CN103089547A - 一种平衡式垂直轴大型风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，有永磁发电机、风轮组和垂直立轴回转系统，风轮组有升力型叶片和对应的上支架、中支架和下支架，垂直立轴回转系统设上立柱、下立柱、具有中心轴和万向联轴器的中心回转轴机构；中心轴经轴承穿设于下立柱内，上端与上立柱连接，下端与万向联轴器一端连接，万向联轴器另一端与永磁发电机转轴驱接，永磁发电机机座、下立柱固定于基座；上立柱设第一连接件，上支架一端与第一连接件固接，另一端与升力型叶片上部固接；中支架一端与中心轴上端连接，另一端与升力型叶片中部固接；下支架一端经第二连接件与中心轴连接，另一端与升力型叶片下部固接。能提高稳定平衡性，简化结构、增加强度，减少材料和成本，易维护。

Description

一种平衡式垂直轴大型风力发电机组

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机组技术，特别是涉及一种平衡式垂直轴大型风力发电机组。

背景技术

风力发电已有一百五十多年的历史，科学家在分析了大气环流模型之后发现，大气低层的对流气团所包含的风能是非常巨大的，是人类可利用且取之不尽、用之不竭的再生能源之一。因此，在人类面临逐渐加剧的能源危机的情况下，对于风力发电的研究开发也就越来越具有重大和深远的现实意义了。在一些发达国家，如美国、荷兰、丹麦、法国、德国、意大利等国，风力发电在其国内的电力结构中已起到了举足轻重的作用。而在我国，只有少数地区，如新疆、内蒙、甘肃、广东的南澳及汕尾红海湾、福建的漳州东山岛等地设有风力发电站，其总装机容量还不到62000MW，占我国电力结构比率不及3%。

现有技术中，垂直轴风力发电机可分为两种主要类型：一类是利用翼型结构的升力做功的升力型垂直轴风力发电机，最典型的是达里厄(Darrieus) 型风力发电机，而许多生产厂家的垂直轴风力发电机的制造技术都是依该翼型结构的运转原理的基础上作出一些改进的技术；另一类是阻力型垂直轴风力发电机，其原型结构是由风杯式测风仪的结构演变而来的，其原理就是利用风叶水平旋转时正反两面对风的阻力差来做功。

升力型垂直轴风力发电机在正常运转时风能利用率可高达42﹪，但存在以下缺陷：在低风速状态时，受力面积较小，所产生的起动扭矩小，在自然条件下起动通常需要四级或者四级以上风的风力驱动才能实现起动，由此使得对于大中型风力发电机通常需另配电动机辅助起动装置强制驱动起动，从而使得整机结构复杂，成本增高；而且在低风速阵风时功耗也比较大。

阻力型垂直轴风力发电机，其风轮可以获得较大的起动力矩；但受其结构影响，导致围绕着风轮产生侧向推力，使得风轮转速较低。

因而现有技术中的垂直轴风力发电机通常都是适用于中、小功率的风力发电机，对其风轮叶片的结构形式，人们虽然不断作出一些新的改进，但这类改进往往都是仅限于其中一些局部结构的某些方面的改进，由此导致这类垂直轴风力发电机仍然同样存在以上缺陷，所作改进技术仍然不够全面，特别是在成本上及风叶结构的变形问题上也仍然难于取得实质性突破，因此风能利用效率及综合成本仍然是不够理想的。

中国发明专利（专利号为： ZL201020209996.4公开了一种“轨道式大型垂直轴风力发电机组”，其结构主要为：叶片为升力型叶片，该叶片固定于风叶支架，风叶支架连接于回转系统。通过采用较为稳固的回转系统，以提高叶片强度，使之能够抵御较大台风，以适用于大、中型的风力发电机。

但是上述专利又存在着以下问题：如升力型叶片在运动过程中出现离心力不平衡，易导致叶片出现歪斜及扭曲的现象；而且，风叶支架及整体结构较为复杂，使得该轨道式大型垂直轴风力发电机组材料消耗较大，综合制造成本较高，且不易维护，也不利于工业化生产及大型风力发电机组市场的推广应用。

