CN201884202U - 风帆式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种风力发电装置，特别公开了一种风帆式垂直轴风力发电机。该风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风轮周边安装有风帆及风帆升降装置，风帆的桅杆中心O₁绕风轮中心O转动作公转，同时风帆以相反方向绕桅杆中心O₁转动作自转，风轮上安装有偏航装置。该风帆式垂直轴风力发电机，逆风侧不作负功，因而风能利用系数得以提高，其理论数值可突破了贝兹极限，本实用新型起动风速低切出风速高，工作时间长资源利用率高，其主要设施在地面，便于建造和维修。同时该风力发电机的风轮无侧向力，利用风帆升降实现了变距。

Description

风帆式垂直轴风力发电机

(一)技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别涉及一种风帆式垂直轴风力发电机。

(二)背景技术

目前，现有技术的垂直轴风力发电机，主要有两种形式：一种是利用风阻力工作的S型风力发电机，优点是起动风速低，可在低风速工作，但其缺点侧向压力过大，严重影响整机安全。另一种是利用机翼升力工作，其工作力矩对称侧向压力小。现有技术的垂直轴风力发电机共同的优点是：设备在地面建造容易维护简单和不择来风向无需偏航控制。但其致命伤首先是垂直主轴的两侧中当一侧顺风，而另一侧必是逆风，只要是叶片与风轮轴固定的，叶片在顺风铡和逆侧的风向投影面积都相等，只是叶片的两面型线有些区别才产生力矩，但逆风侧做负功不可避免，因此现有技术的风力发电机风能利用系数都很低。另一方面，叶片固定，不能实现类似水平轴风力发电机桨叶变距的动能，无法改变叶片的迎风面积，当暴风来临时将面临机毁之灾。因此现代风电行业很少见有垂直轴风力发电机，尤其是大型机组更是未见使用。

(三)发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种风轮主轴没有侧向力的、逆风侧不做负功的、起动风速更低和切出风速更高、风能利用系数更高的风帆式垂直轴风力发电机。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风轮周边安装有风帆及风帆升降装置，风帆的桅杆中心O₁绕风轮中心O转动作公转，同时风帆以相反方向绕桅杆中心O₁转动作自转，风轮上安装有偏航装置。

该风帆式垂直轴风力发电机，风帆通过风帆升降装置实现变距，风轮在逆风侧做正功，风轮的侧向力为零，风能利用系数高于水平风力发电机。偏航装置包括套装在风轮上的中心锥齿轮，中心锥齿轮通过大齿轮、小齿轮、蜗轮、蜗杆与偏航伺服电机相连接，通过转动中心锥齿轮实现偏航控制。中心锥齿轮是风向座标XY的载体，通过转动中心锥齿轮跟踪来风方向，来风方向未变时，中心锥齿轮是静止的，风轮转动时，锥齿轮绕着中心锥齿轮作行星运动，锥齿轮通过轴带动锥齿轮和锥齿轮，使得风帆也作行星运动。风帆升降装置包括安装在风轮周边的升降伺服电机，升降伺服电机带动蜗杆、蜗轮、卷筒、滑轮和缆绳动作，实现安装在桅杆上的风帆的升降，桅杆的顶端设有顶套。当来风速度小时风帆升起以增加动能，当来风速度太大时降下部份风帆，以减少风力。风帆包括风帆板和风帆板铰链，风帆板铰链与桅杆之间设有导向环耳轴，风帆的结构为折叠式、伸缩式或卷帘式。

