CN213540614U - 一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置。该装置包括：底座；垂直轴，所述垂直轴沿竖直方向设置于所述底座上；发电机，所述发电机包括定子和转子，所述转子旋转连接于所述垂直轴上，所述定子设于所述转子的外周，并转子可相对于所述定子转动；储能器，所述储能器连接于所述发电机，用于储存所述发电机产生的电能；叶片，所述叶片沿竖直方向围绕所述垂直轴的周向分布；变浆机构，连接于所述叶片和所述转子，所述变桨机构可改变所述叶片的桨距角；通过控制变桨机构，不同风速条件下，根据优化计算结果，以实现叶片桨距角的变化。

Description

一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置。

背景技术

风能的清洁性、可再生性及其大规模应用技术的日益成熟，使风力发电日益成为了新能源领域中除核电外，最具开发前景的清洁发电方式。

风能发电基本原理大多利用风轮在风力的作用下旋转，将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终驱动发电机将动能转化为电能。实验表明变桨垂直轴风力机具有良好的自启动性能，且发电功率均高于定桨垂直轴风力机。

风能发电分为水平轴和垂直轴两种，随着科技的发展，人们认识到水平轴带来的一些不利因素，而垂直轴风力发电机以其结构简单、受风多向、环保、易于安装和维修等优点，越来越受到人们的关注。

垂直轴风力机旋转过程中，叶片攻角随方位角不断变化，不能维持在最佳攻角处，是其风能利用率低的主要原因。通过改变桨距角以达到调节攻角的目的是改善风力机风能利用率的主要途径。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，该装置使用简单，该装置发电时，叶片可根据风速实时调整叶片桨距角，提高了发电效率。

为了达到上述目的，本实用新型的实施例提出了一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，包括：

底座；

垂直轴，所述垂直轴沿竖直方向设置于所述底座上；

发电机，所述发电机包括定子和转子，所述转子旋转连接于所述垂直轴上，所述定子设于所述转子的外周，并转子可相对于所述定子转动；

储能器，所述储能器连接于所述发电机，用于储存所述发电机产生的电能；

叶片，所述叶片沿竖直方向围绕所述垂直轴的周向分布；

变浆机构，连接于所述叶片和所述转子，所述变桨机构可改变所述叶片的桨距角；

其特征在于，所述变桨机构包括：

导向板，所述导向板固定连接于所述垂直轴的顶端，所述导向板上开设有导向槽；

第一连接杆，所述第一连接杆一端固定连接于所述转子，另一端铰接与所述叶片；

第二连接杆，所述第二连接杆一端活动连接于所述导向槽，另一端固定连接于所述叶片；

其中，所述导向槽的倾斜角为γ，所述第一连接杆的长度为b，所述第一连接杆和所述第二连接杆位于所述叶片上的连接点的距离为c，所述第二连接杆的长度为d，所述导向槽的长度为a，并且满足：

优选地，所述叶片采用对称翼垂直轴风轮叶片翼型NACA0015。

优选地，在所述λ＝2下，取所述a＝45mm。

优选地，于，所述叶片为5个，所述导向槽为5个。

优选地，所述第二连接杆上位于连接所述导向槽的一端固定连接有导向柱，所述导向柱插设连接于所述导向槽内。

优选地，还包括第三连接杆，所述第三连接杆位于所述第一连接杆的正下方，所述第三连接杆的一端固定连接于所述转子，另一端铰接与所述叶片。

其工作原理是：通过控制变桨机构中导向槽的长度，不同风速条件下，根据优化计算结果，调节第二连接杆的伸出长度，即第二连接杆连接导向槽的一端在导向槽内移动，带动第二连接杆牵引叶片摆动，以实现叶片桨距角的变化。将来流风向与尾舵指示方向平行时作为变桨策略的调节基准，尾舵可实现风力机实时对风。当风向发生变化时，尾舵也随风转动，使来流风向始终与尾舵指示方向平行，保证变桨策略始终在调节基准上进行，以适应风向的变化。

本申请研究的双曲柄变桨机构设计中，首先要满足组成双曲柄机构的基本条件：每根杆的杆长大于零而且满足杆长条件，且为便于后期控制，导向槽的倾斜角度应处于0°到25°之间。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置的结构示意图；

图2是图1中M处的局部结构示意图；

图3是可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置中变桨机构的简化示意图；

图4是可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置中叶片的结构示意图。

图中：

底座 1；

垂直轴 2；

叶片 3；

导向板 41；

导向槽 411；

第一连接杆 42；

第二连接杆 43；

导向杆 431；

转子 51；

定子 52。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本实用新型的实施例。

垂直轴风力机因其结构简单、无需对风、制造维护成本低、环境友好等优势，逐渐受到人们的欢迎。但风力机运行时叶片攻角会随方位角不断变化，不能时刻保持在最佳的攻角处，还会伴随有动态失速发生，进而干扰风力机流场，导致风力机气动性能降低。目前通过改变叶片桨距角以调节攻角的方法，是提高风力机风能利用率的有效途径之一，它以调节方式简单、高效，较低的制造安装和维护成本等优点逐步受到人们的青睐。

