CN101922416B - 开启风帆式垂直短轴大型风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明开启风帆式垂直短轴大型风力发电机，属于绿色能源技术领域。所要解决的技术问题：现有水平轴叶片风力机启动风速过大(风机大部分时间都处在停机状态)、机器价格昂贵和机器运行噪声等问题。解决的技术方案：采用风帆捕捉风能原理。本发明由塔架，旋转塔(垂直短轴)，多层交叉可开闭式风帆及风帆梁等组成。旋转塔上的多层风帆，迎风面，风帆依次自动开启，逆风面，风帆依次闭合，使旋转塔连续平稳转动，并将动能通过齿轮、链条传至变速恒频发电机，所发出的电能并入电网；风帆为耐候的中碱玻纤布和薄壁轻钢框架组成，开启的多层风帆面积大，且为内凹半圆柱型，轻微风即可启动，机器运行低噪声，制造成本大幅度降低。

Description

开启风帆式垂直短轴大型风力发电机

技术领域：

本发明属于新能源技术领域，涉及的是用于发电的大型风力机整机技术，特别涉及的是一种大型垂直轴阻力型风力机。

背景技术：

多少年来人们一直不懈追求清洁能源，尤其是风力发电大规模应用技术，但现有风力机发电技术存在着不足之处：

一、三叶片水平轴风力发电机存在着微风不转、机器价格昂贵和机器噪声大等问题：

水平轴三叶片风力机在世界上用于商业发电约有40年历史，已经成为风力发电机的经典模式。水平轴叶片风力机实际上是涡轮叶片机的一种形式。该水平轴风机希望叶片转子有较高的转速，当λ值较高时风能利用率理论上可达Cp＝59.3％(风轮高速特性参数λ＝叶尖线速度/风速)，这样也可以降低齿轮箱造价、减少发电机级数，降低齿轮箱和发电机质量。为了使叶片转子有较高的转速，三个叶片的宽度必须要设计的很窄，如果水平轴风力机设置多个叶片或叶片设计得很宽，都会使风轮转子的转速变慢，最终导致风能利用率降低。所以，现在国际上投入商业运营的三叶片水平轴风力机实际叶片在迎风面的投影面积是很小的，这样就出现了人们都熟悉的一个现象：在风电场，在轻微风工况下，风机待机不动，即，该风力机叶片上垂直于风速的分力Rx所产生的力矩不足以克服机器系统摩擦力矩，只有风速较高时，风机才能启动运行；即使在风力资源充沛的优秀风电场，水平轴风力机年有效利用时间约为3000小时，只占全年实际时间的34％。虽然，按照空气动力学原理计算该三叶片水平轴风力机理论风能最高利用率59.3％。三叶片水平轴风力机追求较高的λ特性数值是建立在高风速基础之上的，与轻微风机器待机不动的现实情况形成了一对矛盾。

水平轴风力机的叶片形状、材料和加工工艺是风能转化为机械能的关键，也是现代风能利用技术研发的核心问题。风机叶片形状经过计算机模拟分析和风洞实验，叶片材料为树脂和玻纤组成，叶片造价一般占风机总造价的15％～25％。

由水平轴风机设计模式所限，其塔架是下口较小的圆锥体，为抵抗竖直方向的弯矩和重力作用，要求塔架应具有足够的强度，该塔架为厚钢板组焊而成，兆瓦级风机塔架质量要超过100吨。

造成水平轴风力机造价昂贵的因素还有：

调节风轮叶片速度和功率的变浆距角系统。该变浆距角系统安装在风机轮毂上，随风力增大各个叶片同时旋转一定角度以减少叶片分力Rx，降低风能转化为动能，也降低了风机水平方向的载荷。该变浆距角系统一般由风速传感器、计算机控制、液压站系统和执行机构组成。

水平轴风力机的对风系统。该对风系统使风机机舱旋转，保证叶片风轮总是正对着风速方向，最大限度地捕捉风能。该对风系统由风向传感器、计算机控制、液压站系统和内齿圈等组成。

