CN1912382A - 垂直轴风力发电机减速系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种适用于固定转角垂直轴风力发电机减速系统。包括垂直轴、安装于叶片支架上的复数个叶片组成的风轮、测风仪、中央处理器、集电环、编码器；还含有减速装置，所述的中央处理器根据测风仪和编码器传输的信号向减速装置发出指令，所述的减速装置根据该指令，增大风轮阻力，降低风轮转速，使风轮在一定风速范围内保持恒定转速。

Description

垂直轴风力发电机减速系统
技术领域
本发明涉及垂直轴风力发电机，尤指一种适用于固定转角垂直轴风力发电机减速系统。
技术背景
为了更好的利用风能，长期以来，人们设计了多种结构形式的风力发电装置，依据风力发电机旋转轴在空间方向位置的不同，划分为水平方向的水平轴风力发电机和垂直方向的垂直轴风力发电机。
对于固定叶片转角的垂直轴风力发电机，其风轮的转速和风速成正比，在叶片转角一定的条件下，风速越高，风轮的转速也越高。在实际的生产生活中，风速是始终处于不断变化之中的，尤其在强对流气候环境的情况下，风速会发生较大的变化。例如，当风速从13米/秒增加到25米/秒，由于风能与风速的立方成正比，此时风能则增加了超过7倍之多。因此对于较大型的垂直轴风力发电机，需要有更大功率的发电机与风轮匹配，使垂直轴风力发电机可以在较高的风速下保持额定工作状态。基于上述考虑，就必须将垂直轴风力发电机的额定风速设计得较高，以便考虑因较大风速变化而引起的功率变化，但从发电机本身的特性考虑，所设计的额定风速较高，则发动机在低风速时效率就降低，而自然状态下绝大多数情况都是低风速，因此仅仅考虑上述因素设计发动机反而降低了垂直轴风力发电机的效率；但若不考虑风速突变的情况，则设计的发电机额定工作风速范围过窄，不利于推广应用。
发明内容
为了使垂直轴风力发电机能够在比较宽的风速范围内保持额定输出功率，就必须使风轮在风速超过额定风速后仍然保持较恒定的转速，达到垂直轴风力发电机在比较宽的风速范围内保持工作状态，提高垂直轴风力发电机的应用价值。
本发明人在中国发明专利申请号200610026465.X中提出恒功率装置，但该装置适合小型、几千瓦以下叶片转角固定的垂直轴风力发电机，而本发明减速系统不仅适合小型、也适合几十千瓦以上、较大型的叶片转角固定的垂直轴风力发电机。
本发明具体的技术方案如下：
一种垂直轴风力发电机减速系统，包括垂直轴1、安装于叶片支架22上的复数个叶片21组成的风轮2、测风仪、中央处理器、集电环3、编码器4；其特点在于，还含有减速装置5，所述的中央处理器根据测风仪和编码器4传输的信号向减速装置5发出指令，所述的减速装置5根据该指令，增大风轮2阻力，降低风轮2转速。
上述减速装置5包括减速板51、液压缸52、液压泵53，所述的减速板51、液压缸52安装于叶片支架22内部，液压泵53安装于垂直轴1上。
上述减速板51的长度为风轮2旋转半径的1/4～1/3。
上述减速装置5包括减速环54、液压缸52、液压泵53，所述的减速装置5安装于垂直轴1上。
上述减速环54形状为一个圆的三分之一的圆弧段，所述风轮2旋转半径与减速环54圆弧半径之比值为3～4。
上述减速环54的高度至少为叶片21长度的10％。
本发明利用风轮在高转速下产生空气阻力的原理从而实现增大风轮阻力，降低风轮转速。在风轮随风力驱动旋转的过程中，当风速超过设定的额定风速后，风轮转速也将随之升高，此时编码器4通过中央处理器向控制液压缸52的液压泵53发出指令，液压泵53根据风轮2的转速，控制液压缸52的行程，从而控制减速板51(或减速环54)张开的角度，达到控制风轮2的转速，实现当风速增加后发电机保持恒定输出功率的目的。
本发明将在下面结合附图及具体实施方式进行描述。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例1结构示意图；
图3是图3减速板A-A剖面图；
图4是本发明实施例2的结构示意图；
图5是本发明实施例2的结构示意图；
图6是本发明实施例2减速环结构示意图；
图7是本发明实施例2减速环局部放大图。
具体实施方式
通过下面给出的本发明的具体实施例可以进一步清楚地了解本发明，但它们不是对本发明的限定。
实施例1
本发明装置的结构示意图如图1、2、3所示，本发明装置是由垂直轴1、复数个叶片21及叶片支架22、集电环3、编码器4、测风仪(图中未示)、液压系统(包括液压缸52、液压泵53)、减速板51、中央处理器(图中未示)等组成。编码器4和测风仪为系统提供转速信号，集电环3为液压和控制系统供电。
如图3所示，为了减小叶片支架22在额定风速下旋转过程中的阻力，在该系统中将叶片支架22的截面形状做成下表面平直的非对称翼型。为了获得较好的减速效果，如图1、2所示，减速板装置设置的位置是在风轮旋转半径的外端，即，尽可能离开垂直轴1，而靠近叶片2处。
工作原理如下，当风速超过了预先设定的额定风速后，风轮2转速逐渐加快，当风轮2转速超过额定转速后，此时编码器4通过中央处理器向液压控制系统中的液压泵53提供指令，通过液压缸52控制减速板51张开的角度α。
当转速刚超过额定风速后，减速板51打开一个小角度；当风速继续增大，逐渐加大减速板51张开的角度α直至90度，此风速为风力发电机工作风速的上限值。
选取风轮2直径13.6米，叶片21长度10米，减速板51平行于风轮2旋转半径的长度2.3米，即减速板51的长度为风轮2旋转半径的1/3，上、下叶片支架对称安装减速板51，减速板51垂直于旋转半径的宽度0.5米，即单个减速板51的面积1.15平方米，额定风速13米/秒时，减速板51未打开时风轮2的额定输出功率60千瓦。表1为通过电脑模拟计算，不同风速下将减速板51打开不同角度后风轮2输出功率的对比值。
表1
  风速(米/秒)   转速(转/分)   减速板打开前功率(瓦)   减速板打开角度   减速板打开后功率(瓦)   额定功率(瓦)
  25   24   400,000   90   75,000   60,000
  20   24   200,000   60   70,300   60,000
  18   24   146,000   60   62,800   60,000
  15   22   85,000   10   65,000   60,000
从表1中可以得出结论，风速从15米/秒增加到25米/秒时，当减速板51的α角度从0度逐渐打开到90度时，风轮的输出功率可以不超过75千瓦，而如果不用减速板51，当风速达到25米/秒时，风轮2的输出功率将达到400千瓦。
从以上实例得知，在风速发生较大变化的情况下，可以通过调节减速板51打开的角度α来控制风轮2的转速，以此控制发电机输出功率仍保持在一个比较恒定的范围内。
此外，当风速很低时(比如2米/秒)，将减速板51打开45度的角度，由于阻力系数的不同，此时减速板51可以提高垂直轴风力发电机的启动性能，降低垂直轴风力发电机的启动风速，并在达到一定转速后关闭减速板51，降低阻力。
实施例2
本发明装置的结构示意图如图4、5、6、7所示，本发明装置是由垂直轴1、复数个叶片21及叶片支架22、集电环3、编码器4、测风仪(图中未示)、液压系统(包括液压缸52、液压泵53)、减速环54、中央处理器(图中未示)等组成。编码器4和测风仪为系统提供转速信号，集电环3为液压和控制系统供电。
如图3所示，为了减小叶片支架22在额定风速下旋转过程中的阻力，在该系统中将叶片支架22的截面形状做成下表面平直的非对称翼型。
上述减速环54为一个圆的三分之一的圆弧段，如图5、6、7所示。为了提高减速效果并降低减速环54未打开时对风能利用率的影响，风轮2旋转半径与减速环54的半径之比为3～4之间，此时减速环打开的最大角度α为150度。
减速环的高度h至少为叶片长度H的10％，如图4所示。
工作原理如下，当风速超过了预先设定的额定风速后，风轮2转速逐渐加快，当风轮2转速超过额定转速后，此时编码器4通过中央处理器向液压控制系统中的液压泵53提供指令，通过液压缸52控制减速环54张开的角度α。
当转速刚超过额定风速后，减速环54打开一个小角度；当风速继续增大，逐渐加大减速环54打开的角度α直至150度，此风速为风力发电机工作风速的上限值。
同样选取风轮2直径13.6米，叶片21长度10米，减速环54未打开时减速环54半径为风轮2旋转半径的1/4(1.7米)，减速环54的高度为4米。表2为通过电脑模拟计算，不同风速下将减速环54打开不同角度后风轮2输出功率的对比值。
表2
  风速(米/秒)   转速(转/分)   减速环打开前功率(瓦)   减速环打开角度   减速环打开后功率(瓦)   额定功率(瓦)
  25   24   400,000   150   71,000   60,000
  20   24   200,000   105   71,800   60,000
  18   24   146,000   75   69,000   60,000
  15   22   85,000   10   68,000   60,000
从表2中可以得出结论，风速从15米/秒增加到25米/秒时，当减速环54的α角度从0度逐渐打开到150度时，风轮2的输出功率可以不超过72千瓦，而如果不用减速环54，当风速达到25米/秒时，风轮2的输出功率将达到400千瓦。
从以上实例得知，在风速发生较大变化的情况下，可以通过调节减速环54打开的角度α来控制风轮2的转速，以此控制发电机输出功率仍保持在一个比较恒定的范围内。
尽管对本发明已经作了详细的说明并引证了一些具体实施例，但对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明人的设计思路和范围也可作各种变化和修正是显然的。

