CN101349249A - 悬吊式垂直轴风力发电机装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种悬吊式垂直轴风力发电机装置，以克服现有风力发电机的缺陷。它具有风叶，其风叶为圆弧状且圆弧内侧面间隔固定相同的风叶涡流隔片组成，多个风叶固定安装在风叶支架上构成一个叶片，三个叶片等间隔安装在一个固定吊杆或旋转吊轴上，固定吊杆或旋转吊轴端部连接有吊钩，在风机轴上安装永磁发电机构成风力发电机装置。本发明采用特殊结构风叶在迎风做功半周风叶正面迎风并在风叶正面形成涡流，风压大。风叶在非做功半周，此时风叶圆弧表面迎风，风流被圆弧表面整流从叶片垂直间隔分流。风压相对较小，可以最大限度利用风速做功，极大提高了风力发电效率。同时，这种风叶可以采用悬吊方式，节约了风力发电的投资。

Description

悬吊式垂直轴风力发电机装置

技术领域

本发明属于发电装置技术领域，特别是风能发电装置。

背景技术

能源是经济发展的基础，为了维持经济的高速发展，掠夺性的开采地下资源，随着地球资源日趋紧张其价格成倍增长。人们为了解决能源危机在寻找替代能源，风能作为一种替代能源得到了世界各国的高度重视。近几年随着风电产业的形成和规模发展，通过引进技术，加速风电机组本地化进程以及加强风电场建设和运行管理，我国风电场建设和运行的成本逐步降低，初始投资从1994年的约12000元/kW降低到目前的约9000元/kW。同时风电的上网电价也从超过1.0元/度降低到约0.6元/度。

风力发电有三种运行方式：一是独立运行方式，通常是一台小型风力发电机向一户或几户提供电力，它用蓄电池蓄能，以保证无风时的用电；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合，向一个单位或一个村庄或一个海岛供电；三是风力发电并入常规电网运行，向大电网提供电力，常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机，这是风力发电的主要发展方向。

在风力发电系统中两个主要部件是风力机和发电机。风力机向着变浆距调节技术、发电机向着变速恒频发电技术，这是风力发电技术发展的趋势，也是当今风力发电的核心技术。风力机主要结构分为：

1、风力机的变浆距调节

风力机通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。变距调节方式是通过改变叶片迎风面与纵向旋转轴的夹角，从而影响叶片的受力和阻力，限制大风时风机输出功率的增加，保持输出功率恒定。采用变距调节方式，风机功率输出曲线平滑。在额定风速以下时，控制器将叶片攻角置于零度附近，不做变化，近似等同于定浆距调节。在额定风速以上时，变浆距控制结构发生作用，调节叶片攻角，将输出功率控制在额定值附近。变浆距风力机的起动速度较定浆距风力机低，停机时传递冲击应力相对缓和。正常工作时，主要是采用功率控制，在实际应用中，功率与风速的立方成正比。较小的风速变化会造成较大的风能变化。

由于变浆距调节风力机受到的冲击较之其它风力机要小得多，可减少材料使用率，降低整体重量。且变距调节型风力机在低风速时，可使桨叶保持良好的攻角，比失速调节型风力机有更好的能量输出，因此比较适合于平均风速较低的地区安装。

变距调节的另外一个优点是，当风速达到一定值时，失速型风力机必须停机，而变距型风力机可以逐步变化到一个桨叶无负载的全翼展开模式位置，避免停机，增加风力机发电量。

变距调节的缺点是对阵风反应要求灵敏。失速调节型风机由于风的振动引起的功率脉动比较小，而变距调节型风力机则比较大，尤其对于采用变距方式的恒速风力发电机，这种情况更明显，这样不要求风机的变距系统对阵风的响应速度要足够快，才可以减轻此现象。

2、变速恒频风力发电机

变速恒频风力发电机常采用交流励磁双馈型发电机，它的结构类似绕线型感应电机，只是转子绕组上加有滑环和电刷，这样一来，转子的转速与励磁的频率有关，从而，使得双馈型发电机的内部电磁关系既不同于异步发电机又不同于同步发电机，但它却具有异步机和同步机的某些特性。

交流励磁双馈变速恒频风力发电机不仅可以通过控制交流励磁的幅值、相位、频率来实现变速恒频，还可以实现有功、无功功率控制，对电网而言还能起无功补偿的作用。

交流励磁变速恒频双馈发电机系统有如下优点：

1、允许原动机在一定范围内变速运行，简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。

2、需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。

3、调节励磁电流幅值，可调节发出的无功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的有功功率。应用矢量控制可实现有、无功功率的独立调节。

垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构(Φ型或称为达里厄)，由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。由于H型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气洞力学计算以及数字模拟计算，采用人工的方法计算一次至少需要几年的时间，而且不是一次计算就能得到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的年代，人们根本无法完成这一设计构思。

由于特殊应用场合的需要，2003年我国开始了这项研究，并且在以后两年的时间里不断对产品进行改进，在2005年初，产品走向成熟，并在海岛以及边疆大量采用以这种新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统。

H型垂直轴风力发电机的技术原理：

该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

该技术原理根据空气片条理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果。

采用稀土永磁材料发电的原理，配套与空气洞力学原理的风轮，采用直驱式结构进行旋转发电。

根据检索，一种风力发电机(专利号：ZL200420081310.2)由于此种设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。

近几年随着风电技术的进一步发展，垂直轴永磁风力发电机为风电技术行业又添新丁，也逐步被人们所认识。但无论是水平轴还是垂直轴风力发电机，都没有从根本上解决投资成本高这一难题，使这一清洁能源的普及受到了不同程度限制。究其原因一台风力发电机的金属立杆造价十几倍于发电机本身，更难以让人接受的是一台金属立杆只能承载一台风力发电机组。

发明内容

本发明目的是提供一种悬吊式垂直轴风力发电机装置，以克服现有风力发电机的缺陷。

具体地说，悬吊式垂直轴风力发电机装置，具有风叶，其风叶为圆弧状且圆弧内侧面间隔固定相同的风叶涡流隔片组成，多个风叶固定安装在风叶支架上构成一个叶片，三个叶片等间隔安装在一个固定吊杆或旋转吊轴上，固定吊杆或旋转吊轴端部连接有吊钩，在风机轴上安装永磁发电机构成风力发电机装置。

风叶为半圆弧且多个风叶垂直并列固定在风叶支架上且相邻叶片之间留有缝隙构成一个叶片，三个叶片通过轮毂轴承安装在一个固定吊杆上，空心轴永磁发电机安装在固定吊杆上组成一个发电单元，在固定吊杆下端设有连接另外一组发电单元的分级吊杆连接件。多个发电单元通过分级吊杆连接件串联构成发电装置。

多个风叶垂直并列固定在风叶支架上且相邻叶片之间留有缝隙构成一个叶片，三个叶片通过旋转吊轴固定轮毂安装在旋转吊轴上，旋转吊轴上端连接有吊钩，旋转吊轴上部装有旋转悬吊轴装置，落地式永磁发电机安装旋转吊轴下端。三个叶片一组串联方式安装在旋转吊轴上。

风叶的弧度小于半圆弧且多个风叶水平并列安装在风叶支架上构成一个叶片，且每个风叶在风叶驱动下自动调姿系统随着叶片旋转在水平和垂直两个位置之间转换；三个叶片通过轮毂轴承安装在一个固定吊杆上，空心轴永磁发电机安装在固定吊杆上组成一个发电单元，在固定吊杆下端设有连接另外一组发电单元的分级吊杆连接件。多个发电单元通过分级吊杆连接件串联构成发电装置。

风叶的弧度小于半圆弧且多个风叶水平并列安装在风叶支架上构成一个叶片，且每个风叶在风叶驱动下自动调姿系统随着叶片旋转在水平和垂直两个位置之间转换；三个叶片通过旋转吊轴固定轮毂安装在旋转吊轴上，旋转吊轴上端连接有吊钩，旋转吊轴上部装有旋转悬吊轴装置，落地式永磁发电机安装旋转吊轴下端。

所述的风叶自动调姿系统包括方向尾翼、尾翼转轴、风叶自动调姿托盘、风叶轴转向拨叉、风叶轴转向连杆、风叶联动拉绳；风叶自动调整托盘是两个圆弧等腰梯形其形状和作用类似于平顶凸轮并分布在中心鼓形结构两侧；尾翼转轴与中心鼓形结构相对固定，尾翼转轴上下两端用轴承与吊轴相对固定；尾翼及其支架与尾翼转轴固定；尾翼连同尾翼转轴带动风叶自动调姿托盘在风力的作用下固定在一个方位；风叶中轴横穿内装有轴承的垂直支架，在靠近垂直支架一侧的风叶中轴上固定有与风叶旋转轴径向成45度夹角的风叶驱动连杆，并在连杆两端固定安装有风叶联动拉绳，在风叶中轴顶端固定有夹角为90度的拨叉；在吊轴上相同方位角的风叶驱动连杆顶端均通过风叶联动拉绳相对固定。