风机的主轴、轴承和轴承座部分是连接轮毂与齿轮箱的重要受力部件，风机主轴毛坯需要高品质合金结构钢(如：34CrNiMo6)锻造而成，兆瓦级风机主轴毛坯每件重达10吨。

经典的三叶片水平轴风力机已经形成自己的技术路线：通过现代高技术手段，使机器具有高品质、使用寿命长、免维护，高成本高价格的特点。其研发重点在于叶片的空气动力学性能。

兆瓦级水平轴风力机庞大笨重，需要具有一定规模的制造商生产，再由陆路或海上长途运输，最后由专业安装队伍吊装施工。这些都是造成水平轴风力发电机价格昂贵，风电成本居高不下的原因。

一般，兆瓦级水平轴风力机大型风机：切入风速＝5m/s，额定风速＝13m/s，切出风速＝25m/s，安全风速＝50m/s。

关于兆瓦级三叶片水平轴风力机的噪声问题：兆瓦级风力机的叶片长25m-40m，运行过程会产生振动，尤其，当叶尖速比达到一定程度时，会产生强烈的噪声。

二、关于垂直轴风力发电机，垂直轴风力机可以将齿轮箱、发电机等安装在地面，且不需要对风(偏航)机构等优点，垂直轴风力机主要有：阻力型S风轮型式和升力型达里厄型风力机。但垂直轴风力机由于风能利用率低下，很少用于商业发电。

针对已有技术的缺陷，在专利申请号为：CN200510017876.8，名称：“垂直轴风力发动机的三S叶片风轮”文件中公布了垂直轴风力机的三S叶片风轮设有三个主叶片和三个副叶片；主叶片为S形圆弧柱面板，S形圆弧柱面板由两段圆弧柱面板平滑连接而成；三个主叶片围绕旋转轴周向均布，并且顺序依次互相搭接固定，构成主叶片的组合件；副叶片为平板结构，设置在主叶片互相搭结所形成的凹腔中，固定在主叶片上，构成主叶片和副叶片的组合件，主叶片和副叶片的组合件通过联接件与旋转轴固定在一起构成垂直轴风力机的三S叶片风轮。

但是，已申请的专利仍然存在以下不足：

1.S叶片风轮旋转到逆风面时，S叶片的负功值很大，风机功率系数低。

2.不适用于大型风力机。

发明内容：

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供一种可开闭风帆、多层风帆推动垂直短轴连续运转的大型兆瓦级风力发电机。

本发明的有益效果是：轻微风(如Vw＝0.8m/s)风机既可启动，在风力资源丰富的风电场，渴望实现全年不停机工作，改变现有风机大部分时间都处于停机的状况；机器制造成本同比降低70％，使风电具有竞争力；风机运行平稳，低噪声，可在城市安装。

1.本发明开启风帆式垂直短轴大型风力发电机的主要结构、传动、控制原理与制动系统：

①本发明主要结构由旋转塔(垂直短轴)1，水平风帆梁2，支固风帆梁水平钢丝拉筋及拉紧螺栓12，垂直钢丝拉筋及拉紧螺栓18，型钢组焊的塔架3，多层相互交叉的风帆17等组成，旋转塔1与塔架3连接处设有轴向压力轴承27和径向大轴承29。

②本发明传动原理：与旋转塔(垂直短轴)1紧固的低速大扭矩链轮和链条20带动链轮23，经伞齿轮减速箱25、高速大链轮24、高速链条及链轮30将转动能量传至风力发电变速恒频发电机31，发出的电能并入电网。

