CN110552845B - 一种风力发电机构及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种小型垂直轴式风力发电机构，该风力发电机构包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统，发电系统位于支撑架系统上方，叶轮旋转系统位于发电系统的上方。能达到快速又省成本的效益，制造容易或是易于大量生产，不受地形风问题影响，适合装置于高楼及市区使用，可应用在城市区照明、设施辅助电源等多样化用途。

Description

一种风力发电机构及其装配方法
技术领域
本发明涉及新能源领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机构。
背景技术
随着现代工业不断发展，能源消耗量与日俱增。可持续能源亦即可再生能源，是指通过自然力的作用可以不断循环再生的能源，主要包括太阳能、风能、生物质能、海洋能、潮汐能、地热能等。把可再生能源通过一定的技术手段从非电能转换成电能，并加以利用，这种技术就是可再生能源的发电技术。从某种意义上来讲，这也是一种能源转换技术。
风能被认为是全球最重要、最可持续、最具竞争力、最可靠、最经济的可再生能源之一，因为它不使用任何化石燃料，比发电站更高效、占地面积更小，而且提供可靠的电能供应。发展风电对于改善能源结构、保护生态环境等方面有着极其重要的意义。
风力发电是指将风的动能通过风机转化为机械能，并再通过风力发电机把机械能转化为电能的过程。显而易见，风力发电机是风力发电系统的核心部件之一，它不仅直接影响到输出电能的质量和效率，也影响到整个风电转换系统的性能和结构。按照旋转主轴的姿态可分为水平轴风力机和垂直轴风力机，水平轴风力机的旋转主轴与叶片旋转平面垂直且地面平行，垂直轴风力机的旋转主轴与叶片旋转平面平行且地面垂直。然而，相较于水平轴风力机，垂直轴风力机具有低噪音、维修容易、安全性高以及装置容易等优点，使得垂直轴风力机非常 适合架设在流场复杂产生地形风的城市环境中，提高城市区的风能利用效率。
现有技术CN110094302A公开了一种可变桨顶缘自转型垂直轴风力发电机，虽然该风力发电机能够解决小型H型垂直轴风能利用效率低且低风启动性能较差等问题，然而该风力发电机结构相对复杂，对于叶片尺寸和装配要求较高，成本高，通用效果较差。因此迫切需要一种高效的通用的能够适应城市使用的垂直轴式风力发电机。
发明内容
因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。
按照本发明提供的技术方案，本发明公开了一种风力发电机构，包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统；支撑架系统包括三角底板、圆柱支架，其中，三角底板的中部设有螺纹孔，圆柱支架底部的螺纹段与螺纹孔连接；发电系统位于支撑架系统上方，发电系统包括转轴支撑盘下盘、转轴支撑盘上盘、第一滚动轴承，转轴支撑盘下盘和转轴支撑盘上盘通过传动转轴连接，传动转轴上还匹配有发电机，叶轮旋转系统位于发电系统的上方，叶轮旋转系统包括叶片单元、十字转盘下盘、十字转盘上盘、垂直支架，十字转盘下盘、十字转盘上盘均由两个支臂呈“十”字构成，上下支臂的对应位置处均设有多个定位孔，叶片单元、垂直支架的两端均与上下支臂的定位孔连接，从而位于十字转盘下盘和十字转盘上盘之间。
进一步的，支撑架系统还包括螺纹锁固环，螺纹锁固环位于三角底板中部的上方，圆柱支架底部的螺纹段穿过螺纹锁固环与螺纹孔连接。
进一步的，发电系统还包括发动机外壳，发动机外壳与转轴支撑盘下盘连接。
进一步的，十字转盘下盘的两个支臂由转轴锁固下盘固定，十字转盘上盘的两个支臂由转轴锁固上盘固定，转轴锁固下盘与转轴锁固上盘之间连接有中心转轴。
