CN103184978B - 一种平衡式垂直轴风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种平衡式垂直轴风力发电机组，包括立柱、风叶驱动总成及其风轮组和垂直立轴回转系统，垂直立轴回转系统设有外转子永磁发电机、上立柱和稳定轮；外转子永磁发电机的内定子下轴固接于立柱上部；上立柱一端部与外转子永磁发电机的外转子上端盖连接，且固接设有第一连接件；上支架一端部与第一连接件固接，另一端与升力型叶片上部固接；中支架一端部与外转子永磁发电机的外转子上端盖连接，另一端部与升力型叶片中部固接；下支架一端部通过第二连接件与外转子永磁发电机的外转子下端盖连接，另一端部与升力型叶片下部固接；稳定轮与第二连接件下端相接，且其转动部设于立柱旁侧。具有能够提高稳定性及平衡性，且结构简单、综合成本低、易于维护的特点。

Description

一种平衡式垂直轴风力发电机组

技术领域

[0001] 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风力发电机组。

背景技术

[0002] 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，对于风力发电的研宄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%。

[0003] 现有技术中，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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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微小型风力发电机组市场的推广应用。

[0009] 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中型风力发电机组市场的推广应用的垂直轴风力发电机组的技术显得尤为重要。

发明内容

[0010] 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，且结构简单、综合成本低、易于维护的垂直轴风力发电机组。

[0011] 本发明的目的通过以下技术方案实现:

[0012] 提供一种平衡式垂直轴风力发电机组，包括有下立柱以及位于所述下立柱上的风叶驱动总成，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于所述垂直立轴回转系统的两个或者两个以上的风叶支架，所述风叶支架包括有上支架、中支架和下支架，

[0013] 所述垂直立轴回转系统设置有外转子永磁发电机、上立柱和稳定轮；

[0014] 所述外转子永磁发电机的与内定子相连的下轴固定连接于所述下立柱上部；

[0015] 所述上立柱一端部与所述外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，所述上立柱固定连接设置有第一连接件；

[0016] 所述上支架一端部与所述第一连接件固定连接，所述上支架另一端与所述升力型叶片的上部固定连接；

[0017] 所述中支架一端部与所述外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，所述中支架另一端部与所述升力型叶片的中部固定连接；

[0018] 所述下支架一端部通过第二连接件与所述外转子永磁发电机的与外转子相连的下端盖连接，所述下支架另一端部与所述升力型叶片的下部固定连接；

[0019] 所述稳定轮与所述第二连接件的下端相接，并且所述稳定轮的转动部设置于所述下立柱旁侧。

[0020] 其中，所述上支架、所述中支架、所述下支架分别与所述升力型叶片的固定连接处均匀分布、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。

[0021] 其中，所述上支架、所述中支架和所述下支架相互平行设置。

[0022] 其中，所述上支架一端部、所述中支架一端部、所述下支架一端部分别与所述升力型叶片焊接连接。

[0023] 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，所述第二连接件的一端所述法兰部与所述下端盖连接，所述第二连接件另一端所述法兰部分别与所述下支架和所述稳定轮连接。

[0024] 其中，所述升力型叶片的上部和/或下部设置有延伸部。

[0025] 其中，所述上端盖设置有与所述上立柱同轴线的短轴，所述上立柱与所述短轴通过法兰连接。

[0026] 其中，所述上立柱上端部设置有灯柱。

[0027] 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。

[0028] 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。

[0029] 本发明的有益效果:

[0030] 一种平衡式垂直轴风力发电机组，由于包括有下立柱以及位于下立柱上的风叶驱动总成，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于垂直立轴回转系统的两个或者两个以上的风叶支架，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外转子永磁发电机、上立柱和稳定轮；外转子永磁发电机的与内定子相连的下轴固定连接于下立柱上部；上立柱一端部与外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，上立柱固定连接设置有第一连接件；上支架一端部与第一连接件固定连接，上支架另一端与升力型叶片的上部固定连接；中支架一端部与外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，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外转子永磁发电机的与外转子相连的下端盖连接，下支架另一端部与升力型叶片的下部固定连接；稳定轮与第二连接件的下端相接，并且稳定轮的转动部设置于下立柱旁侧。