③本发明风帆开启与关闭的传动机构：每一组风帆17及风帆梁2都有一套传动机构，减速电机组14安装有链轮，旁边有涨紧链轮13及链条托轮39，通过链轮10、链条11、齿轮38传动，使齿条37和与该齿条连接在一起的开闭风帆的同步拉杆9水平移动，同步拉杆9在拉杆座35、滚轴40和滚轴梃杆41组成的滚轴支架中间滑动，以减少摩擦力；同步拉杆9向前移动时，上部风帆被推拉杆32顶起，同时，紧拉下部风帆的钢丝绳33沿滑轮36靠自重下移，完成上部风帆与下部风帆17同步开启过程，反之，完成上部风帆与下部风帆17同步闭合过程；减速电机组14停止在任意位置同步拉杆9都具有自锁功能(减速器为涡轮蜗杆传动)；同步拉杆9一端有设钢制的拉杆罩42，另一端设有拉杆玻纤布罩43，起到防尘封闭作用。

④本发明控制原理：

1)风帽尾舵5与半圆感应体7连接在一体，随风转动形成一个坐标参照系，与旋转塔1一起转动的编号的接近开关传感器8和开启风帆17的减速电机组14有一一对应的控制关系。

2)风速传感器4将实际风速转化成相对应的脉冲信号传至计算机，根据预先设定的风速脉冲值与霍尔传感器15转动圈数对应关系及每一圈的速度，设在减速机电机组14轴上的尼龙轮和磁钢16及霍尔传感器15为转动过程分出若干区段，根据计算机指令，减速电机组14可转动相应的圈数，上部风帆与下部风帆则相应打开一定角度；由于变频调速器控制，使减速电机组14转动的每圈之间形成不同的旋转速度，即控制上部风帆与下部风帆的开、闭过程的细节速度变化；快速打开风帆、快速关闭风帆时，借助了风力，也利用了变频调速器可使电机短时增速的功能。

⑤本发明风机设有自动的刹车装置22和手动操作的刹车装置21。

2.本发明开启风帆式垂直短轴大型风力发电机的工作原理：

本发明的风帽尾舵与半圆感应体连接在一体，随风转动形成一个坐标参照系，与旋转塔一起转动的接近传感器接近半圆感应体时，减速机电机组依次启动，迎风面开启风帆；当接近开关传感器离开半圆感应体时，减速机电机组反向启动，逆风面关闭风帆。开启的风帆为内凹半圆柱型，以提高风能利用系数Ct值。当风速较小时(如Vw＝0.8m/s～5m/s)，风帆慢速打开、慢速关闭；当风速适中时(如Vw＝5m/s～14m/s)，风帆借助风力快速打开、快速关闭；当风速过大时(如Vw＝14m/s～30m/s)，风帆慢速打开、慢速关闭，且对应风速，风帆只开启一定角度；当风速具有破坏力时，风帆将自动关闭，自动刹车，停车保护。具体原理分述如下：

本发明的风帽尾舵5与半圆感应体7连接在一体，随风转动形成一个坐标参照系，与旋转塔1一起转动的编号的接近开关传感器8和开启风帆17上的减速电机组14有一一对应的控制关系。当编号的接近开关传感器8接近半圆感应体7时，减速电机组14依次正向开启转动，通过链轮10、链条11、齿轮38传动，使齿条37和与该齿条连接在一起的开闭风帆的同步拉杆9水平移动，上部风帆被推拉杆32顶起，同时，紧拉下部风帆的钢丝绳33沿滑轮36靠自重下移，上下风帆在迎风面打开到最大角度，整个风帆迎风面近似内凹半圆柱型，使风能利用系数Ct值提高；当该编号的接近开关传感器8旋转离开半圆感应体7，减速机电机组14反向转动，使上部风帆与下部风帆同时闭合，整个关闭的风帆在逆风面只暴露水平风帆梁等结构，使风能系数Ct值最低、风帆负功值最小。

