本实施例中，控制槽703对控制杆705产生作用力，即控制槽703对控制杆705施加力矩，从而通过连接板704带动对应的转轴3和叶片4自转；控制杆705为圆杆且控制杆705与连接板704转动配合，控制杆705处于弧形段7031的过程中，控制杆705与弧形段7031之间为滚动配合状态，从而减小了控制杆705与弧形段7031之间的摩擦力，有降低减小主轴1转动时的阻力。

如图4所示，月牙段7032的内壁上固定安装有用于对控制杆705进行导向的弧形块707；在控制杆705脱离弧形段7031而进入月牙段7032之后，即叶片4到达图4中最下方叶片4位置之后，控制槽703不再对控制杆705施加作用力，叶片4会在风力作用下自转，但叶片4自转的方向不一定，叶片4也能会顺时针自转，也可能会逆时针自转；如果叶片4顺时针自转，那么叶片4和对应的控制杆705会先进入图4中最右侧叶片4和控制杆705的状态，并最终进入图4中最上方叶片4和控制杆705的状态，完成正常的一圈转动；但是如果叶片4会在风力作用下逆时针自转，那么叶片4和对应的控制杆705就无法进入图4中最右侧叶片4和控制杆705的状态，实际上，如果叶片4会在风力作用下逆时针自转，那么对应的控制杆705是无法以图4所示状态进入弧形段7031的，那么叶片4就无法完成正常的一圈公转，也就无法起到促进主轴1转动的作用；弧形块707的作用就是对控制杆705进行导向，通过对控制杆705的作用力，向连接板704施加力矩，从而将已经逆时针转动的叶片4翻转，使得叶片4最终能够在顺时针自转的状态下到达图4中最右侧叶片4的位置。

如图2和图3所示，轴套6上竖直固定安装有导风板8，导风板8与轴套6连接位置位于轴套6上距离指示块702最远处；导风板8与控制槽703的相对位置是固定的，只有当导风板8朝向来风的状态下，叶片4才能以最佳状态围绕主轴1公转，最佳状态即为能够最大程度促进主轴1转动的状态；如果导风板8没有朝向来风，叶片4不仅不能最大程度促进主轴1转动，甚至会导致阻碍主轴1使其无法转动；导风板8的作用就是对轴套6、圆台701、指示块702和控制槽703进行定位，实际上，导风板8的面积很大，且由不会变形的薄板制成；当风力作用在导风板8上时，会促进导风板8、轴套6、圆台701、指示块702和控制槽703转动，使得指示块702自动指向来风，如此叶片4就能以最佳状态围绕主轴1公转。

需要说明的是，本实施例中，主轴1在风力驱动下的转速一般控制在2r/s左右，主轴1底端通过变速装置驱动发电装置中的输入轴以远高于2r/s的转速转动，变速装置和发电装置均为现有技术中。

实施例2

在上一个实施例的基础上，本实施例进行了改进，使得本装置能够通过导风板8自动对圆台701进行转向，无需外力控制圆台701转向，且工作过程中能够保持圆台701的稳定。

具体的，如图5和图6所示，本实施例中轴套6与主轴1均通过轴承转动安装在底座5上，主轴1贯穿主轴1且延伸至下方的能量转换装置内，能量转换装置是现有技术中将机械能转化为其他能的装置；轴套6底端固定安装有位于底座5内的第一圆盘9，底座5内开设有与第一圆盘9同轴的圆槽501；第一圆盘9的圆周面上均匀安装有若干个活动的圆球10，第一圆盘9的表面安装有与圆槽501滚动配合的滚珠14，以减小第一圆盘9转动过程中与圆槽501之间的摩擦力；圆槽501的圆周面上均匀开设有若干个与圆球10配合的卡槽502；本实施例中第一圆盘9为上下对称的分体式结构，两个部分通过螺栓等现有的紧固件连接在一起；圆球10在第一圆盘9内不会从第一圆盘9上脱落，圆球10能够沿着第一圆盘9径向朝内部分伸出第一圆盘9，圆球10亦能沿着第一圆盘9径向朝外部分伸出第一圆盘9；当圆球10在水平外力作用下沿着第一圆盘9径向朝外部分伸出第一圆盘9时，圆球10会进入卡槽502内，当然，圆球10也可能抵靠在相邻两个卡槽502之间的圆槽501内壁上，但只要轴套6带动第一圆盘9轻微转动一定的角度，圆球10就能够在水平外力的作用下进入卡槽502内；一旦圆球10进入卡槽502内，除非减小水平外力的作用，否则圆球10是不会移出卡槽502的，即第一圆盘9、轴套6、导风板8、圆台701、指示块702和控制槽703是不会随意转动的；如此就保证了圆台701的稳定。

