CN103089548A - 垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调节的风力发电装置，即一种垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置。包括套装在风轮中心轴上的下支撑板、上支撑板与位于上、下支撑板之间的风轮叶板，发电机转子与下支撑板固定连接，定子固定在风轮中心轴上，上、下支撑板之间还设有叶板支撑轴，风轮叶板安装在叶板支撑轴上并可绕其旋转，风轮中心轴上设有可调节风轮叶板工作位置的变桨距系统。能够有效低风轮转速，降低垂直轴风轮的风能转化率，实现对永磁发电机进行过载保护。

Description

垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种可调节的风力发电装置，具体的说是一种垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置。

背景技术

风能具有取之不尽，用之不竭，不消耗资源，清洁卫生，分布范围广等特点，风能发电成为世界许多国家的可持续发展战略的重要组成部分。垂直轴风力发电机相比于水平轴风力发电机，具有结构简单、造价与维护成本低廉、不需迎风调节系统等优点，近年来得到各国的普遍重视。垂直轴风力发电机主要包括垂直轴风轮、风力发电机、电源存储与输出控制单元等。垂直轴风轮直接驱动永磁发电机，是风力发电领域的发展趋势之一，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率高，在今后风电机组的研发中将有很大的发展空间。专利号201010140707.4的国家专利公布了一种垂直轴风力发动机的鱼脊线叶板升力风轮，该发明可引导气流通过风轮内腔作用于背风面叶片上实现二次做功，具有涡流损失低，风能利用率高，结构简单等优点，为风能利用提供了成本低廉的垂直轴风力发电风轮。专利号20111 0215832.1的国家专利公开了一种轴向主磁路结构永磁风力发电机，该发明可由垂直轴风轮驱动，与风轮同轴的轴对称主磁路结构永磁风力发电装置可在1.0m/s～25m/s风速范围内工作。直驱式永磁风力发电机的垂直轴风轮与永磁发电机的转子固联并同步运转。当环境风速超过风力发电机的额定风速范围时，永磁发电机转子受风轮驱动将超出其额定转速，此时发电机磁路饱和，当转速继续升高，将对发电机的运行性能产生恶劣影响，产生永磁体过热、甚至不可逆退磁等破坏现象。因此，在环境风速超过发电机额定风速值时，怎样降低风轮转速，降低垂直轴风轮的风能转化率，实现对风力发电机进行过载保护是至关重要的。

发明内容

为了解决上述风力过大、风轮转速过快而易造成发电机过载的技术问题，本发明提供一种垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，能够有效低风轮转速，降低垂直轴风轮的风能转化率，实现对永磁发电机进行过载保护。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，包括套装在风轮中心轴上的下支撑板、上支撑板与位于上、下支撑板之间的风轮叶板，发电机的转子与下支撑板固定连接，定子固定在风轮中心轴上，上、下支撑板之间还设有叶板支撑轴，风轮叶板安装在叶板支撑轴上并可绕其旋转，风轮中心轴上设有可调节风轮叶板工作位置的变桨距系统。

所述变桨距系统包括双滑块机构与曲柄滑块机构，双滑块机构包括内滑套、外支撑套、固定铰、连杆、固定铰，曲柄滑块机构包括活动铰、水平固定铰、水平连杆，双滑块机构与曲柄滑块机构共用复合滑块，外支撑套通过内滑套套在风轮中心轴上，连杆一端通过支撑套固定铰与外支撑套铰接，另一端通过垂直固定铰铰接在复合滑块上；水平连杆一端通过水平固定铰与复合滑块铰接，另一端与活动铰连接。