风速经风速传感器4传导至计算机系统处理及变频调速器控制，根据预先设定的风速与霍尔传感器15转动圈数对应函数关系，设在减速机电机组14轴上的尼龙轮和磁钢16及霍尔传感器15会根据实际风速，使减速电机组14转动相应的圈数，上部风帆与下部风帆则相应打开一定角度，减速电机组14停止后，由于该减速机具有自锁功能，开闭风帆的同步拉杆9被锁定，这样可有效调节风帆上的作用力，使输出功率接近恒定。当风速具有破坏力时，风帆17自动关闭，机器不会产生旋转力矩，自动启动自动刹车装置22，停车保护。

由变频调速器控制，使减速电机组14转动的每圈之间形成不同的旋转速度，即控制上部风帆与下部风帆的开启与关闭的速度：

①当风速较小时(如Vw＝0.8m/s～5m/s)，风帆可慢速打开、慢速关闭；

②当风速适中时(如Vw＝5m/s～14m/s)，风帆借助风力快速打开、快速关闭，同时也利用了变频调速器控制电机可在短时间内增速的功能；

③当风速过大时(如Vw＝14m/s～30m/s)，风帆慢速打开、慢速关闭，且能对应风速，风帆只开启一定角度，并可保持自锁状态；

④当风速具有破坏力时(如Vw＞30m/s)，风帆将自动关闭，机器将不会产生旋转力矩，自动启动自动刹车装置22，机器处于自我保护状态。

综上，本发明兆瓦级大型风机：切入风速＝0.8m/s，额定风速＝14m/s，切出风速＝30m/s，安全风速＝50m/s。

3.本发明的微风启动原理：本发明“开启风帆式垂直短轴大型风力发电机”属于垂直轴阻力型低转速风力机，其在迎风面风帆的实际投影面积是相同输出功率的水平轴风力机三叶片实际投影面积的12～15倍，微风工况下(如Vw≥0.8m/s)即可克服系统摩擦力和发电机启动力矩，开始转动，在风力资源丰富的风电场，渴望实现全年不停机工作，使上网的风电质量得以改善；同时本发明风力发电机也适用于风力资源较缺乏的地区，使风能资源得以充分利用；然而，兆瓦级三叶片水平轴风力机需要风速Vw≥5m/s才能启动，即使在优秀风电场，全年有效工作时间不超过3000小时，只占全年实际时间的34％，风机大部分时间都处于停机状态，当然上网风电时有时无。本发明通过扩大迎风面风帆面积、逆风关闭风帆减少负功、开启的风帆为内凹半圆柱型，解决低速大扭矩传动问题及降低风机系统摩擦力等技术措施，使本发明“开启风帆式垂直短轴大型风力发电机”微风即可启动，风能实际利用率提高，风电品质得以改善.

