CN102072081A - 一种风帆式发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风帆式发电机，包括一塔体基座，所述塔体基座上设置有塔体基台，所述塔体基台上设置有一组回转轴承，所述回转轴承内设置有一塔体主轴，所述塔体主轴的下端与联轴器的上端固定连接，所述联轴器的下端与一发电机连接，所述塔体主轴外侧通过风帆支撑臂分布设置有多个以获得风动力驱动所述塔体主轴公转的风帆，所述风帆与控制所述风帆进行自转的外置驱动装置连接。风帆的自转方向与塔体主轴的公转方向相反，风帆自转一周的同时塔体主轴反方向公转一周，风帆的前缘永远指向风向，风帆的等效平面与风向的夹角在塔体主轴旋转的圆周上按函数规律作数学解析。本发明的风帆式发电机风-电转换效率高、单机输出功率大。

Description

一种风帆式发电机
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体的涉及一种风帆式发电机。
背景技术
通常人们在谈到风力发电机时就会联想到一个巨大的螺旋桨矗立在空中，它的桨叶固定在水平轴上迎风旋转，因此浆叶的受风做功面为迎风的圆形碟形平面。通常也被称之为螺旋桨式风力发电机，在此简称为桨式风力发电机，其结构如图1所示。
其实目前实用的风力发电机还有一种形式，它有点象直立的打蛋器，运行时绕垂直轴旋转，侧面受风，被称之为Darrieus型风力发电机。它的弧形桨叶固定在垂直轴上绕垂直轴旋转，因此桨叶的受风做功面为上下尖锥的圆筒形的立体表面，可以想象在相同的迎风面积下它可以从风中获取更多的能量。在此简称为D式风力发电机，其结构如图2所示。
但以上两种风力发电机都存在风-电转换效率不高、风的耦合效果差、单机功率小、对风场扰动大等问题。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种风-电转换效率高、单机输出功率高的风帆式发电机。
为了解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明采用了如下技术方案：
一种风帆式发电机，包括一塔体基座，所述塔体基座上设置有塔体基台，所述塔体基台上设置有一组回转轴承，所述回转轴承内设置有一塔体主轴，所述塔体主轴的下端与联轴器的上端固定连接，所述联轴器的下端与一发电机连接，所述塔体主轴外侧通过风帆支撑臂分布设置有多个以获得风动力驱动所述塔体主轴公转的风帆，所述风帆与控制所述风帆进行自转的外置驱动装置连接。
进一步的，以其中的一组风帆支撑臂和连接于其外端的风帆为例，所述风帆的自转方向与所述塔体主轴的公转方向相反，所述风帆自转一周的同时所述塔体主轴反方向公转一周，所述风帆的前缘永远指向风向，所述风帆的等效平面与风向的夹角称为迎角，所述外置驱动装置驱动风帆旋转使得所述迎角沿所述塔体主轴旋转的圆周上按函数规律作数学解析。
进一步的，所述数学解析的曲线满足以下关系：以所述塔体主轴回转的平面坐标系的纵坐标作为风的入射方向，所述固定于塔体主轴的风叶支撑臂与回转平面坐标系的横坐标的夹角称为回转角度自变量，当所述塔体主轴的回转角度自变量在第一和第四象限的区间内，函数曲线单调上升或下降；当所述塔体主轴的回转角度自变量在第二和第三象限的区间内，函数曲线单调下降或上升。
进一步的，所述解析函数中最大风向迎角的取值范围为0°至45°。
进一步的，所述风帆的自转轴心选择在接近所述风帆的压力中心位置，选择范围为距所述风帆前缘25％-40％的长度。
进一步的，所述风帆的横截面为一对称的流线型机翼结构。
进一步的，所述风帆等分分布在所述塔体主轴的圆周位置上。
优选地，所述塔体主轴的圆周位置上至少均匀分布设置有3个所述风帆。
优选地，所述风帆为一整体结构或者为一由多段翼片同轴串联后同步驱动的组合结构。
