CN105422381A - 聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特点是，包括：沿轴向方向依次连接的若干个风力发电机，所述的若干个风力发电机的结构均是在发电机的转子钢管上固定有风压槽型叶片，通过交替设置顺时针方向的风压槽型叶片、逆时针方向的风压槽型叶片获取顺时针旋转的风力发电机、逆时针旋转的风力发电机。具有结构合理，能够更有效的利用能源，能量转换效率高，占地面积小等优点。

Description

聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机，具体地说，是一种聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机。
背景技术
阻力型垂直轴风力机主要是利用空气流过叶片时，在垂直轴两侧叶片产生不同大小阻力作为驱动力带动发电机运行。
现有的阻力型垂直轴风力机叶轮部分主要由叶片和支架构成，其中，叶片多采用凹型曲面与凸型曲面相结合的结构形式，即叶片一侧为凹面，一侧为凸面，例如半球面型、圆锥面型或槽型叶片。通常，一个风力机风轮具备3～5个叶片，每个叶片的凹面与相邻叶片的凸面相对，使其呈同向布置。当风(空气流)吹过时，在垂直轴一侧叶片的凹面受到较大流动阻力，而在其另一侧叶片的凸面受到较小流动阻力，由于垂直轴两侧阻力不均，最终产生了定向转矩。阻力型垂直轴风力机由于旋转轴垂直地面并且转矩方向固定，因此，与水平轴风力机相比，它具备了无需对风的主要优势，同时兼备叶片制造简单、启动风速低等优点。阻力型垂直轴风力机一直受到全球范围内的广泛关注与大力推广，其工程应用技术一度成为可再生能源领域内主要研究热点。但是，从上述原理分析可以发现，阻力型垂直轴风力机目前仍然存在不足：只能利用垂直轴一侧的动能，即只能利用叶片对空气的阻力较大一侧的空气动能转换机械功。而在垂直轴另一侧，即叶片对空气的阻力较小一侧，不但没将空气动能转换为机械能，而且由于阻力的存在，使得风力机转矩有所降低。正因如此，阻力型垂直轴风力机的能量转换效率一直低于水平轴风力机。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种结构合理，能够更有效的利用能源，能量转换效率高，占地面积小的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机。
实现本发明目的采用的技术方案是，一种聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，它包括：沿轴向方向依次连接的若干个风力发电机，所述的若干个风力发电机的结构均是在发电机的转子钢管上固定有风压槽型叶片，通过交替设置顺时针方向的风压槽型叶片、逆时针方向的风压槽型叶片获取顺时针旋转的风力发电机、逆时针旋转的风力发电机。
所述风压槽型叶片的单个叶片的横截面呈三角形，在三角形的一个面设置风压槽。
所述风力发电机由定子和转子组成，定子在内，转子在外，并通过内永磁悬浮轴承和外永磁悬浮轴承连接。
所述定子具有定子中心管，在定子中心管上套置定子铁芯，在定子铁芯上置有电枢绕组，电枢绕组两侧各装有四个电磁闸，在电磁闸两侧置有由定子轴向永久磁铁和定子径向永久磁铁构成的内永磁悬浮轴承；在定子中心管的两端均设置连接法兰，定子径向永久磁铁、电磁闸和定子铁芯具有相同的外径。
在所述电磁闸对应的位置上配有刹车滑道。
所述转子具有转子钢管，励磁永磁铁置在转子钢管的内面，励磁永磁铁与定子的电枢绕组的间隙为1～2mm，在位于刹车滑道的两侧置有由转子轴向永久磁铁和转子径向永久磁铁构成的外永磁悬浮轴承，转子径向永久磁铁、刹车滑道和励磁永磁铁具有相同的内径，内永磁悬浮轴承与外永磁悬浮轴承之间的间隙为1～2mm。
本发明的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机的优点体现在：
1.由于风力发电机采用电枢绕组的两侧与励磁永磁铁的两侧均安装相互排斥的，由定子轴向永久磁铁和定子径向永久磁铁构成的内永磁悬浮轴承与转子轴向永久磁铁和转子径向永久磁铁构成的外永磁悬浮轴承构成的永磁悬浮连接结构，摩擦阻力小，转动平稳，能量转换率高；