所述变桨距系统的内滑套通过导向键固定在风轮中心轴上，内滑套与外支撑套之间装有双向推力轴承与转动轴承。

所述下支撑板上设有圆弧滑槽与直线滑槽。

所述复合滑块设在直线滑槽内并可沿直线滑槽延伸方向滑动。

所述变桨距系统的活动铰上固定有销轴，销轴顶端与风轮叶板上的销轴孔间隙配合，销轴上固定有轴承，轴承设置圆弧滑槽内并可沿其延伸方向滚动，轴承上方设有套筒。

所述风轮中心轴上还设有液压缸，液压缸位于外支撑套的下方，液压缸上的活塞杆与内滑套固定连接。

导向柱一端通过导向套套装在外支撑套上，另一端与下支撑板固定连接。

所述风轮中心轴的顶端安装有风速仪。

该发电装置还设有能够接收风速仪信号并控制变桨距系统的PLC控制单元。

本发明的有益效果是：

1、本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置改变了风轮叶板在上、下支撑板之间的设置方式，在上、下支撑板之间设置有叶板支撑轴，风轮叶板安装在叶板支撑轴上并可绕其旋转，与传统的风力发电装置的风轮相比，本发明使得风轮叶板能够在带动风轮中心轴转动的同时，实现自身绕叶板支撑轴旋转，使得风轮叶板的掠风面积具备可调性；

2、本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置在风轮中心轴上设有可调节风轮叶板工作位置的变桨距系统，该变桨距系统的竖直平面的双滑块机构与水平面的曲柄滑块机构串联组合实现风轮叶板的变桨距动作，实现了风轮叶板掠风面积的调节，由变桨距系统调节风轮叶板内旋以减小风轮掠风面积的同时，能够有效的减少由风轮叶板之间缝隙进入风轮内腔的进风量，极大的降低了风进入风轮内腔产生的二次驱动，从而进一步降低风轮中心轴转速，起到对风力发电装置的过载保护作用；

3、本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置由于实现了风力发电装置风轮叶板掠风面积的可调，并降低了风进入风轮内腔产生的二次驱动，从而最大程度上保证了风力发电装置的过载保护，避免了风力过大导致的发电装置过载损坏的问题，根据风力大小及时调整风轮叶板的工作位置，保证了风力发电装置能以最高的效率与最佳的工作状态运行；

4、本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置通过变桨距系统的竖直平面双滑块机构与水平面的曲柄滑块机构串联组合实现风轮叶板的变桨距动作，双滑块机构与曲柄滑块机构均为连杆机构，其运动副为低副面接触，因此与目前现有的齿轮式、凸轮式等变桨距机构相比，在变桨距过程中，该机构具有构件受力状况好、负载能力大、机构运转稳定等优点；

5、本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置结构巧妙合理、使用方便且易于安装维护，具有较高的商业价值。

附图说明

图1是本发明的正视图；

图2是本发明变桨距系统的侧面剖视图；

图3是本发明俯视状态剖视图；

图4是本发明的结构原理示意图。

图中标记：1、油管，2、风轮中心轴， 3、液压缸，4、活塞杆，5、内滑套，6、外支撑套，7、支撑套固定铰，8、连杆，9、连接法兰盘，10、垂直固定铰，11、复合滑块，12、下支撑板，13、叶板支撑轴，14、风轮叶板，15、风速仪，16、上支撑板，17、发电机定子，18、发电机转子，19、导向柱，20、导向套，21、双向推力轴承，22、转动轴承，23、导向键，24、套筒，25、轴承，26、活动铰，27、水平固定铰，28、水平连杆，29、圆弧滑槽，30、直线滑槽，31、曲柄。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，包括套装在风轮中心轴2上的下支撑板12、上支撑板16与位于上、下支撑板之间的风轮叶板14，发电机的转子与下支撑板12固定连接，定子固定在风轮中心轴2上，上、下支撑板之间还设有叶板支撑轴13，风轮叶板14安装在叶板支撑轴13上并可绕其旋转，风轮中心轴2上设有可调节风轮叶板14工作位置的变桨距系统。

所述变桨距系统包括双滑块机构与曲柄滑块机构，双滑块机构包括内滑套5、外支撑套6、固定铰7、连杆8、固定铰10，曲柄滑块机构包括活动铰26、水平固定铰27、水平连杆28，双滑块机构与曲柄滑块机构共用复合滑块11，外支撑套6通过内滑套5套在风轮中心轴2上，连杆8一端通过支撑套固定铰7与外支撑套6铰接，另一端通过垂直固定铰10铰接在复合滑块11上；水平连杆28一端通过水平固定铰27与复合滑块11铰接，另一端与活动铰26连接。