因此，针对现有技术中的存在问题，亟需提供一种能够提高稳定性及平衡性，且结构简单、综合成本低、易于维护，有利于工业化生产及大型风力发电机组市场的推广应用的垂直轴大型风力发电机组的技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种能够提高稳定性及平衡性、可抵御较大台风，简化结构、增加叶片强度，减少叶片材料、综合成本低，且易于维护的平衡式垂直轴大型风力发电机组。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，包括有永磁发电机和风叶驱动总成，所述风叶驱动总成包括有风轮组和垂直立轴回转系统，所述风轮组设置有两个或者两个以上的升力型叶片和对应设置的两组或者两组以上的风叶支架，所述风叶支架包括有上支架、中支架和下支架，其中：

所述垂直立轴回转系统设置有上立柱、下立柱和中心回转轴机构；

所述中心回转轴机构设置有中心轴和万向联轴器，所述中心轴通过轴承支承穿设于所述下立柱内，且所述中心轴上端部与所述上立柱连接，所述中心轴下端部与所述万向联轴器一端连接，所述万向联轴器另一端与所述永磁发电机转轴驱动连接，所述永磁发电机的机座固定于基座，所述下立柱的下部固定于基座；

所述上立柱固定设置有第一连接件，所述上支架一端部与所述第一连接件固定连接，所述上支架另一端部与所述升力型叶片的上部固定连接；

所述中支架一端部与所述中心轴的上端部连接，所述中支架另一端部与所述升力型叶片的中部固定连接；

所述下支架一端部通过第二连接件与所述中心轴连接，所述下支架的另一端部与所述升力型叶片的下部固定连接。

其中，所述上支架、所述中支架、所述下支架分别位于所述升力型叶片均匀分布等距设置，且所述中支架与所述升力型叶片连接处位于所述升力型叶片的水平中心线。

其中，所述上支架、所述中支架和所述下支架相互平行设置。

其中，所述中支架的厚度大于或者等于所述上支架的厚度和／或所述下支架的厚度。

其中，所述第二连接件设置为套筒结构的第二连接件，所述第二连接件两端设置有法兰部，所述第二连接件的上端所述法兰部与所述中心轴连接，所述第二连接件的下端所述法兰部与所述下支架连接。

其中，所述垂直立轴回转系统设置有稳定轮，所述稳定轮与所述第二连接件的下端相接，且所述稳定轮的转动部设置于所述下立柱旁侧。

其中，所述稳定轮包括有稳定轮支架、滚轮和轴承，所述稳定轮支架与所述第二连接件的下端所述法兰部固定连接，所述轴承内圈与所述稳定轮支架的轴承轴连接，所述轴承外圈与所述滚轮的轴承孔连接，所述滚轮外圆周与所述下立柱在正常工况相离，所述滚轮外圆周与所述下立柱在侧风突变工况相触。

其中，所述升力型叶片的上部和/或下部设置有延伸部。

其中，所述基座设置为塔架，所述下立柱的下部与所述塔架固定连接，所述永磁发电机的机座固定于所述塔架。

而且，所述基座还可以设置为陷入地面的机舱。

其中，所述万向联轴器与所述永磁发电机转轴之间设置有制动器和联轴器，所述制动器一端与所述万向联轴器的另一端连接，所述制动器另一端通过联轴器与所述永磁发电机转轴驱动连接。

本发明的有益效果：

一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，由于包括有永磁发电机和风叶驱动总成，风叶驱动总成包括有风轮组和垂直立轴回转系统，风轮组设置有两个或者两个以上的升力型叶片和对应设置的两组或者两组以上的风叶支架，风叶支架包括有上支架、中支架和下支架，垂直立轴回转系统设置有上立柱、下立柱和中心回转轴机构；中心回转轴机构设置有中心轴和万向联轴器，中心轴通过轴承支承穿设于下立柱内，且中心轴上端部与上立柱连接，中心轴下端部与万向联轴器一端连接，万向联轴器另一端与永磁发电机转轴驱动连接，永磁发电机的机座固定于基座，下立柱的下部固定于基座；上立柱固定设置有第一连接件，上支架一端部与第一连接件固定连接，上支架另一端部与升力型叶片的上部固定连接；中支架一端部与中心轴的上端部连接，中支架另一端部与升力型叶片的中部固定连接；下支架一端部通过第二连接件与中心轴连接，下支架的另一端部与升力型叶片的下部固定连接。