4.本发明“开启风帆式垂直短轴大型风力发电机”降低机器制造成本的技术措施：

1)本发明捕捉风能核心部件-风帆，为中碱玻纤布和薄壁型钢框架组成。

2)本发明的主要结构件：薄壁焊管、型钢、钢丝绳、链轮链条等均为普通优质的标准产品。

3)本发明的控制系统均为标准通用产品。

4)本发明的旋转塔(垂直短轴)减轻了机器的重量。

5)本发明机器易损件设计使用寿命为10年，结构件设计寿命为30年，机器定期维护修理、定期更换部件。

6)本发明机器在风电场就地建厂制造，就地现场安装，去除了大件运输成本，风机成本大幅度降低。

5.本发明风机为低速平稳运转，可避免水平轴风机叶片高速运转时产生的噪声。

附图说明：

图1：本发明开启风帆垂直短轴大型风力发电机主视图。

图2：图1的俯视图。

图3：图1的A-A剖视放大图。

图4：图3的D向视图。

图5：图1的B-B剖视放大图。

图6：图5E局部放大图。

图7：图2的C向放大图。

图8：图1的F局部放大图。

图9：图1的H-H剖视放大图。风帆逆风时的闭合状态。

图10：图1的G-G剖视放大图。风帆顺风时的开启状态。

图11：图5的J局部放大图。

图12：图11的K-K剖视放大图。

图13：图11的L-L剖视放大图。

附图主要部件说明：

1.旋转塔(垂直短轴)，材料为大口径薄壁焊接钢管。

2.水平风帆梁，矩形钢管与结构拉筋组成。

3.塔架，材料为型钢组焊的通透式铁塔。

4.风速传感器。

5.风帽尾舵。

6.轴和轴承。

7.半圆感应体。

8.编号的接近开关传感器。

9.开闭风帆的同步拉杆。

10.链轮。

11.链条。

12.水平钢丝拉筋及拉紧螺栓。

13.涨紧链轮。

14.具有自锁功能的减速机及电机

15.霍尔传感器。

16.安装在减速机的尼龙轮和磁钢。

17.风帆，为耐候的中碱玻璃纤维布和薄壁型钢组焊的框架组成。

18.垂直钢丝拉筋及拉紧螺栓。

19.安装检修的门。

20.低速大扭矩链轮和链条。

21.手动操作的刹车装置。

22.自动的刹车装置。

23.链轮。

24.高速大链轮。

25.伞齿轮减速箱。

26.输入电力的集电滑环。

27.轴向压力轴承。

28.旋转塔内的电器控制柜。

29.径向大轴承。

30.高速链条及链轮

31.变速恒频发电机(现有技术，风力发电专用，与水平轴风力发电机相同)。

32.开闭上部风帆的推拉杆。

33.开闭下部风帆的钢丝绳。

34.风帆铰链。

35.拉杆座。

36.开闭下部风帆的钢丝绳的滑轮。

37.齿条(与开闭风帆的同步拉杆固定在一起)。

38.齿轮。

39.链条托轮。

40.滚轴。

41.滚轴梃杆。

42.拉杆罩。

43.拉杆玻纤布罩。

具体实施方式：

1、本发明风帆垂直短轴风力机与叶片水平轴风力机理论对比分析。

①三叶片水平轴风力发电机空气动力学分析与计算：

叶片水平轴风力机依据的是涡轮叶片机能量转化原理。叶片是一种升力型机翼，只有叶片在高速旋转状态，能量转化利用率才能提高。

水平轴叶片风力机计算依据如下：

Cp₁＝P₁/Po

P₁＝1/2ρAVw³Cp₁

Cp₁＝f(λ)

Cp₁-风轮叶片功率系数，理论最大功率利用系数：Cp₁＝59.3％。

λ-风轮高速特性参数，λ＝叶尖线速度/风速，当λ值上升，Cp₁趋近59.3％。

P₁-叶片风机实际功率。

P_o-风能所产生的实际功率。

A-风轮扫风面积，A＝πr².

Vw-风速。

ρ-空气密度，一般ρ＝1.22kg/m³

空气的密度很低，风的大小与方向又是随机变化的，这些都给风能利用带来了困难。

当风轮扫风面积A确定后，为使叶片转子有较高的转速，使高速特性参数λ提高，从而提高风机功率系数Cp值，叶片的宽度必须要设计的很窄，叶片数目要少(一般为3个叶片)，这样就造成该风力机的叶片在迎风面的投影面积的缩减，需要较大的启动风速才能使风力机开始转动，一般兆瓦级三叶片水平轴风力发电机启动风速＞5m/s；风力＜5m/s时，机器停止不动。如果水平轴风力机设置多个叶片或叶片设计得很宽，好像是可以更多地捕捉风能，其实会使风轮转子的转速变慢，Cp值下降，最终导致风机风能利用率降低。这就是三叶片水平轴风力发电机难以解决的一对矛盾。

②本发明风帆垂直短轴风力机理论分析：

垂直轴风力机属于阻力型、低速风机，其风能利用系数Cp值要低于高速运转时的水平轴叶片风力机，而且低速大扭矩增加了齿轮箱体积和重量，但是，垂直轴风力机低速启动性能优异，风帆运行速度V′与风机功率系数Cp是两个互不影响的物理量。本发明兆瓦级大型开启风帆式垂直短轴风力发电机启动风速＜0.8m/s。

1)空气动力学计算依据如下：

Cp₂＝P₂/P_o

P₂＝1/2ρ〔C_t1 A₁(Vw-V′)²V′-C_t2 A₂(Vw+V′)²V′〕

Cp₂-阻力型风帆功率系数；理论最大功率利用系数：Cp₂＝32.5％。

P₂-开启风帆垂直短轴风机实际功率。

C_t1-风帆为内凹半圆柱型阻力系数，C_t1＝2.2.