Claims (6)

1、一种垂直轴风力发电机减速系统，包括垂直轴(1)、安装于叶片支架(22)上的复数个叶片(21)组成的风轮(2)、测风仪、中央处理器、集电环(3)、编码器(4)；其特征在于，还含有减速装置(5)，所述的中央处理器根据测风仪和编码器(4)传输的信号向减速装置(5)发出指令，所述的减速装置(5)根据该指令，增大风轮(2)阻力，降低风轮(2)转速。
2、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机减速系统，其特征在于，所述减速装置(5)包括减速板(51)、液压缸(52)、液压泵(53)，所述的减速板(51)、液压缸(52)安装于叶片支架(22)内部，液压泵(53)安装于垂直轴(1)上。
3、根据权利要求2所述的垂直轴风力发电机减速系统，其特征在于，所述减速板(51)的长度为风轮(2)旋转半径的1/4～1/3。
4、根据权利要求1所述的垂直轴风力发电机减速系统，其特征在于，所述减速装置(5)包括减速环(54)、液压缸(52)、液压泵(53)，所述的减速装置(5)安装于垂直轴(1)上。
5、根据权利要求4所述的垂直轴风力发电机减速系统，其特征在于，所述减速环(54)形状为一个圆的三分之一的圆弧段，所述风轮(2)旋转半径与减速环(54)圆弧半径之比值为3～4。
6、根据权利要求4或5所述的垂直轴风力发电机减速系统，其特征在于，所述减速环(54)的高度至少为叶片(22)长度的10％。
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