CN105863957A - 一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置及气动启停控制方法 - Google Patents

一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置及气动启停控制方法 Download PDF

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Abstract

一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置及气动启停控制方法，它涉及一种发电装置及气动启停控制方法，以解决现有大型垂直轴风力机主轴或支撑臂过长导致整机重量过重，以及叶片难以变桨距导致启动、制动困难的问题，它还包括电滑环和与叶片数量相一致的多个变桨装置；每个变浆装置包括变浆电机和齿轮副；多个叶片中心线所形成的曲面呈倒圆锥面，每个叶片的根部转动安装在轮毂上，轮毂上对应每个叶片布置有一个变浆装置，每个齿轮副的两个齿轮分别安装在叶片的根部和变浆电机的输出轴上，变浆电机安装在轮毂上；电滑环安装在发电机的主轴上，变浆电机通过导线与电滑环电连接。本发明不仅用于陆地山区风力发电，而且也适合用于海上风力发电。

Description

一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置及气动启停控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电装置及气动启停控制方法，具体涉及一种倒锥型可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，属于风力发电装备技术领域。
背景技术
目前发电方式主要以火力发电和水利发电为主体，然而，煤炭是不可再生能源，水力资源也是有限的，而且火力发电会对环境造成不可忽视的污染，为了保护资源和环境，减少碳排放量，应将发电格局的主体向清洁能源转变。风能和太阳能是基本可以实现零排放的清洁能源，而且储量非常巨大，应大力开发积极推广应用。
当今世界上利用风能的设备主要有水平轴和垂直轴风力机两种发电装置。无论哪一种形式，在向大型化风力发电设备发展时，都遇到制造、运输、安装和维护等许多难题。垂直轴风力机有无需对风的优点，然而在结构上，对于H型垂直轴风力机，要依靠很长的支撑臂和主轴来保证足够的扫风面积而产生较大的功率，风力机结构刚度难以保证，而且整机重量过重，对于Ф型垂直轴风力机，没有支撑臂结构，但依然存在主轴过长的问题，而且叶片呈曲线形，制造难度大；在气动性能上，大功率的升力型垂直轴风力机普遍难以实现变桨距，或变桨距十分困难，从而在启动和制动方面有着难以克服的短板。
发明内容
本发明是为解决现有大型垂直轴风力机主轴或支撑臂过长导致整机重量过重，以及叶片难以变桨距导致启动、制动困难的问题，提供一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置及气动启停控制方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置包括底座、轮毂、导流罩、发电机和多个叶片，发电机安装在底座上，轮毂安装在发电机的主轴上，导流罩盖在轮毂上，它还包括电滑环和与叶片数量相一致的多个变桨装置；每个变桨装置包括变桨电机和齿轮副；
多个叶片沿发电机的周向均布设置，多个叶片中心线所形成的曲面呈倒圆锥面，每个叶片的根部转动安装在轮毂上，轮毂上对应每个叶片布置有一个变浆装置，每个齿轮副的两个齿轮分别安装在叶片的根部和变桨电机的输出轴上，变桨电机安装在轮毂上；电滑环安装在发电机的主轴上，变桨电机通过导线与电滑环电连接。
一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制方法是这样实现的：
根据实际环境测风力大小，根据风力的大小，在启动时，控制变桨电机使叶片旋转，增大处于背风面的叶片的桨距角，保持迎风面的叶片的桨距角为零，使轮毂和叶片构成的风轮逐渐转动，风轮转动过程中不断调整桨距角，使处于背风面的叶片的桨距角始终较大，迎风面的叶片的桨距角较小，风轮转速逐渐加快，从而实现风轮自启动，此时，控制变桨电机使叶片转回初始状态；在减速停机时，通过控制变桨电机，不断改变叶片的桨距角，使迎风面的叶片的桨距角变大，叶片转到背风面时再把桨距角减小，如此循环，起到气动的减速效果，完成可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制。
本发明的有益效果是：
在结构上，本发明倒锥形布置的多个叶片形成的垂直轴风力发电装置相对于H型垂直轴风力机没有长轴和支撑臂结构，使结构更简单，大大减小了设计的难度和制造的成本，在不超过10米的高度便能完成安装，更是大大减小装机难度，并且这种构型容易实现变桨距，只需在叶片根部，轮毂内设置变桨装置即可，简单可靠，同时这种风轮结构保证足够的扫风面积，相比Ф型垂直轴风力机，同样长度的叶片可以具有更大的扫风面积，从而保证了大功率发电的可行性。