A₁-垂直于风向、打开的风帆总投影面积。

C_t2-关闭风帆后的悬臂梁的阻力系数，C_t2＝0.8.

A₂-关闭风帆后的悬臂梁的总投影面积。

Vw-风速。

V′-风帆力矩质点处的线速度。

2)本发明开启风帆式垂直短轴风力机系统总摩擦力计算：

f＝f₁+f₂+f₃+f₄

f-风帆力矩质点处系统总摩擦力，牛顿。

f₁--风帆力矩质点处，垂直短轴重力对于压力轴承引起的摩擦力。

f₃--风帆力矩质点处，水平载荷对于径向轴承引起的摩擦力。

f₃--风帆力矩质点处，发电机启动力矩引起的反向力。

f₄--风帆力矩质点处，传动系统(链轮-链条，齿轮-齿轮)引起的摩擦力。

经计算表明，本发明开启风帆式垂直短轴风力发电机的风帆总投影面积为相同功率三叶片水平轴风力机的12倍～15倍，当风速Vw＞0.8m/s微风即可启动。注：三叶片水平轴风力机(兆瓦级)风轮转子(高速风时)为每分钟几十转。

本发明开启风帆垂直短轴风力机(兆瓦级)风帆旋转塔为每分钟一至二转。

3)本发明风机功率调节的理论依据：

本发明风机具有：当风速过大时(如Vw＝14m/s～30m/s)，风帆只对应开启一定角度，即根据风速情况相应减小风帆对于风速方向的投影面积。

根据力矩、转速和功率之间的关系式：

N＝FLn/9549

N-电机功率，kW

F-作用力，牛顿

L-力臂，m

n--电机转速，rpm

又根据风作用在垂直轴风机风帆上的力：

F＝1/2ρ〔C_t1 A₁(Vw-V′)²-C_t2 A₂(Vw+V′)²〕

当风速超过机器设计风速，相应减小风帆对于风速方向的投影面积A₁，可以使作用力F降低，使输出功率N保持恒定，从而避免发电机过热。

4)本发明开启风帆的电机能耗及自锁功能：

经计算，本发明1MW风机开启风帆的电机功率为15kW，与同规格的水平轴风机输入能耗相同。

当风速适中时(如Vw＝5m/s～14m/s)，风帆借助风力快速打开、快速关闭，也利用了变频调速器可控制电机短时间增速的功能；

风帆慢速打开、慢速关闭工况电机转速低，所需能耗不高。

由于开启风帆的电机采用蜗轮蜗杆减速传动，风帆在任意位置停止都具有自锁功能。

③叶片水平轴风力机与风帆垂直轴风力机实际风能利用率Cp值对比分析：

叶片风力机实际上是涡轮叶片机的一种形式，其理论最大风能利用率Cp值为59.3％，而增大Cp值就是要求高速特性参数λ提高，当风力短时达到设计风速Vw＝13m/s(6-7级风)时，叶片风力机测量Cp值接近45％，而实际上风力机长时间工作在低风区段，其实际平均Cp值为20％-26％。

风帆垂直轴风力机理论最大风能利用率Cp值为32.5％，该Cp值只与阻力系数C_t值有关，而与风帆旋转速度无关；当风速Vw在变化，风帆速度V′随之变化，其实际Cp值接近28％。

