CN209569123U - 垂直轴风力发电设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种制造、运输、安装、维护成本低、效率高的垂直轴风力发电设备。本实用新型包括基座(1)、环形轨道(2)、至少两个轨道车(3)、发电机(9)、带动所述发电机(9)产生电能的垂直主轴(6)，所述环形轨道(2)固设于所述基座(1)上，所述轨道车(3)架设于所述环形轨道(2)上，所述轨道车(3)可沿所述环形轨道(2)做环形移动，每个所述轨道车(3)上安装至少一个升力叶片(4)，每个所述轨道车(3)通过至少一个横梁(5)与所述垂直主轴(6)相固定连接，有风力时，所述升力叶片(4)受风产生升力，推动所述轨道车(3)沿所述环形轨道(2)做环形移动，进而通过所述横梁(5)带动所述垂直主轴(6)转动，从而带动所述发电机(9)产生电能。本实用新型可广泛应用于风力发电领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种垂直轴风力发电设备。
背景技术
清洁能源是当今世界的主流发展方向。风力发电是清洁能源的一种，目前在风资源多的环境应用广泛。风力发电设备从结构上分为水平轴与垂直轴，目前水平轴风力发电已经发展到15MW，其塔架高度超过200米，叶轮直径超过180米，这对于大型风力发电的设计、安装、维护和可靠性都提出了巨大的挑战。在陆上，由于叶片过长导致运输困难，使得陆上风机功率增加受限制；对于海上风机，在台风等极端天气情况下，会对高耸的风塔与叶片造成不可逆的破坏。
垂直轴风机分为阻力型与升力型，阻力型对风能的利用率低，而不能用于大型风力发电的设计，升力型叶片可利用空气的升力来驱动，风能利用率高。现有的垂直轴大功率风机不如水平轴风机普及的原因之一是功率越大，叶片越大，叶片的重量使得悬臂梁结构难以大型化，有设计人员在叶片底部做支撑或用水的浮力做支撑，可使叶片大型化有可能，但叶片是围绕垂直轴做圆周运动，叶片与垂直轴相连虽然可做一定角度的变桨，但在围绕垂直轴转动的360°范围内，某些区域叶片是产生负阻力，这就不如水平轴叶片在旋转中都可产生升力。因此现有的垂直轴风机效率相对低。
现有的水平轴大功率风机因为叶轮旋转直径大，需要设置安装高度较高、强度要求高的塔筒，并需要高空架设电机齿轮箱等部件，因此制造、运输、安装、维护的成本均很高，且叶片成型难度大。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术上的不足，提供一种制造、运输、安装、维护成本低、效率高的垂直轴风力发电设备。
本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括基座、环形轨道、至少两个轨道车、发电机、带动所述发电机产生电能的垂直主轴，所述环形轨道固设于所述基座上，所述轨道车架设于所述环形轨道上，所述轨道车可沿所述环形轨道做环形移动，每个所述轨道车上安装至少一个升力叶片，每个所述轨道车通过至少一个横梁与所述垂直主轴相固定连接，有风力时，所述升力叶片受风产生升力，推动所述轨道车沿所述环形轨道做环形移动，进而通过所述横梁带动所述垂直主轴转动，从而带动所述发电机产生电能。
所述轨道车内设有叶片驱动装置，用于驱动所述升力叶片转动，从而调整所述升力叶片的角度。
所述垂直轴风力发电设备还包括叶片主控装置，所述叶片主控装置通过风向标采集环境风向信息，并获取所述轨道车的实时方位信息，通过预设的指令，向所述叶片驱动装置发出控制信号，从而实时调整所述升力叶片的角度，以使每个所述升力叶片在其当前的位置升力最大、阻力最小，或者，在风过载的特殊情况下反向控制，调整所述升力叶片的角度，使所述升力叶片在其当前的位置的整体升力和阻力达到动态平衡，以主动增加阻力，防止所述垂直主轴过速运转，或者，调整所述升力叶片的角度，使所述升力叶片在其当前的位置的升力小于阻力，以进行刹车或停车。