为了实现桨距角的实时调节，将动态失速对桨距角调节的影响，并将动态数据引入桨距角调节规律的计算。

根据拟合出的叶片桨距角局部调节规律，设计传动机构保证叶片桨距角最贴近所拟合的桨距角调节曲线，以实现风力机在不同风速下的变桨规律。为使垂直轴风力机在整周旋转过程中桨距角按类正弦规律发生周期性变化，且能满足结构紧凑、传动可靠等要求，变桨机构选用双曲柄变桨机构作为设计原型，并在此基础上作了进一步的改进。

下面参考图1、图2、图3和图4描述根据本实用新型实施例的一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置。

该可变叶片3桨距角垂直轴2风力机发电装置，包括：底座1、垂直轴2，用于能量捕获与传递的机械系统，以及用于电能产生与转换的电气系统。

其中，底座1用于支撑于底面，或支撑于试验台或试验架上，可方便实现设计的验证和仿真。

其中，机械系统包括叶片3及变桨机构，变桨机构置于垂直轴2的上端，由多个连接杆和导向板41组成的曲柄连杆机构形成。

电气系统包括发电机和储能器构成，发电机于机械系统形成发电系统，储能器转换并存储发电机产生的电能。

具体而言，垂直轴2沿竖直方向设置于底座1上，该垂直轴2形成风力机发电装置的主轴，沿垂直轴2周向布设多个接收风能的叶片3，叶片3将接收的风能经机械系统传输到发电机。

其中，发电机包括定子52和转子51，转子51旋转连接于垂直轴2上，定子52设有转子51的外周，转子51可相对于定子52转动，定子52和转子51内设有发电线圈，从而叶片3连接于转子51上，当叶片3接收风能旋转，将旋转力传输至转子51，带动转子51相对于定子52转动，从而实现电能的产生。

为实现对发电机产生电能的转换和存储，发电机连接于储能器，储能器用于转换并储存发电机产生的电能，储能器为本领域技术人员根据需要进行设计及选型，本实用新型不予限制。

该垂直轴2风力机发电装置的叶片3沿竖直方向围绕垂直轴2的周向分布，该结构相对于水平轴风力发电装置具有结构简单、受风多向、环保、易于安装和维修等优点。

具体而言，上述叶片3将接收的风能经机械系统传输到发电机中，具体为，叶片3通过变桨机构连接于发电机的转子51，变桨结构可改变叶片3的桨距角并传递叶片3 接收的风能至转子51。

具体地，变桨机构包括导向板41，连接转子51和叶片3的第一连接杆42和第二连接杆43，其中，导向板41固定连接于垂直轴2的顶端，该导向板41可为板状的圆形，导向板41上开设有多个导向槽411，导向槽411的形状为跑道形，该导向槽411的尺寸限定出叶片3桨距角的变化幅度。

上述导向板41、第一连接杆42、第二连接杆43和叶片3构成双曲柄连杆机构，它们之间的连接关系为：第一连接杆42一端固定连接于转子51，另一端铰接于叶片3，使得叶片3可相对第一连接杆42转动，具体地，第一连接杆42一端通过多个螺钉固定连接于转子51外表面，另一端通过球铰连接于叶片3；第二连接杆43一端活动连接于导向槽411，另一端固定连接于叶片3，使得，第二连接杆43的一端在导向槽411内移动时，带动叶片3相对于第一连接杆42的连接处转动，设计时，第一连接杆42与第二连接杆43上连接叶片3的位置具有一定的距离。

其中，所述导向槽411的倾斜角为γ，所述第一连接杆42的长度为b，所述第一连接杆42和所述第二连接杆43位于所述叶片3上的连接点的距离为c，所述第二连接杆43的长度为d，所述导向槽411的长度为a，并且满足：

本申请研究的双曲柄变桨机构设计中，首先要满足组成双曲柄机构的基本条件：每根杆的杆长大于零而且满足杆长条件，且为便于后期控制，导向槽411的倾斜角度应处于0°到25°之间。

垂直轴2风力机的双曲柄变桨机构工作原理如图3示。其中，杆OA是双曲柄变桨机构的导向槽411，在风向风速不变时杆OA一直保持如图3所示的位置，且长度不变；杆 OC作为连接叶片3的第一连接杆42，运转过程中始终保持不变；BC是叶片3弦长，是第一连额吉杆和第二连接杆43位于叶片3上连接点的距离，作为两曲柄之间的连杆；杆AB是第二连接杆43，它是实现叶片3桨距角变化的杆，在风力机做整周旋转时杆AB 通过A、B两点的转动副带动叶片3BC绕C点旋转，从而实现叶片3桨距角的变化。

