CN106812664B - 一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，包括：风帆和与风帆同轴驱动的垂直轴直驱发电机；风帆包括：风帆轴，固定于风帆轴上的若干个风帆横梁和与风帆横梁数量对应的自应迎风桨叶；其中，每个自应迎风桨叶均通过角度调整机构保证迎合风向传递单向旋转扭矩；垂直轴直驱发电机为一个以上发电机单元组成的发电机单元集合，且每个发电机单元均的电机转子均固定于垂直轴直驱发电机的动力输入轴上；采用上述技术方案的本发明，采用直驱式发电，同时自应迎风桨叶通过角度调整机构保证实时迎合风向，最大限度的利用风能，又结合垂直轴直驱发电机采用多级同轴驱动发电的设计，实现发电负载可控，进而可实现低速状态下稳定发电。

Description

一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机
技术领域
本发明涉及风力发电机，特别涉及一种根据风向可自动响应改变帆的迎风角度的风力直驱发电机。
背景技术
风力发电机是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。虽然增速机确保了风力发电机可靠发电，但同时也带来了：①发电机整体的体积大，②成本高，③可靠性低，④升速机构噪音高，⑤因有多级升速，增加了机械传送级数，故效率低，⑥安装复杂。虽然后来研发出了多电机联合发电，在提高发电功率的同时减少增速机的级数。但其也存在着负载不能进行调节，发电机设计成型后，不能根据当地最高和最低风速进行电机的任意组合。还有，风力利用率低下以及轴承等转动部件寿命低的问题。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种根据风向可自动响应改变帆的迎风角度的风力直驱发电机。
为达到以上目的，通过以下技术方案实现的：
一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，包括：风帆和垂直轴直驱发电机；
其特征在于：
风帆包括：风帆轴，固定于风帆轴上且为径向延伸的若干个风帆横梁和与风帆横梁数量对应的自应迎风桨叶；
自应迎风桨叶通过转轴转动装配于风帆横梁上，且自应迎风桨叶的转轴中心轴线与风帆轴中心轴线平行或者成大于0°小于90°夹角；其中，每个自应迎风桨叶均通过角度调整机构保证迎合风向传递单向旋转扭矩；
其中，垂直轴直驱发电机的动力输入轴与风帆轴同步转动装配；
垂直轴直驱发电机为一个以上发电机单元组成的发电机单元集合，且每个发电机单元均包括电机转子与置在电机转子外侧的电机定子，其中所有发电机单元的电机转子固定于垂直轴直驱发电机的动力输入轴上；
采用上述技术方案的本发明，风帆和垂直轴直驱发电机采用直驱式发电，同时自应迎风桨叶通过角度调整机构保证实时迎合风向，最大限度的利用风能，又结合垂直轴直驱发电机采用多级同轴驱动发电的设计，实现发电负载可控，进而可实现在50转以内实现稳定发电。
进一步的，角度调整机构包括，伺服电机、减速器及连在自应迎风桨叶上的力臂杆，通过力臂力矩的大小，用于自动调整每个自应迎风桨叶的角度，此技术方案伺服电机作为调控动力，风向的采集可通过在风帆结构上设置传感器，或者结合当地气象局的气象预报中风向风力来进行分析并控制。
进一步的，以风帆轴为参照，风帆横梁分为径向延伸长度大的长横梁和径向延伸长度小的短横梁，且每两个长横梁之间设置一个短横梁，此结构目的在于进一步的提高风能利用率。
进一步的，发电机单元输出电能传输给AC-DC整流器；每个发电机单元的AC-DC整流器的输出端都并联到DC-AC逆变器的输入端上，经过DC-AC逆变器逆变后输出，或经工频变压器升至10KV或更高输出，此技术方案为电路整合方案。
进一步的，在AC-DC整流器和DC-AC逆变器之间设有电源开关，此技术方案主要目的在于形成发电控制。
进一步的，发电机单元的电机定子固定在发电机壳体单元上，相邻两个发电机壳体单元(通常采用一样的壳体单元便于装配)通过销和紧固螺钉进行固定连接，此技术方案，主要涉及发电机单元之间的同轴组合装配形式，实现集成度高，装配方便的装配形态。
进一步的，垂直轴直驱发电机的动力输入轴底端设置有支撑球。