与现有技术相比，本发明的风帆式发电机由于风帆的受风做功面是圆柱形的立体表面，因此风-电转换效率较高，同时由于发电机安装于地面，工作重心非常低，设备的强度要求比低，因此它可获得较大的单机输出功率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1为现有技术中桨式风力发电机的结构示意图。
图2为现有技术中D式风力发电机的结构示意图。
图3为本发明的风帆式发电机的结构示意图。
图4为本发明的风帆式发电机的风帆及塔体主轴运行轨迹示意图。
图中标号说明：1、塔体基座，2、塔体基台，3、联轴器，4、回转轴承，5、塔体主轴，6、发电机，7、风帆支撑臂，8、风帆，9、翼片，10、外置驱动装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术实施过程做进一步说明。
参见图3所示，一种风帆式发电机，包括一塔体基座1，所述塔体基座1上设置有塔体基台2，所述塔体基台2上设置有一组回转轴承4，所述回转轴承4内设置有一塔体主轴5，所述塔体主轴5的下端与联轴器3的上端固定连接，所述联轴器3的下端与一发电机6连接，所述塔体主轴5外通过风帆支撑臂7分布设置有多个以获得风动力驱动所述塔体主轴5公转的风帆8，所述风帆8与控制所述风帆8进行自转的外置驱动装置10连接。
进一步的，参见图4所示，进一步的，以其中的一组风帆支撑臂7和连接于其外端的风帆8为例，所述风帆8的自转方向与所述塔体主轴5的公转方向相反，所述风帆8自转一周的同时所述塔体主轴5反方向公转一周，所述风帆8的前缘永远指向风向，所述风帆8的等效平面与风向的夹角称为迎角，所述外置驱动装置10驱动风帆8旋转使得所述迎角沿所述塔体主轴5旋转的圆周上按函数规律作数学解析。
进一步的，所述数学解析的曲线满足以下关系：以所述塔体主轴5回转的平面坐标系的纵坐标作为风的入射方向，所述固定于塔体主轴5的风叶支撑臂7与回转平面坐标系的横坐标的夹角称为回转角度自变量，当所述塔体主轴5的回转角度自变量在第一和第四象限的区间内，函数曲线单调上升或下降；当所述塔体主轴5的回转角度自变量在第二和第三象限的区间内，函数曲线单调下降或上升。
进一步的，所述解析函数中最大风向迎角的取值范围为0°至45°。
进一步的，所述风帆8的自转轴心选择在接近所述风帆8的压力中心位置，选择范围为距所述风帆8前缘25％-40％的长度。
进一步的，所述风帆8的横截面为一对称的流线型机翼结构。
进一步的，所述风帆8等分分布在所述塔体主轴5的圆周位置上。
优选地，所述塔体主轴5的圆周位置上至少均匀分布设置有3个所述风帆8。
优选地，所述风帆8为一整体结构或者为一由多段翼片9同轴串联后同步驱动的组合结构。
以下结合图1、图2中桨式风力发电机与D式风力发电机对本发明作进一步的详细说明：
(1)迎风面积的比较：
*.桨式风力发电机的迎风面积是螺旋桨所划过的碟形平面，也是螺旋桨受风做功的平面，其工作宽度等于螺旋桨长度的两倍。以1MW的机型为例：按桨叶数3叶、桨叶长27米计算，迎风面积为2290平方米，工作宽度为54米，受风做功面积与迎风面积相同。
*.D式风力发电机是圆筒形的受风面，做功的面为圆筒形的表面，它是立体受风的。因此风的耦合效率比螺旋桨式风力发电机的高。
*.本发明的风帆式发电机是圆柱形的受风面，它也是立体受风的。圆柱形受风面要比圆筒形受风面可得到更大的轴功率。因此风的耦合效率比D式风力发电机的更高。我们以1MW的机型为例，按风帆数6叶、风帆高27米、回转半径9米计算：迎风面积为486平方米(是桨式的1/5略多)，受风做功面积为1527平方米(是桨式的2/3)，工作宽度为18米(是桨式的1/3)。
(2)叶尖线速度比较：
*.桨式风力发电机桨叶尖线速度与旋转速度和桨叶长等均成正比。为了从风中有效获得能量，桨叶线速度就需要非常高。以1MW的机型为例：桨叶长27米，旋转速度为25转/分钟，桨叶尖线速度达到71米/秒。
