CN201281003Y - 活叶调速型风力发电机组 - Google Patents
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Abstract
活叶调速型风力发电机组,包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于所述机舱上部的风叶驱动总成,所述风叶驱动总成由风轮组和垂直立轴回转系统组成,所述风轮组设置有风叶及安装于所述垂直立轴回转系统上的风叶支架,其中,所述风叶为组合式风叶,所述组合式风叶由设置于所述风叶支架的升力型叶片及可变槽叶片组成,所述可变槽叶片由固定叶板和活动叶板组成。本实用新型采用升力型风叶与阻力型风叶相结合的组合式风叶,利用阻力型风叶起动扭矩大优点在低风时起动风轮,实现微风发电,利用升力型风叶转速高,风能利用率高的优点综合有效利用风能,不但有效解决垂直轴升力型风叶起动难的问题,提高了风能利用率,而且还解决了在强风时的限速问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种垂直轴风力发电机组,特别是涉及一种既能在低风速时自动增大风轮的起动力矩,又能在强风时自动限制风轮转速,并可以在2级到12级风力时都可以运转发电的活叶调速型风力发电机组。
背景技术
风力发电已有一百五十多年的历史,科学家在分析了大气环流模型之后发现,大气低层的对流气团所包含的风能是非常巨大的,是人类可利用的取之不尽、用之不竭的再生能源之一,因此,在人类面临逐渐加剧的能源危机的情况下,对于风力发电的研究就越来越具有重大和深远的现实意义了。
现有技术中,已公开了一些垂直轴风力机的技术,可分为两个主要类型,一类是利用翼型的升力做功的升力型风机,最典型的是达里厄(Darrieus)型风力机,多家垂直轴风机制造技术都是在它的运转原理的基础上进行少许的改进;另一类是阻力型风机,其原型是风杯式测风仪的演变,原理就是利用风叶水平旋转时正反两面对风的阻力差来做功。垂直轴升力型风机在正常运转时风能利用率可高达42%,但存在以下缺陷:在低风速状态时,受力面积较小,所产生的起动扭矩小,在自然条件下通常要在四级风时才能起动;对于大中型风机通常需另配电机辅助起动装置,使得整机结构复杂,成本增高;在低风速阵风时功耗也比较大。垂直轴阻力型风机,其风轮可以获得较大的起动力矩;但受其结构限制,围绕着风轮产生侧向推力,使得风轮转速较低。
实用新型内容
本实用新型的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种既能有效地解决垂直轴升力型风叶起动难的问题,提高风能利用率,又能解决在强风时的限速问题活叶调速型风力发电机组。
木实用新型的目的通过以下技术措施实现:提供的活叶调速型风力发电机组,包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于所述机舱上部的风叶驱动总成,所述风叶驱动总成由风轮组和垂直立轴回转系统组成,所述风轮组设置有风叶及安装于所述垂直立轴回转系统上的风叶支架,其中,所述风叶为组合式风叶,所述组合式风叶由设置于所述风叶支架的升力型叶片及可变槽叶片组成,所述可变槽叶片由固定叶板和活动叶板组成,所述固定叶板固定于所述风叶支架,所述活动叶板可转动地连接于所述风叶支架。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组的一种优选实施方式是,所述风叶支架由横向安装于所述垂直立轴回转系统上的上支架和下支架组成,所述上支架与下支架通过纵向支架固定连接。
更加优选的实施方式是,所述活动叶板连接于所述纵向支架,并可绕所述纵向支架旋转。
上述的,所述活动叶板的后侧设置有偏心配重。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组的另一种优选实施方式是,所述固定叶板与所述活动叶板之间设置有弹性限位装置,以使所述固定叶板与所述活动叶板之间形成可变的受风槽区域。
更加优选的实施方式是,所述弹性限位装置是由限位小弹簧和大弹簧连接成双段拉力弹簧构成的弹性限位装置。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组的另一种优选实施方式是,所述垂直立轴回转系统与所述风轮组的主支撑点位于所述垂直立轴回转系统的中部。所述风轮组的整体重心在中心轴系底部,使得整个风轮重心下移,具有很强的稳定性及抗摆性能。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组的另一种优选实施方式是,所述风轮组底部设置有风轮防摆装置,所述风轮防摆装置由两个或者两个以上的稳定轮组成,所述稳定轮可绕所述垂直立轴回转系统的主机座的外轨道转动。从而限制了风轮的摆动。