2.由于沿轴向方向依次设置若干个风力发电机，所述的若干个风力发电机的结构均是在发电机的转子钢管上固定有风压槽型叶片，通过交替设置顺时针方向的风压槽型叶片、逆时针方向的风压槽型叶片获取顺时针旋转的风力发电机、逆时针旋转的风力发电机，且风压槽型叶片的单个叶片的横截面呈三角形，在三角形的其中一面设置风压槽就形成了锋利的叶片前端不但可以更加顺利劈开空气流，使得阻力明显降低，而且引导空气流进入相邻风力发电机做功叶片的风压槽，提高了相邻风力发电机做功叶片前的空气动能，起到了聚集风能的效果，同时，风力发电机两侧的空气动能都得到了充分利用；
3.聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机的各风力发电机之间没有直接电气连接，而是分别按照自身的发电情况通过整流逆变装置自动并网；
4.规避了现代垂直轴阻力型风力机只能利用一侧空气动能的最大缺点；
5.改进了现代风力发电技术的“一塔一机”模式，形成风能在空间上的“梯级利用”，地面上方的风能被更充分地利用；
6.可以组装成10MW级巨型风力发电机，单位占地面积的风能发电能力极大提高，对于有限的地球表面和不断增加的世界人口具有极其显著的社会效益；
7.其结构合理，能够更有效的利用能源，能量转换效率高，占地面积小。
附图说明
图1为本发明的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机立体结构示意图；
图2为图1中顺时针风力发电机立体结构示意图；
图3为图1中逆时针风力发电机立体结构示意图；
图4为发电机立体结构示意图；
图5为图4的发电机四分之一剖视立体结构示意图；
图6为发电机的定子立体结构示意图；
图7为发电机的转子四分之一剖视立体结构示意图。
图中：1连接法兰，2定子轴承座，3转子钢管，4电磁闸，5定子铁芯，6电枢绕组，7转子径向永久磁铁，8转子轴向永久磁铁，9定子轴向永久磁铁，10定子径向永久磁铁，11风压槽型叶片，12风压槽，13励磁永磁铁，14定子中心管，15刹车滑道。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1-图7，本发明的一种聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，包括：沿轴向方向依次连接的若干个风力发电机，所述的若干个风力发电机的结构均是在发电机的转子钢管3上固定有风压槽型叶片11，通过交替设置顺时针方向的风压槽型叶片11、逆时针方向的风压槽型叶片11获取顺时针旋转的风力发电机、逆时针旋转的风力发电机。图2所示，为顺时针旋转的风力发电机；图3所示，为逆时针旋转的风力发电机。
参照图1-图3，所述风压槽型叶片11的单个叶片的横截面呈三角形，在三角形的一个面设置风压槽12。横截面呈三角形的风压槽型叶片11的尖端锋利不但可以更加顺利劈开空气流，使得阻力明显降低，而且引导空气流进入相邻做功风压槽型叶片11的风压槽12内，提高了相邻风力发电机做功风压槽型叶片11前的空气动能，起到了聚集风能的效果，同时，风力发电机两侧的空气动能都得到了充分利用。
参照图4-图7，所述风力发电机由定子和转子组成，定子在内，转子在外，并通过内永磁悬浮轴承和外永磁悬浮轴承连接。所述定子具有定子中心管14，在定子中心管14上设置定子轴承座2，在定子中心管14上套置定子铁芯5，在定子铁芯5上置有电枢绕组6，电枢绕组6两侧各装有四个电磁闸4，在电磁闸4两侧置有由定子轴向永久磁铁9和定子径向永久磁铁10构成的内永磁悬浮轴承；在定子中心管14的两端均设置连接法兰1，定子径向永久磁铁10、电磁闸4和定子铁芯5具有相同的外径；在所述电磁闸4对应的位置上配有刹车滑道15。所述转子具有转子钢管3，励磁永磁铁13置在转子钢管3的内面，励磁永磁铁13与定子的电枢绕组6的间隙为1～2mm，在位于刹车滑道15的两侧置有由转子轴向永久磁铁8和转子径向永久磁铁7构成的外永磁悬浮轴承，转子径向永久磁铁7、刹车滑道15和励磁永磁铁13具有相同的内径，内永磁悬浮轴承与外永磁悬浮轴承之间的间隙为1～2mm。聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机的各风力发电机之间没有直接电气连接，而是分别按照自身的发电情况通过整流逆变装置自动并网。
