CN104612901A - 一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构，包括平行结构的支撑体、发电机、连接叶片和轴的支持翼、复数个叶片组成的风轮、集电环、伺服电机、齿轮、测风仪、编码器、无线信号传输装置、中央处理器；所述由复数个叶片组成的风轮围绕其回转中心转动，测风仪向中央处理器提供风速、风向参数，并通过编码器向中央处理器提供每个叶片的方位，由中央处理器确定每个叶片在不同位置、不同风速、不同风向时的最佳叶片攻角，伺服电机通过测风仪和编码器控制叶片在不同风向、不同风速时的叶片转角；叶片在不同位置时的方位角与叶片转角具有对应关系。
Description
技术领域
本发明涉及垂直轴风力发电机技术领域。
背景技术
为了更好的利用风能，人们设计了多种形式的风力发电系统，从结构形式上看主要有风力机旋转轴在空间为水平方向的水平轴风力机和旋转轴在空间为垂直方向的垂直轴风力机。
垂直轴风力发电机的风轮采用具有一定翼形的直叶片，叶片的轴线和回转中心的轴线平行，这些叶片一般被固定在绕回转中心旋转的悬臂或环型支架上。当一定强度的风吹在这些具有一定翼形，并和旋转轴的切线形成一定角度的直叶片上时，就在这些叶片上产生了升力L和阻力D，如图2所示，当升力L1大于阻力D1时，就产生了绕垂直轴转动的力矩使整个风轮转动，但由于叶片在转动过程中与风向的转角始终都在变化，因此L1与D1的大小和方向也都在不断的变化，即叶片在不同位置时产生力矩的大小和方向也是不断变化的，在有些位置产生的力矩为正、而在有些位置产生的是阻力矩，其合力矩是相互抵消的，这就降低了垂直轴风力发电机的风能利用率。
因此人们设计了各种不同的方法，改变叶片在不同位置时叶片与风向的夹角，即改变叶片的“攻角”，使得叶片在不同位置时叶片产生的力矩方向保持一致，提高了垂直轴风力发电机的风能利用率，中国专利号200610023892.2，美国专利号第4,299,537和韩国专利号10-0490683也都提出了不同的装置，使风轮在旋转过程中，叶片在不同位置与风向的转角发生变化，提高了风能利用率。
但无论现有的哪一种实现叶片转角变化的方法，都存在不同的缺陷。
美国和韩国的专利都使用了偏心圆来控制叶片的转角，不仅无法最大限度的提高风轮在旋转过程中，叶片在不同位置时的同向力矩，而且利用偏心圆来控制叶片在不同位置时的转角，只有在叶片处于方位角90°和270°位置时可以获得最佳叶片转角，叶片在其他位置都不能获得最佳叶片转角，因此无法最大限度提高在某一固定风速下垂直轴风力发电机的效率，限制了大型和超大型垂直轴风力发电机的应用。
中国专利号200610023892.2的方法虽然可以使风轮在转动过程中，使叶片在某一固定风速时叶片在每一方位角都获得最佳叶片转角，但由于风轮在转动过程中，叶片在不同方位角时的最佳叶片转角不仅与叶片所处的位置有关，而且还和来流速度(风速)有关，即叶片在相同的位置、不同的风速下，叶片具有不同的最佳转角，如图3、4所示，因此无论上述哪种方法都不能使当风速发生较大变化后获得最佳的叶片转角。
发明内容
本发明的目的提供一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构，不仅能够在某一固定风速，使每个叶片在任何方位角时都能够获得最佳的叶片转角，而且还能使当风速发生较大变化时，仍然使叶片在不同位置都获得最佳的叶片转角，使该系统能够在任何风速下都能够使叶片在任何位置保持最佳的叶片转角，最大限度的提高垂直轴风力发电机在自然环境下的风能利用率，并且还可以不再使用中心轴，那样使垂直轴风力发电机可以向大型和超大型方向发展。
本发明的具体技术方案是：一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构，包括平行结构的支撑体、发电机、连接叶片和轴的支持翼、复数个叶片组成的风轮、集电环、伺服电机、齿轮、测风仪、编码器、无线信号传输装置、中央处理器；
上述由复数个叶片组成的风轮围绕其回转中心转动，测风仪向中央处理器提供风速、风向参数，并通过编码器向中央处理器提供每个叶片的方位，由中央处理器确定每个叶片在不同位置、不同风速、不同风向时的最佳叶片攻角，伺服电机通过测风仪和编码器控制叶片在不同风向、不同风速时的叶片转角；最大限度的提高垂直轴风力发电机在不同风速下的输出功率，以达到提高大型垂直轴风力发电机的风能利用率。
本发明采用垂直叶片风力发电机攻角自动调节系统，该系统使得叶片在不同风速、不同位置时，使叶片始终取得最优的转角。
叶片在不同位置时的方位角与叶片转角的关系如下：
风轮启动时：
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 8 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 80 | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -60 | -60 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -50 | -40 | -30 | -20 | -15 | -10 | -8 | -6 | -4 |