众所周知，帆船在海面行驶，逆风也能顶风行驶，其原理是调整风帆面与来风方向的夹角，依此原理本发明采用的风帆是根据来风方向，按设定的规律运动，使得风帆面与来风方向夹角处于最佳状态，使得风帆既在顺风一侧作正功，在逆风一侧也作正功，无侧向压力，从而大幅度提高风能利用系数。因为本发明的逆风侧也作正功，因而产生很大的起动力，所以起动的风速也比较低。同时本发明的风帆自身也在转动，而且与风轮的角速度相反，与水平轴风力发电机相比，相同的风轮转速，其最外圆叶尖速度比较低。因此本发明风帆式垂直轴风力发电机的破坏风速比水平轴风力发电机的破坏风速高，也就是说本发明的切出风速可以比较高，早起动晚切出，使得风力发电机一年内的工作时间增多，这从另一方面提高了风能资源的利用率。

本发明为了实现类似变距的功能，采用与帆船一样升降风帆改变风帆的迎风面积，风帆的结构可有三种形式，一是折叠式、二是伸缩式、三是卷帘式，都能实现风帆的升降，以折叠最易实施，由来风的速度信号控制风帆升降伺服电机，实现了风帆因来风速度改变而升降，保证风力发电机在最佳转速工作，也避免因暴风而毁机之灾。本发明仍保留现有技术垂直轴风力发电机的动力输出轴在地面，主要设施在地面，有便于建造和容易维修的优点。但是本发明的风帆面对来风方向有要求，现有技术的垂直轴风力发电机可接受任方向来风的优点，在本发明风帆式垂直轴风力发电机中已不存在，因而本发明必须解决和水平轴风力发电机一样的偏航问题。

本发明的有益效果是：该风帆式垂直轴风力发电机，逆风侧不作负功，因而风能利用系数得以提高，其理论数值可突破了贝兹极限，本发明起动风速低切出风速高，工作时间长资源利用率高，其主要设施在地面，便于建造和维修。同时该风力发电机的风轮无侧向力，利用风帆升降实现了变距。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明风帆式垂直轴风力发电机的工作原理图。

附图2为本发明风帆式垂直轴风力发电机的传动系统图。

附图3为本发明水平轴风力发电机风轮的结构示意图。

图中，1桅杆，2滑轮，3缆绳，4顶套，5风帆板，6风帆板铰链，7导向环耳轴，8、17蜗杆，9、15蜗轮，10卷筒，11风帆升降伺服电机，12、13、20锥齿轮，14小齿轮，16偏航伺服电机，19动力输出轴，21中心锥齿轮，23风轮，26大齿轮，ω风轮角速度，ω1风帆角速度，α风轮转角，δ风帆转角，F风帆作用力，r力矩半径，R风轮受力半径。

(五)具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。该风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风轮23周边安装有风帆及风帆升降装置，风帆的桅杆中心O₁绕风轮中心O转动作公转，同时风帆以相反方向绕桅杆中心O₁转动作自转，风轮23上安装有偏航装置。风帆通过风帆升降装置实现变距，风轮23在逆风侧做正功，风轮23的侧向力为零，风能利用系数高于水平风力发电机。偏航装置包括套装在风轮23上的中心锥齿轮21，中心锥齿轮21通过大齿轮26、小齿轮14、蜗轮15、蜗杆17与偏航伺服电机16相连接，通过转动中心锥齿轮21实现偏航控制。中心锥齿轮21是风向座标XY的载体，通过转动中心锥齿轮21跟踪来风方向，来风方向未变时，中心锥齿轮21是静止的，风轮23转动时，锥齿轮20绕着中心锥齿轮21作行星运动，锥齿轮20通过轴24带动锥齿轮13和锥齿轮12，使得风帆也作行星运动。风帆升降装置包括安装在风轮周边的升降伺服电机11，升降伺服电机11带动蜗杆8、蜗轮9、卷筒10、滑轮2和缆绳3动作，实现安装在桅杆1上的风帆的升降，桅杆1的顶端设有顶套4。当来风速度小时风帆升起以增加动能，当来风速度太大时降下部份风帆，以减少风力。风帆包括风帆板5和风帆板铰链6，风帆板铰链6与桅杆1之间设有导向环耳轴7，风帆的结构为折叠式、伸缩式或卷帘式。

