CN107061151A - 模块化框架式高效率垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模块化框架式高效率垂直轴风力机，包括风轮主轴、增速齿轮箱、永磁同步发电机、风电控制柜和外围基础，其特征在于该风力机还包括阻力型风轮、升力型风轮、风向导流板和横向支撑结构；所述阻力型风轮安装于风力机的顶部，阻力型风轮的下部与风轮主轴连接；所述升力型风轮为三层层叠式叶轮结构，每层中心处均装有一段风轮主轴，且每层均包括若干数量的叶片，每个叶片通过风轮支架与相应的风轮主轴连接，各段风轮主轴通过轴套进行柔性连接；三层上的所有叶片交错布置，所有叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，每层中叶片的数量为奇数；所述风轮支架包括矩形框架，矩形框架的一端与风轮主轴连接。

Description

模块化框架式高效率垂直轴风力机
技术领域
本发明属于绿色新能源技术中的风力发电装置技术领域，涉及一种模块化框架式高效率垂直轴风力机。
背景技术
风电发电领域的主流为水平轴风力机，但由于其自身结构特点的限制，使其存在一些不易解决的缺陷，例如整体受力不平衡，机舱内几十吨甚至几百吨重的风力发电装置需要吊装到几十米甚至几百米的塔架上，使得安装与维修困难、成本较高。而且造成塔架承受较大的倾翻力矩，对塔架基础要求较高的同时使得在某些特殊地形例如风资源较好的山梁地区受到限制而无法运输与安装。与此同时，风光互补、建筑一体化等分布式发电以及海上风力发电日渐增多。由于垂直轴风力发电机组自身具有维护方便、成本低、噪音低等优势，比水平轴风力机更适合于这些领域，因此垂直轴风力发电机组也会有很好地发展前景。
本发明为在专利号为ZL2015103068388的中国专利基础上的改进，该专利公开了一种层叠结构、自动变桨的垂直轴风机，所述风力机为层叠式框架结构，在风轮主轴上至少串联安装有两组框架式风轮及导流板，每组框架式风轮至少安装三个框架，框架内安装有一根叶片转轴，每根叶片转轴上安装有一个叶片，所述导流板为长党性，各导流板在水平投影方向与风轮径向平面夹角相等，该专利虽然在一定程度上提高了风力机的风能利用率与起动性能，却依然存在着许多缺陷。其不足之处在于：1.导流板为可转动的长党性，可以通过控制导流板的开闭控制风力机风轮的进风量，却因为导流板的设计形状无法提高风力机开启时的风能利用率；2.风力机中缺少阻力型风轮结构，使得低风速下风力机的气动性能较低。3.该专利涉及的风力机的风轮主轴依然要承受叶片与连接叶片与风轮主轴的风轮支架的重力，当垂直轴风力机大型化后其叶片与风轮支架的重力较大，对于风轮主轴的强度要求较高，大大增加了风力机制造与安装的成本，这使得该风力机仅仅适用于小型或分布式发电而无法实现垂直轴风力机的大型化发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种模块化框架式高效率垂直轴风力机。该风力机克服了现有技术中垂直轴风力机启动时风能利用率低、启动性差、成本高、适用范围窄的缺点，设有横截面为流线型的风向导流板和层叠式叶轮结构的升力型风轮，加装的横截面为流线型的风向导流板结构可以在现有导流板浓缩风的基础之上还能改变垂直轴风力机某些方位角下的来流风向，将这些方位角位置的风轮所做的负转矩转化为正转矩，显著提高了垂直轴风力机的风能利用率；采用三层相互错开的层叠式叶轮结构的升力型风轮，并在整体风力机顶端加装阻力型风轮，显著提高了垂直轴风力机的启动性能。同时，本发明在风轮主轴与叶片之间使用自行设计的风轮支架连接，各层叶片之间采用横向支撑结构连接，并在该横向支撑结构上安装环形滑道，通过环形轨道上的导轮直接提拉叶片与风轮支架，可以有效减轻风轮主轴的承重，大大降低了风轮主轴的强度要求与制造成本。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种模块化框架式高效率垂直轴风力机，包括风轮主轴、增速齿轮箱、永磁同步发电机、风电控制柜和外围基础，其特征在于该风力机还包括阻力型风轮、升力型风轮、风向导流板和横向支撑结构；所述阻力型风轮安装于风力机的顶部，阻力型风轮的下部与风轮主轴连接；