*.D式风力发电机的桨叶两端是固定在垂直轴上的，桨叶中点是其桨叶线速度最大的点。
*.本发明的风帆式发电机的风帆线速度处处相等而与风帆长无关，因此，风帆是均匀出力的，与风的耦合最好。在风帆长度方向可设置多个支点固定，风帆的强度要求低。以1MW的机型为例：按回转速度45米/分、回转半径9米计算，风帆线速度为42.5米/秒，是桨式的60％。
(3)迎角与风力场耦合比较：
*.为了很好地与风耦合，桨式风力发电机桨叶的迎角沿长度方向是连续变化的，根部最大而叶尖最小，这是螺旋桨的典型形态。通常它只匹配于某一特定风速，而且迎角的调节特性是非线性的。让其进入失速状态虽然可以很好地简化调节方法以适应不同的风速。但是桨叶尾流中的紊流加大，与风的耦合状态变差，增加风阻，加大对风场的扰动，不利于集群发电。
*.D式风力发电机的桨叶两端是固定在垂直轴上的，桨叶中点是其桨叶线速度最大的点。桨叶尾流中的紊流大，对风力场的扰动大。不适合风力场集群发电。
*.本发明的风帆式发电机的同一风帆长度方向线速度处处相等即，迎角亦处处相等，与飞机的机翼相仿，因此可以通过调节迎角线性地调节轴功率。风帆尾流中无紊流或紊流较小，风的耦合效率最高，对风力场的扰动最小。特别适合风力场集群发电。
(4)桨叶的出力比较：
*.桨式风力发电机桨叶距叶尖40％长度其覆盖的面积占到64％，而距根部的60％长度其覆盖面积仅占36％。桨叶根部的60％长度以强度为主从而抵抗空气强大的切变力和离心力并传递动力，而仅尖部的40％长以叶形为主从而获得良好的空气动力学性能从空气中获得动力。因此，桨叶做功的效率并不高。
*.D式风力发电机的桨叶两端是固定在垂直轴上的，桨叶两端各20％的部分出力很小，中间60％的部分为主要出力段。但是中间出力段所覆盖的面积可达到60％以上，因此，做功效率比桨式风力发电机的为高。
*.本发明的风帆式发电机风帆长度方向的单位面积出力处处相同。在回转方向的-30°至+30°以及150°至210°区间出力很小占全部做功面积的1/3，而其余的做功段的出力占到全部做功面积的2/3，做功效率比D式风力发电机高。有效降低风帆的设计强度，
(5)风向指向性比较：
*.桨式风力发电机桨叶的旋转碟形平面必须正对风向才能获取最大的能量。因此，它有严格的风向指向性。
*.D式风力发电机无风向指向性。
*.本发明的风帆式发电机的风帆迎角必须以风向作为参考点沿运行圆周作数学解析。因此，它同样有严格的风向指向性。
(6)极限保护比较：
*.保护桨式风力发电机免遭台风袭击的最为行之有效的方法是使回转平台旋转90°，与风向正交，使轴功率为零从而保护风力发电机。但是桨叶各点的迎角不同仍将受到强大的风切变力，在台风等极限天气下容易受到破坏。
*.D式风力发电机的桨叶是固定的，无法提供极限保护。
*.通过控制系统的调节使的本发明的风帆式发电机的每一个风帆的风向迎角恒等于零，轴功率为零，从而有效保护风力发电机免遭台风袭击。
(7)工作重心比较：
*.桨式风力发电机的所有运行部件均设置于直立塔体的顶端，其重心非常高。以1MW的机型为例：其桨叶长约为27米，塔高应在桨叶长的1.5倍左右约40米；减速机和发电机重量约40吨，加上旋转部件塔台的总重量应达到50吨左右。在野外风力场，50吨重的机器设置在离地40米的高空运转，其难度和成本可想而知。
*.D式风力发电机的主轴是直立的，主轴所带动的减速机和发电机均可设置于地面，工作重心很低，难度大大降低。
*.本发明的风帆式发电机与D式风力发电机相似，同样具有很低的工作重心。
(8)旋转惯量比较：
*.桨式风力发电机的桨叶根部均固定于主轴上，主轴连接减速机和发电机。因此，旋转惯量小，调节响应好。
*.D式风力发电机的桨叶安装于塔式主轴，通过塔式主轴将动力传递到地面的减速机和发电机。因此，旋转惯量大，反应迟钝。
*.本发明的风帆式发电机与D式风力发电机相似。同样地，旋转惯量大，反应迟钝。
(9)发电质量比较：