以下结合附图详细说明：

1、本发明风帆式垂直轴风力发电机逆风侧不作负功的求证。附图1中XY是来方向座标，来风方向一定时它是相对固定的，其原点O是风轮的轴心，Y是来风方向，X₁Y₁是动座标，其原点是O₁，O₁是风帆轴心，也是桅杆中心，它绕风轮轴心O点以角速度ω在作公转，而风帆则绕O₁以角速度ω₁在作自转，风帆宽度为B高度为H，该风轮上的O₁点从X轴开始以角速度ω在转过α角，而风帆则以ω₁角速在转动转过δ角，风帆面宽度B与X轴的夹角将θ＝α-δ。风帆升力F垂直于风帆面，其大小是风帆的迎风面积与风压力的乘积。

F＝PHBcosθ

工作力矩M＝r₁F＝r₁PHBcosθ  r₁＝Rcosδ

则有：M＝RPHBcosθcosδ

M＝RPHBcos(α-δ)cosδ

公式中P是来风压力

给以上公式设定边界条件：当α＝180°时，M＝0。求解δ：解出：δ＝α/2代入上式得：

$M=\mathrm{RPHB}\cos {\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2...1$

从公式1可见以α为变量的力矩M函数永远是正的，理论证明本发明风帆式垂直轴风力发电机逆风侧也不作负功。

2、无侧向力的求证

图1中XY座标四个象限的风帆中心分别是O₁、O₂、O₃和O₄，四个象限的侧向力分别是F_X1、F_X2、F_X3和F_X4。根据图1所示第一象限的中心O₁，其侧向力是：

$F_{X1}=F\sin \mathrm{\δ}=\mathrm{PHB}\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}...2$

一对风帆是两只风帆对称安装的，一只风帆在第一象限面另一只风帆必然在第三象限：第三象限的风帆中心O₃比第一象限风帆的O₁提前180°，公式中变量α角应加进180°。

三角函数中等于而

等于负

因此：

$F_{X3}=-\mathrm{PHB}\cos \frac{\mathrm{\α}}{2}\sin \frac{\mathrm{\α}}{2}=-F_{X1}$

F_X3+F_X1＝0

同理能证明外在第二象限和第四象限的一对风帆的侧向力F_X2+F_X4＝0，风轮的总侧向力F₄也就等于零，证明本发明风帆式垂直轴风力发电机所有成对风帆其侧向力也是零。

3、本发明风帆式垂直轴风力发电机的力矩是常数的求证

本发明风帆式垂直轴风力发电机，一对风帆的两只风帆相差180°，共同产生一个力矩M₀：风帆是成对的。

M₀＝M₁+M₂

则：

因

故 $M_0=\mathrm{PRHB}[\cos {\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2+\sin {\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2]$

因 $\cos {\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2+\sin {\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}^2=1$

故

M₀是一对风帆产生的力矩，设风轮有n对风帆，则风轮力矩M：

故有M＝nM₀＝nPRHB..........................................3

公式3没有α，理论证明本发明风帆式垂直轴风力发电机的力矩不随α变化，而是常数。

4、风能利用系数的求证

风力发电机的风能利用系数C_P，是风力发电机输出的功率N＝M_ω与来风动能之比：

$C_P=\frac{N}{E}=\frac{2\mathrm{M\ω}}{{\mathrm{\ρSV}}_{\mathrm{\ω}}^3}$ 因 $\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\λV}}_{\mathrm{\ω}}}{R}$

将M和ω代入得

公式中p是空气密度，H是风帆高度，S是风轮迎风面积。

S＝HL₁

公式L₁是风轮迎风宽度，L₁＝2R+B/2，并设B＝KR则有：

代入公式4得：

$C_p=\frac{2\mathrm{n\λ}}{\mathrm{\ρ}(\frac{2}{K}+0.5)V_{\mathrm{\ω}}^2}...5$

根据流力学伯努方程：

$\frac{V_1^2}{2}+\frac{P_1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{V_2^2}{2}+\frac{P}{\mathrm{\ρ}}$