综上分析，本发明风机采用扩大风帆有效面积，将风帆设计成内凹半圆柱型，使风能利用特征数值Ct值提高，使实际Cp值提高；迎风面，风帆开启，逆风面，风帆闭合，达到轻微风即可启动的效果，在风力充沛的风电场和海上风电场可实现全年不停机运行，实际上有效提高了风能利用率和上网风电的质量；同时本发明风力发电机也可以在风力资源并不充沛的地区使用，使风能资源得以充分、广泛地利用。

2、本发明的技术路线：

本发明采用传统的风帆原理，鼓起的风帆推动垂直轴低速旋转，轻微风即可启动，有效提高了风能利用率和上网风电的质量；本发明风机为兆瓦级大型风力发电机；机器采用优质标准材料和通用电器控制系统，主要结构件设计寿命为30年，易损部件设计寿命10年；该兆瓦级大型风力发电机在风电场设厂就地生产，可大幅度降低大件运输成本；投入运转的机器定期维护、定期更换部件，使本发明风机成本大幅度下降，一般为现有引进技术的三叶片水平轴风力发电机的30％，可使风电综合成本大幅度下降，同时，可提供绿色能源产业的就业岗位，形成新兴产业集群。

本发明风力发电机高效平稳运转，噪声低，该风力发电机也可以安装在城市高大公共建筑上。

本发明“开启风帆式垂直短轴大型风力发电机”为兆瓦级大型风力机，使风能转化为机械能，而机械能转化为电能部分仍采用现有技术——兆瓦级变速恒频发电机，发出的固定频率电能直接并入国家电网。

3、本发明风机降低综合成本的措施：

①本发明采用风帆捕捉风能，其制造成本仅为水平轴风力机的叶片的1/50，该风帆材料为耐候中碱玻纤布与薄壁矩形方管组焊的对开轻钢框架组成；而水平轴风力机的叶片为昂贵的玻纤树脂CF成型。

②本发明的主要结构件：薄壁焊管、型钢、钢丝绳、链轮链条等均为普通优质的标准产品；而水平轴叶片风力机的主要结构件均为专用、高品质材料。

③本发明的控制系统均为市场通用的优质标准产品；而水平轴叶片风力机的控制系统为专为风机研发的产品。

④本发明风机根据风速情况，机器自动调整每个风帆的开启面积，达到功率调节的目的；而水平轴叶片风力机“变桨距”系统包括了自动控制、液压传动和大型内齿圈等。

⑤本发明为垂直轴风机，对于风向无要求；而水平轴叶片风力机需要有一个复杂的对风(偏航)系统。

⑥本发明的“垂直短轴”即短传动轴比垂直到地面的长传动轴，大大减轻了机器的重量。

⑦本发明机器易损件设计使用寿命为10年，结构件设计寿命为30年，机器制造成本低，机器定期维护修理、定期更换部件；而水平轴叶片风力机为高品质、高价格、免维护的经营理念。

⑧本发明机器在风电场就地建厂制造，就地现场安装，去除大件运输成本，使本发明风机成本大幅度降低；而水平轴叶片风力机均为异地生产，长途大件运输，现场安装调试。

4、本发明风机抵抗恶劣自然环境侵蚀的技术措施：

①本发明的风帆材料：耐候的中碱玻璃纤维布，平纹增强型，经、纬向抗断裂＞4000N，设计使用寿命为12年。

②本发明每个风帆梁都设有多段水平拉索和垂直拉索，且闭合的风帆处于风帆梁的背风面，所以，本发明风机可抵御强风袭击。

③风帆内表面为光滑的玻纤布，风帆开闭过程中残存在风帆内的雨雪、灰尘即被清除。

④本发明风机的旋转塔风帆梁和机舱为封闭系统，其内部安装的动力装置、传动系统、发电机和控制系统在清洁环境运行；每个风帆推杆都设有双向防尘罩。

⑤机器表面作防腐涂层；海上风机为不锈钢材料制造。

⑥本发明风机设有避雷针装置，雷电导入地下。

5、本发明风机型式的缺点，及解决的技术措施：

经空气动力学分析计算可知：Cp₂(垂直轴阻力型风帆功率系数)对比Cp₁(水平轴升力型风轮叶片功率系数)明显偏低，Cp₂与阻力型风帆形状系数Ct值有关，而与转动速度无关；Cp₁值决定于升力型风轮叶片旋转速度λ值。在设计实践中，本发明风机通过设计多层风帆，提高阻力型风帆形状系数Ct值(内凹半圆柱型)，使本发明风机发电输出功率达到兆瓦级，而本发明机器制造成本同比仅为叶片水平轴风力机的30％。

