CN218235343U - 一种串联式多叶轮风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联式多叶轮风力发电机组。其至少包括：叶轮、轴承、支架和发电机。叶轮至少由叶片和转轴组成，叶片与转轴连接，转轴的两端分别设置轴承和支架，转轴能够相对支架转动。叶轮之间通过转轴的端部连接，转轴端部连接位置的两个支架连接为一体，发电机的转子与转轴的端部连接。通过将多个结构相同的叶轮串联，增加了叶片长度以及机组的捕风能力。每个叶轮都采用简支支撑，并且支撑系统采用了串联的结构，支撑能力得到了保证。

Description

一种串联式多叶轮风力发电机组

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，具体涉及一种串联式多叶轮风力发电机组。

背景技术

风电是可再生能源领域中最具大规模开发价值和商业化发展前景的发电方式，可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。

风力发电机组利用叶片驱动叶轮转动，最终通过发电机将机械能转化为电能。垂直轴风电机组历史悠久，但并没有成为商业化开发中的主流机组形式。主要的原因是相比水平轴机组这种主流机型，垂直轴风电机组的叶轮捕风效率具有明显的差距，前者的叶轮部份效率普遍可达47%以上，而后者只有30%左右。

垂直轴风电机组的优势在于不受风向变化的影响，因此，在小型风电机组领域，垂直轴技术一直占有一席之地。常规的垂直轴机组采用经典的悬臂支撑结构，叶片固定在支架上，支架相对固定轴转动，固定轴的一端与发电机连接。这种技术方案的缺点有两个：1）固定轴与发电机连接一端由于是悬臂的根部，需要的结构强度较高，材料使用量多；2）支架需要相对固定轴转动，支架必须将固定轴包裹在内部，从顶端到固定轴与发电机连接的部位之间，支架和固定轴同时布置了材料，造成了成本增加。

垂直轴风电机组由于自身的构造特点导致叶轮的扫风面积与叶片的长度和叶轮的直径的乘积相关。当需要提升叶轮的扫风面积进而提高叶轮捕风能力时，一方面增加叶轮的直径，导致叶轮在水平方向的占地面积增加；另一方面，增加叶片的长度，导致支撑系统悬臂长度增加，结构强度需求提高，支撑系统成本增加。这两方面因素是常规垂直轴技术方案不宜应用在大容量风电机组上的原因之一。如果采用垂直轴技术方案应用在分布式小型风电机组，同样也受到场地或土地占用的限制。在有限的安装空间里，如何提升小型风电机组的捕风能力，同时有效控制支撑系统成本是现在需要解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种串联式多叶轮风力发电机组。通过将结构完全相同的多个叶轮的动力输出和支撑系统串联，增大整个风力发电机组的捕风能力。同时，每个叶轮都采用了简支结构为叶轮提供支撑，避免了常规的悬臂结构在多个叶轮串联后带来的支撑问题。