进一步的，十字转盘下盘和十字转盘上盘上均设有角度定位柱，角度定位柱还设有消音棉。
进一步的，叶片单元由叶片组成，叶片为内凹外凸翼型叶片，叶片的上下两端均设有叶片旋转轴，叶片旋转轴通过第二滚动轴承与支臂的定位孔连接，叶片凸面处安装有角度限位器。
进一步的，垂直支架包括多个竖直定位杆，每个竖直定位杆连接在上下支臂的定位孔之间，每个竖直定位杆上还设有缓冲棉。
进一步的，十字转盘上盘和十字转盘下盘上还分别对应设有上下圆形挡风板。
进一步的，十字转盘下盘和十字转盘上盘的端面处均包覆有橡胶垫。
本发明还公开了该风力发电机构的装配方法，还进一步的公开了使用该风力发电机构形成的测试系统，该测试系统包括轴流式鼓风机、转速器、风速仪、三用电表、整流器、LED灯泡。
本发明提供了一种小型垂直轴式风力发电机构，该风力发电机构包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统，发电系统位于支撑架系统上方，叶轮旋转系统位于发电系统的上方。能达到快速又省成本的效益，制造容易或是易于大量生产，不受地形风问题影响，适合装置于高楼及市区使用，可应用在城市区照明、远程监测、设施辅助电源等多样化用途。
附图说明
图1为本发明的叶片结构示意图。
图2为本发明的叶轮随着偏左风向的静态风向工作示意图。
图3为本发明的叶轮随着中间风向的静态风向工作示意图。
图4为本发明的叶轮随着偏右风向的静态风向工作示意图。
图5为本发明的风力机构装配步骤示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
风力发电机构包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统，发电系统位于支撑架系统上方，叶轮旋转系统位于发电系统的上方。
支撑架系统包括三角底板、圆柱支架，其中，三角底板的中部设有螺纹孔，圆柱支架底部的螺纹段与螺纹孔连接；支撑架系统还包括螺纹锁固环，螺纹锁固环位于三角底板中部的上方，圆柱支架底部的螺纹段穿过螺纹锁固环与螺纹孔连接，设置螺纹锁固环可以对支撑架系统进行二次加固，保证整个系统的稳定性。
发电系统包括转轴支撑盘下盘、转轴支撑盘上盘、第一滚动轴承（深沟球滚子轴承），转轴支撑盘下盘和转轴支撑盘上盘通过传动转轴连接，传动转轴上还通过联轴器匹配有发电机，发电系统还包括发动机外壳，发动机外壳与转轴支撑盘下盘连接。
叶轮旋转系统包括叶片单元、十字转盘下盘、十字转盘上盘、垂直支架。
十字转盘下盘、十字转盘上盘均由两个支臂呈“十”字构成，上下支臂的对应位置处均设有多个定位孔，叶片单元、垂直支架的两端均与上下支臂的定位孔连接，从而位于十字转盘下盘和十字转盘上盘之间。十字转盘下盘的两个支臂由转轴锁固下盘固定，十字转盘上盘的两个支臂由转轴锁固上盘固定，转轴锁固下盘与转轴锁固上盘之间连接有中心转轴。
本发明的叶片单元由8支叶片组成，形成四组叶片单元，每组叶片单元由2支叶片形成。叶片设计采用一种双面式的其升力系数大的内凹、外凸翼型叶片。如图 1所示，翼型叶片全长 200mm，截面两端设有长 8mm， 直径3.6mm的叶片旋转轴，可与第二滚动轴承（圆柱滚子轴承）及上下支臂的对处的定位孔配合，使翼型叶片以叶片旋转轴为中心，进行随风旋转。
垂直支架包括多个竖直定位杆，每个竖直定位杆连接在上下支臂的定位孔之间，每个竖直定位杆上还设有缓冲棉，这与能有效降低叶片在摆动时所产生噪音及震动。
十字转盘下盘和十字转盘上盘上均设有角度定位柱，叶片凸面处安装有角度限位器，角度定位柱和角度限位器的协同作用能够限制叶片旋转时的摆动角度，使其进行幅度0°到90°的摆动运动，角度定位柱上还设有消音棉，能够消除拍打噪音。
如有必要，十字转盘上盘和十字转盘下盘上还可以分别设有上下圆形挡风板，这样能够增加叶轮的受力面积，使得风力集中形成集风区，达到提高叶轮扭矩和转速的作用。
