CN104533707A - 实现高功率的垂直轴风力发电结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电领域，公开了一种实现高功率的垂直轴风力发电结构。所述实现高功率的垂直轴风力发电结构，配置有上下两层风轮结构和双转子结构，通过反转箱装置的反向作用，最终实现双转子结构中转子线圈和转子磁极异向旋转发电。相比较于单风轮结构，由于双层风轮结构可以提升一倍的扫风面积，所述风力发电结构可以提高输出功率，并降低可用最低风速，具有更广的应用场景。

Description

实现高功率的垂直轴风力发电结构

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种实现高功率的垂直轴风力发电结构。

背景技术

风力发电是一种把气体流动的动能转变为电能的过程，其工作原理是利用气体流动的风力驱动风轮叶片旋转，再利用增速装置提升旋转速度，驱动发电机发电。根据目前的风力发电技术，即使风速只有每秒3米的微风也可以用于风力发电，应用场景广泛。同时由于风能为可再生能源，并且风力发电不会造成辐射或空气污染，因此风力发电成为当今能源行业的新宠儿。

现有风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，其中垂直轴风力发电机的基本结构为支柱，发电机舱和风轮结构，风轮结构旋转的轴心线与地面垂直。所述发电机舱多为单转子和单定子发电机，通过单风轮结构驱动单转子线圈或单转子磁极发电。但是目前单风轮垂直轴发电机的叶片大小不宜过大，从而使得输出功率受到限制，有必要近一步提高输出功率，并降低可用最低风速。

针对上述目前垂直轴风力发电机的功率受限的问题，需要提供一种新型的垂直轴风力发电结构，能够有效的提升垂直轴风力发电结构的输出功率，并可以降低可用最低风速，从而具有更广的应用前景。

发明内容

针对上述目前垂直轴风力发电机的功率受限的问题，本发明提供了一种实现高功率的垂直轴风力发电结构，可以有效的提升垂直轴风力发电结构的输出功率，并且可以降低可用最低风速，从而具有更广的应用场景。

本发明采用的技术方案，提供了一种实现高功率的垂直轴风力发电结构，包括圆形支柱，连接在圆形支柱中部的发电机舱，其特征在于，还包括：下层风轮结构和上层风轮结构；所述下层风轮结构包括第一慢速转轴，水平安装在第一慢速转轴上的第一支撑翼，安装在支撑翼上的至少三个第一叶片；所述上层风轮结构包括第二慢速转轴，水平安装在第二慢速转轴上的第二支撑翼,安装在支撑翼上的至少三个第二叶片；所述发电机舱包括第一齿轮箱，第一快速转轴,第一转子,第二转子,第二快速转轴,第二齿轮箱,反转轴和反转箱；第一慢速转轴内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱的下部，第一慢速转轴连接第一齿轮箱，第一齿轮箱连接第一快速转轴,第一快速转轴连接第一转子；第二慢速转轴内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱的上部，第二慢速转轴连接反转箱，反转箱连接反转轴,反转轴连接第二齿轮箱，第二齿轮箱连接第二快速转轴，第二快速转轴连接第二转子。所述风力发电结构配置有两层风轮结构和双转子结构，通过两层风轮结构对风能进行采集，可以提高风能的采集功率。同时两层风轮结构分别驱动双转子结构中的转子线圈和转子磁极，虽然两层风轮结构在同向风作用下其旋转方向相同，但是由于上层风轮结构通过一个反转箱装置间接连接于第二转子，经过反转箱装置的反向作用最终使得转子线圈和转子磁极异向旋转，从而可以合成上下层风轮结构采集的风能，并转化为电能形式输出，实现风力发电机输出功率的提升。由于转子线圈和转子磁极异向旋转，同等风力下的两个转子的相对转速可提升近一倍，所述风力发电结构还助于降低可用最低风速。

