CN212054985U - 倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机，形同伞状，各桨叶与风轮轴线倾斜。风轮空心立轴以法兰与空心主轴法兰连接。桨叶上端与风轮空心立轴铰接下端与油缸铰接，油缸驱动桨叶摆动实现变径。本实用新型的优点在于，以液压伺服系统控制风轮的旋转半径同时根据指令调节，当风速超过额定风速而低于切出风速时，适当地减小风轮旋转半径降低风力机风能的能量吸收保持风轮额定转速；当风速达到切出风速时，风轮旋转半径在程序指令下迅速减小至最小，从而使风轮的转速和转矩也变到最小，起动刹车装置使得风轮快速停止，风力发电机退出运行，处于待机状态。

Description

倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机

技术领域

本实用新型涉及垂直轴风力发电机领域，特别涉及一种倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机。

背景技术

随着科学技术的进步，水平轴的海上风力发电的单机容量已突破10MW的关口。究其原因是全球投入商业运行的兆瓦级以上的水平轴风力发电机均采用了变桨距技术，使发电机在各种工况下都能获得最佳性能，构成了兆瓦级变速恒频的核心技术。尽管垂直轴风力发电机较之水平轴风力发电机有诸多优点，更适合于居民区和离岸风力机的应用。然而，纵观国内外对垂直轴风力发电机的研究几乎处于同样水平不分仲伯，到目前为止国内在垂直轴风力机的市场尽管乱像丛生，但尚未实现商业化面市。而所谓兆瓦级的垂直轴风力发电更是烧钱有几十亿之多。究其原因，是因为缺乏潜心研究急功近利所致，没有突破技术瓶颈桎捁，目前难以与水平轴风力发电机匹敌。鉴于此，本实用型另辟蹊径根据垂直轴风力发电机的结构特点以连续调整风轮半径的方式解决了风轮转速的控制调整问题，达到异曲同工之效，破解了垂直风力发电机风轮转速调整的难题，本实用新型即是基于这些特点提供了解决方案。

实用新型内容

倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机的工作原理：由垂直轴风力发电机气动功率P与风轮的旋转半径R相关的计算公式可以看出，调整风轮旋转半径R的值即可改变风轮的转速n及风力机输出功率P。

本实用新型由如下技术方案实施：以液压伺服系统控制风轮的旋转半径，根据指令调整风轮转速，获得最大的气动力矩达到切入风速时的低风速启动；当风速高于切入风速风轮转速逐渐增大达到额定转速时，由转速传感器、风速传感器及半径反馈用的W直线位移传感器跟踪转速改变风轮半径，保持风轮的额定转速使风力机保持输出额定功率和高品质的电能；当风速高于额定风速而低于切出风速时连续调整风轮旋转半径保持风轮的额定转速，实现风力发电机高效率运行；当风速达到切出风速时减小风轮旋转半径迅速降低风轮转速，启动刹车系统快速地使发电机退出运行确保风力发电机的安全。该风力发电机既可并网亦可分布方式运行。

变径调速系统以液体压力驱动执行机构，其系统属于伺服控制系统，由风轮转速传感器、风速传感器和W半径反馈用的直线位移传感器组成。根据指令利用液压油缸驱动桨叶所在位置的变化，对于大惯性负载具有频率响应快、推动力大，实现无级调整风轮转速便于集中控制的特点。

倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机风轮上的几个桨叶围绕风轮空心立轴均匀分布并与风轮空心立轴轴线倾斜；桨叶上端与风轮空心立轴铰链连接，桨叶下端与液压油缸杆铰链连接，油缸的另一端与风轮空心立轴铰接，桨叶在液压油缸活塞杆的驱动下可以绕桨叶上端铰链摆动，改变桨叶所在的位置实现了风轮的变径调节。与风轮轴线倾斜的各个桨叶再将其下支点不动上支点铰链连同桨叶一起沿所在圆周以风轮空心立轴轴心为圆心顺时针方向转过恰当角度得到各桨叶沿顺时针方向倾斜的位置。其特点在于双向倾斜的桨叶在沿风轮轴线不同的水平截面形状各不相同产生错位，避免风力机运行时桨叶在旋转到某个方位角同时出现负转矩的情况使风力机的运行更加稳定。由说明书附图1 所示，风轮空心立轴的下端的法兰与空心主轴上端的法兰连接。将滑环、液压油管和旋换接头、ARCNET总线和电源线等穿过轴的内孔实现连接。变径伺服控制系统原理图如说明书附图2所示。变径控制系统由信号给定，比较器、位置(半径)转换器、DA转换器、速率限制器、执行机构和反馈回路等组成。风轮控制器与主控制器通过总线ARCNET通信，风轮控制器进行变径运算，风轮控制器根据起停信号、风速、直线位置信号及风力机的输出功率进行变径控制。

