CN104564530A - 升阻结合型垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种升阻结合型垂直轴风力发电机。包括风轮、塔杆和发电机，风轮由轮毂、横臂、桨叶构成，轮毂安装在塔杆上，轮毂的下端通过传动机构将转动力矩传递给发电机，轮毂上端安装伺服电机，上横臂端部安装双向丝杠，双向丝杠上带有左旋螺母与右旋螺母，左旋螺母和右旋螺母下端分别与左半桨叶和右半桨叶上端铰接，左半桨叶和右半桨叶下端与下横臂端部铰接，双向丝杠带有丝杠传动锥齿轮，上横臂上带有横臂传动锥齿轮，伺服电机与横臂传动锥齿轮之间设置传动机构。本发明通过改变桨叶开合形态使风力发电机同时具有升力型和阻力型风机的特点，并且可以通过主动控制避免了升力型和阻力型风机二者的缺点。适用于任何风况下风力发电场地。

Description

升阻结合型垂直轴风力发电机

技术领域

本发明涉及的是一种垂直轴风力发电机，特别是一种升阻结合型垂直轴风力发电机。

背景技术

目前的风力发电机主要分为水平轴和垂直轴两种类型。水平轴风力发电机出现较早，技术成熟，得到了广泛应用。但较大型水平轴风力发电机技术要求高，制造、运输、安装和维护难度大等形成高成本。垂直轴风力发电机具有结构简单、稳定性好、维护方便、适用范围光、成本低等特点，分为阻力型和升力型。阻力型风力发电机主要是利用气流通过叶片产生的阻力作为驱动力，启动力矩大，叶尖速比低，风能利用率低。升力型风力发电机主要是利用气流通过叶片产生的升力作为驱动力，启动力矩小，尖速比高，风能利用率高。

申请号为CN201220609240.8的专利文件中提出了一种叶片自动调控的升阻结合型垂直轴风力发电机。其设计目的与本发明不同，结构上包括安装在基础底座上的垂直主轴，其底座内部分连接发电机，底座上部分等夹角安装两组以上的旋臂；带转动轴的翼型叶片安装在旋臂外端；弹力曲柄连杆机构安装在旋臂上，曲柄与叶片转轴连接；叶片限位器分别安装在旋臂的内侧和外端。以上各部分构成了一个根据不同风力情况，自动对翼型叶片工作状态进行实时调节控制的风能转换装置：使处于顺风区的叶片被限位器阻挡并保持在与旋臂同一平面的位置，利用叶片风阻做功；处于逆风区的叶片被弹力曲柄连杆机构控制在特定攻角状态，利用叶片升力做功。并能将风力发电机由叶尖速比λ＜1时的升力阻力混合工作状态，自动转变为叶尖速比λ≥1时的全升力工作状态。此该技术方案虽然同样具有高效率和低风速启动的特点，但它需要测试风向，控制系统并作出相应调整，结构、控制复杂。

申请号为CN201110305300.7的专利文件中提出了双轴升阻结合式风力发电系统。其结构方案与本发明有很大区别，它是将升力型风叶的下端固定在发电机主轴上，阻力型风叶处于升力型风叶内部。阻力型风叶套在发电机主轴上，升力型风叶上端的升力型风叶轴承设置在阻力型风叶轴承的上端，阻力型风叶和升力型风叶的动力传递通过棘轮机构完成。其缺点是并不能发挥风力发电机最大效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高垂直轴风力发电机的工作风速范围和风能利用率的升阻结合型垂直轴风力发电机。

本发明的目的是这样实现的：

包括风轮、塔杆和发电机，风轮由轮毂、安装在轮毂上下两端的横臂、安装在横臂端部的桨叶构成，轮毂安装在塔杆上，轮毂的下端通过第一传动机构将转动力矩传递给发电机，所述桨叶包括通过桨叶中轴铰接的左半桨叶和右半桨叶，轮毂上端安装随轮毂转动的伺服电机，上横臂端部安装双向丝杠，双向丝杠上带有左旋螺母与右旋螺母，左旋螺母和右旋螺母下端分别与左半桨叶和右半桨叶上端铰接，左半桨叶和右半桨叶下端与下横臂端部铰接，双向丝杠的一端带有丝杠传动锥齿轮，上横臂上带有与丝杠传动锥齿轮啮合的横臂传动锥齿轮，伺服电机与横臂传动锥齿轮之间设置第二传动机构。

