CN101806279A - 垂直轴式风力发电机及其风机和风力驱动部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴式风力发电机及其风机和风力驱动部件，该风力驱动部件为长形兜体，其迎风侧为敞口，其背风侧设置成减少风阻的形状，其至少一部分为相对于兜体可打开的活动件，活动体和控制机构相关联，控制机构用于控制活动件相对于长形兜体的开合。根据本发明的垂直轴式风力发电机，风力驱动部件采用长形兜体，风直接推动长形兜体转动，风能利用率高，在同一直径规格的转盘架中，单机功率则与转盘架上长形兜体的数量相关联，通过长形兜体的设置数量可改变单机功率，在具有经济性的塔柱高度范围和风机直径范围内，为单机功率突破兆瓦级的风力发电机提供了一种全新的技术思路。

Description

垂直轴式风力发电机及其风机和风力驱动部件

技术领域

本发明涉及一种垂直轴式风力发电机，尤其涉及垂直轴式风力发电机上使用的风机和风力驱动部件。

背景技术

风力发电机是利用自然界中的风能使之转化为电能的发电装置，风力发电机的风机有水平轴式(即横轴式)和垂直轴式(即竖轴式)。

目前，能并网发电的风力发电机均是水平轴式风力发电机。随着水平轴风力发电机的单机功率的不断提高(现已发展至兆瓦级1000Kw)，其风叶直径和塔高也在逐渐增大，由此产生的是高昂的投资建设费用和非常困难的维护服务，使得摊销在每度电上的成本远远大于利用其他火力发电的成本，特别是兆瓦级风力发电机，经济性非常差，商业应用困难。

就其投资建设费用而言，主塔的建设费用占据风力发电机非常大的比重，由此可见，降低主塔高度对于降低风力发电机的投资建设费用是非常有益的，然而，主塔高度是由浆叶直径和离地安全距离确定的，在提高单机功率的同时，主塔的高度则势必因浆叶直径的增加而增大。

与水平轴式风力发电机相比，垂直轴式风力发电机在风层、风能资源的合理利用，风向、风力改变的适应，风力发电机单机功率的提高能力，投资建设成本及维护等优点，使其在单机功率兆瓦级的风力发电机组的商业化应用方面具有明显技术优势。

对于垂直式风力发电机而言，风机和浆叶等风力驱动部件是其关键部件，对风力发电机的整体性能的好坏有着决定性影响，目前，围绕风机和浆叶开发的技术方案较多，然而都属于单机功率较小的类型，下面对一些典型的风机或浆叶结构进行描述。

中国专利申请200820081374.0公开了一种风力发电风机，风机的浆叶至少四片，浆叶中空，俯视为大刀形，其横截面为中空的等腰三角形，浆叶的迎风面为三角形的底，浆叶的出风面为三角形的顶。该风机对空气的阻力较小，浆叶重量较轻，然而基于浆叶回转半径的限制，风力发电机的单机功率受到限制，难以实现单机功率兆瓦级(1000KW以上)的发电机组。

中国发明专利申请200710038642.0公开了一种可自动调节迎风截面的垂直轴风力发电机风叶结构，其采用双浆叶或三浆叶或多浆叶布局，且为一层或多层风叶叠加形式，层间由风叶架隔开，其中，每个浆叶纵向为长方形，横向截面为弧线形，或为层流翼型，形成正面为凸面、背面为凹面的凹凸结构；每个浆叶支架中设有一个或二至六个/片条组成的耗风门，每扇耗风门与浆叶支架之间由弱弹簧片或弹性片连接，用以调节强风时耗风门或耗风门中的耗风窗的开与关。

由于上述风叶的特殊结构，上述垂直轴风力发电机在微风(1.5级左右)和飓风(11级以上)能够连续工作，适用风力范围广，风能利用率高，然而鉴于弧线形浆叶的本身的强度问题，难以实现单机功率兆瓦级(1000KW以上)的发电机组。

中国专利申请200720006788.2披露了一种垂直轴型风力发电机的浆叶结构，浆叶由浆叶体及单向活门所组成，浆叶体是等分的固置在风力发电机主轴外周，其两表面沿着主轴轴向设置，且设有贯穿两表面的透气孔，各浆叶体相对施以转矩的一面上设置有单向活门，该单向活门罩覆浆叶体透气孔，单向活门在承受风力时相应地启闭透气孔。