本发明优点是采用特殊结构风叶在迎风做功半周风叶正面迎风并在风叶正面形成涡流，风压大。风叶在非做功半周(称过渡区)，此时风叶圆弧表面迎风，风流被圆弧表面整流从叶片垂直间隔分流。风压相对较小，可以最大限度利用风速做功，极大提高了风力发电效率。同时，这种风叶可以采用悬吊方式，节约了风力发电的投资。

附图说明

图1为本发明结构示意图(分级悬吊垂直轴固定形涡流翼风力发电机)。

图2为本发明结构示意图(集中悬吊垂直轴固定形涡流翼风力发电机)。

图3为本发明结构示意图(悬吊式垂直轴自变形水平翼风力发电机)。

图4为水平翼风叶自动控制机构示意图。

图5为本发明叶片分级悬吊结构示意图。

图6为本发明叶片集中悬吊结构示意图。

图7为本发明本发明叶片集中悬吊吊轴与风叶支架装配示意图。

图8为本发明本发明叶片集中悬吊风叶自动控制装置与发电机之间装配示意图。

图号说明：

(1)   固定吊杆、

(2)   方向尾翼

(3)   尾翼转轴

(4)   风叶自动调姿托盘

(5)   风叶轴转向拨叉

(6)   风叶轴转向连杆

(7)   轮毂轴承

(8)   空心轴永磁发电机

(9)   轮毂与发电机固定支架

(10)  分级吊杆连接件

(11)  风叶支架

(12)  风叶

(13)  风叶轴

(14)  风叶联动拉绳

(15)  钓钩

(16)  风叶涡流隔片

(17)  吊轴固定托盘

(18)  旋转吊轴固定轮毂

(19)  旋转吊轴

(20)  旋转悬吊轴装置

(21)  自动调整托盘轴承

(22)  万向节

(23)  吊杆支撑轴承

(24)  连轴器

(25)  大功率永磁发电机

(26)  钢筋混凝土基础

具体实施方式

如附图1-8所示，本发明提供的悬吊式垂直轴风力发电机装置，包括两组模块化悬吊式垂直轴风力发电机装置，用以最大限度的解决成本问题。从而使这一清洁能源早日得到普及。

两组垂直轴风力发电机装置按风叶结构分可分为垂直轴固定形涡流翼和垂直轴自变形水平翼两种。从系统悬吊方式分可分为分级悬吊方式和集中悬吊方式两种。

分级悬吊垂直轴固定形涡流翼如图1所示：

它是由吊钩(15)、固定悬吊轴(1)、轮毂轴承(7)、空心轴永磁发电机(8)、轮毂与发电机固定支架(9)、分级轴连接件(10)、风叶支架(11)、风叶(12)、吊轴固定托盘(17)组成。风叶是由半圆弧状且有间隔相同的隔片组成且等距离间隔垂直叶片(称风叶正面)。在迎风做功半周风叶正面迎风并在风叶正面形成涡流，风压大。风叶在非做功半周(称过渡区)，此时风叶圆弧表面迎风，风流被圆弧表面整流从叶片垂直间隔分流。风压相对较小。风压差通过风叶带动支架旋转。支架带动轮毂(7)并通过轮毂固定支架(9)带动永磁发电机的定子旋转发电。由于发电机采用空心轴，固定吊轴(1)穿过发电机轴心并与发电机的电枢固定。电枢线圈切割磁力线产生感应电动势，其输出从电枢线圈引出并通过悬吊轴孔从悬吊轴中心连接至下一级。由于系统采用层层叠加方式，发电机的输出可以根据负载要求采用串并联方式连接。

集中悬吊垂直轴固定形涡流翼如图2所示：

它是由吊钩(15)、旋转悬吊轴装置(20)、旋转吊轴(19)旋转吊轴固定轮毂(18)、落地式永磁发电机(25)、风叶支架(11)、风叶(12)、组成。风力作用于风叶上，在作功半周与非作功半周所产生的风压差通过风叶支架(11)旋转吊轴固定轮毂(18)带动旋转吊轴(19)旋转。同时在旋转吊轴上所固定悬挂的其它风叶所产生力共同作用在悬吊轴上，使悬吊轴旋转带动落地式发电机的电枢旋转发电。