由此，通过设置有上立柱、下立柱和中心回转轴机构的垂直立轴回转系统能够有效地提高了风叶驱动总成的强度及稳定性，使其运转过程中在强风工况的抗摆能力增强，相比轨道式大型垂直轴风力发电机组，结构简便，而不需要设置环形轨道等部件，制造成本较低，并且运转效率较高。由风力驱动升力型叶片，升力型叶片旋转带动风叶支架及中心轴转动，从而驱动永磁发电机，省去了升力型叶片在环形轨道上运转而减少了由此所产生的摩擦力，不影响升力型叶片的转速，提高了系统运行效率。

本发明与现有技术中具有以下优点：

⑴ 有效地提高了风叶驱动总成的强度及稳定性，运行稳定可靠；

⑵ 抗强风能力强；

⑶ 无噪音；

⑷ 制造工艺简单，易于加工，制造成本低；

⑸ 重量轻，便于安装、运输，安装运输成本低；

⑹适用于大型风力发电机组，可应用于通讯基站、航标灯塔、海岛用电、森林防火监控等场所。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组的结构示意图。

图2是图1中的“A——A”结构示意图。

图3是本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组的稳定轮部分的局部放大结构示意图。

在图1、图2、图3中包括有：

1——上支架、2——上立柱、3——升力型叶片、4——中支架、

5——中心轴、6——稳定轮、7——下支架、8——下立柱、

9——万向联轴器、10——制动器、11——联轴器、12——永磁发电机、

13——塔架、14——延伸部、15——第一连接件、16——第二连接件、

601——稳定轮支架、602——滚轮、603——轴承。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，如图1和图2所示，包括有永磁发电机12和风叶驱动总成，风叶驱动总成包括有风轮组和垂直立轴回转系统，风轮组设置有两个或者两个以上的升力型叶片3和对应设置的两组或者两组以上的风叶支架，风叶支架包括有上支架1、中支架4和下支架7，其中：

垂直立轴回转系统设置有上立柱2、下立柱8和中心回转轴机构；

中心回转轴机构设置有中心轴5和万向联轴器9，中心轴5通过轴承支承穿设于下立柱8内，且中心轴5上端部与上立柱2连接，中心轴5下端部与万向联轴器9一端连接，万向联轴器9另一端与永磁发电机12转轴驱动连接，永磁发电机12的机座固定于基座，下立柱8的下部固定于基座；

上立柱2固定设置有第一连接件15，上支架1一端部与第一连接件15固定连接，上支架1另一端部与升力型叶片3的上部固定连接；

中支架4一端部与中心轴5的上端部连接，中支架4另一端部与升力型叶片3的中部固定连接；

下支架7一端部通过第二连接件16与中心轴5连接，下支架7的另一端部与升力型叶片3的下部固定连接。

由此，通过设置有上立柱2、下立柱8和中心回转轴机构的垂直立轴回转系统，能够有效地提高了风叶驱动总成的强度及稳定性，使其运转过程中在强风工况的抗摆能力增强，相比轨道式大型垂直轴风力发电机组，结构简便，而且不需要设置环形轨道等部件，制造成本较低，并且运转效率较高。由风力驱动升力型叶片3，升力型叶片3旋转带动风叶支架及中心轴5转动，从而驱动永磁发电机输出电流，省去了升力型叶片3在环形轨道上运转而减少了由此所产生的摩擦力，不影响升力型叶片的转速，提高了系统运行效率。

由此，本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组具有：能够提高稳定性及平衡性、可抵御较大台风，简化结构、增加叶片强度，减少叶片材料、综合成本低，且易于维护的特点。