由于上述浆叶的特殊结构，虽然在微风和飓风时都能够工作，然而活动零部件例如单向活门非常多，给浆叶的维护工作造成挑战，同样不适合于在大功率发电机组上使用。

中国专利申请20082004537.1披露了一种新型垂直轴风力发电机组，包括垂直设置的主轴以及对称设置在主轴上的浆叶，该浆叶的径向截面形状均为v形，相邻两浆叶的开口方向相同。

上述风力发电机组是针对景观或路灯上来设计的，其发电功率较小，不能满足大功率发电机组的需要。

中国发明专利申请200710080114.1公开了一种垂直风力发电机浆叶组，该浆叶组支承于驱动发电机旋转的垂直轴上，浆叶组包含一旋转支架和复数个设于旋转支架的垂直式浆叶，各浆叶可围绕自身旋转轴受控制地转动以维持迎风面的最佳攻角或者受控制地改变转动直径以减低强风时被吹坏的可能性。

上述浆叶的独特的运动方式有助于提高风力发电机的风能利用率，然而，机翼形状的浆叶结构对风能利用率还是不理想，特别是在制造兆瓦级风力发电机来说，风力发电机的外形将变得非常巨大。

中国专利申请02824920.8公开了一种风力发电机、风车、主轴及浆叶，包括风车，该风车具有用于旋转发电机的垂直轴，该风车包括主垂直轴、转子和风接收浆叶，安装到主垂直轴的上端的转子被构造为惯性轮，多个风接收浆叶被等矩分布在转子的周边上。

上述风力发电机具有尺寸较小的优点，很容易被运输或组装，然而，由于浆叶有效尺寸的限制，其单机功率较小，仅适于家庭供电等类似场合，不适合于兆瓦级单机功率的风力发电机上使用。

对于兆瓦级的风力发电机而言，垂直轴式风力发电机对主塔高度要求则随风层设计，比水平轴式风力发电机的要小，如此可以降低整机的投资建设成本，使之达到商业化应用。然而，现有的垂直轴式风力发电机的风力驱动部件的风能利用率仍然较低，有待于加以改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于在单机功率兆瓦级的垂直风力发电机上使用的风力驱动部件；本发明的另一目的在于提供一种由该长形兜体所构成的风机；本发明的目的还在于提供一种具有该风机的垂直轴式风力发电机。

为此，本发明一方面提供了一种风力驱动部件，该风力驱动部件为长形兜体，其迎风侧为敞口，其背风侧设置成减少风阻的形状。

进一步地，上述长形兜体的与长度方向垂直的横截面呈拱形，例如角形和半圆形。更进一步地，上述长形兜体整体呈船形。

进一步地，上述长形兜体的至少一部分为相对于兜体可打开的活动件，活动件和控制机构相关联，控制机构用于控制活动件相对于长形兜体的开合。

进一步地，上述控制机构根据风速控制活动件相对于兜体的打开幅度。

进一步地，上述控制机构包括向活动体提供一弹性回复力使兜体回复在闭合状态的弹性回复元件和向兜体传递弹性回复力的传动杆件。

进一步地，上述长形兜体包括第一半体和第二半体，第一半体和第二半体的结合线在长形兜体的长度方向上延伸，第一半体和第二半体均为活动件。

本发明另一方面提供了一种垂直轴式风力发电机的风机，其包括：转盘架，可绕其中心轴线自由旋转；以及具有上述结构的多个长形兜体，各长形兜体排列在转盘架的外周上，其兜体的敞口方向与兜体所在位置的转盘架的外周切线方向取向基本一致。

进一步地，上述转盘架包括沿高度方向间隔设置的上层支架和下层支架，兜体固定在上层支架和下层支架上，其长度方向与转盘架的高度取向基本一致。

进一步地，上述上层支架和下层支架为桁架臂结构。

本发明还公开了一种垂直轴式风力发电机，其包括塔柱、安装于塔柱上的发电机、以及与发电机的传动连接的具有上述结构的风机，其中，塔柱上设有攀拉至地面的多条绳索。

根据本发明的垂直轴式风力发电机，风力驱动部件采用长形兜体，风直接推动长形兜体转动，风能利用率高，长形兜体的尺寸改变对风机的整体直径影响不显著(风机的整体直径取决了转盘架的直径规格)，在同一直径规格的转盘架中，单机功率则与转盘架上长形兜体的数量相关联，通过长形兜体的设置数量可改变单机功率，如此，在具有经济性的塔柱高度范围和风机直径范围内，为单机功率突破兆瓦级的风力发电机提供了一种新的发展思路。

除了上面所描述的目的、特征、和优点之外，本发明具有的其它目的、特征、和优点，将结合附图作进一步详细的说明。

附图说明

构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明的附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的垂直轴式风力发电机的示意图；