进一步的，风帆横梁位于自应迎风桨叶安装位置内侧设置有大于等于1个的与自应迎风桨叶安装结构相同的副自应迎风桨叶，此结构同样用于进一步利用风能。
进一步的，还包括，强台风非接触式自动锁紧保护电路功能，实现方法为：自动短接三相输出或增加制动电阻方式。
综上，本发明同现有技术相比，采用直驱式没有了升速机构，即减少了能量损失的中间环节，这样不但增加发电机的机械寿命，还提高了电机的可靠性，减小了体积，成本低，安装简易；同时，二外特殊设计风帆结构，通过自应迎风桨叶的实时调整角度来调整受风面积，以获得最大的风力利用率，增加了风力发电机的风能利用率。另外，本发明采用的垂直轴直驱发电机为一个以上发电机单元组合而成，进而可实现电机负载的任意调节，可根据当地最高和最低风速进行电机的任意组合，进而可在非常低的转速内即可稳定发电，当发电机单元转子极数达到170以上即可实现50转以内稳定发电。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
本发明共9幅附图,其中：
图1为本发明的发电机的立式发电机的结构示意图；
图2为本发明的发电机的卧式发电机的结构示意图；
图3为本发明的发电机电能输出的电路结构示意图；
图4为本发明的整体结构示意图；
图5为本发明的垂直轴直驱发电机的放大图；
图6为本发明在北风演示时自应迎风桨叶展开结构示意图；
图7为本发明在南风演示时自应迎风桨叶展开结构示意图；
图8为本发明采用同一横梁多自应迎风桨叶时俯视结构示意图；
图9为本发明自动短接三项输出电路示意图。
图中：
1、风帆，1.1、风帆轴，1.2、风帆横梁，1.3、自应迎风桨叶，1.31、副自应迎风桨叶，1.4、转轴，1.5、角度调整机构，1.6、支撑梁，1.7、风帆顶层轴承，2、垂直轴直驱发电机，3、轴承，4、电机壳体，5、电机定子，6、永磁体，7、转子磁轭，8、转子隔套，9、电机引线，10、发电机底座，11、发电机单元，12、AC-DC整流器，13、DC-AC逆变器，14、开关、15、动力输入轴，21、轴承盖，22、顶部发电机壳体单元，23、发电机顶端轴承，24、紧固螺钉Ⅰ，25、中部发电机壳体单元，26、底部发电机壳体单元，27、紧固螺钉Ⅱ，28、发电机终端轴承，29、风帆轴承，30、紧固螺钉Ⅲ，32、终端轴承支撑盖，35、轴承压盖，36、定位销，37、紧固螺钉Ⅳ，38、支撑球，39、紧固螺钉Ⅴ，40、底座，41、支撑球固定端。
具体实施方式
如图1、图4、图5和图8所示的一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，包括：风帆1和垂直轴直驱发电机2；
风帆1包括：风帆轴1.1，固定于风帆轴1.1上且为径向延伸的若干个风帆横梁1.2和与风帆横梁1.2数量对应的自应迎风桨叶1.3；
自应迎风桨叶1.3通过转轴1.4转动装配于风帆横梁1.2上，且自应迎风桨叶1.3的转轴中心轴线与风帆轴1.1中心轴线平行或者成大于0°小于90°夹角；其中，每个自应迎风桨叶1.3均通过角度调整机构1.5保证迎合风向传递单向旋转扭矩；
其中，垂直轴直驱发电机2的动力输入轴与风帆轴1.1同步转动装配；
垂直轴直驱发电机2为一个以上发电机单元组成的发电机单元集合，且每个发电机单元均包括电机转子与置在电机转子外侧的电机定子，其中所有发电机单元的电机转子固定于垂直轴直驱发电机2的动力输入轴上；
采用上述技术方案的本发明，风帆1和垂直轴直驱发电机2采用直驱式发电，可省去传统风力发电机的增速器；同时自应迎风桨叶1.3通过角度调整机构1.5保证实时迎合风向，最大限度的利用风能，又结合垂直轴直驱发电机2采用多级同轴驱动发电的设计，实现发电负载可控，进而可实现在低速(50转以内)即可稳定发电(此时发电机单元转子极数达到170以上)。
实施例1：
如图1和图3所示，发电机单元的电机转子包括：转子磁轭7和永磁体6；所述转子磁轭7固定在动力输入轴15上，永磁体6固定在转子磁轭7上。两个相邻发电机单元之间设有转子隔套8，转子隔套8设置在两个相邻发电机单元之间，固定在动力输入轴15上。电机定子5连接有电机引线9，所述电机引线9通过电机壳体4上的通孔引出连接到AC-DC整流器12上。发电机单元输出电能传输给AC-DC整流器12；每个发电机单元的AC-DC整流器12的输出端都并联到DC-AC逆变器13的输入端上，经过DC-AC逆变器13逆变后输出，或经工频变压器升至10KV或者更高值输出。