公式中在此处V₁应是来风速度V_ω，P₁是来风的压力，在此处P₁应为零，V₂应是风帆中心的速度V₀，而压P是风帆面的风压力。

$\frac{V_{\mathrm{\ω}}^2}{2}=\frac{V_0^2}{2}+\frac{P}{\mathrm{\ρ}}$

$V_{\mathrm{\ω}}^2=V_0^2+\frac{2P}{\mathrm{\ρ}}$

而V₀＝λV_ω

$V_{\mathrm{\ω}}^2={\mathrm{\λ}}^2{V}_{\mathrm{\ω}}^2+\frac{2P}{\mathrm{\ρ}}$

$V_{\mathrm{\ω}}^2(1-{\mathrm{\λ}}^2)=\frac{2P}{\mathrm{\ρ}}$

${\mathrm{\ρV}}_{\mathrm{\ω}}^2=\frac{2P}{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}...6$

将公式6代入公式5得：

$\mathrm{CP}=\frac{n(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^3)}{2/k+0.5}...7$

将公式7对λ求导数，令其等零求出根大值

$\frac{\mathrm{dCP}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{d}{\mathrm{d\λ}}(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}^3)=0$ 2(1-3λ²)＝0

1-3λ²＝0 ${\mathrm{\λ}}^2=\frac{1}{3}$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{1}{3}}=0.577350$

代入公式7得到：

$C_P=\frac{n0.3849}{\frac{2}{K}+0.5}...8$

风帆宽度B与风轮受力半径R的比例系数K是在保证两个相邻风帆转动时相互不干涉为条件求得，K是n的函的函数：

公式9代入公式8得：

公式10没有极限，当n＝50时，C_P＝0.5952，开始突破贝兹极限，但是这只是理数值，它是没有实用意义的，公式10的可用范围是n＝1、2、3、4和5

风帆对数n与相应的风能利系数C_P

n	1	2	3	4	5
						K	2.8284	1.5307	1.0532	0.7804	0.6257
CP	0.3189	0.4261	0.4748	0.5024	0.5204

实用的n＝2和3，C_P＝0.4261和0.4748，目前水平轴风力发电机的实用风风能利用系也是0.4左右，贝兹极限是可望不可及的。而本发明的实用风能利用系数是能达到的。因为公式10没有极限给提高风能利用系数留下空间，而且本发明风帆式垂直轴风力发电机起动风速低，切出风速高，工作时间比水平轴风力发电机的工作时间长，实际的风能利用率高于水平风力发电机。

5、最低起动风速Vt的求证。

本发明因为没有负力矩，起动风速比较低，由流体力学来风具有的能量：

$E=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{Sv}}^2$

ρ是空气密度，S是叶片迎风面积，由力学可知，能量：

$N=\mathrm{FL}=F\frac{V}{t}$

公式中t是时间，F是叶片面上的作用力，P是作用在叶片面上的压力，S是叶片面积

$E=N=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{SV}}^3=F\frac{V}{t}$

$F=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρSV}}^{2}t$

$M=\mathrm{FR}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{SV}}^2\mathrm{tR}$

以上公式不存在结构因素，故对垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机都适用，风轮是静止状态起动的，应按静止状态计算，将本发明风帆式垂直轴风力发电机的起动力矩M_t与水平轴风力发电机的起动力矩M_s相比，并设风轮受力半径R相等作用时间t相同，则有