图2示出了根据本发明第二实施例的垂直轴式风力发电机的示意图；

图3示出了根据本发明第一实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图；

图4示出了图3所示长形兜体的横截面示意图；

图5示出了图4所示长形兜体处于打开状态的示意图；

图6示出了根据本发明第二实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图；

图7示出了图6所示长形兜体处于打开状态的示意图；

图8示出了根据本发明第三实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图；以及

图9示出了图8所示长形兜体的横截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1示出了根据本发明第一实施例的垂直轴式风力发电机的示意图。如图1所示，在本实施例中，风力发电机包括塔柱40、安装于塔柱40上的发电机30、以及与发电机30的动力输入轴传动连接的风机，而塔柱40上设有攀拉至地面的多条绳索50。

塔柱的高度随风场风层需要而定，风力发电机单机功率的提高与风机有关，塔柱使用钢索攀拉，有助于增强抗风暴、防震抗震性能，并可减轻塔柱的重量，以达到降低整机造价的目的。

风机包括：可绕其中心轴线自由旋转的转盘架10，以及排列在转盘架10的外周上的多个长形兜体20，该长形兜体20的敞口方向与转盘架10的外周切线方向取向基本一致。

长形兜体20是长度大于宽度的敞口兜形部件，其长度方向与转盘架的高度方向取向大体一致，如此，可减小整个风机的直径；长形兜体的敞口方向与转盘架的外圆周切线方向取向基本一致，以便在风机旋转过程中有最佳的迎风受力效果。

长形兜体的数量根据转盘架的旋转半径和单机功率确定，在转盘架的旋转半径确定的情况下，长形兜体的数量增加，则风力发电机的单机功率相应增加，通常长形兜体的数量在4～8个之间。

在允许的风机直径范围内，长形兜体20也可以这样布置，即其长度方向与转盘架的高度方向之间呈一夹角，例如在10°～45°之间的某一夹角。

长形兜体20的作用与帆船上的帆类似，在风力作用下推动风机旋转，而兜体的背面则自然形成可减少迎风阻力的形状，例如流线形，与长形兜体20的敞口侧的迎风推力相比，背面的迎风阻力显然很小。

在本实施例中，长形兜体20整体呈船形，其背面则自然形成减少迎风阻力的形状。

转盘架10包括沿高度方向间隔设置的上层支架11和下层支架12，该长形兜体20固定在上层支架11和下层支架12上，并通过绳索13攀拉。

当转盘架10上的转矩较大时，该转盘架10的上层支架11和下层支架12也可以是桁架臂结构，该桁架臂在塔式起重机、履带起重机领域是常见的，在此不作详细说明。

图2示出了根据本发明第二实施例的垂直轴式风力发电机的示意图。如图2所示，本实施例与第一实施例不同之处在于，长形兜体20的形状发生了变化。在第一实施例中，兜体敞口两侧的壁面呈斜面状，而在本实施例中，兜体敞口两侧的壁面呈弧面状。

图3示出了根据本发明第一实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图；图4示出了图3所示长形兜体的横截面示意图；图5示出了图4所示长形兜体处于打开状态的示意图。结合参照图1、图3、图4、图5，长形兜体20的截面呈角形，长度方向上的两端尖状收敛，其包括通过枢接部21a、22a枢接至转盘架10的第一半体21和第二半体22，第一半体21和第二半体22之间的结合线沿转盘架10的高度方向延伸，长形兜体20上还设有控制机构30，该控制机构30用于控制第一半体21和第二半体22的打开幅度。

优选地，控制机构30根据风场的风速来控制第一半体21和第二半体22的打开幅度。

当风速低于某设定值时，控制机构使第一半体21和第二半体22处于闭合状态，即长形兜体处于闭合状态。当风速增大至上述设定值时，控制机构30使第一半体21和第二半体22的打开，一部分气流通过第一半体和第二半体之间的开口流出，起到稳定风机转矩的作用。随着风速的逐渐增加，控制机构使得第一半体和第二半体的打开幅度增大，使得压轮的转矩保持在恒定状态。当长形兜体的背面迎风时，控制机构30使得第一半体21和第二半体22呈闭合状态。

优选地，控制机构30包括传动杆件31和弹性回复元件32，传动杆件31包括枢接于第一半体21和第二半体22上的两连杆31a、与两连杆31a枢接的拉杆31b、摇杆31c、31d，其中，摇杆31d与弹性回复元件32相连。