所述变桨距系统的内滑套5通过导向键23固定在风轮中心轴2上，内滑套5与外支撑套6之间装有双向推力轴承21与转动轴承22。

所述下支撑板12上设有圆弧滑槽29与直线滑槽30。

所述复合滑块11设在直线滑槽30内并可沿直线滑槽30延伸方向滑动。

所述变桨距系统的活动铰26上固定有销轴，销轴顶端与风轮叶板14上的销轴孔间隙配合，销轴上固定有轴承25，轴承25设置圆弧滑槽29内并可沿其延伸方向滚动，轴承25上方设有套筒24。

所述风轮中心轴2上还设有液压缸3，液压缸3位于外支撑套6的下方，液压缸3上的活塞杆4与内滑套5固定连接。

导向柱19一端通过导向套20套装在外支撑套上，另一端与下支撑板12固定连接。

所述风轮中心轴2的顶端安装有风速仪15。

该发电装置还设有能够接收风速仪15信号并控制变桨距系统的PLC控制单元。

如图1-3所示，风轮中心轴2固定不动，上支撑板16通过轴承水平套装在风轮中心轴2上，下支撑板12亦通过轴承水平套装在风轮中心轴2上，上下支撑板同时绕中心轴2转动，风轮叶板14置于上支撑板16、下支撑板12之间，每片叶板安装在叶板支撑轴13上并可绕其旋转，叶板支撑轴13安装在上、下支撑板之间，发电机转子18通过连接法兰盘9与下支撑板12固联，发电机定子固定在风轮中心轴2上，下支撑板12下面开有直线滑槽30，内部装有可滑动的复合滑块11，复合滑块11上安装有水平固定铰27，水平固定铰27在水平面上通过水平连杆28与另一端的活动铰26相连，活动铰26的销轴穿过在下支撑板12上开的圆弧滑槽29，通过轴承25与套筒24与其上的风轮叶板14连接，复合滑块11上同时安装有垂直固定铰10，垂直固定铰10在垂直面上通过连杆8与另一端的支撑套固定铰7连接，支撑套固定铰7安装在外支撑套6上面，导向柱19通过导向套20套装在外支撑套6上，导向柱19上端固定在下支撑板12下底面上，内滑套5通过风轮中心轴2上的导向键23套装在风轮中心轴2上，内滑套5与外支撑套6之间安装有双向推力轴承21和转动轴承22组件，液压缸3固定在风轮中心轴2上，并处于变桨距系统的下部，油管1与下方的液压系统相连；活塞杆4利用螺母结构与其上的内滑套5底板固联。

风轮中心轴2的顶端安装有风速仪15，以获取实时风速信息并转换为风速信号，通过PLC控制器控制液压传动系统，当风速超过预设值时，为变桨距系统提供动力驱动实现风轮叶板的变桨距动作，而当风速低于预设值时，提供反向动力使叶板回复至正常运转位置。

本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置主要通过以下方式实现，所述发电装置在自然环境下运转时，风轮转速随环境风速的变化而变化，安装于垂直轴风轮组件上端的风速仪15获取实时风速值并转换为风速信号，风速信号通过PLC控制单元提供给液压传动系统，如在环境风速低于而定工作风速（如25m/s）范围时，风轮叶板处于正常工位，可形成较大的风轮掠风面积，以获得较高的风能吸收率，同时，风轮叶板之间互相形成导流内腔，导引气流从内腔通过并驱动风轮叶板产生二次驱动，进而提高风能利用率，此时，变桨距系统处于非工作状态，内滑套5因活塞杆4处于静止状态而不动，外支撑套6和与其相连的连杆8、复合滑块11、下支撑板12、风轮叶板14、上支撑板16均通过各自的轴承组件，同步绕风轮中心轴2转动，将风能转化为风轮转动动能；发电机定子17固定在风轮中心轴2上，下支撑板12通过连接法兰盘9驱动发电机转子18同步转动，产生旋转磁场切割发电机定子绕组产生电能。