垂直轴自变形水平翼也可为分级悬吊方式和集中悬吊两种方式。分级悬吊方式与集中悬吊方式不同的是悬吊轴不随风叶支架的旋转而转动，并采用空心轴永磁发电机，悬吊轴从发电机轴心穿过并与发电机的电枢相对固定，风叶通过风叶轴承轮毂支架带动发电机永磁极定子旋转发电。由于发电机定子磁极采用永磁材料制成，磁极数可根据平均转速确定，从而克服系统转速慢这一缺陷。系统采用模块化层层叠加，发电机的输出从固定的电枢线圈引出并穿过固定的悬吊轴孔从吊轴中心与下一级连接。这样可以根据输出负载要求灵活采用逐级串并联方式输出。

如果风速在高百米上下风力区别不是很大的情况下系统可采用集中悬吊方式。这种悬吊方式特点：一是悬吊轴与风叶支架固定为一体结构，因此悬吊轴随风叶支架的驱动而旋转；第二个特点是：风叶自动控制系统只需要一套就可以驱动所有风叶在系统旋转时完成风叶姿势的调整。第三个特点是：可采用一台大功率发电机落地式安装来集中发电。具体是风叶随风力驱动悬吊轴旋转并通过万向节带动落地式大功率发电机的电枢旋转发电。这种悬吊方式的优点是最大限度的减少了悬吊重量，方便维护，最大限度的降低系统成本，可达到事半功倍的效果。

垂直轴自变形水平翼与垂直轴固定形涡流翼相比较其悬吊方式基本相同，但从风叶结构以及风叶受力情况有本质的区别。自变形水平翼在水平方向旋转的同时在垂直方向上自动调节风叶姿势来完成在作功半周叶面垂直，风叶迎风作功；风叶在非作功半周风叶姿势调整为水平，风叶在很小的阻力情况下完成水平过渡。自变形水平翼的风叶结构如图4所示：水平翼弧面中心有一随风叶一起转动的水平风叶轴，风叶迎风面同样采用隔片式弧形涡流结构，但与固定形涡流翼相比，水平翼采用弧形，固定形采用半圆弧形结构。水平翼为了使其水平旋转。采用了迎风面半周迎风作功，另半周风叶调姿水平过渡。这一过程是通过方向尾翼(2)、尾翼转轴(3)、风叶自动调姿托盘(4)风叶轴转向拨叉(5)风叶轴转向连杆(6)、风叶联动拉绳(14)等组成的风叶自动调姿系统来完成的。由于风叶自动调整托盘(4)是由两个半圆弧等腰梯形其形状和作用类似于平顶凸轮并分布在中心鼓形结构两侧，并在风叶作功半周平顶凸轮顶部向下，在非作功半周周平顶凸轮顶部向上。尾翼转轴(3)与中心鼓形结构相对固定，尾翼转轴(3)上下两端用轴承与吊轴相对固定，(集中悬吊与分级悬吊略有差异)其作用是尾翼转轴(3)与吊轴在各自旋转时相互不产生影响，确保其各自独立性。尾翼(2)及其支架与尾翼转轴(3)固定。尾翼连同尾翼转轴带动风叶自动调姿托盘在风力的作用下固定在一个方位。风叶中轴横穿垂直支架(内装有轴承)在靠近垂直支架一侧的风叶中轴上固定有与水平45度夹角的风叶驱动连杆(6)如图二(2)FD方位，并在连杆两端固定安装有风叶联动拉绳(14)见图二(1)，在风叶中轴顶端固定有夹角为90度的拨叉(A、B)这个风叶暂定义为主动风叶。由于风叶自动调姿托盘在风力的作用下固定在一个方位，当风叶及其支架旋转并由风叶调整区到水平过渡区时，(当逆时针旋转)直角拨叉受平顶凸轮斜面的反作用力使其逆时针旋转90度，(A转到B位置、B转到C位置)从而带动风叶由垂直变为水平，完成水平调姿并保持。当风叶旋转至由水平过渡到垂直迎风作功区时，风叶拨叉原由B转到C位置的拨叉受到上凸轮斜面的作用力使拨叉拨回到原位，使风叶由水平变为垂直并迎风作功。在吊轴上相同方位角的风叶驱动连杆(6)顶端均通过风叶联动拉绳(14)相对固定，当主动风叶调姿时其它同方位风叶随同调姿。