在功能上，由于实现了变桨距，使风力机的启动、制动和停机问题都得到了很好的解决，启动和减速制动时都可以通过转动叶片改变桨距角来实现，而停机维护时也可使叶片全部顺桨从而保证安全；
在使用上，整机的安装维护都在低空进行，安全方便，也降低了成本，而且，这种结构不仅适合陆地山区风力发电，特别适合在海上风力发电应用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图，图2为本发明的整体结构俯视图，图3为去除导流罩后的轮毂和变桨装置连接结构示意图，图4为图3的K处放大图，图5为变桨装置结构示意图，图6为具体实施方式七的增速器和双馈式异步发电机组合使用的连接结构局部放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，它包括底座1、轮毂4、导流罩6、发电机2和多个叶片7，发电机2安装在底座1上，轮毂4安装在发电机2的主轴上，导流罩6盖在轮毂4上，它还包括电滑环8和与叶片7数量相一致的多个变桨装置；每个变桨装置包括变桨电机9和齿轮副10；
多个叶片7沿发电机2的周向均布设置，多个叶片7中心线所形成的曲面呈倒圆锥面，每个叶片7的根部转动安装在轮毂4上，轮毂4上对应每个叶片7布置有一个变桨装置，每个齿轮副10的两个齿轮分别安装在叶片7的根部和变桨电机9的输出轴上，变桨电机9安装在轮毂4上；电滑环8安装在发电机的主轴上，变桨电机9通过导线与电滑环8电连接。
本实施方式不仅可用于垂直轴大功率风力发电机，而且也可用于垂直轴小功率风力发电机。
具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的叶片7和导流罩6由玻璃钢制成。如此设置，密度较小，质轻廉价易得，方便使用。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的叶片7为变截面扭曲叶片，叶片7的根部横截面为圆形，叶片7的主体为横截面逐渐减小的翼型结构。所述的叶片在垂直于回转轴的横截面上为标准对称翼型或非对称翼型，或双凸翼型，优先选用对称翼型NACA0012，NACA0015，NACA0018，NACA0021，NACA0024等和非对称翼型NACA4412，DU06-W-200，以及双凸翼型NACA23012和E195等，如此设计可以提高风力机的气动性能。根部横截面为圆形，如此设置，有助于增强根部强度，主体靠近根部位置为弦长较长的翼型，越靠近端部，截面变小，弦长变短，叶片逐渐变尖，减小自重，防止其折断。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明，本实施方式的叶片7的中心线与水平面之间的夹角β为20°-80°。如此设置，此夹角在理论上，可使风力机有较大的扫风面积，叶片的数量优选用2至8个。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1和图2说明，本实施方式的叶片7的数量为3片，且叶片7的中心线与水平面之间的夹角β为45°。如此设置，此夹角在理论上，可使风力机有最大的扫风面积，提高了风力发电效率。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图4说明，本实施方式的发电机2采用永磁直驱式同步发电机。如此设置，发电效率高，结构简单，运行可靠。其它与具体实施方式一、二、四或五相同。
具体实施方式七：结合图6说明，本实施方式所述一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置还包括增速器11，发电机2采用双馈式异步发电机，发电机2的主轴与增速器11连接，增速器11与轮毂4连接。如此设置，发电机可以变速，输出恒频恒压电能，工作效率高。其它与具体实施方式一、二、四或五相同。
具体实施方式八：结合图6说明，本实施方式的轮毂4为球形或棱锥形轮毂。如此设置，结构简单，便于制造使用。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1-图5说明，本实施方式的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制方法是这样实现的：
根据实际环境测风力大小，根据风力的大小，在启动时，控制变桨电机9使叶片旋转，增大处于背风面的叶片7的桨距角，保持迎风面的叶片7的桨距角为零，使轮毂4和叶片7构成的风轮逐渐转动，风轮转动过程中不断调整桨距角，使处于背风面的叶片7的桨距角始终较大，迎风面的叶片7的桨距角较小，风轮转速逐渐加快，从而实现风轮自启动，此时，控制变桨电机9使叶片7转回初始状态；在减速停机时，通过控制变桨电机9，不断改变叶片7的桨距角，使迎风面的叶片7的桨距角变大，叶片7转到背风面时再把桨距角减小，如此循环，起到气动的减速效果，完成可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制。
本实施方式中风轮转动过程中不断调整叶片7从0°～90°的桨距角；在减速停机时，通过控制变桨电机9，不断地从90°-0°改变叶片7的桨距角。