具体的，所述第一转子为转子线圈，第二转子为转子磁极；或者，所述第一转子为转子磁极，第二转子为转子线圈。

具体的，所述反转箱包括第一蜗杆，蜗轮和第二蜗杆；所述蜗轮一侧的轮齿与第一蜗杆的螺纹齿配合，蜗轮另一侧的轮齿与第二蜗杆的螺纹齿配合；第一蜗杆与第二慢速转轴连接，第二蜗杆与反转轴连接，第一蜗杆与蜗轮的轴线夹角为90度，第二蜗杆与蜗轮的轴线夹角为90度，第一蜗杆的螺纹齿旋转方向与第二蜗杆的螺纹齿旋转方向相反。第一蜗杆为左旋蜗杆，第二蜗杆为右旋蜗杆；或者，第一蜗杆为右旋蜗杆，第二蜗杆为左旋蜗杆。所述反转箱通过蜗杆和蜗轮的配合，使反转轴的旋转方向与第二慢速轴的旋转方向相反，进而驱动第二转子，实现转子线圈和转子磁极的异向旋转。

具体的，下层风轮结构包括3至8个第一叶片；和/或，上层风轮结构包括3至8个第二叶片。所述第一叶片为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种；和/或，所述第二叶片为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种。

综上，采用本发明所述提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构，配置有上下两层风轮结构和双转子结构，通过反转箱装置的反向作用，最终实现双转子结构中转子线圈和转子磁极异向旋转发电。相比较于单风轮结构，由于双层风轮结构可以提升一倍的扫风面积，所述风力发电结构可以提高输出功率，并降低可用最低风速，具有更广的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构的侧面图。

图2是本发明实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构的俯视图。

图3是本发明实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构中发电机舱的内部结构图。

图4是本发明实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构中反转箱的结构示意图。

上述附图中：1、圆形支柱 2、发电机舱 2a、第一齿轮箱 2b、第一快速转轴 2c、第一转子 2d、第二转子 2e、第二快速转轴 2f、第二齿轮箱 2g、反转轴 3、下层风轮结构 3a、第一慢速转轴 3b、第一支撑翼 3c、第一叶片 4、上层风轮结构 4a、第二慢速转轴 4b、第二支撑翼 4c、第二叶片 5、反装箱 5a、第一蜗杆 5b、蜗轮 5c、第二蜗杆。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中描述的各种技术可以用于但不限于风力发电领域，还可以用于其它诸如水力发电、潮汐发电等类似领域。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“或/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A或/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一，图1示出了本实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构的结构图，图2示出了本实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构的俯视图，图3示出了本实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构中发电机舱的内部结构图，图4示出了本实施例提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构中反转箱的结构示意图。所述实现高功率的垂直轴风力发电结构，包括圆形支柱1，连接在圆形支柱1上中部的发电机舱2，其特征在于，还包括：下层风轮结构3和上层风轮结构4；所述下层风轮结构3包括第一慢速转轴3a，水平安装在第一慢速转轴3a上的第一支撑翼3b，安装在支撑翼3b上的至少三个第一叶片3c；所述上层风轮结构4包括第二慢速转轴4a，水平安装在第二慢速转轴4a上的第二支撑翼4b,安装在支撑翼3b上的至少三个第二叶片4c；所述发电机舱2包括第一齿轮箱2a，第一快速转轴2b,第一转子2c,第二转子2d,第二快速转轴2e,第二齿轮箱2f,反转轴2g和反转箱5；第一慢速转轴3a内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱1的下部，第一慢速转轴3a连接第一齿轮箱2a，第一齿轮箱2a连接第一快速转轴2b,第一快速转轴2b连接第一转子2c；第二慢速转轴4a内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱1的上部，第二慢速转轴4a连接反转箱5，反转箱5连接反转轴2g,反转轴2g连接第二齿轮箱2f，第二齿轮箱2f连接第二快速转轴2e，第二快速转轴2e连接第二转子2d。所述风力发电结构配置有两层风轮结构和双转子结构，通过两层风轮结构对风能进行采集，提高风能的采集功率。同时两层风轮结构分别驱动双转子结构中的转子线圈和转子磁极，虽然两层风轮结构在同向风作用下其旋转方向相同，但是由于上层风轮结构4通过一个反转箱装置间接连接于第二转子2d，经过反转箱装置的反向作用最终使得转子线圈和转子磁极异向旋转，例如在下层风轮结构3和上层风轮结构4均为顺时针旋转时，反装箱5可使反转轴2g逆时针旋转，最后通过动能传递实现第一转子2c顺时针旋转，第二转子2d逆时针旋转，从而可以合成上下层风轮结构采集的风能，并转化为电能形式输出，实现风力发电机输出功率的提升。由于转子线圈和转子磁极异向旋转，同等风力下的两个转子的相对转速可提升近一倍，所述风力发电结构还助于降低可用最低风速。此外，本实施例中的第一齿轮箱2a和第二齿轮箱2f用于提高旋转速度，利于将风能转换为电能。