所述升力型风轮为三层层叠式叶轮结构，每层中心处均装有一段风轮主轴，且每层均包括若干数量的叶片，每个叶片通过风轮支架与相应的风轮主轴连接，各段风轮主轴通过轴套进行柔性连接；三层上的所有叶片交错布置，所有叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，每层中叶片的数量为奇数；所述风轮支架包括矩形框架，矩形框架的一端与风轮主轴连接，另一端连接叶片内侧，从矩形边框中部到与风轮主轴连接处沿风力机高度方向上安装有多个用于支撑矩形框架的弯曲钢板，相邻两个弯曲钢板之间具有缝隙，弯曲钢板面对风轮主轴的一侧为凸面，朝向叶片的一侧为凹面；
每层叶片的上部均安装有横向支撑结构，所述横向支撑结构为六边形板，六边形板的下表面均设置有环形轨道，每层的叶片能在环形轨道中做圆周运动，环形轨道内安装有导轮，导轮直接提拉叶片；在位于底层的叶片的下方也设置有横向支撑结构；相邻两个横向支撑结构之间均安装有六块风向导流板，六块风向导流板与两个横向支撑结构的连接轴线均平行于风力主轴，且六块风向导流板的水平投影均布在一个圆形区域内，所述风向导流板的横截面为流线型；每层的若干数量的风向导流板相互连接，并与横向支撑结构刚性连接，整体形成框架式结构；位于底部的横向支撑结构的下部与外围基础连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.风向导流板不仅起到浓缩风的作用，而且其横截面为流线型使得当叶片到达某些方位角时还能起到改变来流风向的作用，将叶片在这些特殊位置时所做的负功转化为正功，提高了风力机的风能利用率。同时本申请中的风向导流板为固定加装，不能转动，在提高风能利用率的同时节约了风向导流板设计与安装的成本。
2.在垂直轴风力机顶端安装阻力型风轮，提高了风轮在各个来流风向上的启动转矩并可将风力机的启动转速降低至2m/s-3m/s。
3.风向导流板与横向支撑结构采用刚性连接，升力型风轮的每层均通过导轮连接到其上方横向支撑结构的环形轨道上。风力机主轴的作用仅为输出转矩而不承受风力机各个结构的重力，降低了风轮主轴对于强度的要求与风力机的制造成本，有利于垂直轴风力机的大型化发展。
4.风力机的叶片采用固定安装角的方式固定在风轮支架上，即通过理论计算分析得到一个角度值，叶片相对于初始0°安装角的位置偏移该角度值安装可使风轮捕获风能的效果最佳，同时解决了复杂的变桨距系统给风力机带来的技术与成本上的难题。
5.使用自行设计的风轮支架连接升力型叶片与风轮主轴，该结构相当于阻力型叶片，进一步提高垂直轴风力机的启动转矩。
本发明的模块化框架式高效率垂直轴风力机具有结构简单、便于维护、环保性高、无需对风、噪音小等相对水平轴风力机的优点；同时，本发明提高了风能利用率和自启动性能，价格相对便宜，控制灵活，效率较高；可应用于城市公共照明、居民家庭、大型户外广告、电信基站、油田、建筑楼顶、高速公路监控系统、游船、乡村电站等领域，并将实现大型化与商业化，较之水平轴风力机在分布式发电和海上发电等领域更具发展优势。
附图说明
图1是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机一种实施例的整体结构示意图。