当风速低于设定值时，施加在第一半体21和第二半体22上的迎风推力小于弹性回复元件32所施加的弹性回复力，第一半体21和第二半体22保持在闭合状态。通过设定弹性回复力，可设定第一半体和第二半体打开时所需的风速值。

当风速超过设定值时，第一半体21和第二半体22在迎风推力的作用下打开，连杆31a带动拉杆31b向兜底的方向移动，拉杆31b带动摇杆31c、31d围绕支点22a转动，促使弹性回复元件发生弹性变形以与迎风推力相抗衡直至到达平衡状态，此时，第一半体21和第二半体22保持在某一打开幅度。超过设定值的风速施加在长形兜体上的额外迎风推力被弹性回复元件的形变所抵消，此时，风机在恒转矩下工作。

上述控制机构的结构简单，成本低廉，第一半体和第二半体根据风速大小调整打开幅度，风机转矩恒定，易于实现风机的恒转速控制。容易想到，控制机构也可以是电子伺服控制系统。

图6示出了根据本发明第二实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图，图7示出了图6所示长形兜体处于打开状态的示意图。如图6和图7所示，控制机构30包括杆件31和弹性回复元件32，该杆件31仅包括两连杆31a，使得杆件31的结构得以简化。

图8示出了根据本发明第三实施例的用于垂直轴式风力发电机的长形兜体的结构示意图，图9示出了图8所示长形兜体的横截面示意图。如图8和图9所示，本实施例与第一实施例不同之处在于，长形兜体的截面形状呈半圆形，长形兜体的两端为半圆球形。

在上述实施例中，构成长形兜体的第一半体和第二半体均为可启闭的活动件，在其它实施例中，长形兜体的一部分为活动件，而控制机构与活动件相关联，用于控制活动件相对于长形兜体的打开幅度。

在现有技术的垂直风力发电机中，由浆叶、浆叶等片状风力驱动部件组成的风机目前还没有发展至兆瓦级(1000KW)单机功率。

根据本发明的垂直轴式风力发电机，风力驱动部件采用长形兜体，风直接推动长形兜体转动，风能利用率高，长形兜体的尺寸改变对风机的整体直径影响不显著(风机的整体直径取决了转盘架的直径规格)，在同一直径规格的转盘架中，单机功率则与转盘架上长形兜体的数量相关联，通过长形兜体的设置数量可改变单机功率。如此，在具有经济性的塔柱高度范围和风机直径范围内，为单机功率突破兆瓦级的风力发电机提供了一种新的发展思路。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力驱动部件，其特征在于，所述风力驱动部件为长形兜体，其迎风侧为敞口，其背风侧设置成减少风阻的形状。

2.根据权利要求1所述的风力驱动部件，其特征在于，所述长形兜体的与长度方向垂直的横截面呈拱形。

3.根据权利要求1所述的风力驱动部件，其特征在于，所述长形兜体的至少一部分为相对于兜体可打开的活动件，所述活动件和控制机构相关联，所述控制机构用于控制所述活动件相对于所述长形兜体的开合。

4.根据权利要求3所述的风力驱动部件，其特征在于，所述控制机构根据风速控制所述活动件相对于所述兜体的打开幅度。

5.根据权利要求3所述的风力驱动部件，其特征在于，所述控制机构包括向所述活动件提供一弹性回复力使所述兜体回复在闭合状态的弹性回复元件和向所述兜体传递所述弹性回复力的传动杆件。

6.根据权利要求3所述的风力驱动部件，其特征在于，所述长形兜体包括第一半体和第二半体，所述第一半体和第二半体的结合线在所述长形兜体的长度方向上延伸，所述第一半体和第二半体均为活动件。

7.一种垂直轴式风力发电机的风机，其特征在于，包括：

转盘架，可绕其中心轴线自由旋转；以及

多个风力驱动部件，排列在所述转盘架的外周上，所述风力驱动部件为根据权利要求1至6中任一项所述的长形兜体，其兜体的敞口方向与所述兜体所在位置的所述转盘架的外周切线方向取向基本一致。

8.根据权利要求7所述的垂直轴式风力发电机的风机，其特征在于，所述转盘架包括沿高度方向间隔设置的上层支架和下层支架，所述兜体固定在上层支架和下层支架上，其长度方向与所述转盘架的高度取向基本一致。

9.根据权利要求7所述的垂直轴式风力发电机的风机，其特征在于，所述上层支架和下层支架为桁架臂结构。

10.一种垂直轴式风力发电机，其特征在于，包括塔柱、安装于塔柱上的发电机、以及与发电机的传动连接的根据权利要求8所述的风机，其中，所述塔柱上设有攀拉至地面的多条绳索。

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