风叶调姿时其转动角度在90度范围内，为了防止风叶在垂直迎风时风叶远端发生轴向扭曲，可在风叶两端的支架上安装90度夹角的限位装置。同时为了减少拨叉与凸轮表面的摩擦阻力可在拨叉受力面和平顶凸轮表面安装异性强磁力永久磁铁片使其旋转时工作在磁悬浮状态。

垂直悬吊方式适用范围广，抗强风袭绕能力强，特别是风力较为集中的山口

川道，可在相临的山顶打桩采用钢丝绳横拉，等距离垂直悬吊可最大的节约成本。

Claims (9)

1、悬吊式垂直轴风力发电机装置，具有风叶(12)，其特征是风叶(12)为圆弧状且圆弧内侧面间隔固定相同的风叶涡流隔片(16)组成，多个风叶(12)固定安装在风叶支架(11)上构成一个叶片，三个叶片等间隔安装在一个固定吊杆(1)或旋转吊轴(19)上，固定吊杆(1)或旋转吊轴(19)端部连接有吊钩(15)，在风机轴上安装永磁发电机构成风力发电机装置。

2、根据权利要求1所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是风叶(12)为半圆弧且多个风叶(12)垂直并列固定在风叶支架(11)上且相邻叶片之间留有缝隙构成一个叶片，三个叶片通过轮毂轴承(7)安装在一个固定吊杆(1)上，空心轴永磁发电机(8)安装在固定吊杆(1)上组成一个发电单元，在固定吊杆(1)下端设有连接另外一组发电单元的分级吊杆连接件(10)。

3、根据权利要求2所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是多个发电单元通过分级吊杆连接件(10)串联构成发电装置。

4、根据权利要求1所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是多个风叶(12)垂直并列固定在风叶支架(11)上且相邻叶片之间留有缝隙构成一个叶片，三个叶片通过旋转吊轴固定轮毂(18)安装在旋转吊轴(19)上，旋转吊轴(19)上端连接有吊钩(15)，旋转吊轴(19)上部装有旋转悬吊轴装置(20)，落地式永磁发电机(25)安装旋转吊轴(19)下端。

5、根据权利要求4所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是三个叶片一组串联方式安装在旋转吊轴(19)上。

6、根据权利要求1所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是风叶(12)的弧度小于半圆弧且多个风叶(12)水平并列安装在风叶支架(11)上构成一个叶片，且每个风叶(12)在风叶驱动下自动调姿系统随着叶片旋转在水平和垂直两个位置之间转换；三个叶片通过轮毂轴承(7)安装在一个固定吊杆(1)上，空心轴永磁发电机(8)安装在固定吊杆(1)上组成一个发电单元，在固定吊杆(1)下端设有连接另外一组发电单元的分级吊杆连接件(10)。

7、根据权利要求6所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是多个发电单元通过分级吊杆连接件(10)串联构成发电装置。

8、根据权利要求1所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是风叶(12)的弧度小于半圆弧且多个风叶(12)水平并列安装在风叶支架(11)上构成一个叶片，且每个风叶(12)在风叶驱动下自动调姿系统随着叶片旋转在水平和垂直两个位置之间转换；三个叶片通过旋转吊轴固定轮毂(18)安装在旋转吊轴(19)上，旋转吊轴(19)上端连接有吊钩(15)，旋转吊轴(19)上部装有旋转悬吊轴装置(20)，落地式永磁发电机(25)安装旋转吊轴(19)下端。

9、根据权利要求6或8所述的悬吊式垂直轴风力发电机装置，其特征是风叶自动调姿系统包括方向尾翼(2)、尾翼转轴(3)、风叶自动调姿托盘(4)、风叶轴转向拨叉(5)、风叶轴转向连杆(6)、风叶联动拉绳(14)；风叶自动调整托盘(4)是两个圆弧等腰梯形其形状和作用类似于平顶凸轮并分布在中心鼓形结构两侧；尾翼转轴(3)与中心鼓形结构相对固定，尾翼转轴(3)上下两端用轴承与吊轴相对固定；尾翼(2)及其支架与尾翼转轴(3)固定；尾翼连同尾翼转轴带动风叶自动调姿托盘在风力的作用下固定在一个方位；风叶中轴横穿内装有轴承的垂直支架，在靠近垂直支架一侧的风叶中轴上固定有与风叶旋转轴径向成45度夹角的风叶驱动连杆(6)，并在连杆两端固定安装有风叶联动拉绳(14)，在风叶中轴顶端固定有夹角为90度的拨叉；在吊轴上相同方位角的风叶驱动连杆(6)顶端均通过风叶联动拉绳(14)相对固定。

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