中心轴5通过万向联轴器9与永磁发电机12转轴采用直驱式驱动连接，相比现有技术中的轨道式风力发电机组运行效率更高。

永磁发电机12可以设置为外转子永磁发电机或者内转子永磁发电机。

系统启动后，上支架1和下支架7用于约束风叶驱动总成并平衡高速旋转所产生的离心力，中支架4和立柱用于承受风叶驱动总成的重力。

具体的，上支架1、中支架4、下支架7可以分别位于升力型叶片3均匀分布等距设置，且中支架4与升力型叶片3连接处位于升力型叶片3的水平中心线。以使上支架1、中支架4和下支架7对升力型叶片3的约束更加均匀，使升力型叶片3运行更为平稳。

具体的，上支架1、中支架4和下支架7可以相互平行设置。以利于安装定位。   

具体的，第二连接件16可以设置为套筒结构的第二连接件16，第二连接件16两端设置有法兰部，第二连接件16的上端法兰部与中心轴5连接，第二连接件16下端法兰部与下支架7连接。以方便安装连接。

实施例2

本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1所示，本实施例的主要技术方案与实施例1基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于：升力型叶片3的上部和/或下部设置有延伸部14。升力型叶片3的上部和/或下部都增加延伸部14，可以提高升力型叶片3的受风受力面积，提高发电效率，特别是升力型叶片3的下部设置有延伸部14，可以使升力型叶片3的重心下降，有效地提高了风力发电机组的抗摆能力，使运转更为平稳。

具体的，升力型叶片3的上部和下部均可以设置有延伸部14。

而且，延伸部14还可以设置为长度大于或者等于上支架1与中支架4、中支架4与下支架7位于与升力型叶片3连接处之间的间距。以进一步提高升力型叶片3的受风受力面积，提高发电效率，特别是升力型叶片3的下部设置有较长的延伸部14可以使升力型叶片3的重心进一步下降，更为有效地提高风力发电机组的抗摆能力，使运转更为平稳。

具体的，升力型叶片3可以设置为横截面呈翼型形状的升力型叶片3。以使升力型叶片3的流体性能更好，阻力更小，运转效率更高。

实施例3

本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1所示，本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或者实施例2的区别在于：中支架4的厚度大于或者等于上支架1的厚度和／或下支架7的厚度。

具体的，上支架1的厚度和下支架7的厚度可以设置为相同，中支架4的厚度设置为上支架1的厚度或者下支架7的厚度的1.5～2.5倍。由于中支架4起到主要的承重作用，因此设置中支架4的厚度较大，可以使承重能力更强，以进一步提高风力发电机组的稳定性和安全性。

实施例4

本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1和图3所示，本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2或者实施例3基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2或者实施例3中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或者实施例2或者实施例3的区别在于：垂直立轴回转系统可以设置有稳定轮6，稳定轮6与第二连接件16的下端相接，且稳定轮6的转动部设置于下立柱8旁侧。以使本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组在台风、强风工况下，抗摆能力更强，运行更加稳定。

具体的，稳定轮6可以包括有稳定轮支架601、滚轮602和轴承603，稳定轮支架601与第二连接件16的下端法兰部固定连接，轴承603内圈与稳定轮支架601的轴承轴连接，轴承603外圈与滚轮602的轴承孔连接，滚轮602外圆周与下立柱8在正常工况相离，滚轮602外圆周与下立柱8在侧风突变工况相触。在正常工况时，滚轮的外圆周与立柱相离，保持正常旋转；在侧风突变工况时，滚轮的外圆周与立柱相触，通过滚轮弹性摩擦缓冲突变加速，并通过滚轮弹性复位，由此能够提高风叶支架的稳定性，防止风叶支架和升力型叶片侧倾及摇摆。

具体的，滚轮602可以设置为弹性滚轮602。

具体的，滚轮602还可以设置为橡胶或者聚酯材料制成的弹性滚轮602。

因此，稳定轮6能够进一步提高本发明的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组的抗摆性能，以及提高系统运行的稳定性。