本发明还可以包括：

1、轮毂上端安装伺服电机安装座，伺服电机安装在伺服电机安装座上，导电滑环和伺服电机控制器设于轮毂内部，电源线和控制信号线接伺服电机。

2、所述第一传动机构包括安装在轮毂下端的轮毂传动带轮、安装在发电机轴上的发电机传动带轮、连接于轮毂传动带轮与发电机传动带轮之间的发电机传动V带。

3、所述第二传动机构为：伺服电机轴端安装的齿轮与伺服电机传动齿轮啮合、伺服电机传动齿轮安装在伺服电机安装座上并且与一小带轮同轴相连，横臂上装有与横臂传动锥齿轮同轴相连的横臂传动带轮，小带轮与横臂传动带轮之间连接横臂传动带。

本发明提供了一种主动控制的升阻结合型垂直轴风力发电机，通过改变桨叶开合形态使风力发电机同时具有升力型和阻力型风机的特点，并且可以通过主动控制避免了升力型和阻力型风机二者的缺点，优势互补。适用于任何风况下风力发电场地。

低风速时风轮处于静止状态，安装于轮毂中的有刷导电滑环与塔杆间没有相对运动，PLC伺服电机控制器接收到低转速信号，PLC伺服电机控制器向伺服电机发出正转指令，伺服电机正转通过齿轮、V带将力矩传递至横臂端头的丝杠上，此丝杠是双向丝杠(左侧左旋、右侧右旋)，丝杠上对称布置两个螺母与之配合，丝杠正转两个螺母间距增大，丝杠反转两个螺母间距减小。螺母下侧焊接有短轴，螺母通过短轴与桨叶上侧的开孔铰接，桨叶外形选取对称翼型(升力型风力发电机多数采用此种翼型，该翼型结构简单、升力大、气动性能好)，桨叶从中间面对称分为两半，并在大端头铰接，这样两半桨叶、两个螺母、双向丝杠就构成了一个开合机构。双向丝杠正转，桨叶由闭合状态渐渐打开，这时桨叶形态为C形，即使低风速其阻力矩也足以使风轮转动。

当导电滑环检测到风轮转速超过升力型风力发电机启动的最低风速时，PLC伺服电机控制器将传递给伺服电机一个反转信号，伺服电机反转带动双向丝杠反转，桨叶渐渐闭合，风力发电机由阻力型风机状态转换为升力型风机状态，最大限度提高风能利用率。

当风速很高时，升力型风力发电机可能产生失速，叶尖速比过大，翼型攻角超过最佳范围，升阻比降低，此时升力型风力发电机发电效率会大大降低，所以超过额定风速时，PLC伺服电机控制器也要发出正转信号将桨叶打开(阻力型风机由于叶片风阻大的原因，风轮旋转速度有极限转速，且这个极限转速不会太高，这也是阻力型风力发电机风能利用率低的原因)，风轮转速下降至额定转速范围内时，桨叶再重新闭合。

本发明充分利用升力型风力发电机和阻力型风力发电机各自的优点，将二者组合，通过PLC主动控制风叶形态达到最高风能利用率的目的。

本发明的意义和优点是：

本发明与已有技术不同，不是在结构上将阻力型风力发电机和升力型风力发电机简单的叠加，而是将以往的固定式桨叶变成机械结构。本发明具有以下优点：

1.能够主动控制叶片形态，使此垂直轴风力发电机既是升力型风力发电机，又是阻力型风力发电机；

2.利用阻力型风力发电机启动力矩大，启动风速低的优点，可以使风力发电机最低工作风速范围降低；

3.利用升力型风力发电机气动性能好，风能利用率高的优点，提高了整体风力发电机的能源利用率；

4.利用阻力型风力发电机高转速下阻力增大使风轮转速降低的特点，弥补升力型风力发电机在大风下转速过高难以控制的缺点，在大风下利用阻力型风力发电机形态将转速控制在额定转速范围内，比以往升力型风力发电机的抱闸减速系统更加可靠。

与以往垂直轴风力发电机相比较，本发明属于功能和结构创新，设计新颖，结构简单、可靠，控制简单，提高了垂直轴风力发电机的工作风速范围和风能利用率，实用性很强。

附图说明

图1本发明的整体轴测图；

图2本发明桨叶开合机构局部轴测图；

图3本发明桨叶打开状态轴测图；

图4本发明桨叶闭合状态轴测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的描述：

结合图1和图2，整个升阻结合型风力发电机的主要组成有：发电机1、发电机传动带轮2、发电机传动V带3、伺服电机传动齿轮4、伺服电机5、伺服电机安装座6、轮毂7、轮毂传动带轮8、塔杆9、横臂传动带10、横臂传动带轮11、横臂12、桨叶13、左半桨叶14、横臂传动锥齿轮15、丝杠传动锥齿轮16、左旋螺母17、双向丝杠18、桨叶中轴19、右旋螺母20、右半桨叶21。