所述叶片驱动装置采用液压装置或电机装置进行驱动。
所述垂直主轴通过传动装置或直接与所述发电机相连接。
所述环形轨道是单轨或双轨。
所述基座为土建基座或钢结构基座。
各所述轨道车以所述垂直主轴作为几何中心均匀平衡布设。
所述发电机设置于地面上或近地面处。
本实用新型的有益效果是：由于本实用新型的垂直轴风力发电设备包括基座、环形轨道、至少两个轨道车、发电机、带动所述发电机产生电能的垂直主轴，所述环形轨道固设于所述基座上，所述轨道车架设于所述环形轨道上，所述轨道车可沿所述环形轨道做环形移动，每个所述轨道车上安装至少一个升力叶片，每个所述轨道车通过至少一个横梁与所述垂直主轴相固定连接，有风力时，所述升力叶片受风产生升力，推动所述轨道车沿所述环形轨道做环形移动，进而通过所述横梁带动所述垂直主轴转动，从而带动所述发电机产生电能；本实用新型是一种全新结构的垂直轴风力发电设备，通过将所述轨道车作为所述升力叶片的承重载体和传动载体，避免了现有垂直轴风力发电设备中叶片与垂直轴直接相连接的悬臂梁结构，使得所述垂直主轴不再承受悬臂力矩，因此对其强度的要求大大降低，减少了所述垂直主轴的尺寸和高度，可以取消过长的垂直轴，不仅材料成本极大降低，容易加工安装，而且受力均匀，性能更佳；所述升力叶片与所述轨道车的数量根据机组功率设计，所述环形轨道的直径越大，所述升力叶片与所述轨道车的数量越多，进而提高发电效率，因此设计更佳灵活，对场地的要求降低，可因地制宜进行调整；本实用新型与现有的水平轴风力发电设备相比，节省了塔筒、节省了偏航系统、节省了电机齿轮箱等高空吊装及叶片的高空吊装，节省了高空维护，降低了叶片成型难度，降低了叶片成本，降低了叶片运输成本，降低了维修成本，最大限度的减少了恶劣天气对风机的破坏，减少了意外损失成本；本实用新型的垂直轴风力发电设备输出功率理论上可无限增大，因为没有空间限制，从而能实现风力发电电价与现有燃煤发电的电价相当甚至更低，本实用新型突破了先有的垂直轴发电设备的技术瓶颈和技术思路，这种更大功率的垂直轴发电设备用于陆上风电场，解决了水平轴风力发电设备叶片过长难以运输，导致陆上风电单机机组功率不能过大的问题；当有台风等恶劣天气时，叶片可很容易从轨道车3上拆解下来，从而减少损失，有风沙时，叶片可很容易穿上保护罩，减少对叶片的破坏，因此可广泛的应用于海上和陆地风电，对台风等恶劣天气有完全免疫的功能；故本实用新型的垂直轴风力发电设备制造、运输、安装、维护成本低、效率高；
由于所述垂直轴风力发电设备还包括叶片主控装置，所述叶片主控装置通过风向标采集环境风向信息，并获取所述轨道车的实时方位信息，通过预设的指令，向所述叶片驱动装置发出控制信号，从而实时调整所述升力叶片的角度，以使每个所述升力叶片在其当前的位置升力最大、阻力最小；通过以上方式实现了逐个叶片实时调整的目的，达到了最佳利用风能的效果，极大提高了垂直轴风力发电设备的发电效率；而且，这种单独控制每个叶片的方式还可以反向利用，如当风速超载时，叶片可调整角度产生阻力，从而起到刹车作用，避免设备过载而带来的破坏作用，因此能在正反两个方向充分利用风能，可最大效率提高设备的利用率。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的垂直轴风力发电设备的俯视结构示意图；
图2是本实用新型实施例一的垂直轴风力发电设备的断面结构示意图；
图3是本实用新型实施例一的风向标的结构示意图；
图4是本实用新型实施例二的垂直轴风力发电设备的俯视结构示意图；
图5是本实用新型实施例三的垂直轴风力发电设备的俯视结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