图2是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机一种实施例的剖面结构示意图。
图3是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机一种实施例的升力型风轮2的立体结构示意图。
图4是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机一种实施例的横向支撑结构8的仰视结构示意图。
图5是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机风向导流板3与横向支撑结构8的安装结构示意图。
图6是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机风向导流板3安装时的横截面结构示意图。
图7是本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机一种实施例的风轮支架2.2的结构示意图。
图中，1阻力型风轮、2升力型风轮、3风向导流板、4风轮主轴、5增速齿轮箱、6永磁同步发电机、7风电控制柜、8横向支撑结构、9外围基础；2.1升力型叶片、2.2风轮支架、8.1环形滑道、2.21矩形框架，2.22弯曲钢板。
具体实施方式
下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机(简称风力机，参见图1-7)包括阻力型风轮1、升力型风轮2、风向导流板3、风轮主轴4、增速齿轮箱5、永磁同步发电机6、风电控制柜7、横向支撑结构8和外围基础9；所述阻力型风轮1安装于风力机的顶部，提高了启动转矩，阻力型风轮1的下部与风轮主轴4连接；
所述升力型风轮2为三层层叠式叶轮结构，每层中心处均装有一段风轮主轴4，且每层均包括若干数量的叶片2.1，每个叶片通过风轮支架2.2与相应的风轮主轴4连接，各段风轮主轴通过轴套进行柔性连接，提高各段风轮主轴的同轴度；三层上的所有叶片交错布置，所有叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，所述每层中叶片的数量为奇数；所述风轮支架2.2包括矩形框架2.21和若干数量的弯曲钢板2.22，矩形框架2.21的一端与风轮主轴4连接，另一端连接叶片内侧，从矩形边框中部到与风轮主轴连接处沿风力机高度方向上安装有多个用于支撑矩形框架2.21的弯曲钢板2.22，相邻两个弯曲钢板2.22之间具有缝隙，弯曲钢板面对风轮主轴的一侧为凸面，即背风侧，朝向叶片的一侧为凹面，即迎风侧；所述风轮支架2.2不仅起到连接叶片2.1与风轮主轴4的风轮支架作用，而且凹面为迎风侧的弯曲钢板2.2.2可以更进一步的汇聚风能，显著提高风力机的启动转矩；
每层叶片的上部均安装有横向支撑结构8，所述横向支撑结构8为六边形板，六边形板的下表面均设置有环形轨道8.1，每层的叶片能在环形轨道中做圆周运动，环形轨道内安装有导轮，导轮直接提拉叶片，减轻风轮主轴的承重；在位于底层的叶片的下方也设置有没有环形导轨的横向支撑结构8；相邻两个横向支撑结构8之间均安装有六块风向导流板3，六块风向导流板3与两个横向支撑结构8的连接轴线均平行于风力主轴4，且六块风向导流板3的水平投影均布在一个圆形区域内，所述风向导流板3的横截面为流线型；每层的若干数量的风向导流板相互连接，并与横向支撑结构刚性连接，整体形成框架式结构；所述风向导流板用于调控升力型风轮的风能捕获量，将升力型风轮2某些方位角下所做负功转化为正功；
位于底部的横向支撑结构8的下部与外围基础9连接，通过外围基础9将风力机固定在地面上，在外围基础内部设置增速齿轮箱5、永磁同步发电机6和风力机控制柜7，风轮主轴4的下端通过增速齿轮箱5与永磁同步发电机6的输入端连接，永磁同步发电机6的输出端与控制柜7连接。