一种串联式多叶轮风力发电机组，其至少包括：叶轮、轴承、支架和发电机；

所述叶轮至少由叶片和转轴组成，所述叶片与所述转轴连接，所述转轴的两端分别设置所述轴承和所述支架，所述转轴能够相对所述支架转动；

所述叶轮至少有两个,所述叶轮之间通过所述转轴的端部连接；

所述转轴端部连接位置的两个所述支架连接为一体，或者所述转轴端部连接位置使用一个所述支架；

所述发电机的转子与所述转轴的端部连接。

在进一步技术方案中，所述叶轮至少包含两个所述叶片，所述转轴直接或通过叶片连杆与所述叶片连接。

所述转轴的两端分别设置有一个轴承，或者两个所述转轴连接的端部共用一个轴承。

所述转轴的至少一个端部设置有连接件，相邻的所述转轴通过连接件传递动力。

所述发电机设置在多个所述叶轮之间，或者设置在多个所述叶轮的末端。

在进一步技术方案中，所述发电机设置在多个所述叶轮之间，所述发电机两端的叶轮个数之差小于或等于1。

所述支架以及所述发电机的定子外壳与所述串联式多叶轮风力发电机组的安装面连接。

所述发电机定子绕组与负载或电网之间设置有隔离开关。

每个所述叶轮还包括一个风速调节装置，所述风速调节装置与所述转轴两端的所述支架连接。

在进一步技术方案中，所述风速调节装置能够沿所述转轴相对所述支架转动，并且所述风速调节装置或所述支架上设置有至少两个锁定销孔。

本实用新型的有益效果是：在有限的安装空间内,通过将多个结构相同的叶轮串联，等效的增加了叶片的长度，达到限制叶轮直径，同时增大风力发电机组的捕风能力的效果。并且，每个叶轮都采用了简支结构支撑，叶轮的动力输出和支撑系统全部采用了串联结构，使得支撑能力既得到保证，支撑系统的成本也得到了很好的控制。这种串联式风力发电机组不但可以垂直于地面设置，同时也可以水平放置，可以应用在交通工具（如，高速行驶的汽车和列车的顶部）以及楼宇的顶部或侧面等风速较大的区域，具备很好的市场前景。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组的单个叶轮示意图；

图2为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组的单个叶轮正视图；

图3为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组的多个叶轮串联示意图；

图4为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组转轴连接示意图；

图5为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组隔离开关设置示意图；

图6为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组风速调节装置结构示意图；

图7为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组风运行时风速调节装置姿态示意图；

图8为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组风停机时风速调节装置姿态示意图；

图9为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组楼宇顶部安装示意图；

图10为本实用新型实施例的一种串联式多叶轮风力发电机组楼宇侧面安装示意图。

附图标号说明：

100、叶轮，101、叶片，102、转轴，103、转轴端部凹槽，104、转轴连接销轴，200、轴承，300、支架，400、发电机，401、发电机支座，402、发电机定子输出端，500、隔离开关，600、风速调节装置，601、导流板，602、支腿，603、锁定销孔，700、楼宇外墙，701、楼宇顶部。

值得注意的是上述附图是用于说明本实用新型的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本实用新型的原理，并且为了避免不必要的细节使本实用新型的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本实用新型时不会带来不便，而实际的实施例可以包括更多的模块或部件。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本实用新型实施例的相关附图，对本实用新型实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一、常规小型风力发电机组

常规小型风力发电机组并不存在类似大型机组的明显的主流技术路线方面，水平轴与垂直轴技术都得到了广泛的引用。但无论是哪一种技术路线，都需要合适的应用场景。小型风力发电机组匹配分散式，功率需求小以及占地空间有限等要求。同时，在上述多种限制条件下，也要尽可能多的提升风力发电机组的扫风面积，进而增加捕风能力。否则，小型风力发电机组就会变成“无关痛痒”的能源供给装置，甚至是沦为“装饰”。

常规的小型风力发电机组都采取悬臂结构作为支撑形式，避免叶片与安装平面发生干涉或者是造成人员受伤，高速旋转的叶轮会被单管型的塔架支撑到一定高度。进一步的，水平轴风力发电机组必须增加叶片的长度来提升扫风面积与捕风能力，这就造成了：1）叶轮旋转占用的空间大；2）悬臂支撑的塔架高度需要增加。显然水平轴风力发电机组只适用于安装位置周围较空旷的场景，比如，人员较少的空地或者是楼宇的顶层。并且悬臂支撑与安装平面连接的位置载荷较大，需要提高塔架的支撑能力（通常会采用增加单管直径的方式）。另一方面，垂直轴风力发电机组可以选择增加叶片的长度或增加叶轮的直径，或者同时增加两项参数来提升扫风面积与捕风能力，类似的，也会引起上述水平轴机组带来的两类消极的影响。垂直轴机组相比水平轴机组的一个优势是，可以仅在一个维度上增加空间的占用：比如仅增加叶片的长度，由于叶轮旋转的方式垂直轴机组可以安装在比较狭长的空间中而不会发生干涉。但仍然需要解决叶轮的支撑问题，而常规的悬臂结构肯定不是最优方案。

二、实用新型构思

小型风力发电机组设计的核心问题是：1）如何在有限的空间占用条件下增加叶轮的扫风面积进而提升机组的捕风能力；2）如何使用合理的支撑方式解决叶轮的扫风面积增大带来的承载需求增加问题。