具体的，所述第一转子2c为转子线圈，第二转子2d为转子磁极；或者，所述第一转子2c为转子磁极，第二转子2d为转子线圈。第一转子2c和第二转子互为线圈和磁极结构，线圈切割磁极产生的磁感线，从而将动能转化为电能，是发电机的核心部件，作为优化的，在实施例中，第一转子2c为转子线圈，第二转子2d为转子磁极。

具体的，所述反转箱5包括第一蜗杆5a，蜗轮5b和第二蜗杆5c；所述蜗轮5b一侧的轮齿与第一蜗杆5a的螺纹齿配合，蜗轮5b另一侧的轮齿与第二蜗杆5c的螺纹齿配合；第一蜗杆5a与第二慢速转轴4c连接，第二蜗杆5c与反转轴2g连接，第一蜗杆5a与蜗轮5b的轴线夹角为90度，第二蜗杆5a与蜗轮5b的轴线夹角为90度，第一蜗杆5a的螺纹齿旋转方向与第二蜗杆5c的螺纹齿旋转方向相反。所述反转箱5通过蜗杆和蜗轮的配合，使反转轴2g的旋转方向与第二慢速轴4c的旋转方向相反，进而驱动第二转子2d，实现转子线圈和转子磁极的异向旋转。进一步具体的，所述第一蜗杆5a为左旋蜗杆，第二蜗杆5c为右旋蜗杆；或者，第一蜗杆5a为右旋蜗杆，第二蜗杆5c为左旋蜗杆。第一蜗杆5a的螺纹升角大于30度且不大于60度；或者，第二蜗杆5c的螺纹升角大于30度且不大于60度。如图4所示的蜗杆和蜗轮配合结构，所述第一蜗杆5a为左旋蜗杆，第二蜗杆5c为右旋蜗杆。当第二慢速转轴4c左向旋转时，第一蜗杆5a左旋并通过与蜗轮的螺纹齿配合作用驱动蜗轮5b顺时针旋转，蜗轮5b同样通过与第二蜗杆5c的螺纹齿配合作用驱动第二蜗杆5c右旋，最终实现反向旋转并输出给反转轴2g。此外，通过改变第一蜗杆5a和第二蜗杆5c的螺纹升角大小可以提高或降低反转轴2g的反向旋转速度，作为优化的，本实施例中，第一蜗杆5a和第二蜗杆5c的螺纹升角均为45度，第二慢速转轴4c和反转轴2g的旋转方向相反，但旋转速度相同。

具体的，所述下层风轮结构3包括3至8个第一叶片3c；和/或，上层风轮结构4包括3至8个第二叶片4c。所述下层风轮结构3的叶片数目与上层风轮结构4的叶片数目可以相同，也可以不同，作为优化的，在本实施例中，如图2所示，下层风轮结构3包括5个第一叶片3c,上层风轮结构4包括5个第二叶片4c。

具体的，所述第一叶片3c为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种；和/或，所述第二叶片4c为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种。所述第一叶片3c和第二叶片4c的叶片类型可以相同，也可以不同。特别的，由于垂直轴风轮对风流的影响，部分风向上流动和/或向下流动，所述双层结构还可以使上层风轮结构4可以采集经过下层风轮结构3且未被下层风轮结构3采集的部分风能，使下层风轮结构3可以采集经过上层风轮结构4且未被上层风轮结构4采集的部分风能，可提高风能的采集效率和转化为电能的效率。例如，当第一叶片3c为升力叶片时，可使流经下层风轮结构3的风部分向上流动，同向旋转的上层风轮结构4可以采集经过下层风轮结构3且未被下层风轮结构3采集的部分风能；同样的，当第二叶片4c为降力叶片时，可使流经上层风轮结构4的风部分向下流动，同向旋转的下层风轮结构3采集经过上层风轮结构4且未被上层风轮结构4采集的部分风能，从而还可以提高风能采集效率。作为优化的，本实施例中，第一叶片3c为升力叶片，第二叶片4c为降力叶片，可进一步提高风能的采集效率和转化为电能的效率。