风轮启动后，当风轮旋转时叶片的线速度和风速之比达到0.3以上时：
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 21 | 26 | 30 | 30 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 30 | 26 | 21 | 15 | 8 | 0 | -6 | -12 | -16 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | -20 | -22 | -25 | -26 | -28 | -28 | -28 | -28 | -28 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -26 | -25 | -22 | -20 | -17 | -15 | -10 | -7 | -4 |
当风速超过了额定风速后：
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | -3 | -3 | -2 | 4 | 6 | 9 | 13 | 15 | 15 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 12 | 9 | 8 | 7 | 7 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | 0 | 0 | 0 | -3 | -3 | -3 | -3 | -3 | -3 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -3 | -6 | -6 | -6 | -6 | -3 | -3 | -3 | -3 |
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2～图4是本发明叶片受力分析示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，并可以根据风速、风向的变化自动对叶片转角进行调节的系统，使得叶片能够相对风向和风速的变化做受控转动，从而使风轮在旋转时，根据风速、风向的变化，使叶片在圆周上任何一个位置都能获得同向力矩的同时，产生的阻力又最小，可以最大限度的提高风能利用率。
叶片前、后缘的连线被称为“弦线”，叶片的“弦线”与叶片在旋转过程中圆周上某一位置处的切线之间的夹角称为叶片“转角”并设为α，当叶片的“弦线”与切线平行时α为零度，当叶片按其回转中心向顺时针方向旋转时α设为正，当叶片按其回转中心向逆时针方向旋转时α设为负，如图2、3所示；叶片在旋转过程中的不同位置定义为“方位角”并设为β、“转角”α的关系呈不规则的正弦变化，并在某一特定风速符合下表。
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 21 | 26 | 30 | 30 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 30 | 26 | 21 | 15 | 8 | 0 | -6 | -12 | -16 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | -20 | -22 | -25 | -26 | -28 | -28 | -28 | -28 | -28 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -26 | -25 | -22 | -20 | -17 | -15 | -10 | -7 | -4 |
在该系统中，叶片安装在支持翼上，叶片的回转中心设置一个转轴，可以绕叶片回转中心转动，转轴通过齿轮和伺服电机的转轴啮合，当风轮在风的驱动下转动时，中央处理器可以根据测风仪和编码器的信号，向控制叶片转动的伺服电机发出指令，将叶片的转角转动到预先设定好的角度上，使风轮在旋转时，叶片在不同位置都获得最佳的叶片转角。
该系统在风速、风向没有变化时，能够根据风向仪和编码器的风速、方位信号，设定叶片在转动过程中不同位置时的叶片转角，方位角的初始位置设置为0度。
当某一固定风速的风吹在叶片上时，在叶片上产生升力L和阻力D，升力的分力L1在克服阻力的分力D1后，产生了绕回转中心旋转的力矩使风轮转动，叶片在该位置时的最大力矩Fmax为：Fmax＝L1-D1＝Lsin(α+δ)-Dcos(α+δ)，如图2、3所示。
而当风速发生变化后，V1变化到V1’，则V变化到V’，则α+δ变化到α’+δ’，则Fmax’＝L1-D1＝Lsin(α’+δ’)-Dcos(α’+δ’)，即叶片的最佳转角由α变到α’，即叶片能够根据测风仪的风速、风向信号和编码器的方位信号，重新设定风轮在转动过程中，叶片在不同位置时的叶片转角α’，如图4所示。