*.桨式风力发电机的桨叶旋转运动与风向成正交，轴的出力是平稳的。因此发电质量较好。
*.D式风力发电机的桨叶回转运动与风速相叠加，塔式主轴回旋一周，主轴的出力沿回旋方向是波动的，电力出力也是波动的。但是塔体的惯性有平滑出力的作用。
*.本发明的风帆式发电机的风帆回转运动与风速相叠加，塔式主轴回旋一周，主轴的出力沿回旋方向是波动的。风帆数越少波动越大，风帆数越多波动越小。在采用正弦函数作为解析函数的条件下，五风帆时轴功率出力波动达到38.5％；六风帆时轴功率出力波动减小为18.6％。可以看出，当等分的桨叶数达到6或6以上时，主轴的出力沿回旋方向可认为达到平滑状态。另外，塔式主轴巨大的惯性平滑了主轴的出力，亦可有效改善发电质量。
(10)控制方式比较：
*.桨式风力发电机的功率调节方式通常采用失速控制，控制特性差。
*.D式风力发电机的功率调节方式通常是固定的。不可调节。
*.本发明的风帆式发电机的功率调节方式是风帆迎角连续调节，轴出力与设定迎角几乎是呈线性的，控制特性好。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种风帆式发电机，包括一塔体基座(1)，所述塔体基座(1)上设置有塔体基台(2)，所述塔体基台(2)上设置有一组回转轴承(4)，所述回转轴承(4)内设置有一塔体主轴(5)，所述塔体主轴(5)的下端与联轴器(3)的上端固定连接，所述联轴器(3)的下端与一发电机(6)连接，其特征在于：所述塔体主轴(5)外侧通过风帆支撑臂(7)分布设置有多个以获得风动力驱动所述塔体主轴(5)公转的风帆(8)，所述风帆(8)与控制所述风帆(8)进行自转的外置驱动装置(10)连接。
2.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述风帆(8)的自转方向与所述塔体主轴(5)的公转方向相反，所述风帆(8)自转一周的同时所述塔体主轴(5)反方向公转一周，所述风帆(8)的前缘永远指向风向，所述风帆(8)的等效平面与风向的夹角称为迎角，所述外置驱动装置(10)驱动风帆(8)旋转使得所述迎角沿所述塔体主轴(5)旋转的圆周上按函数规律作数学解析。
3.根据权利要求2所述的风帆式发电机，其特征在于：所述数学解析的函数曲线满足以下关系：
以所述塔体主轴(5)回转的平面坐标系的纵坐标作为风的入射方向，所述固定于塔体主轴(5)的风叶支撑臂(7)与回转平面坐标系的横坐标的夹角称为回转角度自变量，当所述塔体主轴(5)的回转角度自变量在第一和第四象限的区间内，函数曲线单调上升或下降；当所述塔体主轴(5)的回转角度自变量在第二和第三象限的区间内，函数曲线单调下降或上升。
4.根据权利要求2或3所述的风帆式发电机，其特征在于：所述解析函数中最大风向迎角的取值范围为0°至45°。
5.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述风帆(8)的自转轴心选择在接近所述风帆(8)的压力中心位置，选择范围为距所述风帆(8)前缘25％-40％的长度。
6.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述风帆(8)的横截面为一对称的流线型机翼结构。
7.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述风帆(8)等分分布在所述塔体主轴(5)的圆周位置上。
8.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述塔体主轴(5)的圆周位置上至少均匀分布设置有3个所述风帆(8)。
9.根据权利要求1所述的风帆式发电机，其特征在于：所述风帆(8)为一整体结构或者为一由多段翼片(9)同轴串联后同步驱动的组合结构。
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