当环境风速超过发电机额定风速值（如25m/s）时，PLC控制单元接收风速仪15产生的风速信号，发送控制信号给液压传动系统，此时油管1输油使活塞杆4向上运动，驱动与其固联的内滑套5沿风轮中心轴2上的导向键23向上运动，内滑套5的向上运动通过双向推力轴承21驱动外支撑套6向上运动，外支撑套6在竖直面上通过支撑套固定铰7、连杆8、垂直固定铰10驱动复合滑块11沿下支撑板12上开的直线滑槽30向外滑动；导向柱19上端固定在下支撑板下面，下端通过导向套20套装在外支撑套6上，使外支撑套6驱动复合滑块11的直线滑动全程保持在一个相对平面内。

当复合滑块11向外滑动时，其上安装的水平固定铰27在水平面上通过与其连接的水平连杆28，使活动铰26的销轴穿过下支撑板12上的圆弧滑槽29，活动铰26的销轴通过套筒24、轴承25与风轮叶板14相连，从而使得当复合滑块11向外滑动时，风轮叶板14以叶板支撑轴13为转动中心，以叶板支撑轴13中心至活动铰26中心的距离为转动半径，沿圆弧滑槽进行转动，在活塞杆4驱动内滑套5向上运动从而带动复合滑块11使得风轮叶板14绕叶板支撑轴13旋转的过程中，风轮叶板14仍然依靠叶板支撑轴13安装在下支撑板12上，并通过与下支撑板12相连的复合滑块11、连杆8、与连杆8相连的外支撑套6，利用安装在外支撑套6与内滑套5之间的转动轴承22组件，使风轮叶板14绕风轮中心轴2转动，即在活塞杆4实施变桨距驱动过程中，风轮叶板14的运动为其绕叶板支撑轴13的转动和其绕风轮中心轴2的转动的复合运动。

每片风轮叶板均具有相同的叶板支撑轴和上述的变桨距系统，每套变桨距系统随各自的风轮叶板沿风轮中心轴2均布，并均连接在外支撑套6上，每套变桨距系统从外支撑套6上获取动力输入并传递到各自机构中，当液压缸3通过活塞杆4驱动每套变桨距系统，使得各个风轮叶片在绕风轮中心轴2公转的同时，能够绕叶板支撑轴13自身转动，每片风轮叶板转动至风轮中心轴附近并互相靠拢，风轮总掠风面积减小，降低了风能吸收率，叶板之间导流内腔的区域也同时减小，阻止气流从内腔流过，增大了风轮的涡流损失，从而降低风轮的转速。

当风轮叶板处于近风轮中心轴位置，且环境风速由恶劣状况（如风速值大于25m/s）降低到允许工作风速范围内时，PLC控制单元接收风速仪15产生的风速信号，发送信号给液压传动系统，系统控制油管1反向供油使活塞杆4向下运动，活塞杆4带动内滑套5，通过双向推力轴承21带动外滑套6向下运动，外滑套6通过连杆8使复合滑块11向内滑动，复合滑块11通过其上安装的水平固定铰27、连杆28、活动铰29，带动风轮叶板14绕其叶板支撑轴13反向旋转，回复至正常工作位置，以高转速和高风能利用率驱动永磁发电机运转，风轮复位动作为前述变桨距动作的反向运动，图3中实线状态的风轮叶板为过载保护状态下的工作位置，虚线为风轮叶板正常工作时所处位置。