上述提供的实现高功率的垂直轴风力发电结构，配置有上下两层风轮结构和双转子结构，并通过反转箱装置的反向作用，最终实现双转子结构中转子线圈和转子磁极异向旋转发电。相比较于单风轮结构，由于双层风轮结构可以提升一倍的扫风面积，所述风力发电结构可以提高输出功率，并降低可用最低风速，具有更广的应用场景。

如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的实现高功率的垂直轴风力发电结构并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种实现高功率的垂直轴风力发电结构，包括圆形支柱（1），连接在圆形支柱（1）中部的发电机舱（2），其特征在于，还包括：下层风轮结构（3）和上层风轮结构（4）；

   所述下层风轮结构（3）包括第一慢速转轴（3a），水平安装在第一慢速转轴（3a）上的第一支撑翼（3b），安装在支撑翼（3b）上的至少三个第一叶片（3c）；

   所述上层风轮结构（4）包括第二慢速转轴（4a），水平安装在第二慢速转轴（4a）上的第二支撑翼（4b）,安装在支撑翼（3b）上的至少三个第二叶片（4c）；

   所述发电机舱（2）包括第一齿轮箱（2a），第一快速转轴（2b）,第一转子（2c）,第二转子（2d）,第二快速转轴（2e）, 第二齿轮箱（2f）,反转轴（2g）和反转箱（5）；

   第一慢速转轴（3a）内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱（1）的下部，第一慢速转轴（3a）连接第一齿轮箱（2a），第一齿轮箱（2a）连接第一快速转轴（2b）,第一快速转轴（2b）连接第一转子（2c）；

   第二慢速转轴（4a）内部设置为圆形中空结构，套在圆形支柱（1）的上部，第二慢速转轴（4a）连接反转箱（5），反转箱（5）连接反转轴（2g）,反转轴（2g）连接第二齿轮箱（2f），第二齿轮箱（2f）连接第二快速转轴（2e），第二快速转轴（2e）连接第二转子（2d）。

2.如权利要求1所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

   所述第一转子（2c）为转子线圈，第二转子（2d）为转子磁极；

   或者，所述第一转子（2c）为转子磁极，第二转子（2d）为转子线圈。

3.如权利要求1所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

   所述反转箱（5）包括第一蜗杆（5a），蜗轮（5b）和第二蜗杆（5c）；

   所述蜗轮（5b）一侧的轮齿与第一蜗杆（5a）的螺纹齿配合，蜗轮（5b）另一侧的轮齿与第二蜗杆（5c）的螺纹齿配合；

   第一蜗杆（5a）与第二慢速转轴（4c）连接，第二蜗杆（5c）与反转轴（2g）连接，第一蜗杆（5a）与蜗轮（5b）的轴线夹角为90度，第二蜗杆（5a）与蜗轮（5b）的轴线夹角为90度，第一蜗杆（5a）的螺纹齿旋转方向与第二蜗杆（5c）的螺纹齿旋转方向相反。

4.如权利要求3所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

   第一蜗杆（5a）为左旋蜗杆，第二蜗杆（5c）为右旋蜗杆；

   或者，第一蜗杆（5a）为右旋蜗杆，第二蜗杆（5c）为左旋蜗杆。

5.如权利要求3所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

   第一蜗杆（5a）的螺纹升角大于30度且不大于60度；

   或者，第二蜗杆（5c）的螺纹升角大于30度且不大于60度。

6.如权利要求1所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

下层风轮结构(3)包括3至8个第一叶片(3c)；

和/或，上层风轮结构（4）包括3至8个第二叶片（4c）。

7.如权利要求1所述的实现高功率的垂直轴风力发电结构，其特征在于，包括：

   所述第一叶片(3c)为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种；

和/或，所述第二叶片（4c）为阻力叶片、升力叶片和降力叶片中的任一一种。