如图5和图6所示，主轴1贯穿第一圆盘9且主轴1上固定套设有与第一圆盘9轴线重合且位于第一圆盘9内的第二圆盘11，第二圆盘11的圆周面上沿其周向均匀开设有若干个滑槽1101，滑槽1101内滑动安装有金属块12，金属块12与滑槽1101内壁之间通过弹性绳13连接；金属块12朝向第一圆盘9圆周面的端面为半球面；当主轴1达到既定转速时，第二圆盘11也同步达到既定转速，此时，第二圆盘11内的金属块12会在离心力作用下克服弹性绳13的拉力并沿着第二圆盘11径向朝外移动，金属块12朝外移动过程中与圆球10相贴合并推动圆球10沿着第一圆盘9径向朝外移动，直至圆球10进入卡槽502内；当主轴1转速降低时，第二圆盘11的转速也同步降低，此时，第二圆盘11内的金属块12受到的离心力减小，弹性绳13的回弹力会拉动金属块12沿着第二圆盘11径向朝内移动；金属块12与圆球10分离，并不在对圆球10起到向外推动的作用，圆球10得以与卡槽502分离，第一圆盘9、轴套6、导风板8、圆台701、指示块702和控制槽703得以与底座5产生相对转动；需要说明的是，圆球10在不受到金属块12水平推力的情况下，第一圆盘9转动时会使得圆球10自动与卡槽502分离(卡槽502是与圆球10配合的形状，且卡槽502的容积未达到圆球10体积的一半)。

具体的，当外部产生水平风力时，如果风向正好平行于导风板8，那么第一圆盘9、轴套6、导风板8和圆台701均不会产生较大幅度的转动，各个叶片4能够以最佳状态围绕主轴1公转，最佳状态即为能够最大程度促进主轴1转动的状态；主轴1也达到既定转速，圆球10进入卡槽502，使得第一圆盘9、轴套6、导风板8和圆台701相对底座5锁紧，保证主轴1能够以最佳状态稳定围绕主轴1公转；如果风向不平行于导风板8，那么各个叶片4一开始是无法达到最佳状态围绕主轴1公转的，主轴1以达不到既定转速；实际上，风力作用在导风板8上，会带动第一圆盘9、轴套6、导风板8和圆台701相对底座5转动，直至导风板8到达与风向平行的状态；此状态下，指示块702指向来风，各个叶片4达到最佳状态围绕主轴1公转，主轴1逐渐达到既定转速，从而完成对第一圆盘9、轴套6、导风板8和圆台701的锁紧；当风向发生变化时，各个叶片4即脱离最佳状态，主轴1逐渐减速(因为风向的变化，各个叶片4无法以图4所示的最佳状态驱动主轴1转动)，第一圆盘9、轴套6、导风板8和圆台701得以相对底座5转动，直至导风板8在风力作用下重新进入与风向平行的状态。

综上所述，本实施例中，无需额外增加驱动圆台701转动的驱动机构，只需要通过导风板8就能够对圆台701进行自适应调整，且圆台701能够相对底座5进行自锁，避免了导风板8在除风力以外的外力下发生转动的情况，例如避免了鸟类撞击到导风板8上导致导风板8和圆台701转动的情况；需要说明的是，导风板8并不需要绝对平行于风向，导风板8与风向的夹角在5°范围内都是可以接受的；导风板8在风力作用下朝平行于风向的状态转动时，只要圆球10在金属块12的水平推力作用下进入卡槽502，导风板8即不会再转动。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。