CN213392491U - 一种半遮挡式垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电技术领域，保护一种半遮挡式垂直轴风力发电机，包括主轴、风轮、发电装置、控制器和蓄电池；所述风轮包括套设于所述主轴上的旋转轴和固定在所述旋转轴上的多片风叶，沿所述风叶外侧的周向方向在一定角度范围内安装有挡风罩，所述挡风罩上连接有与所述主轴方向垂直的迎风尾舵，且所述迎风尾舵在风力作用下带动所述挡风罩转动并始终朝向背风侧；所述发电装置中设置有与所述风叶同步转动的磁钢组件和设置在所述磁钢组件内的线圈，所述线圈产生的交流电通过所述控制器转换为直流电后输送到所述蓄电池中储存。通过挡风罩遮挡风机的阻力面，减少了风机运行时风叶的阻力，间接增加了风机的做功动力，从而提高风机的发电功率。

Description

一种半遮挡式垂直轴风力发电机

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及一种半遮挡式垂直轴风力发电机。

背景技术

随着科学技术的发展进步，发电类型日趋多样化，而不再局限于传统的火力发电和水力发电。太阳能和风能作为取之不尽、清洁无污染的可再生能源，有着巨大的发展潜力，充分开发利用太阳能和风能对于保护环境以及节能减排具有重要意义。因此，太阳能发电技术以及风力发电技术已逐渐被人们认识和开发利用。

目前，风力发电机的风机运行时，风机叶片的阻力一般较大，且风机叶片的阻力随风速增大而增大，从而导致风机的发电功率低。因此，如何减小风叶的运行阻力，提高发电效率是本领域的技术人员急需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了减小风叶的运行阻力，提高发电效率，提供了一种半遮挡式垂直轴风力发电机。

为了实现上述目的，本实用新型提供的风力发电机包括主轴、风轮、发电装置、控制器和蓄电池；

所述风轮包括套设于所述主轴上的旋转轴和固定在所述旋转轴上的多片风叶，沿所述风叶外侧的周向方向在一定角度范围内安装有挡风罩，所述挡风罩上连接有与所述主轴方向垂直的迎风尾舵，且所述迎风尾舵在风力作用下带动所述挡风罩转动并始终朝向背风侧；

所述发电装置通过所述控制器与所述蓄电池连接，所述发电装置中设置有与所述风叶同步转动的磁钢组件和设置在所述磁钢组件内的线圈，所述线圈产生的交流电通过所述控制器转换为直流电后输送到所述蓄电池中储存。

优选地，沿所述风叶外侧的周向方向在90°～180°范围内安装有所述挡风罩4。

优选地，所述挡风罩的顶部和底部分别延伸至所述风叶的上方和下方，并与主轴可转动连接。

优选地，所述迎风尾舵包括与所述挡风罩连接的尾杆和通过一侧边固定在所述尾杆端部的迎风板，所述迎风板的两侧面为迎风面。

优选地，所述风轮的顶部、所述迎风板的迎风面和所述挡风罩的外侧面中的至少一处设置有柔性光伏板，其中，所述柔性光伏板中包含有多个单晶硅发电模块。

优选地，所述发电装置的风力发电单元为三相交流盘式磁悬浮发电机，所述控制器为风光互补控制器。

优选地，所述发电装置包括基座法兰、安装在所述基座法兰的中部并围成有一容置腔的下壳体和上盖板；

所述容置腔内固定安装有线圈，所述上盖板的内表面与所述下壳体的内表面上分别相对设置有极性相同的第一磁钢和第二磁钢，所述线圈设置在所述第一磁钢与所述第二磁钢之间；

所述上盖板的外表面安装有加强板，所述上盖板和所述加强板通过第一轴承与所述基座法兰可转动连接，所述下壳体通过第二轴承与所述基座法兰可转动连接。

优选地，所述加强板的上方设置有上盖组件，所述上盖组件包括同轴安装于所述加强板的上表面的法兰筒体和固定在所述法兰筒体顶部的连接法兰，其中，所述法兰筒体沿其轴向方向设置有维修窗口；

所述连接法兰与所述加强板之间安装有刷架板，所述刷架板的上端固定在所述连接法兰的下表面，所述刷架板的下端固定在所述加强板的上表面，所述刷架板的上端和下端分别通过销钉与所述维修窗口的侧壁固定连接。