其工作原理是：电动推杆伸出长度相当于图3的杆OA，即变桨机构中导向槽411的长度，不同风速条件下，根据优化计算结果，调节第二连接杆43的伸出长度，带动第二连接杆43牵引叶片3摆动，以实现叶片3桨距角的变化。将来流风向与尾舵指示方向平行时作为变桨策略的调节基准，尾舵可实现风力机实时对风。当风向发生变化时，尾舵也随风转动，使来流风向始终与尾舵指示方向平行，保证变桨策略始终在调节基准上进行，以适应风向的变化。

本申请针对上述设计的双曲柄变桨机构进行了理论设计。对于该垂直轴2风力机，连杆机构用于控制叶片3的角度，不传递动力，故为简化计算，机构压力角和传动角可暂时不加考虑，仅考虑连杆的角度变化与所设计的桨距角调节方案的一致性，将机构旋转一周过程中，实际桨距角与理想桨距角的平方差作为目标函数，以该目标函数最小为优化目标建立数学模型，并根据图3中的几何关系推导出实际桨距角的变化规律。

表1各参数最优解

由表1可知，其中β为桨距角，在叶尖速比变化时，推杆AB的长度d和角度β变化不大，故在叶尖速比变化时实际工作中仅调整机架OA长度a，同时为了变桨机构加工方便，a均取整数，在λ＝2下，取a＝45mm。上述最优解可指导曲柄连杆机构的具体参数设计。

其中，所述叶片3采用对称翼垂直风轮叶片3翼型NACA0015，为使风力机受力效果更好，具体是采用的是1kW H型对称翼垂直轴2风轮叶片3翼型采用对称翼型 NACA0015。

为了对本申请设计的可变叶片3桨距角垂直轴2风力发电装置进行试验验证，采用λ＝2下，取所述a＝45mm，得到桨距角为β＝0.15，并制作了相应的试验模型。

具体地，本试验模型中叶片3为5个，导向槽411为5个。

具体优化改进时，为了是第二连接杆43位于导向槽411的一端方便调节，在第二连接杆43位于导向槽411的一端固定连接有导向柱431，导向柱431插设连接于导向槽 411内。

为了使叶片3的固定及风能传输稳定可靠，还包括第三连接杆，第三连接杆位于第一连接杆42的正下方，第三连接杆的一端固定连接于转子51，另一端铰接与叶片3。

该局部变桨的垂直轴2风力机，采用双曲柄变桨机构实现对叶片3桨距角的实时调节，进一步提升了垂直轴2风力机的风能利用率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，包括：

底座；

垂直轴，所述垂直轴沿竖直方向设置于所述底座上；

发电机，所述发电机包括定子和转子，所述转子旋转连接于所述垂直轴上，所述定子设于所述转子的外周，并转子可相对于所述定子转动；

储能器，所述储能器连接于所述发电机，用于储存所述发电机产生的电能；

叶片，所述叶片沿竖直方向围绕所述垂直轴的周向分布；

变桨机构，连接于所述叶片和所述转子，所述变桨机构可改变所述叶片的桨距角；

所述变桨机构包括：

导向板，所述导向板固定连接于所述垂直轴的顶端，所述导向板上开设有导向槽；

第一连接杆，所述第一连接杆一端固定连接于所述转子，另一端铰接于所述叶片；

第二连接杆，所述第二连接杆一端活动连接于所述导向槽，另一端固定连接于所述叶片；

其中，所述导向槽的倾斜角为γ，所述第一连接杆的长度为b，所述第一连接杆和所述第二连接杆位于所述叶片上的连接点的距离为c，所述第二连接杆的长度为d，所述导向槽的长度为a，并且满足：

2.根据权利要求1所述的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，

所述叶片采用对称翼垂直轴风轮叶片翼型NACA0015。

3.根据权利要求1所述的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，

在所述γ＝2下，取所述a＝45mm。

4.根据权利要求1所述的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，所述叶片为5个，所述导向槽为5个。

5.根据权利要求1所述的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，所述第二连接杆上位于连接所述导向槽的一端固定连接有导向柱，所述导向柱插设连接于所述导向槽内。

6.根据权利要求1所述的可变叶片桨距角垂直轴风力机发电装置，其特征在于，还包括第三连接杆，所述第三连接杆位于所述第一连接杆的正下方，所述第三连接杆的一端固定连接于所述转子，另一端铰接于所述叶片。

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