[0031] 由此，通过采用中支架承重，同时以上支架、中支架和下支架约束升力型叶片，上支架和下支架位于中支架的两侧，且对应与外转子永磁发电机的外转子连接，使得升力型叶片在高速运转时，上支架和下支架能够提供必要的约束，并且使升力型叶片的上部和下部受力平衡，以同步驱动外转子永磁发电机的外转子并输出电流，从而提高了系统稳定性及平衡性，而稳定轮的设置能够提高风力发电机的抗摆性能，使风力发电机组运行平稳；与此同时，还精简了零部件，降低了制造成本，且便于安装及维护。

附图说明

[0032] 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。

[0033] 图1是本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组的结构示意图。

[0034] 图2是图1中的“A——A”结构示意图。

[0035] 图3是本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组的稳定轮部分的局部放大结构示意图。

[0036] 在图1、图2、图3中包括有:

[0037] I——下立柱、2——上支架、3——中支架、4——下支架、

[0038] 5--外转子永磁发电机、6--升力型叶片、7--延伸部、8--灯柱、

[0039] 9--上立柱、10--第一连接件、11--第二连接件、12--稳定轮、

[0040] 121--稳定轮支架、122--滚轮、123--轴承。

具体实施方式

[0041] 结合以下实施例对本发明作进一步详细描述:

[0042] 实施例1

[0043] 本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1、图2和图3所示:

[0044] 包括有下立柱I以及位于下立柱I上的风叶驱动总成，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6和对应设置于垂直立轴回转系统的两个或者两个以上的风叶支架，风叶支架包括有上支架2、中支架3和下支架4，其中:

[0045] 垂直立轴回转系统设置有外转子永磁发电机5、上立柱9和稳定轮12 ;

[0046] 外转子永磁发电机5的与内定子相连的下轴固定连接于下立柱I上部；

[0047] 上立柱9 一端部与外转子永磁发电机5的与外转子相连的上端盖连接，上立柱9固定连接设置有第一连接件10 ;

[0048] 上支架2 —端部与第一连接件10固定连接，上支架2另一端与升力型叶片6的上部固定连接；

[0049] 中支架3 —端部与外转子永磁发电机5的与外转子相连的上端盖连接，中支架3另一端部与升力型叶片6的中部固定连接；

[0050] 下支架4 一端部通过第二连接件11与外转子永磁发电机5的与外转子相连的下端盖连接，下支架4另一端部与升力型叶片6的下部固定连接；

[0051] 稳定轮12与第二连接件11的下端相接，并且稳定轮的11转动部设置于下立柱旁侧。

[0052] 通过采用中支架3承重，同时以上支架2、中支架3和下支架4约束升力型叶片6，上支架2和下支架4位于中支架3的两侧，且对应与外转子永磁发电机的外转子连接，使得升力型叶片6在高速运转时，上支架2和下支架4能够提供必要的约束，并且使升力型叶片6的上部和下部受力平衡，以同步驱动外转子永磁发电机5的外转子并输出电流，从而提高了系统稳定性及平衡性，而稳定轮12的设置能够提高风力发电机的抗摆性能，使风力发电机组运行平稳；与此同时，还精简了零部件，降低了制造成本，且便于安装及维护。

[0053] 具体的，上支架2、中支架3、下支架4可以分别与升力型叶片6的固定连接处均匀分布、等距设置，且中支架3与升力型叶片6连接处位于升力型叶片6的水平中心线。以使上支架2、中支架3和下支架对升力型叶片6的约束更加均匀，使升力型叶片6运行更为平

It, O

[0054] 而且，上支架2、中支架3和下支架4还可以相互平行设置。以便于安装定位。

[0055] 具体的，上支架2 —端部、中支架3 —端部、下支架4 一端部分别与升力型叶片6焊接连接。采用焊接连接结构，固定性能更好。

[0056] 具体的，第二连接件11可以设置为套筒结构的第二连接件11，第二连接件11两端设置有法兰部，第二连接件11的一端法兰部与外转子永磁发电机5的与外转子相连的下端盖连接，第二连接件11另一端法兰部分别与下支架4和稳定轮12连接。

[0057] 当升力型叶片6受力转动，带动上支架2、中支架3和下支架4转动，一起驱动外转子永磁发电机5的外转子转动切割磁力线，驱动外转子永磁发电机5运转输出电流。

[0058] 实施例2

[0059] 本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图1和图2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6的上部和/或下部设置有延伸部7。上部和/或下部都增加延伸部7，以提高升力型叶片6的受风受力面积，提高发电效率，特别是升力型叶片6的下部设置有延伸部7，可以使升力型叶片6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。