在额定风速内风向发生变化后，相当于方位角发生了变化，中央处理器可以根据测风仪和编码器的信号向伺服电机发出指令，使叶片转角改变到该叶片在该方位角时设定的角度，即使风轮同风向的相对方向始终保持不变。
当风速超过额定风速后，为了降低风轮的输出功率，需要降低每个叶片的输出力矩，此时可以根据风速的大小重新设定叶片转角，使叶片从风能中获得的能量减少，那样可以保持风轮的输出功率恒定。如当风速达到20米/秒时的叶片转角如表4所示。
本发明外转子的发电机安装在三个均匀分布的立柱上，以保持风力发电机的稳定，外转子发电机的内腔是空心的，可以安置控制系统，如图1。
叶片通过支持翼安装在发电机的外转子上，在叶片的回转中心位置，设置一个可以传递旋转动力的旋转中心轴，中心轴通过齿轮与伺服电机的齿轮啮合。
复数个支持翼均匀安装在外转子发电机的上、下二个端面上，如图1。
中空的集电环安装在发电机的回转中心上，集电环分A、B、C三级，每一级通过导线分别和伺服电机的三个电极相接，当风轮转动时带动集电环转动，通过集电环向伺服电机供电。
编码器安装在风轮的回转中心处，编码器是根据测风仪提供的风向信号，向中央处理器提供叶片的方位，由中央处理器确定每个叶片在不同风速、不同方位时的叶片转角。
中央处理器可以根据测风仪和编码器的信号，向控制叶片转动的伺服电机发出指令，控制叶片在旋转过程中每个叶片在不同风速、不同方位角时的叶片转角。
控制叶片转角的控制信号，由中央处理器通过无线方式或通过另外一个集电环，传输到控制叶片转角的伺服电机上。
当在低风速区(如风速2米/秒时)，风轮刚开始启动，此时为了获得最大启动力矩，叶片转角设为下表所示，此时风轮为阻力型风轮；
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 8 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 80 | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | 0 | -10 | -20 | -30 | -40 | -50 | -60 | -60 | -60 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -50 | -40 | -30 | -20 | -15 | -10 | -8 | -6 | -4 |
当风轮启动以后，并在尖速比(风轮旋转时叶片的线速度和风速之比)达到0.3以上时，叶片转角马上改变到如下表所示的角度，此时风轮为升力型风轮；
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 21 | 26 | 30 | 30 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 30 | 26 | 21 | 15 | 8 | 0 | -6 | -12 | -16 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | -20 | -22 | -25 | -26 | -28 | -28 | -28 | -28 | -28 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -26 | -25 | -22 | -20 | -17 | -15 | -10 | -7 | -4 |
当风速继续增加到某一风速时，叶片转角改变到下表所示的角度；
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | 0 | 4 | 8 | 12 | 12 | 12 | 12 | 12 | 15 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 18 | 22 | 24 | 22 | 19 | 16 | 11 | 6 | 0 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | -6 | -10 | -13 | -16 | -18 | -20 | -19 | -17 | -15 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -13 | -10 | -8 | -6 | -6 | -6 | -6 | -6 | -4 |
而风速在额定风速内发生了较大变化(风速降低)；风轮转速降低不超过20％时，保持叶片转角不变，当风轮转速下降达到20％时，重新设定新的叶片转角。
如果在风速变化的间隙，同样设定风轮转速降低不超过20％时，保持叶片转角不变。
即当风向不变，而风速在额定风速内发生了较大变化(风速增高、或降低)，此时叶片的转角重新设定为α′，α′＝α+ε，ε为根据风速的变化而预先设定的角度值，该角度值通过CFD获得，当尖速比大于1时，风速增高，ε＜0，此时α′＜α；当尖速比小于1时，风速增高，ε＞0，此时α′＞α；