如图1～图3所示，本实施例的垂直轴风力发电设备包括基座1、环形轨道2、四个轨道车3、发电机9、带动所述发电机9产生电能的垂直主轴6，所述发电机9设置于地面上或近地面处，所述环形轨道2固设于所述基座1上，本实施例中所述基座1为土建基座，成本低，当然也可以采用钢结构基座，所述环形轨道2是双轨，稳定性更好，当然也可以采用单轨的形式，所述轨道车3架设于所述环形轨道2上，所述轨道车3可沿所述环形轨道2做环形移动，每个所述轨道车3上安装一个升力叶片4，每个所述轨道车3通过一个横梁5与所述垂直主轴6相固定连接，各所述轨道车3以所述垂直主轴6作为几何中心均匀平衡布设，整体结构稳定性好，动静平衡效果俱佳，本实施例中四个所述轨道车3形成了十字交叉的布设，有风力时，所述升力叶片4受风产生升力，推动所述轨道车3沿所述环形轨道2做环形移动，进而通过所述横梁5带动所述垂直主轴6转动，从而带动所述发电机9产生电能；所述轨道车3内设有叶片驱动装置(图中未示出)，用于驱动所述升力叶片4转动，从而调整所述升力叶片4的角度，本实施例中，所述叶片驱动装置采用液压装置进行驱动，所述垂直主轴6通过传动装置7与所述发电机9相连接，当然，所述垂直主轴6也可能直接与所述发电机9相连接；所述垂直轴风力发电设备还包括叶片主控装置，所述叶片主控装置通过风向标10采集环境风向信息，并获取所述轨道车3的实时方位信息，通过预设的指令，向所述叶片驱动装置发出控制信号，从而实时调整所述升力叶片4的角度，以使每个所述升力叶片4在其当前的位置升力最大、阻力最小，当然也可以在台风等风过载的特殊情况下反向控制，即调整所述升力叶片4的角度，使所述升力叶片4在其当前的位置整体升力和阻力达到动态平衡，以主动增加阻力，防止所述垂直主轴6过速运转，起到保护作用，或者，调整所述升力叶片4的角度，使所述升力叶片4在其当前的位置的升力小于阻力，以进行刹车或停车。
本实用新型中，当轨道车3前进时，其角坐标发生动态变化，升力叶片4与风向的最佳相对位置也发生变化，轨道车3上的所述叶片驱动装置再调整升力叶片4的角度，从而与风向角度最佳。这样，在围绕垂直轴的轨道的360°圆周内任一位置，叶片利用风产生升力，从而驱动轨道车3前进，最终驱动发电机9运转发电，叶片的360°主动旋转可最大效率的利用风能。
实施例二：
如图4所示，本实施例的垂直轴风力发电设备与实施例一的区别在于：本实施例中有两个对向对称布设的轨道车3，每个所述轨道车3上安装三个升力叶片4，每个所述轨道车3通过两个横梁5与所述垂直主轴6相固定连接，可以增强结构强度，减少每个横梁5的尺寸。
本实施例的其余特征与实施例一相同。
实施例三：
如图5所示，本实施例的垂直轴风力发电设备与实施例二的区别在于：本实施例中有三个沿周向呈120°角对称布设的轨道车3，每个所述轨道车3上安装三个尺寸较小的升力叶片4，每个所述轨道车3通过一个横梁5与所述垂直主轴6相固定连接，所述叶片驱动装置采用小型电机装置进行驱动。
本实施例的其余特征与实施例二相同
本实用新型的垂直轴风力发电设备是一种全新结构的垂直轴风力发电设备，通过将所述轨道车3作为所述升力叶片4的承重载体和传动载体，避免了现有垂直轴风力发电设备中叶片与垂直轴直接相连接的悬臂梁结构，使得所述垂直主轴6不再承受悬臂力矩，因此对其强度的要求大大降低，减少了所述垂直主轴6的尺寸和高度，可以取消过长的垂直轴，不仅材料成本极大降低，容易加工安装，而且受力均匀，性能更佳；所述升力叶片4与所述轨道车3的数量根据机组功率设计，所述环形轨道2的直径越大，所述升力叶片4与所述轨道车3的数量越多，进而提高发电效率，因此设计更佳灵活，对场地的要求降低，可因地制宜进行调整；本实用新型与现有的水平轴风力发电设备相比，节省了塔筒、节省了偏航系统、节省了电机齿轮箱等高空吊装及叶片的高空吊装，节省了高空维护，降低了叶片成型难度，降低了叶片成本，降低了叶片运输成本，降低了维修成本，最大限度的减少了恶劣天气对风机的破坏，减少了意外损失成本；本实用新型的垂直轴风力发电设备输出功率理论上可无限增大，因为没有空间限制，从而能实现风力发电电价与现有燃煤发电的电价相当甚至更低，本实用新型突破了先有的