$\frac{M_t}{M_s}=\frac{V_t^2{S}_t}{V_t^2{S}_s^2}=G$

假设两种风力发电机所需的起动力矩都相同则系数G＝1

$V_t^s{S}_t=V_t^2{S}_s$

$V_t^2=\frac{S_s}{S_t}{V}_s^2$

公式中V_t和S_t分别是本发明风帆式垂直轴风力发电机的起动风速，和叶片面积，V_s和S_s分别是水平轴风力发电机的起动风速和叶片的面积，本发明风帆式垂直轴风力发电机的叶片面积应与风帆对数n对应，共有n对风帆。

S_t＝nHB

公式中R_t是本发明风帆式风力发电机风轮受力半径，并设B＝KR_t，H＝3R_t，若按n＝2，则有：

$S_t=9.1842R_t^2$

水平轴风力发电机的叶片面积，是浆叶长度L与平均宽度C的承积，并有三只浆叶。

Ss＝3CL

公式中C是水平轴风力发电机桨叶平均宽度，设C＝0.15Rs而Rs是水平轴风力发电机风轮受力半径，并设Rs＝Rt和L＝1.5Rs。

$S_s=3\mathrm{CL}=3\×0.15\×1.5\×R_s^2$

$V_t^2=\frac{{0.675R}_s^2}{9.1842R_s^2}{V}_s^2$

因为受力半径相等，故有

Vt＝0.271Vs

结论是本发明风帆式垂直轴风力发电机的起动风速Vt是水平轴风力发电机的起动风速Vs的27％。

6、最高切出风速的求证

风轮的最高转速受风轮上的构件强度所限，速度太高会引起构件的损坏。最危险的部位是风轮最外圆，图1的A点和图3的A₃点是最危险的，因为那里速度最高离心力也最大。

图1中，其危险点A的速度V_a1；

$V_{a1}=\mathrm{\ωR}-{\mathrm{\ω}}_1{R}_1=\mathrm{\ωR}-\frac{1}{2}\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{KR}}{2}=\mathrm{\ωR}(1-\frac{K}{4})$

B＝KR，并n＝2，而K＝1.5307，则有：

V_a1＝0.6173ωR

图3中其危险点A₃的速度V_a3＝ω₃L＝ω₃1.5R₃

该V_a1是A点强度极限速度，V_a3是A₃点的强度极限速度，设A与A₃强度相同，则V_a1＝V_a3并设R＝R₃，A点与A₃速之比应等于1。

$\frac{V_{a1}}{V_{a3}}=\frac{0.6173\mathrm{\ωR}}{1.5{\mathrm{\ω}}_3{R}_3}=0.4115\frac{\mathrm{\ωR}}{R_3\mathrm{\ω}3}=0.4115\frac{V_t}{V_s}=1$

则有Vt＝2.43

本发明风帆式垂直轴风力发电机能承受的最大来风速度比水平轴风力发电机能承受的最大来风速度大一倍以上。本发明风帆式垂直轴风力发电机比水平轴风力发电机早起动，晚切出，在风速较低时，水平轴风力发电机还不能起动时，风帆式垂直轴风力发电机已经工作多时，在风速太高时，水平轴风力发电机承受不了已切出停机时，风帆式垂直轴风力发电机还在工作多时，使得设备在一年之内工作时间增多，从另一个方面提高风能利用系数，提高资源利用率，提高设备利用率，也提高了投资的回报率。

风向座标Y轴必须对准来风方向，当来风方向变了，XY座标也要跟踪来风方面，图2中的中心锥齿轮21是来风方向座标XY的载体，来风方向改变了，它也得跟着风向转动实现偏航。

为了适应风场来风速度的变化，本发明风帆式垂直轴风力发电机的风帆要实现随风速变化而升降，风帆5通过导向环耳轴7套在桅杆上，通过风帆板铰链7可以折叠或伸长，实现风帆的升降，从而实现了变距功能。