实施例5

本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1所示，本实施例的主要技术方案与实施例1或者实施例2或者实施例3或者实施例4基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例1或者实施例2或者实施例3或者实施例4中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1或者实施例2或者实施例3或者实施例4的区别在于：基座设置为塔架13，下立柱8的下部与塔架13固定连接，永磁发电机12固定于塔架13。塔架13的设置是为了提高风叶驱动总成的高度，便于风力发电机组的安装及容置永磁发电机12，塔架13可以固定设置于各种地形的地面，并且通过塔架13提高高度可以增长升力型叶片3的延伸部14，以提高风力的利用效率。

而且，基座设置为陷入地面的机舱也是可以的。具体可根据实际使用场合确定采用何种基座方式。

具体的，万向联轴器9与永磁发电机12转轴之间可以设置有制动器10和联轴器11，制动器10一端与万向联轴器9的的另一端连接，制动器10另一端通过联轴器11与永磁发电机12转轴驱动连接。制动器10可用于对中心轴5的制动，在运转出现问题时，可以迅速地将中心轴5制动使其停转，以便于停机维修。

本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组可以满足风力永磁发电机运行外界条件的国际标准：

1、最高风速为55m/s，高寒地区为40m/s；

2、机组正常运行的温度范围为-20℃～+50℃，高寒地区为-25℃～+45℃；

3、机组运行的最高海拔为4000m；

4、相对湿度为95﹪。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，包括有永磁发电机和风叶驱动总成，所述风叶驱动总成包括有风轮组和垂直立轴回转系统，所述风轮组设置有两个或者两个以上的升力型叶片和对应设置的两组或者两组以上的风叶支架，所述风叶支架包括有上支架、中支架和下支架，其特征在于：

所述垂直立轴回转系统设置有上立柱、下立柱和中心回转轴机构；

所述中心回转轴机构设置有中心轴和万向联轴器，所述中心轴通过轴承支承穿设于所述下立柱内，且所述中心轴上端部与所述上立柱连接，所述中心轴下端部与所述万向联轴器一端连接，所述万向联轴器另一端与所述永磁发电机转轴驱动连接，所述永磁发电机的机座固定于基座，所述下立柱的下部固定于基座；

所述上立柱固定设置有第一连接件，所述上支架一端部与所述第一连接件固定连接，所述上支架另一端部与所述升力型叶片的上部固定连接；

所述中支架一端部与所述中心轴的上端部连接，所述中支架另一端部与所述升力型叶片的中部固定连接；

所述下支架一端部通过第二连接件与所述中心轴连接，所述下支架的另一端部与所述升力型叶片的下部固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述上支架、所述中支架、所述下支架分别位于所述升力型叶片均匀分布等距设置，且所述中支架与所述升力型叶片连接处位于所述升力型叶片的水平中心线。

3.根据权利要求2所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述上支架、所述中支架和所述下支架相互平行设置。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述中支架的厚度大于或者等于所述上支架的厚度和／或所述下支架的厚度。

5. 根据权利要求1或2或3所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述第二连接件设置为套筒结构的第二连接件，所述第二连接件两端设置有法兰部，所述第二连接件的上端所述法兰部与所述中心轴连接，所述第二连接件的下端所述法兰部与所述下支架连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述垂直立轴回转系统设置有稳定轮，所述稳定轮与所述第二连接件的下端相接，且所述稳定轮的转动部设置于所述下立柱旁侧。

7.根据权利要求6所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，其特征在于：所述稳定轮包括有稳定轮支架、滚轮和轴承，所述稳定轮支架与所述第二连接件的下端所述法兰部固定连接，所述轴承内圈与所述稳定轮支架的轴承轴连接，所述轴承外圈与所述滚轮的轴承孔连接，所述滚轮外圆周与所述下立柱在正常工况相离，所述滚轮外圆周与所述下立柱在侧风突变工况相触。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述升力型叶片的上部和/或下部设置有延伸部。

9.根据权利要求1所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述基座设置为塔架，所述下立柱的下部与所述塔架固定连接，所述永磁发电机的机座固定于所述塔架。

10.根据权利要求1所述的一种平衡式垂直轴大型风力发电机组，其特征在于：所述万向联轴器与所述永磁发电机转轴之间设置有制动器和联轴器，所述制动器一端与所述万向联轴器的另一端连接，所述制动器另一端通过联轴器与所述永磁发电机转轴驱动连接。

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