实施例2：
如图4示，风帆轴1.1同动力输入轴15可以为分体设计使用时进行固定连接，或者为一体设置。该发电机还包括支撑梁1.6，所述支撑梁1.6用于支撑风帆轴1.1，所述支撑梁1.6通过风帆顶层轴承1.7与风帆轴1.1连接；
实施例3：
如图4所示，角度调整机构1.5包括，伺服电机、减速器及连在自应迎风桨叶1.3上的力臂杆，通过力臂力矩的大小，用于自动调整每个自应迎风桨叶1.3的角度，此技术方案伺服电机作为调控动力，风向的采集可通过在风帆结构上设置传感器，或者结合当地气象局的气象预报中风向风力来进行分析并控制。
实施例4：
如图6和7所示，以风帆轴1.1为参照，风帆横梁1.2分为径向延伸长度大的长横梁和径向延伸长度小的短横梁，且每两个长横梁之间设置一个短横梁，此结构目的在于进一步的提高风能利用率。
实施例5：
如图5所示，垂直轴直驱发电机2的动力输入轴底端设置有支撑球38。该支撑球38用于动力输入轴15及风帆轴1.1，以实现动力输入轴15和风帆轴1.1的自由旋转。支撑球38通过支撑球固定端41进行固定，所述支撑球固定端41通过紧固螺钉Ⅴ39固定在发电机底座10上；所述动力输入轴15通过风帆轴承29固定在发电机底座10上。所述风帆轴承29通过轴承压盖35固定在动力输入轴15底部，所述轴承压盖35通过紧固螺钉Ⅳ37固定在动力输入轴15上。
实施例6：
如图1和图5所示，发电机单元的电机定子固定在发电机壳体单元上，相邻两个发电机壳体单元通过销和紧固螺钉进行固定连接，各发电机单元固定连接后构成发电机组X(垂直轴直驱发电机2)，所述发电机单元之间设有定位销。发电机单元的数量可以根据当地风速情况进行设计，如图5所示发电机单元的数量为N，N为大于等于2的自然数，顶部发电机壳体单元22和中部发电机壳体单元25之间通过紧固螺钉Ⅰ24进行固定，中部发电机壳体单元25和底部发电机壳体单元26之间通过紧固螺钉Ⅱ27进行固定，所述发电机单元之间可通过定位销进行定位。发电机顶端轴承23和发电机终端轴承28分别固定在轴承盖21和终端轴承支撑盖32上用于固定动力输入轴15，所述终端轴承支撑盖32通过紧固螺钉Ⅲ30固定在发电机底座10上，且通过定位销36进行定位。
实施例7：
如图8所示，风帆横梁1.2位于自应迎风桨叶1.3安装位置内侧设置有大于等于1个的与自应迎风桨叶安装结构相同的副自应迎风桨叶1.31；其中，副自应迎风桨叶1.31的形状以及转动装配形式均与应迎风桨叶1.31相同，且副自应迎风桨叶1.31迎风面位于应迎风桨叶1.3的侧边的后部，即副自应迎风桨叶1.31的迎风面和自应迎风桨叶1.3的迎风面部分重叠，副自应迎风桨叶1.31的迎风面位于自应迎风桨叶1.3的迎风面的后面，这样能够提高风帆1对风能的利用率。如果设置多个副风帆，这些副风帆的设置方式同上，迎风面互相重叠。
实施例8：
如图1所示，电机底座10固定在底座40上，可通过调整底座40和发电机底座10的高度，调整风帆1的高度。本实施例风帆1底部距离地面为稳定风速区高度，这样可避开地表面风场的扰动，确保发电机稳定发电。
实施例9：
如图9所示，还包括，强台风非接触式自动锁紧保护电路功能，实现方法为自动短接三项输出实现。
具体实现过程如下：
如图1和图2所示风帆1和发电机底座10上固定有轴承3，所述轴承3用于固定动力输入轴15，风帆或桨叶1带动动力输入轴15进行转动，动力输入轴15转动带动发电机单元11的电机转子转动，即动力输入轴15转动带动转子磁轭7和永磁体6转动，电机定子5切割磁力线产生电能，电机定子5产生的电能通过电机引线9传输给AC-DC整流器12。
如图3所示，所述每个发电机单元11的AC-DC整流器的输出端都并联到DC-AC逆变器13的输入端上，经过DC-AC逆变器13逆变后输出，为实现电机负载可调节，在AC-DC整流器12和DC-AC逆变器13之间设有开关14。根据需要控制开关闭合或打开，来控制DC-AC逆变器13接入AC-DC整流器的个数，已实现DC-AC逆变器13输出功率的大小，例如：每个发电机单元为10兆瓦，在风力足够大的情况下开启全部发电机单元(设该发电机包括8个发电机单元)，这样便可输出80兆瓦的功率的电能，当风力不足以带动全部负载的情况下，减少接入的发电机单元，假设传感单元检测到风力只够带动发电机30兆瓦的电能，则电机控制单元控制3个AC-DC整流器并联到DC-AC逆变器13上，这时参与发电工作的发电机单元为3个，输出的功率为30兆瓦。