在本实用新型活叶调速型风力发电机组工作过程中,在静态和低速状态时活动叶板在弹簧拉力的作用下,形成前小后大的受风槽,在风力的推动下,形成较大转矩并配合升力型叶片起动风轮运转发电。
当风速增大风轮转速进一步提高时,外端的升力型叶片获得了较高的风能利用率,活动叶板的线速度大于风速时,活动叶板在偏心配重离心力的作用下,就克服限位小弹簧的拉力,使活动叶板打开一定的角度,一部分相对气流从中间空隙中穿过,此时该活动叶板处于飘逸状态,产生的阻力最小。
当风叶在强风作用下高速旋转时,活动叶板在偏重配重的作用下,离心力进一步加大,克服大弹簧的拉力,使活动叶板偏转一个角度,形成一个前大后小的阻力风槽,而且离心力越大槽底封闭性也就越好,回转阻力也就越大,该阻力有效地减小了在每个叶片上由于升力所形成的转矩,从而限制了风轮的超速运转,当强风减弱,随着转速减小离心力也减小,在大弹簧的作用下活动叶板又回到原工作位置上。
本实用新型与现有技术相比,由于采用升力型风叶与阻力型风叶共同组成风轮组,利用阻力型风叶起动扭矩大的优点在低风时起动风轮,实现微风发电,利用升力型风叶转速高,风能利用率高的优点综合有效利用风能。不但有效解决了垂直轴升力型风叶起动难的问题,提高了风能利用率,而且还解决了在强风时的限速问题;同时主轴回转系统提高了支承点,使整个风轮重心下移,具有很强的稳定性和抗摆性能,该结构既提高了风能效率,又解决了主轴强度及稳定性的问题,同时采用分体组合的结构形式方便了运输及安装。
附图说明
利用附图对本实用新型作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制。
图1是本实用新型活叶调速型风力发电机组的内部简要示意图;
图2是本实用新型活叶调速型风力发电机组的内部结构示意图;
图3是本实用新型的活叶调速型风力发电机组沿风轮中心线的局部剖视图;
图4是图3所示的B-B剖视图;
图5是图3所示的A-A剖视图;
图6是本实用新型活叶调速型风力发电机组受微风推动时图5的工作状态图;
图7是本实用新型活叶调速型风力发电机组受正常风速推动时图5的工作状态图;
图8是本实用新型活叶调速型风力发电机组受强风时图5的工作状态图;
具体实施方式
结合以下实施例对本实用新型作进一步描述。
图1、图2和图3所示的本实用新型的活叶调速型风力发电机组,包括机舱7和位于机舱7上部的风叶驱动总成2,机舱7内设有发电机6和控制装置,风叶驱动总成2由风轮组3和垂直立轴回转系统1组成。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组如图3所示,所述的风轮组3设置有风叶以及安装于所述的垂直立轴回转系统1上的风叶支架,具体地,如图5所示,所述风叶为组合式风叶,由安装在风叶支架最外端的升力型叶片9和可变槽叶片组成,所述可变槽叶片由固定叶板10和活动叶板11组成,固定叶板10与活动叶板11之间设置有双段拉力弹簧13,可形成可变的受风槽区域。其中,升力型叶片9及固定叶板10与风叶支架是完全固定的,升力型叶片9与下支架8的夹角α(如图3所示)可视实际需求确定(45°≤α≤135°),最优角度为90°。
风叶支架由横向安装在所述垂直立轴回转系统上的上支架14和下支架8组成,所述上支架14和下支架8通过纵向支架固定连接,所述活动叶板11连接于所述纵向支架,并可绕所述纵向支架旋转。以上的,所述活动叶板11后侧设有偏心配重12,通过活动叶板11旋转时产生的离心力和匹配的双段拉力弹簧13可以改变槽口的方向和形状,该双段拉力弹簧13由限位小弹簧和大弹簧组成(如图5所示),限位小弹簧和大弹簧固定连接在一起,该双段拉力弹簧13在起动、正常运转及超速三种状态下,弹簧的长度有所变化。在静态和低速状态时活动叶板11在双段拉力弹簧13拉力的作用下,状态如图5、图6所示,形成前小后大的受风槽,即形成所谓的阻力型风叶,在风力的推动下可形成较大转矩,并配合升力型叶片9起动风轮组3运转发电。
图6、图7、图8为本实用新型的工作原理图。升力型风叶的工作原理是根据达里厄斯结构的贝特定律,由于在旋转时冀形叶片正面与背面的压力差所产生的升力形成驱动力,但这种结构的特点是起动困难,强风时速度难于控制,因为升力型风叶在强风时线速度可以超过风速的4-8倍,严重超速将导致风叶折断或发电系统的损毁等严重后果。针对这种情况,活叶调速型风力发电机组把阻力型风叶与升力型风叶有机地结合,在低风状态时,如图6所示,活动叶板11在弹簧13拉力的作用下,形成前小后大的受风槽,受风槽受风面积较大,同时升力型风叶片9上也受到较大的推动力矩,实现了微风风轮起动并发电。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组如图7所示,当风速增大风轮转速提高,升力型叶片9的风能利用效率达到较高水平,活动叶板11的线速度大于风速时,在偏心配重12的作用下,活动叶板11受到较大离心力的作用,克服限位小弹簧的拉力使活动叶板11与固定叶板10之间形成一定的空隙,气流从活动叶板11与固定叶板10两个叶片中间穿过,阻力最小,使升力型叶片9有较高的转速,保证较高的风能利用率。