结合图1至图4可知整个升阻结合型风力发电机的装配关系如下：首先塔杆9底部有加强筋，加强筋的间隙留有固定有通孔，地面打好钢筋混泥土地基后，将塔杆与地基中的预埋螺栓连接，稳定竖立。轮毂7选用一对深沟球轴承和一个推力轴承装配到塔杆上，轮毂7下端装有轮毂传动带轮8，轮毂传动带轮8通过发电机传动V带3和发电机传动带轮2将转动力矩传递给发电机1。轮毂7上侧安装有伺服电机安装座6，伺服电机5安装在伺服电机安装座6上，随着轮毂转动。导电滑环和控制器设于轮毂内部，在伺服电机安装座6上打孔将电源线和控制信号线接到伺服电机5上。

伺服电机5轴端安装齿轮与伺服电机传动齿轮4啮合、伺服电机传动齿轮4安装在伺服电机安装座6上，并且与一小带轮同轴相连，横臂12焊接于轮毂7上，横臂12上装有横臂传动带10、横臂传动带轮11、横臂传动锥齿轮15、丝杠传动锥齿轮16、双向丝杠18等，伺服电机5通过齿轮机构、带传动机构和锥齿轮机构最终将力矩传递给双向丝杠18，带动其正反转动。双向丝杠18上装有两个不同旋向的螺母：左旋螺母17和右旋螺母20，丝杠正转两螺母分离，反转两螺母闭合。左旋螺母17和右旋螺母20下端分别与左半桨叶14和右半桨叶21铰接，左半桨叶14和右半桨叶21通过桨叶中轴19铰接，这样螺母分离即可带动桨叶打开，螺母闭合即可带动桨叶闭合。

Claims (5)

1.一种升阻结合型垂直轴风力发电机，包括风轮、塔杆和发电机，风轮由轮毂、安装在轮毂上下两端的横臂、安装在横臂端部的桨叶构成，轮毂安装在塔杆上，轮毂的下端通过第一传动机构将转动力矩传递给发电机，其特征是：所述桨叶包括通过桨叶中轴铰接的左半桨叶和右半桨叶，轮毂上端安装随轮毂转动的伺服电机，上横臂端部安装双向丝杠，双向丝杠上带有左旋螺母与右旋螺母，左旋螺母和右旋螺母下端分别与左半桨叶和右半桨叶上端铰接，左半桨叶和右半桨叶下端与下横臂端部铰接，双向丝杠的一端带有丝杠传动锥齿轮，上横臂上带有与丝杠传动锥齿轮啮合的横臂传动锥齿轮，伺服电机与横臂传动锥齿轮之间设置第二传动机构。

2.根据权利要求1所述的升阻结合型垂直轴风力发电机，其特征是：轮毂上端安装伺服电机安装座，伺服电机安装在伺服电机安装座上，导电滑环和伺服电机控制器设于轮毂内部，电源线和控制信号线接伺服电机。

3.根据权利要求1或2所述的升阻结合型垂直轴风力发电机，其特征是：所述第一传动机构包括安装在轮毂下端的轮毂传动带轮、安装在发电机轴上的发电机传动带轮、连接于轮毂传动带轮与发电机传动带轮之间的发电机传动V带。

4.根据权利要求2所述的升阻结合型垂直轴风力发电机，其特征是所述第二传动机构为：伺服电机轴端安装的齿轮与伺服电机传动齿轮啮合、伺服电机传动齿轮安装在伺服电机安装座上并且与一小带轮同轴相连，横臂上装有与横臂传动锥齿轮同轴相连的横臂传动带轮，小带轮与横臂传动带轮之间连接横臂传动带。

5.根据权利要求3所述的升阻结合型垂直轴风力发电机，其特征是所述第二传动机构为：伺服电机轴端安装的齿轮与伺服电机传动齿轮啮合、伺服电机传动齿轮安装在伺服电机安装座上并且与一小带轮同轴相连，横臂上装有与横臂传动锥齿轮同轴相连的横臂传动带轮，小带轮与横臂传动带轮之间连接横臂传动带。