本发明的进一步特征在于所述阻力型风轮1为螺旋结构，提高启动转矩，并增加了风力机的美观性。
本申请中具有四层风轮结构，顶部的阻力型风轮为一层风轮，升力型风轮为层叠式的三层结构，故有三层风轮，在这四层中每相邻两层间均加装一个横向支撑结构8，位于底部的横向支撑结构上可以没有环形轨道。
本发明中的升力型风轮2每层至少由3个叶片组成，并根据机组额定功率的提高而增多，且均保持每层的叶片数为奇数。优选每层叶片数量为3，三层共9个叶片，9个叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，相邻两个投影之间的夹角为40°。
本发明中所述模块化是指将升力型风轮2的每一层与其上方的横向支撑结构8及风向导流板及每一层的风轮主轴构成一个模块，使得垂直轴风力机现场安装时可以将每个模块分层安装，提高了安装的方便性及安全性。
本发明中阻力型风轮1与升力型风轮2之间、升力型风轮2的各层之间均通过横向支撑结构8连接，且横向支撑结构8与各层风向导流板3均刚性连接，横向支撑结构8为主要的受力机构。位于升力型风轮2各层叶片上方的横向支撑结构8均加装一条环形轨道，通过横向支撑结构8下表面设置的环形轨道8.1内的导轮直接提拉叶片，减轻了连接叶片与风轮主轴的悬臂梁的承重，使得风轮主轴4仅输出转矩而不承受风向导流板3与叶片的重力，有利于垂直轴风力发电机组的大型化。
本发明模块化框架式高效率垂直轴风力机的工作原理及过程是：风速达到切入风速时，阻力型风轮1开始工作，并通过风轮主轴4带动层叠式叶轮结构的升力型风轮2转动，提高低风速下风力机的自启动性能。每层叶片上方的横向支撑结构8上加装一条环形轨道，通过导轮直接提拉叶片，减轻了连接叶片与风轮主轴4的风轮支架2.2的承重。在相邻两个横向支撑结构8加装六块流线型风向导流板3，且风向导流板3朝向横向支撑结构8的外侧，用于调控风轮的风能捕获量并某些方位角下的风向。各层风轮中心处均装有一段风轮主轴4，且各段之间通过轴套进行柔性连接，提高各段主轴同轴度的要求。且升力型风轮2以及风向导流板3的重力均由横向支撑结构8承受，再通过外围基础9传递至地面，风轮主轴4仅仅起到传输转矩的作用而不承受力矩。风轮将转矩传递给风轮主轴4，在经过增速齿轮箱5传递给永磁同步发电机6发出交变电流，并通过风力机控制柜7中的整流器对交流电整流成直流电，再通过风力机控制柜7中的逆变器将直流电逆变为交流电，最后实现并网。
实施例1
本实施例模块化框架式高效率垂直轴风力机，包括风轮主轴4、增速齿轮箱5、永磁同步发电机6、风电控制柜7、外围基础9、阻力型风轮1、升力型风轮2、风向导流板3和横向支撑结构8；所述阻力型风轮1安装于风力机的顶部，阻力型风轮1的下部与风轮主轴4连接；所述升力型风轮2为三层层叠式叶轮结构，每层中心处均装有一段风轮主轴4，且每层均包括若干数量的叶片2.1，每个叶片通过风轮支架2.2与相应的风轮主轴4连接，各段风轮主轴通过轴套进行柔性连接；三层上的所有叶片交错布置，所有叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，每层中叶片的数量为奇数；所述风轮支架2.2包括矩形框架2.21，矩形框架2.21的一端与风轮主轴4连接，另一端连接叶片内侧，从矩形边框中部到与风轮主轴连接处沿风力机高度方向上安装有多个用于支撑矩形框架2.21的弯曲钢板2.22，相邻两个弯曲钢板2.22之间具有缝隙，弯曲钢板面对风轮主轴的一侧为凸面，朝向叶片的一侧为凹面迎风侧；