本发明风力机为阻力型风帆低速运转，造成低速大扭矩的传动问题。本发明解决的技术方案：采用多排高强度链轮链条(一级传动)，伞齿轮箱(二级传动)，高速链条链轮至发电机(三级传动)，使传动方式得以优化。

本发明风帆阻力型风机的旋转速度控制与水平叶片轴升力型风机有很大不同，后者以变浆距的方式控制风轮旋转速度，本发明以控制风帆开启面积，调节风作用在风帆上的力；在本发明具体实施过程，也可以延时风帆开启时间、延时风帆关闭时间，达到控制旋转塔速度之目的。

Claims (4)

1.一种开启风帆式垂直短轴大型风力发电机，其特征在于：所述风力发电机由旋转塔(1)，水平风帆梁(2)，及支固该风帆梁的水平钢丝拉筋及拉紧螺栓(12)，支固该风帆梁的垂直钢丝拉筋及拉紧螺栓(18)，型钢组焊的塔架(3)，多层相互交叉的风帆(17)组成；与旋转塔(1)紧固的低速大扭矩链轮和链条(20)带动第一链轮(23)，经伞齿轮减速箱(25)、高速大链轮(24)、高速链条及第二链轮(30)将转动能量传至风力发电变速恒频发电机(31)；风帽尾舵(5)与半圆感应体(7)连接在一体，随风转动形成一个坐标参照系，与旋转塔(1)一起转动的编号的接近开关传感器(8)接近半圆感应体(7)时，减速机电机组(14)依次启动，迎风面开启风帆(17)；当编号的接近开关传感器(8)离开半圆感应体(7)时，减速机电机组(14)反向启动，逆风面关闭风帆；开启的风帆为内凹半圆柱型，提高风能利用系数Ct值；当风速较小时，风帆慢速打开、慢速关闭；当风速适中时，风帆借助风力快速打开、快速关闭；当风速过大时，风帆慢速打开、慢速关闭，且能对应风速，风帆只开启一定角度；当风速具有破坏力时，风帆将自动关闭，自动刹车，停车保护。

2.根据权利要求1中所述的开启风帆式垂直短轴大型风力发电机，其特征是风帆(17)由耐候的增强玻璃纤维布和组焊的薄壁型钢框架组成。

3.根据权利要求1中所述的开启风帆式垂直短轴大型风力发电机，其特征是当该编号的接近开关传感器(8)旋转接近半圆感应体(7)，减速机电机组(14)正向转动，通过链轮(10)、链条(11)、齿轮(38)传动，使齿条(37)和与该齿条连接在一起的开闭风帆的同步拉杆(9)水平移动，上部风帆被推拉杆(32)顶起，同时，紧拉下部风帆的钢丝绳(33)沿滑轮(36)靠自重下移，完成在迎风面打开风帆的过程，整个风帆迎风面为内凹半圆柱型，使风能利用系数Ct值提高；每个同步拉杆(9)都设有拉杆罩(41)和拉杆玻纤布罩(42)；当该编号的接近开关传感器(8)旋转离开半圆感应体(7)，减速机电机组(14)反向转动，使上部风帆与下部风帆同时闭合，使风能利用系数Ct值最低、风帆负功值最小。

4.根据权利要求1中所述的开启风帆式垂直短轴大型风力发电机，其特征是设有手动操作的刹车装置(21)和自动的刹车装置(22)。

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