为了解决上述问题，本实用新型提出的串联式多叶轮风电机组核心技术特征可以总结为以下几点：1）；通过将多个结构相同的叶轮串联，等效的增加了叶片的长度，提升了叶轮的扫风面积，同时结构相同的叶轮适合规模化批量生产加工，提高经济性； 2）；每个叶轮都采用了简支结构支撑叶轮，支撑系统也采用了串联的方式，用更合理和经济的支撑方式为叶轮提供了支撑；3）采用结构简单的风速调节装置，既能在正常发电时获得引流增加风速的效果，也可以在风速过大时，起到挡风保护风电机组的作用，避免了额外的刹车装置。

三、一种串联式多叶轮风力发电机组的实施例

如图1-3所示，串联式多叶轮风力发电机组至少包括四类部件：叶轮100、轴承200、支架300和发电机400。其中叶轮100至少有两个，轴承200至少有三个，支架300至少有三个，发电机400至少有一个。在如图3所示的实施例中，叶轮100有四个，轴承00有八个，支架300有八个，发电机400有一个。

所有叶轮都采用同样的结构形式，易于批量生产：，如图1和图2所示，叶轮100由叶片101和转轴102组成，叶片101固定在转轴102上，转轴102的两端分别设置轴承200和支架300，转轴102相对支架300转动，支架300对叶轮100形成简支支撑。

如图3所示，串联式多叶轮风力发电机组中，第一个采用串联式结构的是叶轮100,相邻的叶轮100之间通过转轴102的端部连接，即所有的转轴102转速相同，形成动力的汇集。第二个采用串联式结构的是支架300，相邻两个叶轮100的转轴102端部都设置有支架300，这两个支架300连接为一体。叶轮100的转轴102的端部与发电机400的转子连接，完成叶轮100动力到发电机400转子的传递。

上述技术方案的特点和新颖之处是：1）通过将多个结构相同的叶轮串联，等效的增加了叶片的长度，实现了转速的统一与动力的汇集；2）每个叶轮都采用简支结构实现对叶轮的支撑，相邻的支架同样也采用了串联的方式，提高了支撑能力。

这种方案带来的益处是：1）放弃了采用完整较长叶片的方案，使用较小叶片分别支撑的方式，等效的增加了叶片的刚度；2）使用简支支撑的方式支撑每一个叶轮，并且将支架串联，使得串联式多叶轮风力发电机组的叶轮占用空间可以变得狭长，而不必担心叶轮的支撑问题。

如图1和图2所示，叶轮100至少包含两个叶片101。根据具体的技术方案，可以采用升力型叶片或者阻力型叶片，采用升力型叶片的是著名的达里厄（Darrieus）型叶轮结构，这种叶轮中转轴通过叶片连杆与叶片连接；而采用阻力型叶片的是著名的萨渥纽斯（Savonius）型叶轮，转轴直接与叶片连接。如图1和图2所示，本实施例中，风电机组采用了萨渥纽斯型叶轮，叶轮100采用了螺旋形叶片101。

叶轮转轴102的两端分别设置有一个轴承200，通过轴承200与支撑叶轮的支架300连接，形成简支支撑结构。如图1所示，叶轮101、支架300以及轴承200可以组成一个基本的叶轮单元。如图3所示，串联式多叶轮风力发电机组可以理解为多个叶轮单元串联，并与发电机400连接在一起形成的系统。

叶轮转轴102的端部设置有连接件，连接件可以是螺杆，销轴或者是花键等结构件，相邻的两个叶轮的转轴通过连接件实现传递扭矩和共享转速。如图4所示，两个叶轮的转轴102端部都设置有凹槽103，可以将销轴104两端分别安装在相邻转轴凹槽103内部实现叶轮的串联。在一些实施例中，也可以采用在叶轮转轴的端部设置半联轴器的方案，通过半联轴器将相邻的两个叶轮转轴连接。