每层叶片的上部均安装有横向支撑结构8，所述横向支撑结构8为六边形板，六边形板的下表面均设置有环形轨道8.1，每层的叶片能在环形轨道中做圆周运动，环形轨道内安装有导轮，导轮直接提拉叶片；在位于底层的叶片的下方也设置有横向支撑结构8；相邻两个横向支撑结构8之间均安装有六块风向导流板3，六块风向导流板3与两个横向支撑结构8的连接轴线均平行于风力主轴4，且六块风向导流板3的水平投影均布在一个圆形区域内，所述风向导流板3的横截面为流线型；每层的若干数量的风向导流板相互连接，并与横向支撑结构刚性连接，整体形成框架式结构；位于底部的横向支撑结构8的下部与外围基础9连接。
本实施例中每层叶片的数量为三，相邻两个横向支撑结构距离为0.3m，升力型风轮直径为0.66m，阻力型风轮的直径为0.42m，风力机的整体高度为1.6m；风力机所带发电机的额定功率为100w。
为了验证本实施例风力机的高效性，在实验室风源下模拟山梁地区的自然风进行样机试验。风源的额定风速为3m/s，使用转速表分五次实验分别测量风轮的转速并计算风力机旋转的机械功率，结果见表1。
表1风轮转速测量与功率计算
计算五组数据风力机旋转的机械功率的平均值为10.87w，计算得风源的风功率为34.1w，可得本发明的风能利用率为10.87w/34.1w＝0.318。而当前风电领域中，使用于山梁地区的传统垂直轴风力机的风能利用率仅为0.25左右，而本实施例相比于传统垂直轴风力机，风能利用率提高了6.8％左右，本实施例风力机能有效改善传统垂直轴风力机效率较低的情况，风能利用率高。
本发明风力机结构简单、便于维护、环保性高、无需对风、噪音小、价格低、控制灵活、效率较高，能在某些特殊地形例如风资源较好的山梁地区广泛使用，有利于风力机的大型化。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种模块化框架式高效率垂直轴风力机，包括风轮主轴、增速齿轮箱、永磁同步发电机、风电控制柜和外围基础，其特征在于该风力机还包括阻力型风轮、升力型风轮、风向导流板和横向支撑结构；所述阻力型风轮安装于风力机的顶部，阻力型风轮的下部与风轮主轴连接；
所述升力型风轮为三层层叠式叶轮结构，每层中心处均装有一段风轮主轴，且每层均包括若干数量的叶片，每个叶片通过风轮支架与相应的风轮主轴连接，各段风轮主轴通过轴套进行柔性连接；三层上的所有叶片交错布置，所有叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，每层中叶片的数量为奇数；所述风轮支架包括矩形框架，矩形框架的一端与风轮主轴连接，另一端连接叶片内侧，从矩形边框中部到与风轮主轴连接处沿风力机高度方向上安装有多个用于支撑矩形框架的弯曲钢板，相邻两个弯曲钢板之间具有缝隙，弯曲钢板面对风轮主轴的一侧为凸面，朝向叶片的一侧为凹面；
每层叶片的上部均安装有横向支撑结构，所述横向支撑结构为六边形板，六边形板的下表面均设置有环形轨道，每层的叶片能在环形轨道中做圆周运动，环形轨道内安装有导轮，导轮直接提拉叶片；在位于底层的叶片的下方也设置有横向支撑结构；相邻两个横向支撑结构之间均安装有六块风向导流板，六块风向导流板与两个横向支撑结构的连接轴线均平行于风力主轴，且六块风向导流板的水平投影均布在一个圆形区域内，所述风向导流板的横截面为流线型；每层的若干数量的风向导流板相互连接，并与横向支撑结构刚性连接，整体形成框架式结构；位于底部的横向支撑结构的下部与外围基础连接。
2.根据权利要求1所述的模块化框架式高效率垂直轴风力机，其特征在于所述阻力型风轮为螺旋结构。
3.根据权利要求1所述的模块化框架式高效率垂直轴风力机，其特征在于每层叶片数量为3，三层共9个叶片，9个叶片在水平面上的投影均布在一个圆形区域内，相邻两个投影之间的夹角为40°。
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