垂直轴发电设备的技术瓶颈和技术思路，这种更大功率的垂直轴发电设备用于陆上风电场，解决了水平轴风力发电设备叶片过长难以运输，导致陆上风电单机机组功率不能过大的问题；当有台风等恶劣天气时，所述升力叶片4可很容易从所述轨道车3上拆解下来，从而减少损失，有风沙时，所述升力叶片4可很容易穿上保护罩，减少对叶片的破坏，因此可广泛的应用于海上和陆地风电，对台风等恶劣天气有完全免疫的功能；本实用新型通过逐个叶片实时调整的方式，达到了最佳利用风能的效果，极大提高了垂直轴风力发电设备的发电效率；而且，这种单独控制每个叶片的方式还可以反向利用，如当风速超载时，叶片可调整角度产生阻力，从而起到刹车作用，避免设备过载而带来的破坏作用，因此能在正反两个方向充分利用风能，可最大效率提高设备的利用率；故本实用新型的垂直轴风力发电设备制造、运输、安装、维护成本低，效率高，适应性强，适用范围广。
本实用新型可广泛应用于风力发电领域。
Claims (9)
1.一种垂直轴风力发电设备，其特征在于：包括基座(1)、环形轨道(2)、至少两个轨道车(3)、发电机(9)、带动所述发电机(9)产生电能的垂直主轴(6)，所述环形轨道(2)固设于所述基座(1)上，所述轨道车(3)架设于所述环形轨道(2)上，所述轨道车(3)可沿所述环形轨道(2)做环形移动，每个所述轨道车(3)上安装至少一个升力叶片(4)，每个所述轨道车(3)通过至少一个横梁(5)与所述垂直主轴(6)相固定连接，有风力时，所述升力叶片(4)受风产生升力，推动所述轨道车(3)沿所述环形轨道(2)做环形移动，进而通过所述横梁(5)带动所述垂直主轴(6)转动，从而带动所述发电机(9)产生电能。
2.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述轨道车(3)内设有叶片驱动装置，用于驱动所述升力叶片(4)转动，从而调整所述升力叶片(4)的角度。
3.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述垂直轴风力发电设备还包括叶片主控装置，所述叶片主控装置通过风向标(10)采集环境风向信息，并获取所述轨道车(3)的实时方位信息，通过预设的指令，向所述叶片驱动装置发出控制信号，从而实时调整所述升力叶片(4)的角度，以使每个所述升力叶片(4)在其当前的位置升力最大、阻力最小，或者，在风过载的情况下反向控制，调整所述升力叶片(4)的角度，使所述升力叶片(4)在其当前的位置的整体升力和阻力达到动态平衡，以主动增加阻力，防止所述垂直主轴(6)过速运转，或者，调整所述升力叶片(4)的角度，使所述升力叶片(4)在其当前的位置的升力小于阻力，以进行刹车或停车。
4.根据权利要求2所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述叶片驱动装置采用液压装置或电机装置进行驱动。
5.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述垂直主轴(6)通过传动装置(7)或直接与所述发电机(9)相连接。
6.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述环形轨道(2)是单轨或双轨。
7.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述基座(1)为土建基座或钢结构基座。
8.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：各所述轨道车(3)以所述垂直主轴(6)作为几何中心均匀平衡布设。
9.根据权利要求1所述的垂直轴风力发电设备，其特征在于：所述发电机(9)设置于地面上或近地面处。
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