本发明垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置的变桨距系统原理为空间连杆组合机构，如图4所示，机构中心轴为Z轴，在垂直平面XOZ内，布置有双滑块机构，内滑套5与外支撑套6构成主动滑块，由液压缸提供上下方向的往复直线运动，复合滑块11为从动件，将主动滑块的上下往复直线运动转换为水平方向的内外往复直线运动，垂直平面XOZ内双滑块机构的输出构件即复合滑块11又在水平面XOY内串联一个曲柄滑块机构，该机构中，曲柄31为从动件，将复合滑块11的内外往复直线运动转换为以叶板支撑轴13为转动中心，叶板支撑轴13中心至活动铰26中心为半径的往复回转运动；该机构为一空间连杆串联组合机构，在非工作状态时，与相连的风轮叶板同步绕风轮中心轴旋转，在进行变桨距动作时，由主动滑块提供运动，转换为曲柄31的往复转动，此时活动铰26连接风轮叶板，带动风轮叶板绕叶板支撑轴13转动，同时，该机构在导向柱19及转动轴承22的作用下，仍然随同风轮叶板绕中心轴转动。

本发明通过为垂直轴风轮的每个叶板设置杆组式变桨距机构，利用风速仪采集的风速信号，通过PLC控制单元控制液压回路，驱动风轮叶板绕其支撑轴做往复回转运动，使得风速检测值超过预设阈值时，各风轮叶板内旋以降低风轮掠风面积，降低风轮的风能吸收率，同时减小导流内腔容积，阻止风能进入风轮内腔产生二次驱动，从而达到再次降低风轮转速的目的；而当风速值回复到允许范围内时，风轮叶板外旋到达正常运转位置，回复至正常转速驱动永磁发电机运转。

本发明未叙述部分为现有技术。

Claims (10)

1.垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，包括套装在风轮中心轴（2）上的下支撑板（12）、上支撑板（16）与位于上、下支撑板之间的风轮叶板（14），发电机转子与下支撑板（12）固定连接，定子固定在风轮中心轴（2）上，其特征在于：上、下支撑板之间还设有叶板支撑轴（13），风轮叶板（14）安装在叶板支撑轴（13）上并可绕其旋转，风轮中心轴（2）上设有可调节风轮叶板（14）工作位置的变桨距系统。

2.如权利要求1所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述变桨距系统包括双滑块机构与曲柄滑块机构，双滑块机构包括内滑套（5）、外支撑套（6）、固定铰（7）、连杆（8）、固定铰（10），曲柄滑块机构包括活动铰（26）、水平固定铰（27）、水平连杆（28），双滑块机构与曲柄滑块机构共用复合滑块（11），外支撑套（6）通过内滑套（5）套在风轮中心轴（2）上，连杆（8）一端通过支撑套固定铰（7）与外支撑套（6）铰接，另一端通过垂直固定铰（10）铰接在复合滑块（11）上；水平连杆（28）一端通过水平固定铰（27）与复合滑块（11）铰接，另一端与活动铰（26）连接。

3.如权利要求1或2所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述变桨距系统的内滑套（5）通过导向键（23）固定在风轮中心轴（2）上，内滑套（5）与外支撑套（6）之间装有双向推力轴承（21）与转动轴承（22）。

4.如权利要求1所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述下支撑板（12）上设有圆弧滑槽（29）与直线滑槽（30）。

5.如权利要求1或2所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述复合滑块（11）设在直线滑槽（30）内并可沿直线滑槽（30）延伸方向滑动。

6.如权利要求1或2所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述变桨距系统的活动铰（26）上固定有销轴，销轴顶端与风轮叶板（14）上的销轴孔间隙配合，销轴上固定有轴承（25），轴承（25）设置圆弧滑槽（29）内并可沿其延伸方向滚动，轴承（25）上方设有套筒（24）。

7.如权利要求1或2或3所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述风轮中心轴（2）上还设有液压缸（3），液压缸（3）位于外支撑套（6）的下方，液压缸（3）上的活塞杆（4）与内滑套（5）固定连接。

8.如权利要求1所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：导向柱（19）一端通过导向套（20）套装在外支撑套上，另一端与下支撑板（12）固定连接。

9.如权利要求1或2或3所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：所述风轮中心轴（2）的顶端安装有风速仪（15）。

10.如权利要求1所述的垂直轴风轮连杆组合变桨距风力发电装置，其特征在于：该发电装置还设有能够接收风速仪（15）信号并控制变桨距系统的PLC控制单元。

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