发电机400可以有一个，也可以有多个。发电机400设置在多个叶轮100之间，在一些实施例中，发电机400也可以设置在多个叶轮串联的一侧。如图3所示，当发电机400设置在多个叶轮100之间时，发电机400两端的叶轮100个数相等。这种设置使得发电机两端转轴传递的扭矩分布较均衡，不会出现下列类似的情况：靠近发电机的叶轮转轴承担全部额定扭矩，远端叶轮转轴只承担十分之一额定扭矩。

在一些实施例中，串联式多叶轮风力发电机组的安装在楼房的顶部，如图3所示，这种情况下支架300以及发电机支座401可以直接固定在房顶上，或者通过连接件与房顶连接，发电机400定子外壳与支架300不需要刚性连接，可以通过导体做等电势连接等操作。

根据串联式多叶轮风力发电机组的容量以及应用场景，发电机定子绕组可以与变流器连接，也可以与负载连接，在一些实施例中发电机可以是直流输出，因此也可以与蓄电池连接。如图5所示，发电机定子输出端402与所连接的设备或电网之间设置必须要设置隔离开关500，保证设备即发电机的安全，同时也为人员操作提供保障。

如图6所示，每个叶轮还可以设置一个风速调节装置600。在一些实施例中，风速调节装置600由导流板601和支腿602组成。如图7所示风速调节装置的支腿602与转轴102两端的支架300连接, 风速调节装置导流板601固定在支腿602上。

如图6所示，整个风速调节装置能够沿转轴相对支架转动，并且风速调节装置上设置有四个锁定销孔，使得风速调节装置可以锁定在至少两个位置：1）如图7所示，串联式多叶轮风力发电机组在正常运行时；2）如图8所示，导流板601挡在来风和叶片101之间，主要作用是避免两种风向的大风情况下叶轮转动。

如图9所示，串联式多叶轮风力发电机组可以安装在楼房的顶部701。如图10所示，串联式多叶轮风力发电机组也可以安装在楼房的侧面的外墙700上，利用楼房之间的距离产生的自然风加速效应，特别适合串联式多叶轮风力发电机组这种只在垂直方向占用空间的装置。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语中的“顶部、底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本实用新型并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征是，至少包括：叶轮（100）、轴承（200）、支架（300）和发电机（400）；

所述叶轮（100）至少由叶片（101）和转轴（102）组成，所述叶片（101）与所述转轴（102）连接，所述转轴（102）的两端分别设置所述轴承（200）和所述支架（300），所述转轴（102）能够相对所述支架（300）转动；

所述叶轮（100）至少有两个,所述叶轮（100）之间通过所述转轴（102）的端部连接；

所述转轴（102）端部连接位置的两个所述支架（300）连接为一体，或者所述转轴（102）端部连接位置使用一个所述支架（300）；

所述发电机（400）的转子与所述转轴（102）的端部连接。

2.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征是，所述叶轮（100）至少包含两个所述叶片（101），所述转轴（102）直接或通过叶片连杆与所述叶片（101）连接。

3.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征是，所述转轴（102）的两端分别设置有一个轴承（200），或者两个所述转轴（102）连接的端部共用一个轴承（200）。

4.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于,所述转轴（102）的至少一个端部设置有连接件，相邻的所述转轴（102）通过连接件传递动力。

5.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于, 所述发电机（400）设置在多个所述叶轮（100）之间，或者设置在多个所述叶轮（100）的末端。

6.根据权利要求5所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于, 所述发电机（400）设置在多个所述叶轮（100）之间，所述发电机（400）两端的叶轮（100）个数之差小于或等于1。

7.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于, 所述支架（300）以及所述发电机（400）的定子外壳与所述串联式多叶轮风力发电机组的安装面连接。

8.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于,所述发电机（400）定子绕组与负载或电网之间设置有隔离开关（500）。

9.根据权利要求1所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于,每个所述叶轮（100）还包括一个风速调节装置（600），所述风速调节装置（600）与所述转轴（102）两端的所述支架（300）连接。

10.根据权利要求9所述的一种串联式多叶轮风力发电机组，其特征在于,所述风速调节装置（600）能够沿所述转轴（102）相对所述支架（300）转动，并且所述风速调节装置（600）或所述支架（300）上设置有至少两个锁定销孔（603）。

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