本发明设有风速传感器、风向传感器和转速传感器，用于感应风速和风向以及发电机的转速，给发电机控制单元，发电机控制单元根据各传感器传回的数据进行风帆角度调整以及调整接入发电机单元的数量，已实现发电机的转速，目的是控制发电机发电的频率，例如：发电机发出的电为工频50HZ。根据风速传感器和风向传感器获取相关数据后，发电机控制单元控制每个自应迎风桨叶(如设置有副自应迎风桨叶包含其中)的角度，即自应迎风桨叶0°～180°根据风向自动调节角度，以获取最大的风能。如图6和图7所示，通过风向传感器获取风向A的方向，调整自应迎风桨叶的角度，使得受风面的风帆的迎风面垂直风向A，相对的非受风面的自应迎风桨叶此时收起，理想状态是非受风面的自应迎风桨叶平行风向A，此时非受风面产生的风阻最小，风力发电机整体获取风能最大，能最大的克服现有风帆式发电机不能及时调整风帆角度，导致处于同一平面的两个风帆同时承受风能而发生能量抵消，导致发电机不能有效的利用风能的情况发生。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，包括：风帆(1)和垂直轴直驱发电机(2)；
其特征在于：
所述风帆(1)包括：风帆轴(1.1)，固定于风帆轴(1.1)上且为径向延伸的若干个风帆横梁(1.2)和与风帆横梁(1.2)数量对应的自应迎风桨叶(1.3)；
所述自应迎风桨叶(1.3)通过转轴(1.4)转动装配于风帆横梁(1.2)上，且自应迎风桨叶(1.3)的转轴中心轴线与风帆轴(1.1)中心轴线平行或者成大于0°小于90°夹角；其中，每个自应迎风桨叶(1.3)均通过角度调整机构(1.5)保证迎合风向传递单向旋转扭矩；
其中，垂直轴直驱发电机(2)的动力输入轴与风帆轴(1.1)同步转动装配；
所述垂直轴直驱发电机(2)为一个以上发电机单元组成的发电机单元集合，且每个发电机单元均包括电机转子与置在电机转子外侧的电机定子，其中所有发电机单元的电机转子固定于垂直轴直驱发电机(2)的动力输入轴上；
当发电机单元转子极数达到170以上即可实现50转以内稳定发电；
所述角度调整机构(1.5)包括，伺服电机、减速器及连在自应迎风桨叶(1.3)上的力臂杆，通过力臂力矩的大小，用于自动调整每个自应迎风桨叶(1.3)的角度；
所述自应迎风桨叶(1.3)为弧形叶片；
以风帆轴(1.1)为参照，风帆横梁(1.2)分为径向延伸长度大的长横梁和径向延伸长度小的短横梁，且每两个长横梁之间设置一个短横梁；
所述垂直轴直驱发电机(2)的动力输入轴底端设置有支撑球。
2.根据权利要求1所述的一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，其特征在于：所述发电机单元输出电能传输给AC-DC整流器；每个发电机单元的AC-DC整流器的输出端都并联到DC-AC逆变器的输入端上，经过DC-AC逆变器逆变后输出，或经工频变压器升至10KV或更高输出。
3.根据权利要求2所述的一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，其特征在于：在AC-DC整流器和DC-AC逆变器之间设有电源开关。
4.根据权利要求1所述的一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，其特征在于：所述发电机单元的电机定子固定在发电机壳体单元上，相邻两个发电机壳体单元通过销和紧固螺钉进行固定连接。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，其特征在于：所述风帆横梁(1.2)位于自应迎风桨叶(1.3)安装位置内侧设置有大于等于1个的与自应迎风桨叶安装结构相同的副自应迎风桨叶(1.31)。
6.根据权利要求1所述的一种根据风向应变帆的迎风角度的风力直驱发电机，其特征在于：还包括，强台风非接触式自动锁紧保护功能，实现方法为：自动短接三相输出或增加制动电阻方式。
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