所述刷架板上沿竖直方向固定安装有若干个碳刷，所述基座法兰的顶部设置有与所述若干个碳刷一一对应的滑环，每个所述柔性光伏板的正、负极连接线分别与所述碳刷对应连接，所述碳刷在所述旋转轴的带动下围绕所述滑环运转，以将所述柔性光伏板产生的电能经所述碳刷导出到所述滑环，且所述滑环与所述控制器电性连接。

优选地，所述风轮的顶部还安装有配重件，所述配重件与所述迎风尾舵处于同一水平线上。

优选地，所述主轴的顶端安装有风速传感器，用于测量风速；

当无风或风速小于切入风速时，所述风叶静止或空转，风力发电机只通过柔性光伏板进行光伏发电，风力发电的输出功率为零；

当风速在切入风速与额定风速之间时，风力发电机切入风力发电工作状态，通过对所述风叶进行变速控制来追踪风力发电机的最佳功率曲线，使风力发电机以最大风力发电功率工作；

当风速大于额定风速但不大于切出风速时，通过对所述风叶的转速进行控制使风力发电机以额定风力发电功率工作；

当风速大于切出风速时，强制风叶停转，风力发电的输出功率为零。

在上述技术方案提供的风力发电机中，沿风叶外侧的周向方向在一定角度范围内安装有挡风罩，在风力作用下，连接在所述挡风罩上的迎风尾舵可带动所述挡风罩转动，并始终将所述挡风罩的位置调整到朝向背风侧，本实用新型中通过挡风罩遮挡风机的阻力面，减少了风机运行时风叶的阻力，使得受风面直接做功发电，间接增加了风机的做功动力，从而提高风机的发电功率。

附图说明

图1是风力发电机的主视图；

图2是风力发电机的俯视图；

图3是风力发电机中的发电装置的结构示意图。

附图标记说明

主轴1；旋转轴2；风叶3；挡风罩4；尾杆5；迎风板6；柔性光伏板7；基座法兰8；下壳体9；上盖板10；线圈11；第一磁钢12；第二磁钢13；加强板14；第一轴承15；第二轴承16；法兰筒体17；连接法兰18；维修窗口19；刷架板20；碳刷21；滑环22；配重件23；销钉24；轴通孔25；法兰穿线孔26；排水孔27。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

为提高现有的风力发电机的发电效率，本实用新型提供了一种半遮挡式垂直轴风力发电机，如图1和图2所示，所述风力发电机包括主轴1、风轮、发电装置、控制器和蓄电池。其中，所述风轮包括套设于所述主轴1上的旋转轴2和固定在所述旋转轴2上的多片风叶3，沿所述风叶3外侧的周向方向在一定角度范围内安装有所述挡风罩4，所述挡风罩4上连接有与所述主轴1方向垂直的迎风尾舵，且所述迎风尾舵在风力作用下带动所述挡风罩4转动并始终朝向背风侧。由于主轴1固定不动，旋转轴2套设于所述主轴1上，在一定强度的风力作用下，风叶3带动旋转轴2环绕主轴1作周向运动。

所述发电装置通过所述控制器与所述蓄电池连接，所述发电装置中设置有与所述风叶3同步转动的磁钢组件和设置在所述磁钢组件内的线圈11，所述线圈11产生的交流电通过所述控制器转换为直流电后输送到所述蓄电池中储存。

根据本实用新型方案，沿风叶3外侧的周向方向在一定角度范围内安装有挡风罩4，在风力作用下，连接在所述挡风罩4上的迎风尾舵可带动所述挡风罩4转动，并始终将所述挡风罩4的位置调整到朝向背风侧，本实用新型中通过挡风罩4遮挡风机的阻力面，减少了风机运行时风叶3的阻力，使得受风面直接做功发电，间接增加了风机的做功动力，从而提高风机的发电功率。

风叶3可根据地区的环境特殊性来选用适合的材料，在优选的情况下，风叶3采用铝合金材料制作而成，在减轻自重的同时，还可以保证风机的整体抗风强度。在本实用新型中，沿所述风叶3外侧的周向方向在90°～180°范围内安装有所述挡风罩4，所述挡风罩4的顶部和底部分别延伸至所述风叶3的上方和下方，并与主轴1可转动连接。作为一个优选的实施方式，沿风叶3外侧的周向方向在100°范围内安装有挡风罩4，当然，挡风罩4的角度范围并不做唯一限定。