本发明所涉及的叶轮旋转系统能够设计成内旋式与外旋式两种型态。
对于内旋式模型而言，叶轮受风面偏左面时会产生顺向运转，全程运转皆为阻升型状态；在叶轮受风面偏右面时会产生逆向运转，这时叶轮最靠近受风面的支架会呈现阻升状态，另一侧支架则呈现升力型状态，叶轮形成半阻升半扬升状态。
对于外旋式模型而言，叶轮受风面偏左面时会产生顺向运转，启动时第一转可为阻升状态，之后因气流切线流场立刻转成扬升状态，形成内外两圈切线流场升力推动；在叶轮受风面偏右面时会产生逆向运转，会呈现另一方向全扬升，可以说外旋式旋转基本上是升力型状态。
本发明重点涉及的是内旋式翼型垂直轴风力发电机，其组成零件在叶轮框架向可任意增添叶片数目，顺向风运转，使其增加迎风面面积，使受风量大幅提升叶轮的阻升扭力为目的，相反的，逆向风可使其增加更多叶片切线力，产生更大的升力状态。依照叶片数量可分为4 叶片、8 叶片、12 叶片式， 其产生阻升扭力也逐渐放大，相当叶轮转速也逐渐增大。
本发明的风力发电机构的装配方法包括如下步骤：装配步骤请详见如图5所示意，主要分为前后两个阶段的装配，前阶段装配为支撑架系统和发电系统的组合，后阶段装配则是叶轮旋转系统部分。
(1)、先将三角底板放置于地面水平处，再将圆柱支架底部螺纹段与三角底板中央的螺纹孔进行螺纹连接，然后再把螺纹锁固环从上至下套入圆柱支架并与圆柱支架的底部螺纹段连接；
(2)、接着把第一轴承嵌至转轴支撑盘下盘，将传动转轴与转轴支撑盘上盘通过连接件连接；
(3)、把转轴支撑盘上盘与传动转轴组合形成的组合体穿过第一轴承，与第一轴承形成装配；
(4)、接着将发电机与发电机底盘进行结合，用联轴器将发电机与传动转轴匹配连接；
(5)、再将发动机外壳盖过发电机、传动转轴，并与转轴支撑下盘进行固定，然后把整个发电系统与圆柱支架进行连接；
(6)、使用两个支臂呈“十”字的构成十字转盘下盘，将转轴锁固下盘锁于十字转盘下盘的中心；
(7)、接着使用连接件把十字转盘下盘与转轴支撑盘上盘进行连接；
(8)、把中心转轴下端嵌至转轴锁固下盘的中心位置，而上端则嵌在转轴锁固上盘的中心位置；
(9)、使用两个支臂呈“十”字的构成十字转盘上盘，接下来把十字转盘上盘与转轴锁固上盘进行锁合；
(10)、将竖直定位杆通过连接件连接在十字转盘下盘和十字转盘上盘的支臂指定的的定位孔之间；
(11)、准备八支叶片，将第二轴承安装于每个叶片两端的叶片旋转轴处，然后将第二轴承安装在十字转盘下盘和十字转盘上盘的支臂指定的定位孔中，从而将叶片安装于十字转盘下盘和十字转盘上盘上；
(12)、将四组叶片单元与十字转盘上下盘组合完成后，于每个叶片凸面处加装角度限位器；
(13)、在十字转盘下盘和十字转盘上盘的端面处均包覆上橡胶垫；
(14)、完成风力发电机构的装配，将装配完毕的风力发电机构移送至指定位置。
图2为叶轮随着偏左风向的静态风向工作示意图，图3为叶轮随着中间风向的静态风向工作示意图，图4为叶轮随着偏右风向的静态风向工作示意图，在这三种不同的工作状态下，所有叶片均呈现角度不一的状态，使叶轮进行顺向或是逆向的两种旋转方向。其中旋转轴与叶片角度未达到0°及90°代表叶片受风力影响不大，达到0°代表受阻升推动，达到90°代表受升力推动。
本发明还进行风洞性能检测仿真测试，主要为测量本发明的发电机构所产生的电压、电流、叶轮转速及叶轮风速。测试系统所涉及的设备包括4KW轴流式鼓风机、转速器、风速仪、三用电表、整流器、2×7W的LED灯泡及由上述装配方法装配的风力发电机构等。本测量系统为一个低转速、高扭力及吸入式的轴流马达风洞，本测量分为叶轮顺向及逆向运转两个部分做发电性能量测试。4KW鼓风机风口直径为630mm，针对发电机构的8支叶片端部进行顺、逆向轮流施加风力，测定2×7W的LED发电灯泡的电压、电流。其中利 用转速计及风速器，鼓风机距离叶轮860mm处可测得最大风速7.1m/s，测量风力机构在经整流器及2×7W并联LED直流灯泡负载下的风能功率、机械功率及电能功率。
通过下表可得知，当风力机在Φ=630mm的轴流式鼓风机系统，在2×7W并联LED直流灯泡负载下，进行不同叶轮顺向及逆向运转，测量风力机构在稳定的平均风速7.1 m/s时，平均转速各为38.7rpm及34.6rpm，顺向及逆向时之所以会略有不同的叶轮转速，表明两系统不同叶片受风面不相同，因而输入的机械功率、电能功率也会不相同。
叶轮转向 平均风速(m/s) 平均转速(rpm) 总扭力矩(N·M) 风能功率P1(W) 机械功率P2(W) 电能功率P3(W) 功率系数Cp1=P2/P1 功率系数Cp2=P3/P2 功率系数Cp3=P3/P1
顺向 7.1 38.7 9.085 66.05 36.817 11.75 55.74% 31.91% 17.79%
逆向 7.1 34.6 7.1245 66.05 27.21 10.87 41.196% 39.94% 16.45%
本发明的测量系统中，当风能功率转换 至机械功率使系统产生机械功率系数Cp1，由机械功转换至电能功率使系统产生电能功率系数Cp2，因此将机械功率系数Cp1与电能功率系数Cp2相乘可得总功率系数Cp3。叶轮进行顺向旋转时，连接负载的叶轮平均转速约为38.7rpm，机械功的总力矩为9.085Nm，输入电能功率11.75W，输出总功率系数 17.45%；进行逆向旋转时，连接负载的叶轮平均转速为34.6rpm，机械功的总力矩为7.125Nm，输入电能功率10.87W，输出总功率系数16.45%。通过比较发电机基本的性能，顺向旋转与逆向旋转所得电能总功率系数误差约1.34%。本发明所涉及的风力发电机所产生电能功率是可双向的，能够充分发电且符合预期。
本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

Claims (3)

1.一种风力发电机构的装配方法，所述的风力发电机构包括支撑架系统、发电系统、叶轮旋转系统；所述的支撑架系统包括三角底板、圆柱支架，其中，所述的三角底板的中部设有螺纹孔，所述的圆柱支架底部的螺纹段与所述的螺纹孔连接；所述的发电系统位于所述的支撑架系统上方，所述的发电系统包括转轴支撑盘下盘、转轴支撑盘上盘、第一滚动轴承，所述的转轴支撑盘下盘和所述的转轴支撑盘上盘通过传动转轴连接，所述的传动转轴上还通过联轴器匹配有发电机，所述的叶轮旋转系统位于所述的发电系统的上方，所述的叶轮旋转系统包括叶片单元、十字转盘下盘、十字转盘上盘、垂直支架，所述的十字转盘下盘由两个下支臂呈“十”字构成，所述的十字转盘上盘由两个上支臂呈“十”字构成，上支臂和下支臂的对应位置处均设有多个定位孔，所述的叶片单元的两端均与上支臂和下支臂的定位孔连接，所述的垂直支架的两端均与上支臂和下支臂的定位孔连接，从而位于所述的十字转盘下盘和所述的十字转盘上盘之间；所述的支撑架系统还包括螺纹锁固环，所述的螺纹锁固环位于所述的三角底板中部的上方，所述的圆柱支架底部的螺纹段穿过所述的螺纹锁固环与所述的螺纹孔连接；所述的十字转盘下盘的两个下支臂由转轴锁固下盘固定，所述的十字转盘上盘的两个上支臂由转轴锁固上盘固定，所述的转轴锁固下盘与所述的转轴锁固上盘之间连接有中心转轴；所述的十字转盘下盘和所述的十字转盘上盘上均设有角度定位柱；所述的叶片单元由叶片组成，所述的叶片为内凹外凸翼型叶片，所述的叶片的上下两端均设有叶片旋转轴，所述的叶片旋转轴通过第二滚动轴承与上支臂和下支臂的定位孔连接，所述的叶片数量为8个，所述的叶片全长为200mm，所述的叶片旋转轴的长为8mm并且直径为3.6mm，所述的叶片能够进行幅度0°到90°的自转摆动，其中，达到0°代表受阻升推动，达到90°代表受升力推动，叶片凸面处安装有角度限位器；所述的垂直支架包括多个竖直定位杆，每个所述的竖直定位杆连接在上支臂和下支臂的定位孔之间；所述的十字转盘上盘和所述的十字转盘下盘上还分别对应设有上下圆形挡风板；所述的叶片的活动式结构使风力作用于迎风面时，能够降低传统固定型叶轮运转时所产生的阻抗；可接受任何风向的风力，可适应不同重心的风力情况，顺向风运转时能够增加迎风面面积，使受风量大幅提升叶轮的阻升扭力为目的，相反，逆向风可增加更多叶片切线力，产生更大的升力状态，能够降低运转时的流场干扰；所述的风力发电机构能够进行风洞性能检测仿真测试，测试系统包括4KW轴流式鼓风机、转速器、风速仪、三用电表、整流器、2×7W的LED灯泡，所述的测试系统为一个低转速、高扭力及吸入式的轴流马达风洞，所述的测试系统能够进行叶轮顺向及逆向运转两个部分做发电性能量测试，当所述的4KW轴流式鼓风机风口直径为630mm，所述的4KW轴流式鼓风机距离所述的叶轮旋转系统860mm处的最大风速为7.1m/s时，所述的叶片单元顺向及逆向运转的平均转速分别为38.7rpm及34.6rpm，风能功率转换至机械功率使系统产生机械功率系数为Cp1，由机械功转换至电能功率使系统产生电能功率系数为Cp2，将机械功率系数Cp1与电能功率系数Cp2相乘得到总功率系数，所述的叶轮旋转系统进行顺向旋转时，连接负载的所述的叶片平均转速为38.7rpm，机械功的总力矩为9.085N.m，输入电能功率11.75W ，输出总功率系数17.45%；所述的叶轮旋转系统进行逆向旋转时，连接负载的所述的叶片平均转速为34.6rpm，机械功的总力矩为7.125N.m，输入电能功率10.87W，输出总功率系数16.45%；
其特征在于，所述的风力发电机构的装配方法包括如下步骤：
(1)、先将三角底板放置于地面水平处，再将圆柱支架底部螺纹段与三角底板中央的螺纹孔进行螺纹连接，然后再把螺纹锁固环从上至下套入圆柱支架并与圆柱支架的底部螺纹段连接；
(2)、接着把第一滚动轴承嵌至转轴支撑盘下盘，将传动转轴与转轴支撑盘上盘通过第一连接件连接，其中第一滚动轴承为深沟球滚子轴承；
(3)、把转轴支撑盘上盘与传动转轴组合形成的组合体穿过第一滚动轴承，与第一滚动轴承形成装配；
(4)、接着将发电机与发电机底盘进行结合，用联轴器将发电机与传动转轴匹配连接；
(5)、再将发动机外壳盖过发电机、传动转轴，并与转轴支撑下盘进行固定，然后把整个发电系统与圆柱支架进行连接；
(6)、使用两个下支臂呈“十”字的构成十字转盘下盘，将转轴锁固下盘锁于十字转盘下盘的中心；
(7)、接着使用第二连接件把十字转盘下盘与转轴支撑盘上盘进行连接；
(8)、把中心转轴下端嵌至转轴锁固下盘的中心位置，而上端则嵌在转轴锁固上盘的中心位置；
(9)、使用两个上支臂呈“十”字的构成十字转盘上盘，接下来把十字转盘上盘与转轴锁固上盘进行锁合；
(10)、将竖直定位杆通过第三连接件连接在十字转盘下盘的下支臂和十字转盘上盘的上支臂指定的定位孔之间；
(11)、准备八支叶片，将第二滚动轴承安装于每个叶片两端的叶片旋转轴处，然后将第二滚动轴承安装在十字转盘下盘的下支臂和十字转盘上盘的上支臂指定的定位孔中，从而将叶片安装于十字转盘下盘和十字转盘上盘上，其中第二滚动轴承为圆柱滚子轴承；
(12)、将叶片与十字转盘下盘和十字转盘上盘组合完成后，于每个叶片凸面处加装角度限位器；
(13)、在十字转盘下盘和十字转盘上盘的端面处均包覆上橡胶垫；
(14)、完成风力发电机构的装配，将装配完毕的风力发电机构移送至指定位置。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机构的装配方法，其特征在于，所述的角度定位柱还设有消音棉。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机构的装配方法，其特征在于，每个所述的竖直定位杆上还设有缓冲棉。
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