具体实施例：
以下通过两个与现行水平轴风力发电机对比的实施例进一步说明本发明的效果。
两个实施例的统一条件包括：10m高处风速10m/s、风力机直径40m、空气密度1.20kg/m3、风切变指数0.20。
表1本发明与现行水平轴风力发电机的发电量对比
序号 项目 单位 实施例1 实施例2
一 本发明的风力发电机
(1) 10m高处风速 m/s 10 10
(2) 风力机直径 m 40 40
(3) 空气密度 kg/m3 1.2 1.2
(4) 风力机效率 0.3 0.3
(5) 电机效率 0.92 0.92
(6) 风切变指数 0.2 0.2
(7) 一层风力机叶片厚度 m 2.8 2.8
(8) 叶片之间间隙 m 0.2 0.2
(9) 一层风力机迎风面积 m2 112 112
(10) 聚能效果系数 1.4 1.4
(11) 风力机最高点高度 m 60 300
(12) 风力机层数 层 19 99
(13) 发电功率合计 kW 1844.9 24453.0
二 现行的水平轴风力发电机
(1) 风力机迎风面积 m2 1256 1256
(2) 风力机效率 0.4 0.4
(3) 轮毂高度 m 40 280
(4) 发电功率 kW 637.1 2047.8
实施例1的特定对比条件为：风力机最高点高度60m，即风力发电机叶片最高点高度(此高度为风力机直径40m的现代水平轴风力发电机设计高度)。实施例2的特定对比条件为：风力发电机最高点高度300m(此高度为现代钢塔技术可以达到的高度)。
两个实施例的数据对比如表1所示。从表1中可以明显观察到，在给定占地面积上(风力发电机直径相同)，本发明方案中发电能力是实施例1中的2.9倍；是实施例2中的11.9倍。若根据实施例2，在10m高处风速10m/s、风力机直径40m、空气密度1.20kg/m3、风切变指数0.20的条件下，现行水平轴风力发电机只能达到2.0MW，而本发明可以达到24.4MW。

Claims (6)

1.一种聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，它包括：沿轴向方向依次连接的若干个风力发电机，所述的若干个风力发电机的结构均是在发电机的转子钢管上固定有风压槽型叶片，通过交替设置顺时针方向的风压槽型叶片、逆时针方向的风压槽型叶片获取顺时针旋转的风力发电机、逆时针旋转的风力发电机。
2.根据权利要求1所述的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，所述风压槽型叶片的单个叶片的横截面呈三角形，在三角形的一个面设置风压槽。
3.根据权利要求1所述的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，所述风力发电机由定子和转子组成，定子在内，转子在外，并通过内永磁悬浮轴承和外永磁悬浮轴承连接。
4.根据权利要求3所述的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，所述定子具有定子中心管，在定子中心管上套置定子铁芯，在定子铁芯上置有电枢绕组，电枢绕组两侧各装有四个电磁闸，在电磁闸两侧置有由定子轴向永久磁铁和定子径向永久磁铁构成的内永磁悬浮轴承；在定子中心管的两端均设置连接法兰，定子径向永久磁铁、电磁闸和定子铁芯具有相同的外径。
5.根据权利要求4所述的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，在所述电磁闸对应的位置上配有刹车滑道。
6.根据权利要求3所述的聚能多转子阻力型垂直轴风力发电机，其特征是，所述转子具有转子钢管，励磁永磁铁置在转子钢管的内面，励磁永磁铁与定子的电枢绕组的间隙为1～2mm，在位于刹车滑道的两侧置有由转子轴向永久磁铁和转子径向永久磁铁构成的外永磁悬浮轴承，转子径向永久磁铁、刹车滑道和励磁永磁铁具有相同的内径，内永磁悬浮轴承与外永磁悬浮轴承之间的间隙为1～2mm。
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