在本实用新型中，迎风尾舵包括与所述挡风罩4连接的尾杆5和通过一侧边固定在所述尾杆5端部的迎风板6，所述迎风板6的两侧面为迎风面。所述尾杆5垂直于所述主轴1的延伸方向，所述迎风板6的迎风面形状不作具体限制，可以为包括三角形、四边形、五边形在内的任意一种。

根据本实用新型一个优选的实施方式，所述风轮的顶部、所述迎风板6的迎风面和所述挡风罩4的外侧面中的至少一处设置有柔性光伏板7，其中，所述柔性光伏板7中包含有多个单晶硅发电模块。所述柔性光伏板7质软、可弯折，灵活性好，其形状随安装面的形状可变，由多个单晶硅发电模块组成的柔性光伏板7用于将太阳能转换为电能，实现光伏发电。

根据本实用新型一个优选的实施方式，所述发电装置的风力发电单元为三相交流盘式磁悬浮发电机，所述控制器为风光互补控制器。

具体地，如图3所示，所述发电装置包括基座法兰8、安装在所述基座法兰8的中部并围成有一容置腔的下壳体9和上盖板10。所述基座法兰8的顶部突出于所述下壳体9和上盖板10围成的容置腔。

所述容置腔内固定安装有线圈11，所述上盖板10的内表面与所述下壳体9的内表面上分别相对设置有极性相同的第一磁钢12和第二磁钢13，所述线圈11设置在所述第一磁钢12与所述第二磁钢13之间。所述上盖板10的外表面设置有加强板14，所述上盖板10和所述加强板14通过第一轴承15与所述基座法兰8可转动连接，所述下壳体9通过第二轴承16与所述基座法兰8可转动连接。

其中，发电装置的风力发电单元是以第一磁钢12和第二磁钢13为永磁转子，线圈11为定子的磁悬浮发电机，通过在单相线圈11两端分别安装同性磁铁因同性相斥形成磁悬浮，旋转轴2带动第一磁钢12和第二磁钢13运动在闭合回路中形成交流电流时能有效降低阻转矩，线圈11还连接有风电导出线。

进一步地，所述加强板14的上方设置有上盖组件，所述上盖组件包括同轴安装于所述加强板14的上表面的法兰筒体17和固定在所述法兰筒体17顶部的连接法兰18，其中，所述法兰筒体17沿其轴向方向设置有维修窗口19，所述主轴1与所述连接法兰18固定连接。所述连接法兰18与所述加强板14之间安装有刷架板20，所述刷架板20的上端固定在所述连接法兰18的下表面，所述刷架板20的下端固定在所述加强板14的上表面，所述刷架板20的上端和下端分别通过销钉24与所述维修窗口19的侧壁固定连接。

所述刷架板20上沿竖直方向固定安装有若干个碳刷21，所述基座法兰8的顶部设置有与所述若干个碳刷21一一对应的滑环22，每个所述柔性光伏板7的正、负极连接线分别与所述碳刷21对应连接，所述碳刷21在所述旋转轴2的带动下围绕所述滑环22运转，以将所述柔性光伏板7产生的电能经所述碳刷21导出到所述滑环22，且所述滑环22与所述控制器电性连接。具体地，碳刷21与滑环22在位置和数量上均对应，两两一组的碳刷21分别与每片柔性光伏板7的正极连接线和负极连接线连接，避免风力发电机在运行过程中所述柔性光伏板7因光照不均而发生短路。滑环22通过光电导出线与控制器连接。

具体地，主轴1的底端固定在所述基座法兰8上，旋转轴2的底端固定在加强板14上。由所述下壳体9和上盖板10形成的容置腔、设置于该容置腔内的磁悬浮部件以及该容置腔上方的上盖组件均为发电装置的旋转组件，所述第一轴承15和第二轴承16实现了基座法兰8对发电装置的旋转组件的支撑作用，同时保证发电装置的旋转组件随旋转轴2和风叶3同步转动，且匹配性好。

进一步地，所述主轴1设有主轴穿线孔，所述基座法兰8内设置有轴通孔25，所述基座法兰8上开设有与容置腔连通的法兰穿线孔26。柔性光伏板7的正极连接线和负极连接线从主轴穿线孔穿出后与碳刷21固定连接，与滑环22连接的光电导出线从所述轴通孔25中穿出后连接到控制器，从而将所述柔性光伏板7产生的电能传输到控制器中。与线圈11连接的风电导出线依次经过所述法兰穿线孔26、所述轴通孔25后与控制器连接，线圈11产生的交流电通过所述控制器转换成直流电后对所述蓄电池组进行充电。

由于所述碳刷21是与所述风叶3同步运行的固碳刷，在不断地旋转过程中与所述滑环22发生不同程度的磨损，属于易耗品，故采用加长所述碳刷21的长度的方式对所述碳刷21进行加强，延长所述碳刷21的使用寿命，但为确保发电的稳定性，需每年更换一次所述碳刷21。

同时，法兰筒体17在靠近加强板14的一端对称设有排水孔27，可防止风机长时间使用法兰筒体17内积水，影响发电装置的安全性。

本实用新型中采用的风光互补控制器，具有以下优点：采用防水防尘设计，可避免在野外使用时的损坏问题，同时具有出色的耐高低温和耐候性，在恶劣环境下仍能正常工作；具有限压、限流充电的功能，使得所述蓄电池组始终处于最佳充电状态。

根据本实用新型一个优选的实施方式，所述风轮的顶部还安装有配重件23，所述配重件23与所述迎风尾舵处于同一水平线上。

进一步地，主轴1的顶端安装有风速传感器，用于测量风速。

风力发电机在运行过程中，其发电功率与风速有关，共有以下几种情况：

1、当无风或风速小于切入风速时，所述风叶3静止或空转，风力发电机只通过柔性光伏板7进行光伏发电，风力发电的输出功率为零。优选地，风力发电机的切入风速为1.2～1.5m/s，柔性光伏板7的发电功率为55W。

2、当风速在切入风速与额定风速之间时，风力发电机切入风力发电工作状态，且风力发电的输出功率与实际风速有关，通过对所述风叶3进行变速控制来追踪风力发电机的最佳功率曲线，使风力发电机以最大风力发电功率工作。优选地，风力发电机的额定风速为10～11m/s。

3、当风速大于额定风速但不大于切出风速时，通过对所述风叶3的转速进行控制使风力发电机以额定风力发电功率工作。优选地，风力发电机的切出风速为～15m/s，额定风力发电功率为50W。

4、当风速大于切出风速时，强制风叶3停转以防止损坏风叶3，风力发电的输出功率为零。

在上述四种情况中，情况1和4中的风力发电机只进行光伏发电，2和3可同时进行风力发电和光伏发电。

本实用新型所述的风力发电机具有启动风速低、安全性高、发电效率高、噪音低、运行平稳、使用范围、占地面积小等优点，特别适用于微风地区。当风速达到切入风速时风叶3有效转动，且连接在所述挡风罩4上的迎风尾舵带动所述挡风罩4转动，并始终将所述挡风罩4的位置调整到朝向背风侧，通过挡风罩4遮挡风机的阻力面，减少了风机运行时风叶3的阻力，使得受风面直接做功发电，间接增加了风机的做功动力，从而提高风机的发电功率。在风力作用下，风叶3带动旋转轴2转动，由于旋转轴2与发电装置的旋转组件连接，使得第一磁钢12和第二磁钢13随风叶3同步转动，线圈11产生的交流电在所述控制器中转换成直流电后对所述蓄电池组进行充电；同时，设置在风轮的顶部、迎风板6的迎风面和挡风罩4的外侧面中的至少一处的柔性光伏板7将太阳能转换为电能，两两一组的碳刷21分别与每片柔性光伏板7的正极连接线和负极连接线连接，所述碳刷21在所述旋转轴2的带动下围绕所述滑环22运转，以将所述柔性光伏板7产生的电能经所述碳刷21导出到所述滑环22，与所述滑环22连接的光电导出线与所述控制器连接，因此风机运行过程中风叶3的旋转不影响柔性光伏板7与控制器之间的导电性能。在气候条件适宜的情况下，本实用新型提供的风力发电机可同时进行风力发电和光伏发电，大大提高发电效率和供电稳定性。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种半遮挡式垂直轴风力发电机，其特征在于，所述风力发电机包括主轴(1)、风轮、发电装置、控制器和蓄电池；

所述风轮包括套设于所述主轴(1)上的旋转轴(2)和固定在所述旋转轴(2)上的多片风叶(3)，沿所述风叶(3)外侧的周向方向在一定角度范围内安装有挡风罩(4)，所述挡风罩(4)上连接有与所述主轴(1)方向垂直的迎风尾舵，且所述迎风尾舵在风力作用下带动所述挡风罩(4)转动并始终朝向背风侧；

所述发电装置通过所述控制器与所述蓄电池连接，所述发电装置中设置有与所述风叶(3)同步转动的磁钢组件和设置在所述磁钢组件内的线圈(11)，所述线圈产生的交流电通过所述控制器转换为直流电后输送到所述蓄电池中储存。

2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，沿所述风叶(3)外侧的周向方向在90°～180°范围内安装有所述挡风罩(4)。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电机，其特征在于，所述挡风罩(4)的顶部和底部分别延伸至所述风叶(3)的上方和下方，并与主轴(1)可转动连接。

4.根据权利要求3所述的风力发电机，其特征在于，所述迎风尾舵包括与所述挡风罩(4)连接的尾杆(5)和通过一侧边固定在所述尾杆(5)端部的迎风板(6)，所述迎风板(6)的两侧面为迎风面。

5.根据权利要求4所述的风力发电机，其特征在于，所述风轮的顶部、所述迎风板(6)的迎风面和所述挡风罩(4)的外侧面中的至少一处设置有柔性光伏板(7)，其中，所述柔性光伏板(7)中包含有多个单晶硅发电模块。

6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述发电装置的风力发电单元为三相交流盘式磁悬浮发电机，所述控制器为风光互补控制器。

7.根据权利要求5所述的风力发电机，其特征在于，所述发电装置包括基座法兰(8)、安装在所述基座法兰(8)的中部并围成有一容置腔的下壳体(9)和上盖板(10)；

所述容置腔内固定安装有线圈(11)，所述上盖板(10)的内表面与所述下壳体(9)的内表面上分别相对设置有极性相同的第一磁钢(12)和第二磁钢(13)，所述线圈（11）设置在所述第一磁钢(12)与所述第二磁钢(13)之间；

所述上盖板(10)的外表面安装有加强板(14)，所述上盖板(10)和所述加强板(14)通过第一轴承(15)与所述基座法兰(8)可转动连接，所述下壳体(9)通过第二轴承(16)与所述基座法兰(8)可转动连接。

8.根据权利要求7所述的风力发电机，其特征在于，所述加强板(14)的上方设置有上盖组件，所述上盖组件包括同轴安装于所述加强板(14)的上表面的法兰筒体(17)和固定在所述法兰筒体(17)顶部的连接法兰(18)，其中，所述法兰筒体(17)沿其轴向方向设置有维修窗口(19)；

所述连接法兰(18)与所述加强板(14)之间安装有刷架板(20)，所述刷架板(20)的上端固定在所述连接法兰(18)的下表面，所述刷架板(20)的下端固定在所述加强板(14)的上表面，所述刷架板(20)的上端和下端分别通过销钉(24)与所述维修窗口(19)的侧壁固定连接；

所述刷架板(20)上沿竖直方向固定安装有若干个碳刷(21)，所述基座法兰(8)的顶部设置有与所述若干个碳刷(21)一一对应的滑环(22)，每个所述柔性光伏板(7)的正、负极连接线分别与所述碳刷(21)对应连接，所述碳刷(21)在所述旋转轴(2)的带动下围绕所述滑环(22)运转，以将所述柔性光伏板(7)产生的电能经所述碳刷(21)导出到所述滑环(22)，且所述滑环(22)与所述控制器电性连接。

9.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述风轮的顶部还安装有配重件(23)，所述配重件(23)与所述迎风尾舵处于同一水平线上。

10.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述主轴(1)的顶端安装有风速传感器，用于测量风速；

当无风或风速小于切入风速时，所述风叶(3)静止或空转，风力发电机只通过柔性光伏板(7)进行光伏发电，风力发电的输出功率为零；

当风速在切入风速与额定风速之间时，风力发电机切入风力发电工作状态，通过对所述风叶(3)进行变速控制来追踪风力发电机的最佳功率曲线，使风力发电机以最大风力发电功率工作；

当风速大于额定风速但不大于切出风速时，通过对所述风叶(3)的转速进行控制使风力发电机以额定风力发电功率工作；

当风速大于切出风速时，强制风叶(3)停转，风力发电的输出功率为零。

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