若当叶片在方位角0度时，风向朝逆时针方向发生了30度的改变，此时叶片的转角马上由-4度改变到8度；而当叶片在方位角30度时，风向继续朝逆时针方向改变了20度，此时叶片的转角马上由8度改变到12度；反之，如果叶片在方位角300度时，风朝顺时针方向发生了30度的改变，叶片转角保持-30度不变，如果叶片在方位角300度时风向朝逆时针方向发生30度的变化，叶片转角马上由-30度改变到-15度，以此类推，周而复始。
而当风速在超过了预先设定的额定风速、达到某一风速后，为了保持恒定的输出功率，可以降低风轮的输出功率，叶片再次重新设定新的转角，如达到某一风速后，叶片转角设定为如下表所示。
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | -3 | -3 | -3 | -3 | -2 | 4 | 6 | 9 | 13 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 15 | 15 | 12 | 9 | 8 | 7 | 7 | 4 | 0 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | -3 | -3 | -3 | -3 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -3 | -3 | -3 | -6 | -6 | -6 | -6 | -3 | -3 |
而当风速在超过了预先设定的额定风速、并且风向发生改变后，叶片再次重新设定新的转角，新叶片转角设为Ω，Ω与α的关系为：Ω＝α+kλ，其中k为系数，0≤k＜90，大小根据风速的变化通过CFD计算获得，λ＝1°，如风速超过额定风速风向并发生了30度的变化，叶片转角如下表所示。
| 方位角β° | 10° | 20° | 30° | 40° | 50° | 60° | 70° | 80° | 90° |
| 转角α° | -3 | -3 | -2 | 4 | 6 | 9 | 13 | 15 | 15 |
| 方位角β° | 100° | 110° | 120° | 130° | 140° | 150° | 160° | 170° | 180° |
| 转角α° | 12 | 9 | 8 | 7 | 7 | 4 | 0 | 0 | 0 |
| 方位角β° | 190° | 200° | 210° | 220° | 230° | 240° | 250° | 260° | 270° |
| 转角α° | 0 | 0 | 0 | -3 | -3 | -3 | -3 | -3 | -3 |
| 方位角β° | 280° | 290° | 300° | 310° | 320° | 330° | 340° | 350° | 360°(0°) |
| 转角α° | -3 | -6 | -6 | -6 | -6 | -3 | -3 | -3 | -3 |
。
Claims (1)
1.一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构，包括平行结构的支撑体、发电机、连接叶片和轴的支持翼、复数个叶片组成的风轮、集电环、伺服电机、齿轮、测风仪、编码器、无线信号传输装置、中央处理器；其特征在于，
所述由复数个叶片组成的风轮围绕其回转中心转动，测风仪向中央处理器提供风速、风向参数，并通过编码器向中央处理器提供每个叶片的方位，由中央处理器确定每个叶片在不同位置、不同风速、不同风向时的最佳叶片攻角，伺服电机通过测风仪和编码器控制叶片在不同风向、不同风速时的叶片转角；
叶片在不同位置时的方位角与叶片转角的关系如下：
风轮启动时：
风轮启动后，当风轮旋转时叶片的线速度和风速之比达到0.3以上时：
当风速超过了额定风速后：
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| CN201310539544.0A CN104612901A (zh) | 2013-11-04 | 2013-11-04 | 一种兆瓦级垂直轴风力发电机结构 |
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| CN106762398A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-05-31 | 中国石油大学(华东) | 一种h型垂直轴风力发电装置 |
| CN108691727A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-10-23 | 无锡风电设计研究院有限公司 | 一种风力机导流罩 |
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2013
- 2013-11-04 CN CN201310539544.0A patent/CN104612901A/zh active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150513 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |