CN115807735A - 一种塔载风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塔载风力发电系统及其控制方法，包括主体支撑结构、垂直轴叶片、变桨系统、叶片调控系统、扇叶保护系统、齿轮加速器、齿轮变速器和发电机，主体支撑结构包括竖直转动设置的转动杆，垂直轴叶片通过叶片调控系统可转动的连接于变桨系统上，变桨系统连接于转动杆的侧壁并绕转动杆的轴线布置，转动杆的底端依次传动连接有齿轮加速器、齿轮变速器和发电机，主体支撑结构的下方布置有用于接收转动杆顶部的风力传感器的数据并根据接收数据调控垂直轴叶片的角度和齿轮变速器的档位的数据处理模块。本发明产生了提高发电机的实时功率以及保证发电机实时功率的稳定性的效果。

Description

一种塔载风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及小型垂直轴风电技术领域，尤其涉及一种塔载风力发电系统及其控制方法。

背景技术

垂直轴风力发电机有别于水平轴风力发电机，其可以对任意方向的来风进行能量的转化，不受风向的限制。且采用了特殊空气动力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强;此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点，使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。在功率特性上，风轮的转速上升速度提高较快(力矩上升速度快)，其发电功率上升速度也相应变快。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。

但是，在相关技术方案中，尤其是在风力发电装置对于风速的适应性上，目前虽然在一定程度上有变桨与变速方案；但相关技术方案中普遍存在三个问题：一是变桨结构复杂，变桨角度小，无法适应复杂多变的风力；二是感知设备缺失，造成无法实时获取风力数据，及时改变叶片姿态，以适应风速，使利用效率最大化；三是齿轮变速方案的缺陷严重，只有单一的加速与减速装置，不能实现对转速地智能调控以适应当前风速。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种塔载风力发电系统及其控制方法，其解决了现有技术中存在的变桨角度小、风力数据获取不及时以及发电机配备的减速器不能根据风速进行多档位智能调节的问题。

根据本发明的实施例，一种塔载风力发电系统，包括主体支撑结构、垂直轴叶片、变桨系统、叶片调控系统、扇叶保护系统、齿轮加速器、齿轮变速器和发电机，主体支撑结构包括竖直转动设置的转动杆，垂直轴叶片通过叶片调控系统可转动的连接于变桨系统上，变桨系统连接于转动杆的侧壁并绕转动杆的轴线布置，转动杆的底端依次传动连接有齿轮加速器、齿轮变速器和发电机，主体支撑结构的下方布置有用于接收转动杆顶部的风力传感器的数据并根据接收数据调控垂直轴叶片的角度和齿轮变速器的档位的数据处理模块。

优选的，所述主体支撑结构还包括底盘、安装于底盘上的受力支撑架和固定于受力支撑架顶部的中空支撑柱，所述转动杆同轴转动安装于中空支撑柱内，转动杆上竖直转动安装有升力叶片，升力叶片绕所述转动杆的轴线均布，升力叶片位于所述垂直轴叶片的内侧下方。

优选的，所述转动杆同轴转动安装有中空结构的旋转主轴，旋转主轴的两端均连接有支撑板，两个支撑板的活动端之间转动安装有所述升力叶片，升力叶片成圆柱状，升力叶片的中心布置有转动连接于两个支撑板之间的旋转子轴，旋转子轴的两端均连接有固定板，两固定板之间连接有水平截面为曲线的弧形叶片，且弧形叶片的一端朝向旋转子轴，弧形叶片绕旋转子轴均布。

优选的，所述变桨系统包括径向连接在所述转动杆上的固定套筒、同轴滑动设置于所述转动杆上的升降环、一端铰接于升降环上并可在水平方向上转动的铰接杆和同轴滑动设置于固定套筒内的伸缩杆，固定套筒绕所述转动杆的轴线分布，伸缩杆的活动端连接有叶片支撑体，所述垂直轴叶片转动连接于叶片支撑体上，所述铰接杆的另一端铰接于伸缩杆的活动端处，所述转动杆上安装有伺服电机驱动的丝杠式伸缩器，伸缩器的活动端与升降环连接。

优选的，所述叶片支撑体成匚形，所述垂直轴叶片布置于所述叶片支撑体内侧，所述伸缩杆的活动端与所述叶片支撑体之间设置有倾斜布置的加强筋。

优选的，所述叶片调控系统包括布置于所述叶片支撑体上的角度调节电机和无线传输器，角度调节电机通过无线传输器与所述数据处理模块无线信号连接，角度调节电机的输出轴与所述垂直轴叶片的转动轴的一端同轴传动连接。

优选的，所述主体支撑结构位于所述扇叶保护系统的内部，所述扇叶保护系统包括防风沙网、坠落减震器和防雨帘，防风沙网的底端连接于所述底盘上，防风沙网与所述转动杆同轴布置，坠落减震器盖设于防风沙网的顶部，防雨帘绕坠落减震器的中心布置并分布于坠落减震器的边缘，防风沙网包括竖直杆和连接在竖直杆上的薄板圆环，防雨帘铰接在坠落减震器上，且铰链上连接有扭簧。

优选的，所述齿轮加速器包括传动轴、底座、两个加速齿轮组、加速垫盘和加速器壳体，每个加速齿轮组均包括齿圈、加速太阳轮、加速行星轮和加速行星架，齿圈紧贴加速器壳体的内壁安装，加速垫盘布置于两个加速齿轮组之间，两个加速齿轮组之间通过加速太阳轮与加速行星架传动连接，加速行星架上连接有同时与齿圈和加速太阳轮啮合的加速行星轮，加速齿轮组中以加速行星架为输入端，加速太阳轮为输出端。

优选的，所述齿轮变速器包括依次传动连接的一级减速齿轮组、二级减速齿轮组、三级加速齿轮组和四级加速齿轮组，其中一级减速齿轮组和二级减速齿轮组采用太阳轮的主动轮，三级加速齿轮组和四级加速齿轮组采用行星架为输入端，二级减速齿轮组和三级加速齿轮组的行星架沿二级齿轮减速齿轮组和三级加速齿轮组之间的垫板镜像对称布置，且两个行星架传动连接，所述齿轮变速器的壳体内固定布置有环状的锁盘离合器，一级减速齿轮组、二级减速齿轮组、三级加速齿轮组和四级加速齿轮组内均设置有浮动齿圈，且浮动齿圈位于锁盘离合器内，浮动齿圈的外周面与锁盘离合器的内壁之间设置有间隙，锁盘离合器包括固定连接于所述齿轮变速器内壁的固定部分和同轴滑动设置于所述齿轮变速器内壁的活动部分，固定部分设置有用于通电吸附活动部分的电磁线圈，固定部分和活动部分分别位于浮动齿圈的两侧，且均成环状，固定部分和活动部分的内径小于浮动齿圈的外径，固定部分和活动部分相对浮动齿圈的一侧均连接有环状的摩擦片，电磁线圈的通断电通过所述数据处理模块控制。

一种塔载风力发电系统的控制方法，包括如下控制方法：

步骤一、检测，通过转动杆顶部的风力传感器获取风力的大小，风力传感器将风速数据实施无线传输至数据处理模块，数据处理模块对风力的大小与设定的风力大小进行对比，并调控变桨系统和叶片调控系统；

步骤二、增速调节，风力传感器所检测的风速较小时，变桨系统中的伸缩器收缩，带动升降环向下移动，升降环通过铰接杆带动伸缩杆向固定套筒的外部移动，增大转矩，提高转动杆的转速；同时，叶片调控系统中的角度调节电机带动垂直轴叶片转动至0°，即垂直轴叶片垂直于转动杆的转动方向； 步骤三、减速调节，风力传感器所检测的风速较大时，变桨系统中的伸缩器伸出，带动升降环向上移动，升降环通过铰接杆带动伸缩杆向固定套筒的内部移动，减小转矩，降低转动杆的转速；同时，叶片调控系统中的角度调节电机带动垂直轴叶片转动至90°，即垂直轴叶片与转动杆的转动方向相切； 步骤四、发电调节，在风力传感器所检测到的风速较小时，数据处理模块控制三级加速齿轮组和四级加速齿轮组处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈固定，提高输出轴的转速；在风力传感器所检测到的风速较小时，数据处理模块控制一级减速齿轮组和二级减速齿轮组处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈固定，降低输出轴的转速。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、通过变桨系统和叶片调控系统分别控制垂直轴叶片的转矩和垂直轴叶片的迎风面，根据风力传感器实时检测的风力大小信号，在保证风力发电系统的功率的同时，保证风力发电系统的结构稳定性。

2、与转动杆连接的齿轮加速器用于发电机的输入转速，提高发电机的实时功率。

3、根据风速实时调节的齿轮变速器，通过数据处理模块调节齿轮变速器，对发电机的输入转速进行进一步的调控，平衡发电机功率，避免发电机功率不足或发电机实时功率超过最大限度。

4、扇叶保护系统可减少风沙和雨水对扇叶的磨损作用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的内部结构示意图。

图3为本发明实施例中变桨系统的结构示意图。

图4为本发明实施例中垂直轴叶片0°角时的结构示意图。

图5为本发明实施例中垂直轴叶片90°角时的结构示意图。

图6为本发明实施例中扇叶保护系统的结构示意图。

图7为本发明实施例中齿轮加速器的爆炸图。

图8为本发明实施例中齿轮变速器的锁盘离合器的结构示意图。

图9为本发明实施例中二级减速齿轮组和三级加速齿轮组之间传动连接的行星架的结构示意图。

图10为本发明实施例中发电机的结构示意图。

上述附图中：1、主体支撑结构；11、底盘；12、受力支撑架；13、中空支撑柱；14、叶片支撑体；15、升力叶片；16、风力传感器；17、转动杆；2、垂直轴叶片；3、变桨系统；31、铰接杆；32、固定套筒；33、升降环；34、伸缩杆；4、叶片调控系统；41、角度调节电机； 5、扇叶保护系统；51、防风沙网；52、坠落减震器；53、防雨帘；6、齿轮加速器；61、传动轴；62、底座；63、齿圈；64、加速太阳轮；65、加速行星轮；66、加速行星架；67、加速垫盘；68、加速器壳体；69、加速齿轮组；7、齿轮变速器；71、一级减速齿轮组；72、二级减速齿轮组；73、三级加速齿轮组；74、四级加速齿轮组；75、固定环；76、电磁线圈；77、浮动齿圈；78、活动环；8、发电机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

如图1-10所示，为实现对风力发电叶片的大幅度变桨以及根据风速实时多档调节发电机输入的转速。本发明提出一种塔载风力发电系统，包括主体支撑结构1、垂直轴叶片2、变桨系统3、叶片调控系统4、扇叶保护系统5、齿轮加速器6、齿轮变速器7和发电机8，主体支撑结构1包括竖直转动设置的转动杆17，垂直轴叶片2通过叶片调控系统4可转动的连接于变桨系统3上，变桨系统3连接于转动杆17的侧壁并绕转动杆17的轴线布置，转动杆17的底端依次传动连接有齿轮加速器6、齿轮变速器7和发电机8，主体支撑结构1的下方布置有用于接收转动杆17顶部的风力传感器16的数据并根据接收数据调控垂直轴叶片2的角度和齿轮变速器7的档位的数据处理模块。

垂直轴叶片2采用流线型设计，仿照飞机的机翼，使风吹过叶片时，产生额外垂直于转轴的附加力（类比于飞机升力的产生），提高转动杆17的转速，增大风能的利用效率。

发电机8连接有整流和稳压系统以及为风力发电系统供电的充电电池，整流和稳压系统用于将发电时产生的不稳定电压输出为稳定电压，并且将发电时产生的交流电转化为特定频率的交流或直流电。

如图1-2所示，为实现垂直轴叶片2在低风速的条件下的自启动。所述主体支撑结构1还包括底盘11、安装于底盘11上的受力支撑架12和固定于受力支撑架12顶部的中空支撑柱13，所述转动杆17同轴转动安装于中空支撑柱13内，转动杆17上竖直转动安装有升力叶片15，升力叶片15绕所述转动杆17的轴线均布，升力叶片15位于所述垂直轴叶片2的内侧下方。

布置升力叶片15，辅助垂直轴叶片2，便于垂直轴叶片2在低风速的情况下自启动。

受力支撑架12绕转动杆17的轴线均匀分布，在受力支撑架12的外壁连接壳体，齿轮加速器6、齿轮变速器7和发电机8的输入端均位于受力支撑架12的内部。

如图3-5所示，为实现升力叶片15的低风速转动。所述转动杆17同轴转动安装有中空结构的旋转主轴，旋转主轴的两端均连接有支撑板，两个支撑板的活动端之间转动安装有所述升力叶片15，升力叶片15成圆柱状，升力叶片15的中心布置有转动连接于两个支撑板之间的旋转子轴，旋转子轴的两端均连接有固定板，两固定板之间连接有水平截面为曲线的弧形叶片，且弧形叶片的一端朝向旋转子轴，弧形叶片绕旋转子轴均布。

旋转主轴两端连接的两个支撑板采用上薄下厚的设计，保证升力叶片15的稳定旋转。旋转主轴为中空结构，内中部通过两个轴承与转动杆17同轴转动连接。

由于垂直轴叶片2的体积较大，不易被吹动，自启动能力较差，所以采用升力叶片15，升力叶片15首先被风吹动，升力叶片15布置在垂直轴叶片2内侧的下方，升力叶片15带动旋转主轴转动，在升力叶片15转动的过程中，对水平截面成流线型的垂直轴叶片2提供一定的升力。升力叶片15充当马格努斯效应叶片，升力叶片15中的旋转子轴上的弧形叶片在较小风力的作用下即可转动；其提供升力的原理基于马格努斯效应：在空气中等速旋转的圆柱体将带动周围的气流做圆周运动，当旋转的圆柱体沿子轴进行自转的角速度矢量与其沿主轴的公转速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力，这个横向力便是产生的升力，当转子在迎风面的自转方向与被风面的自转方向相反时，产生同向扭矩，旋转起来。由于升力叶片15布置于垂直轴叶片2内侧的底部，随着升力叶片15的旋转，带动周围的气流，冲击垂直轴叶片2，进而实现垂直轴叶片2的自启动。

同时，与现有的升力叶片相比，升力叶片15通过旋转主轴上的支撑板进行安装，升力叶片15的转矩较大，从而具有较大的转动惯量，在同等风力的作用下，能够提供更大的升力，不仅能够提高风能利用率，而且加快了发电系统的自启动速度，提升整机的发电效率。

如图1-5所示，为实现垂直轴叶片2的变桨调节。所述变桨系统3包括径向连接在所述转动杆17上的固定套筒32、同轴滑动设置于所述转动杆17上的升降环33、一端铰接于升降环33上并可在水平方向上转动的铰接杆31和同轴滑动设置于固定套筒32内的伸缩杆34，固定套筒32绕所述转动杆17的轴线分布，伸缩杆34的活动端连接有叶片支撑体14，所述垂直轴叶片2转动连接于叶片支撑体14上，所述铰接杆31的另一端铰接于伸缩杆34的活动端处，所述转动杆17上安装有伺服电机驱动的丝杠式伸缩器，伸缩器的活动端与升降环33连接。

丝杠式伸缩器中螺纹配合在丝杠上的连接块与升降环33连接，通过伺服电机驱动丝杠转动，通过连接块带动升降环33沿转动杆17的轴向移动，升降环33的移动，带动铰接杆31的顶端沿转动杆17的轴向线性移动，铰接杆31的另一端与伸缩杆34铰接，即相应的带动伸缩杆34伸出或缩回固定套筒32，带动叶片支撑体14移动，进而带动垂直轴叶片2移动，实现变桨调节。本系统可支持升降环33上下移动20cm，垂直轴叶片2转矩可调整8cm。

如图1-5所示，为提高叶片支撑体14与伸缩杆34连接的稳定性。所述叶片支撑体14成匚形，所述垂直轴叶片2布置于所述叶片支撑体14内侧，所述伸缩杆34的活动端与所述叶片支撑体14之间设置有倾斜布置的加强筋。

如图4和图5所示。所述叶片调控系统4包括布置于所述叶片支撑体14上的角度调节电机41和无线传输器，角度调节电机41通过无线传输器与所述数据处理模块无线信号连接，角度调节电机41的输出轴与所述垂直轴叶片2的转动轴的一端同轴传动连接。

针对风速的大小，调节垂直轴叶片2姿势，在风速较小时，通过角度调节电机41带动垂直轴叶片2转动至垂直于转动杆17的转动方向，此时，垂直轴叶片2的受力面积最大，最易被风吹动；在风速较大时，通过角度调节电机41带动垂直轴叶片2转动至与转动杆17的转动方向相切，此时垂直轴叶片2的受力面积最小，从而最难被风吹动。另外，为准备的实现角度调节，可在叶片支撑体14的内侧布置限位块，进行垂直轴叶片2的角度调节限位。

如图6所示，为实现对垂直轴叶片2的保护。所述主体支撑结构1位于所述扇叶保护系统5的内部，所述扇叶保护系统5包括防风沙网51、坠落减震器52和防雨帘53，防风沙网51的底端连接于所述底盘11上，防风沙网51与所述转动杆17同轴布置，坠落减震器52盖设于防风沙网51的顶部，防雨帘53绕坠落减震器52的中心布置并分布于坠落减震器52的边缘，防风沙网51包括竖直杆和连接在竖直杆上的薄板圆环，防雨帘53铰接在坠落减震器52上，且铰链上连接有扭簧。

防风沙网51和坠落减震器52主要用于防止高空坠物、冰雹等高速飞行的固体对扇叶造成损伤，防雨帘53主要用于减小雨水飘进装置内部的概率，减少雨水对内部设备的腐蚀；在雨水较小时，防雨帘53处于倾斜状态，在雨水较大时，受风力和雨水冲刷的影响，防雨帘53被向下推动，防雨帘53处于接近竖直或竖直状态，此时，尽可能的减少雨水飘进装置内部的概率。防风沙网51中的薄板圆环除防护作用外，能够导入平直风，减少风的混乱程度；薄板的设计，能够减少对风的削弱作用。

如图7所示，为提高发电机8的功率。所述齿轮加速器6包括传动轴61、底座62、两个加速齿轮组69、加速垫盘67和加速器壳体68，每个加速齿轮组69均包括齿圈63、加速太阳轮64、加速行星轮65和加速行星架66，齿圈63紧贴加速器壳体68的内壁安装，加速垫盘67布置于两个加速齿轮组69之间，两个加速齿轮组69之间通过加速太阳轮64与加速行星架66传动连接，加速行星架66上连接有同时与齿圈63和加速太阳轮64啮合的加速行星轮65，加速齿轮组69中以加速行星架66为输入端，加速太阳轮64为输出端。

齿圈63固定，以加速行星架66为输入，以加速太阳轮64为输出，齿圈63的齿数为61，太阳轮齿数为29，根据传动比公式：，其中为齿圈齿数，为太阳轮齿数，可得传动比为0.322。由于是两个齿轮组叠加，所以总传动比为0.322的平方，即0.104。

如图7-9所示，为实现输出转速的实时调节。所述齿轮变速器7包括依次传动连接的一级减速齿轮组71、二级减速齿轮组72、三级加速齿轮组73和四级加速齿轮组74，其中一级减速齿轮组71和二级减速齿轮组72采用太阳轮的主动轮，三级加速齿轮组73和四级加速齿轮组74采用行星架为输入端，二级减速齿轮组72和三级加速齿轮组73的行星架沿二级减速齿轮组72和三级加速齿轮组73之间的垫板镜像对称布置，且两个行星架传动连接，所述齿轮变速器7的壳体内固定布置有环状的锁盘离合器，一级减速齿轮组71、二级减速齿轮组72、三级加速齿轮组73和四级加速齿轮组74内均设置有浮动齿圈77，且浮动齿圈77位于锁盘离合器内，浮动齿圈77的外周面与锁盘离合器的内壁之间设置有间隙，锁盘离合器包括固定连接于所述齿轮变速器7内壁的固定部分和同轴滑动设置于所述齿轮变速器7内壁的活动部分，固定部分设置有用于通电吸附活动部分的电磁线圈76，固定部分和活动部分分别位于浮动齿圈77的两侧，且均成环状，固定部分和活动部分的内径小于浮动齿圈77的外径，固定部分和活动部分相对浮动齿圈77的一侧均连接有环状的摩擦片，电磁线圈76的通断电通过所述数据处理模块控制。

齿轮变速器7的内部结构与齿轮加速器6相似，区别在于，一级减速齿轮组71和二级减速齿轮组72以太阳轮作为输入，以行星架作为输出，同时，将齿圈设置成浮动齿圈77，在不采用锁盘离合器对浮动齿圈77进行固定时，太阳轮、行星轮和浮动齿圈77之间不产生相对转动，输入端的转速与输出端的转速相同，不进行加速或减速。在二级减速齿轮组72和三级加速齿轮组73之间布置的行星架如图9中所示，两个行星架的端部连接，在二级减速齿轮组72中，以该行星架作为输出，在三级加速齿轮组73中，以该行星架作为输入。

锁盘离合器中的固定部分和活动部分分别为固定环75和活动环78,固定环75内置有电磁线圈76，固定环75内部设置有用于安装摩擦片的环状台阶，活动环78的侧壁设置有用于安装摩擦片的环状凸起，通过数据处理模块控制电磁线圈76通电，活动环78作为“垫铁”被吸附至固定环75处，通过固定环75和活动环78之间的摩擦片将浮动齿圈77固定，以此实现转速的增速或减速。

一级减速齿轮组71和二级减速齿轮组72中，在浮动齿圈77被固定后，以太阳轮为输入，以行星架为输出， 进行减速；通过固定一级减速齿轮组71、二级减速齿轮组72、三级加速齿轮组73、四级加速齿轮组74中的一个或多个浮动齿圈77，实现不同档位的增速或减速，进而达到对发电机8输入端的智能调速。

一种塔载风力发电系统的控制方法，包括如下控制方法：

步骤一、检测，通过转动杆17顶部的风力传感器16获取风力的大小，风力传感器16将风速数据实施无线传输至数据处理模块，数据处理模块对风力的大小与设定的风力大小进行对比，并调控变桨系统3和叶片调控系统4；

步骤二、增速调节，风力传感器16所检测的风速较小时，变桨系统3中的伸缩器收缩，带动升降环33向下移动，升降环33通过铰接杆31带动伸缩杆34向固定套筒32的外部移动，增大转矩，提高转动杆17的转速；同时，叶片调控系统4中的角度调节电机41带动垂直轴叶片2转动至0°，即垂直轴叶片2垂直于转动杆17的转动方向； 步骤三、减速调节，风力传感器16所检测的风速较大时，变桨系统3中的伸缩器伸出，带动升降环33向上移动，升降环33通过铰接杆31带动伸缩杆34向固定套筒32的内部移动，减小转矩，降低转动杆17的转速；同时，叶片调控系统4中的角度调节电机41带动垂直轴叶片2转动至90°，即垂直轴叶片2与转动杆17的转动方向相切； 步骤四、发电调节，在风力传感器16所检测到的风速较小时，数据处理模块控制三级加速齿轮组73和四级加速齿轮组74处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈77固定，提高输出轴的转速；在风力传感器16所检测到的风速较小时，数据处理模块控制一级减速齿轮组71和二级减速齿轮组72处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈77固定，降低输出轴的转速。

Claims (10)

1.一种塔载风力发电系统，其特征在于：包括主体支撑结构（1）、垂直轴叶片（2）、变桨系统（3）、叶片调控系统（4）、扇叶保护系统（5）、齿轮加速器（6）、齿轮变速器（7）和发电机（8），主体支撑结构（1）包括竖直转动设置的转动杆（17），垂直轴叶片（2）通过叶片调控系统（4）可转动的连接于变桨系统（3）上，变桨系统（3）连接于转动杆（17）的侧壁并绕转动杆（17）的轴线布置，转动杆（17）的底端依次传动连接有齿轮加速器（6）、齿轮变速器（7）和发电机（8），主体支撑结构（1）的下方布置有用于接收转动杆（17）顶部的风力传感器（16）的数据并根据接收数据调控垂直轴叶片（2）的角度和齿轮变速器（7）的档位的数据处理模块。

2.如权利要求1所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述主体支撑结构（1）还包括底盘（11）、安装于底盘（11）上的受力支撑架（12）和固定于受力支撑架（12）顶部的中空支撑柱（13），所述转动杆（17）同轴转动安装于中空支撑柱（13）内，转动杆（17）上竖直转动安装有升力叶片（15），升力叶片（15）绕所述转动杆（17）的轴线均布，升力叶片（15）位于所述垂直轴叶片（2）的内侧下方。

3.如权利要求2所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述转动杆（17）同轴转动安装有中空结构的旋转主轴，旋转主轴的两端均连接有支撑板，两个支撑板的活动端之间转动安装有所述升力叶片（15），升力叶片（15）成圆柱状，升力叶片（15）的中心布置有转动连接于两个支撑板之间的旋转子轴，旋转子轴的两端均连接有固定板，两固定板之间连接有水平截面为曲线的弧形叶片，且弧形叶片的一端朝向旋转子轴，弧形叶片绕旋转子轴均布。

4.如权利要求1所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述变桨系统（3）包括径向连接在所述转动杆（17）上的固定套筒（32）、同轴滑动设置于所述转动杆（17）上的升降环（33）、一端铰接于升降环（33）上并可在水平方向上转动的铰接杆（31）和同轴滑动设置于固定套筒（32）内的伸缩杆（34），固定套筒（32）绕所述转动杆（17）的轴线分布，伸缩杆（34）的活动端连接有叶片支撑体（14），所述垂直轴叶片（2）转动连接于叶片支撑体（14）上，所述铰接杆（31）的另一端铰接于伸缩杆（34）的活动端处，所述转动杆（17）上安装有伺服电机驱动的丝杠式伸缩器，伸缩器的活动端与升降环（33）连接。

5.如权利要求4所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述叶片支撑体（14）成匚形，所述垂直轴叶片（2）布置于所述叶片支撑体（14）内侧，所述伸缩杆（34）的活动端与所述叶片支撑体（14）之间设置有倾斜布置的加强筋。

6.如权利要求5所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述叶片调控系统（4）包括布置于所述叶片支撑体（14）上的角度调节电机（41）和无线传输器，角度调节电机（41）通过无线传输器与所述数据处理模块无线信号连接，角度调节电机（41）的输出轴与所述垂直轴叶片（2）的转动轴的一端同轴传动连接。

7.如权利要求2所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述主体支撑结构（1）位于所述扇叶保护系统（5）的内部，所述扇叶保护系统（5）包括防风沙网（51）、坠落减震器（52）和防雨帘（53），防风沙网（51）的底端连接于所述底盘（11）上，防风沙网（51）与所述转动杆（17）同轴布置，坠落减震器（52）盖设于防风沙网（51）的顶部，防雨帘（53）绕坠落减震器（52）的中心布置并分布于坠落减震器（52）的边缘，防风沙网（51）包括竖直杆和连接在竖直杆上的薄板圆环，防雨帘（53）铰接在坠落减震器（52）上，且铰链上连接有扭簧。

8.如权利要求1所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述齿轮加速器（6）包括传动轴（61）、底座（62）、两个加速齿轮组（69）、加速垫盘（67）和加速器壳体（68），每个加速齿轮组（69）均包括齿圈（63）、加速太阳轮（64）、加速行星轮（65）和加速行星架（66），齿圈（63）紧贴加速器壳体（68）的内壁安装，加速垫盘（67）布置于两个加速齿轮组（69）之间，两个加速齿轮组（69）之间通过加速太阳轮（64）与加速行星架（66）传动连接，加速行星架（66）上连接有同时与齿圈（63）和加速太阳轮（64）啮合的加速行星轮（65），加速齿轮组（69）中以加速行星架（66）为输入端，加速太阳轮（64）为输出端。

9.如权利要求1所述一种塔载风力发电系统，其特征在于：所述齿轮变速器（7）包括依次传动连接的一级减速齿轮组（71）、二级减速齿轮组（72）、三级加速齿轮组（73）和四级加速齿轮组（74），其中一级减速齿轮组（71）和二级减速齿轮组（72）采用太阳轮的主动轮，三级加速齿轮组（73）和四级加速齿轮组（74）采用行星架为输入端，二级减速齿轮组（72）和三级加速齿轮组（73）的行星架沿二级齿轮减速齿轮组（72）和三级加速齿轮组（73）之间的垫板镜像对称布置，且两个行星架传动连接，所述齿轮变速器（7）的壳体内固定布置有环状的锁盘离合器，一级减速齿轮组（71）、二级减速齿轮组（72）、三级加速齿轮组（73）和四级加速齿轮组（74）内均设置有浮动齿圈（77），且浮动齿圈（77）位于锁盘离合器内，浮动齿圈（77）的外周面与锁盘离合器的内壁之间设置有间隙，锁盘离合器包括固定连接于所述齿轮变速器（7）内壁的固定部分和同轴滑动设置于所述齿轮变速器（7）内壁的活动部分，固定部分设置有用于通电吸附活动部分的电磁线圈（76），固定部分和活动部分分别位于浮动齿圈（77）的两侧，且均成环状，固定部分和活动部分的内径小于浮动齿圈（77）的外径，固定部分和活动部分相对浮动齿圈（77）的一侧均连接有环状的摩擦片，电磁线圈（76）的通断电通过所述数据处理模块控制。

10.一种塔载风力发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下控制方法：

步骤一、检测，通过转动杆（17）顶部的风力传感器（16）获取风力的大小，风力传感器（16）将风速数据实施无线传输至数据处理模块，数据处理模块对风力的大小与设定的风力大小进行对比，并调控变桨系统（3）和叶片调控系统（4）；

步骤二、增速调节，风力传感器（16）所检测的风速较小时，变桨系统（3）中的伸缩器收缩，带动升降环（33）向下移动，升降环（33）通过铰接杆（31）带动伸缩杆（34）向固定套筒（32）的外部移动，增大转矩，提高转动杆（17）的转速；同时，叶片调控系统（4）中的角度调节电机（41）带动垂直轴叶片（2）转动至0°，即垂直轴叶片（2）垂直于转动杆（17）的转动方向；步骤三、减速调节，风力传感器（16）所检测的风速较大时，变桨系统（3）中的伸缩器伸出，带动升降环（33）向上移动，升降环（33）通过铰接杆（31）带动伸缩杆（34）向固定套筒（32）的内部移动，减小转矩，降低转动杆（17）的转速；同时，叶片调控系统（4）中的角度调节电机（41）带动垂直轴叶片（2）转动至90°，即垂直轴叶片（2）与转动杆（17）的转动方向相切； 步骤四、发电调节，在风力传感器（16）所检测到的风速较小时，数据处理模块控制三级加速齿轮组（73）和四级加速齿轮组（74）处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈（77）固定，提高输出轴的转速；在风力传感器（16）所检测到的风速较小时，数据处理模块控制一级减速齿轮组（71）和二级减速齿轮组（72）处的锁盘离合器通电，将对应的浮动齿圈（77）固定，降低输出轴的转速。

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