动力油泵、液压管路、油管转接头、动力单元蓄压器、变径系统蓄压器以及变径装置组成液压变径执行机构。液压变径执行机构的原理简图说明书附图3 所示。在任何运行风速下，只要调节风轮转速，使其桨叶叶尖的切向线速度与风速的比即叶尖速比λ基本保持不变，且满足λ＝λopt就可以维持风力机在最大风能利用系数下运行。

附图说明

附图1倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机主视结构图

附图2变径伺服系统原理图

附图3液压变径执行机构简化原理图

1-风轮空心立轴，2-桨叶，3-液压油缸，4-主轴，5-主轴箱，6-齿轮，7-液压站，8-齿轮，9-轴承，10-塔筒，11、传动轴，12-变速箱，13-发电机，14-轴承， 15-齿轮，16-中间轴，17-制动器，18-齿轮，19-轴承，20-轴承

具体实施方式

液压变径执行机构简化原理图图3所示。

工作过程：

风力机在运行和暂停模式下，风轮连续变径。桨叶下端在液压油缸驱动下向外移动，桨叶绕其上端铰链摆动增大风轮旋转半径时，电磁阀YV₁、YV₂、 YV₃、YV₄及YV₅通电，液压比例阀2V交叉连接端线圈通电(P与B、T与A 连通)，液压油经油泵P-止回阀V₁-止回阀V₃——电磁阀YV₄-比例阀2V的P -B端-止回阀V₅-到油缸的B端，推动油缸活塞杆向外右移，液压油从油缸 A端-电磁阀YV₃-比例阀2V的A-T-止回阀V₁₀-回到油箱。

桨叶向里移减小风轮半径时，电磁阀YV₁、YV₂、YV₃和YV₄通电，液压比例阀2V直接连接端线圈通电(P与A、T与B连通)，液压油经比例阀的P-A -电磁阀YV₃-到油缸的A端，推动油缸活塞杆向左移，液压油从油缸B端- 电磁阀YV₅(失电)-止回阀V8-回到油箱，桨叶向里移动风轮半径减小。

风力机在停机或紧急停止状态下桨叶半径迅速收缩到最小，桨叶由一组常开型紧急变径电磁阀YV₁、YV₂来控制，电磁阀的特征是完全打开或完全关闭，它使液压回路中的流量迅速增加，以实现快速收桨的作业。由于此时液压泵为停止状态，液压系统的备用动力来自于液压回路中数个充有氮气并预加压至一定压力的蓄压器。风轮半径收缩到最小时，电磁阀YV₁、YV₂、YV₃和YV₄均失电，YV₅通电，液压油从蓄压器Z₃压出-经流量控制阀V₇-电磁阀YV₂-止回阀V₆到达油缸的A端，风轮半径迅速减小，液压油从油缸B端流出，经电磁阀 YV₁-带控制端的流量阀V₉-回到油箱。V₉的设置是为了控制变径的速度不至于过快，当紧急变径时，桨叶下端快速向立轴靠近，使风轮旋转半径减小到最小，降低主轴的转速。V₉缓慢闭合而逐渐减小变径回路液压油的流量，从而限制了变径的速度，避免产生过大的动载，紧急变径速度被限制在一个恰当的数值。

而倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机的其它桨叶其控制系统及工作过程与其相同，通过公用通讯数据链在变径主控制器的监控下实现高性能的同步工作，诸如电机温度、电源及刹车等的控制在此不做赘述。

总之，变径控制与变频技术相配合，提高了风力发电机效率和电能质量使风力发电机组在各种工况下都能获得最佳的性能，减少风力对风力发电机的冲击，成为变速恒频垂直轴风力发电机的核心技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机，其特征在于：外形同伞状，所述各桨叶围绕风轮轴均匀分布并与之倾斜，桨叶上端与风轮空心立轴铰链连接，下端与油缸铰链连接，油缸的另一端与风轮空心立轴铰链连接，桨叶在油缸的驱动下绕桨叶上端的铰链轴摆动以调节风轮的半径大小，实现风轮转速的调节。

2.根据权利要求1所述的倾斜式桨叶伞型变径调速垂直轴风力发电机，其特征在于：所述与风轮轴线倾斜的各个桨叶再将其下支点不动，上支点铰链连同桨叶一起沿所在圆周以风轮空心立轴轴心为圆心顺时针方向旋转恰当角度得到各桨叶沿顺时针方向倾斜的位置。

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