附图2中的齿轮齿数对照表如下：

图中编号	8	9	12	13	14	15	17	20	21	26
											齿轮齿数	1	100	40	17	20	40	1	34	40	180

7、工作运动

来风吹动风帆5，带动桅杆1，桅杆1带动风轮23转动，传到动力输出轴19，发电机前仍需增加增速齿轮箱。

在运转过程中，来风方向未变时中心锥齿轮21是静止的，风轮23转动时，锥齿轮20在绕着中心锥齿轮21作行星运动。这个运动通过锥齿轮13传到锥齿轮12，使得风帆也作行星运动，其速比是

$i_1=\frac{40}{34}\×\frac{17}{40}=\frac{1}{2}$

其转动的方向与风轮转动方向相反。实现了风帆的转速等于风轮转速的负1/2，即ω₁＝-ω/2，δ＝-α/2。

8、偏航运动

因为本发明风帆式垂直轴风力发电机，对来风方向有要求，从图1中表示座标Y必须与来风方向一致。图2中的中心锥齿轮21是XY座标的载体，当风向改变时，XY必须跟踪来风方向，风向仪测得来风方向的信息，经过控制系统处理接通偏航伺服电机16，驱动蜗杆17，蜗轮15，大齿轮26到达中心锥齿轮21，根据图中的齿轮齿数计算当蜗杆17转一转，中心锥齿轮21转过一度。

9、风帆升降运动

风帆是本发明风帆式垂直轴风力发电机能量的载体，同样的来风速度，风帆的迎风面积越大，风帆吸收的能量也越大，当来风速度较小时升起风帆以增加吸收能量，当来风速度过大时降低风帆以保证设备在额定功率中工作，当来风速度太大时，风帆更降低，以避免灾害。当风速仪测得来风速度信息，结合负载转速信息，经过控制系统处理，接通风帆升降伺服电机11经由蜗杆8、蜗轮9、卷筒10、滑轮2和缆绳3，提升或降下风帆，风帆升降伺服电机11选用100转/分的减速伺服电机，而卷筒直径设计为Φ400毫米，根据图中齿轮齿数计算，风帆升降速度为每分钟1.25米/分。

Claims (7)

1.一种风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风轮(23)周边安装有风帆及风帆升降装置，风帆的桅杆中心O₁绕风轮中心O转动作公转，同时风帆以相反方向绕桅杆中心O₁转动作自转，风轮(23)上安装有偏航装置。

2.根据权利要求1所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风帆通过风帆升降装置实现变距，风轮(23)在逆风侧做正功，风轮(23)的侧向力为零，风能利用系数高于水平风力发电机。

3.根据权利要求1所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：偏航装置包括套装在风轮(23)上的中心锥齿轮(21)，中心锥齿轮(21)通过大齿轮(26)、小齿轮(14)、蜗轮(15)、蜗杆(17)与偏航伺服电机(16)相连接，通过转动中心锥齿轮(21)实现偏航控制。

4.根据权利要求3所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：中心锥齿轮(21)是风向座标XY的载体，通过转动中心锥齿轮(21)跟踪来风方向，来风方向未变时，中心锥齿轮(21)是静止的，风轮(23)转动时，锥齿轮(20)绕着中心锥齿轮(21)作行星运动，锥齿轮(20)通过轴(24)带动锥齿轮(13)和锥齿轮(12)，使得风帆也作行星运动。

5.根据权利要求1所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风帆升降装置包括安装在风轮周边的升降伺服电机(11)，升降伺服电机(11)带动蜗杆(8)、蜗轮(9)、卷筒(10)、滑轮(2)和缆绳(3)动作，实现安装在桅杆(1)上的风帆的升降，桅杆(1)的顶端设有顶套(4)。

6.根据权利要求1或5所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：当来风速度小时风帆升起以增加动能，当来风速度太大时降下部份风帆，以减少风力。

7.根据权利要求6所述的风帆式垂直轴风力发电机，其特征是：风帆包括风帆板(5)和风帆板铰链(6)，风帆板铰链(6)与桅杆(1)之间设有导向环耳轴(7)，风帆的结构为折叠式、伸缩式或卷帘式。

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