[0060] 具体的，升力型叶片6的上部和下部均可以设置有延伸部7。

[0061] 而且，延伸部7还可以设置为长度大于或者等于上支架2与中支架3、中支架3与下支架4位于与升力型叶片6连接处之间的间距。以进一步提高升力型叶片的受风受力面积，提高发电效率，特别是升力型叶片的下部设置有较长的延伸部可以使升力型叶片的重心进一步下降，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。

[0062] 具体的，升力型叶片可以设置为横截面呈翼型形状的升力型叶片。以使升力型叶片的流体性能更好，阻力更小，运转效率更高。

[0063] 实施例3

[0064] 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:外转子永磁发电机5的上端盖可以设置有与上立柱9同轴线的短轴，上立柱9与短轴通过法兰连接。以便于安装上立柱。

[0065] 具体的，上立柱9上端部还可以设置有灯柱8。以利于能够广泛应用于路灯，航标灯，河道导航，高空警示灯等照明或者警示场合。使之更为节能环保，应用范围更广。

[0066] 实施例4

[0067] 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基本相同，在本实施例中未作解释的特征，采用实施例I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:中支架3的厚度大于或者等于上支架2的厚度和/或下支架4的厚度。

[0068] 具体的，上支架2的厚度和下支架4的厚度设置为相同，中支架3的厚度设置为上支架2的厚度或者下支架4的厚度的1.5倍。由于中支架3起到主要的承重作用，因此设置中支架3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。

[0069] 实施例5

[0070] 本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组，如图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:稳定轮12包括有稳定轮支架121、滚轮122和轴承123，稳定轮支架121与第二连接件11的下端固定连接，轴承123内圈与稳定轮支架121的轴承轴连接，轴承123外圈与滚轮的轴承孔连接，滚轮122外圆周与下立柱I在正常工况相离，滚轮外圆周与下立柱I在侧风突变工况相触。

[0071] 具体的，滚轮122可以设置为弹性滚轮。

[0072] 具体的，滚轮122还可以设置为橡胶或者聚酯材料制成的弹性滚轮。

[0073] 在正常工况时，滚轮的外圆周与下立柱相离，保持正常旋转；在侧风突变工况时，滚轮的外圆周与下立柱相触，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。

[0074] 本发明的一种平衡式垂直轴风力发电机组可以满足风力发电机运行外界条件的国际标准:

[0075] 1、最高风速为55m/s，高寒地区为40m/s ；

[0076] 2、机组正常运行的温度范围为_20°C〜+50°C，高寒地区为_25°C〜+45°C ；

[0077] 3、机组运彳丁的最尚海拔为4000m ；

[0078] 4、相对湿度为95%;

[0079] 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 (9)

1.一种平衡式垂直轴风力发电机组，包括有下立柱以及位于所述下立柱上的风叶驱动总成，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于所述垂直立轴回转系统的两个或者两个以上的风叶支架，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外转子永磁发电机、上立柱和稳定轮； 所述外转子永磁发电机的与内定子相连的下轴固定连接于所述下立柱上部； 所述上立柱一端部与所述外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，所述上立柱固定连接设置有第一连接件； 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外转子永磁发电机的与外转子相连的上端盖连接，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外转子永磁发电机的与外转子相连的下端盖连接，所述下支架另一端部与所述升力型叶片的下部固定连接； 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； 所述稳定轮与所述第二连接件的下端相接，并且所述稳定轮的转动部设置于所述下立柱旁侧。

2.根据权利要求1所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，其特征在于:所述上支架、所述中支架、所述下支架分别与所述升力型叶片的固定连接处等距设置，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3所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，其特征在于:所述上支架一端部、所述中支架一端部、所述下支架一端部分别与所述升力型叶片焊接连接。

5.根据权利要求4所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，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，所述第二连接件的一端所述法兰部与所述下端盖连接，所述第二连接件另一端所述法兰部分别与所述下支架和所述稳定轮连接。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，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。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，其特征在于:所述上端盖设置有与所述上立柱同轴线的短轴，所述上立柱与所述短轴通过法兰连接。

8.根据权利要求7所述的一种平衡式垂直轴风力发电机组，其特征在于:所述上立柱上端部设置有灯柱。

9.根据权利要求1至5任意一项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固定连接，所述轴承的内圈与所述稳定轮支架的轴承轴连接，所述轴承的外圈与所述滚轮的轴承孔连接，所述滚轮的外圆周与所述下立柱在正常工况相离，所述滚轮的外圆周与所述下立柱在侧风突变工况相触。