如图8所示,当风轮在强风作用下高速旋转时,活动叶板11受离心力的进一步增大进而克服大弹簧的拉力,使活动叶板11再转过一定角度,形成前大后小的纯阻力风槽,该阻力将有效减小风轮组3的转矩,从而使转速处于安全范围之内。当强风减弱后,风轮组3的转速也会随之下降,风叶在双段拉力弹簧13的拉力作用下,自动恢复到如图7所示的工作状态。
图4所示的本实用新型的活叶调速型风力发电机组的下支架8的断面结构,这种形状的支架在回转中阻力较小,其次还将产生一定的向上升力,该升力可以减小整个风轮组对主轴承的负载,延长主轴承的使用寿命,另外,所述风轮组3底部还设置有风轮防摆装置4,所述风轮防摆装置4由两个或两个以上的稳定轮组成,所述稳定轮可绕所述垂直立轴回转系统1的主机座的外轨道转动,当风轮组3在高速旋转或突然阵风产生的冲击负载情况下,从而限制了风轮组3的摆动,提高了风轮组3的强度和运转时的稳定性,使风轮组3与主机座的工作运行更为安全可靠。
此外,由于风力强弱及持续的时间长短具有随机性,以及出于控制、调试或检修的目的,而要暂时性的停止风轮工作时,如图3所示,可以自动或手动起动安装在主轴上的刹车装置5,其自动控制功能在控制器中已经设定,这样确保了风轮运行及检修的安全性。
本实用新型的活叶调速型风力发电机组可以满足风力发电机运行外界条件的国际标准:
1、最高风速为35m/s,高寒地区为40m/s;
2、机组正常运行的温度范围为-20℃~+50℃,高寒地区为-25℃~+45℃;
3、机组运行的最高海拔为4000m;
4、相对湿度为95%;
5、相对于未受化学污染的大气,北方地区还应考虑大气中的沙尘等条件。
最后应当说明的是,以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案,而非对本实用新型保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1、活叶调速型风力发电机组,包括内设有发电机和控制装置的机舱以及位于所述机舱上部的风叶驱动总成,所述风叶驱动总成由风轮组和垂直立轴回转系统组成,所述风轮组设置有风叶及安装于所述垂直立轴回转系统上的风叶支架,其特征在于:所述风叶为组合式风叶,所述组合式风叶由设置于所述风叶支架的升力型叶片及可变槽叶片组成,所述可变槽叶片由固定叶板和活动叶板组成,所述固定叶板固定于所述风叶支架,所述活动叶板可转动地连接于所述风叶支架。
2、根据权利要求1所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述风叶支架由横向安装于所述垂直立轴回转系统上的上支架和下支架组成,所述上支架与下支架通过纵向支架固定连接。
3、根据权利要求2所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述活动叶板连接于所述纵向支架,并可绕所述纵向支架旋转。
4、根据权利要求1或2或3所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述活动叶板的后侧设置有偏心配重。
5、根据权利要求1所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述固定叶板与所述活动叶板之间设置有弹性限位装置,以使所述固定叶板与所述活动叶板之间形成可变的受风槽区域。
6、根据权利要求5所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述弹性限位装置是由限位小弹簧和大弹簧连接成双段拉力弹簧构成的弹性限位装置。
7、根据权利要求1所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述垂直立轴回转系统与所述风轮组的主支撑点位于所述垂直立轴回转系统的中部。
8、根据权利要求1所述的活叶调速型风力发电机组,其特征在于:所述风轮组底部设置有风轮防摆装置,所述风轮防摆装置由两个或者两个以上的稳定轮组成,所述稳定轮可绕所述垂直立轴回转系统的主机座的外轨道转动。
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