Claims (9)

1.一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，它包括底座(1)、轮毂(4)、导流罩(6)、发电机(2)和多个叶片(7)，发电机(2)安装在底座(1)上，轮毂(4)安装在发电机(2)的主轴上，导流罩(6)盖在轮毂(4)上，其特征在于：它还包括电滑环(8)和与叶片(7)数量相一致的多个变桨装置；每个变桨装置包括变桨电机(9)和齿轮副(10)；
多个叶片(7)沿发电机(2)的周向均布设置，多个叶片(7)中心线所形成的曲面呈倒圆锥面，每个叶片(7)的根部转动安装在轮毂(4)上，轮毂(4)上对应每个叶片(7)布置有一个变桨装置，每个齿轮副(10)的两个齿轮分别安装在叶片(7)的根部和变桨电机(9)的输出轴上，变桨电机(9)安装在轮毂(4)上；电滑环(8)安装在发电机(2)的主轴上，变桨电机(9)通过导线与电滑环(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：叶片(7)和导流罩(6)由玻璃钢制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：叶片(7)为变截面扭曲叶片，叶片(7)的根部横截面为圆形，叶片(7)的主体为横截面逐渐减小的翼型结构。
4.根据权利要求3所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：叶片(7)的中心线与水平面之间的夹角(β)为20°-80°。
5.根据权利要求4所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：叶片(7)的数量为3片，且叶片(7)的中心线与水平面之间的夹角(β)为45°。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：发电机(2)采用永磁直驱式同步发电机。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置还包括增速器(11)，发电机(2)采用双馈式异步发电机，发电机(2)的主轴与增速器(11)连接，增速器(11)与轮毂(4)连接。
8.根据权利要求7所述的一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置，其特征在于：轮毂(4)为球形或棱锥形轮毂。
9.一种可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制方法，其特征在于：该控制方法是这样的：
根据实际环境测风力大小，根据风力的大小，在启动时，控制变桨电机(9)使叶片(7)旋转，增大处于背风面的叶片(7)的桨距角，保持迎风面的叶片(7)的桨距角为0°，使轮毂(4)和叶片(7)构成的风轮逐渐转动，风轮转动过程中不断调整桨距角，使处于背风面的叶片(7)的桨距角始终较大，迎风面的叶片(7)的桨距角较小，风轮转速逐渐加快，从而实现风轮自启动，此时，控制变桨电机(9)使叶片(7)转回初始状态；在减速停机时，通过控制变桨电机(9)，不断改变叶片(7)的桨距角，使迎风面的叶片(7)的桨距角变大，叶片(7)转到背风面时再把桨距角减小，如此循环，起到气动的减速效果，完成可变桨距大功率垂直轴风力发电装置的气动启停控制。
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