CN220302254U - 一种偏心式水平风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏心式水平风力发电装置，解决了现有技术中水平轴风力发电装置发电效率低的问题。本实用新型包括支撑塔架，支撑塔架上设有偏心设置的旋转箱架，旋转箱架内设有水平设置的左转轴和右转轴，左转轴的一端与右转轴转动连接、另一端伸出旋转箱架且连接有大风叶，右转轴的一端与左转轴转动连接、另一端伸出旋转箱架且连接有小风叶，左转轴和右转轴连接处设有发电组件且发电组件偏心设置；发电组件与设置在旋转箱架内的控制柜相连接。本实用新型利用偏心设置的发电组件与大小风叶配合，在大风叶与小风叶接收风力过程中，产生对旋转箱架的切向力，旋转箱架绕支撑塔架上的支撑轴转动，保证发电装置的稳定，同时，便于大风叶与小风叶接收不同方向的风力，进一步提高风能利用率和发电效率。

Description

一种偏心式水平风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及水平风力发电装置技术领域，特别是指一种偏心式水平风力发电装置。

背景技术

随着社会的发展，能源变得越来越重要，而风能作为一种清洁的可再生资源，越来越受到各国的重视。最近几年出现了直驱型风力发电机组，直驱型风电机组直接由风轮带动发电机主轴切割磁力线发电，并通过全功率变流器并入电网，是一种电网友好型发电机组。

但是现有市场上广泛使用的风力发电机多采用单侧安装叶片，如公开号为CN1664358A的单转子方式的水平-垂直轴联合型风力发电机系统，使风力发电机发电能力受限，造成资源浪费，投资成本高。此外，现有直驱型风电机风力过大，转速过快时，容易造成电压或电流过大，造成电流不稳，进而破坏发电设备。

实用新型内容

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种偏心式水平风力发电装置，解决了现有技术中水平轴风力发电装置发电效率低、转速过大时易破坏发电设备的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种偏心式水平风力发电装置，包括支撑塔架，支撑塔架上设有偏心设置的旋转箱架，旋转箱架内设有水平设置的左转轴和右转轴，左转轴的一端与右转轴转动连接、另一端伸出旋转箱架且连接有大风叶，右转轴的一端与左转轴转动连接、另一端伸出旋转箱架且连接有小风叶；大风叶的迎风角度与小风叶的迎风角度相反设置；所述左转轴和右转轴连接处设有发电组件且发电组件的中心线与支撑塔架的中心线偏离距离为R，R＞0，大风叶到支撑塔架中心线的距离L1大于小风叶到支撑塔架中心线的距离L2，且L1= L2+ R；所述发电组件与设置在旋转箱架内的控制柜相连接。

所述左转轴和右转轴同轴线设置形成电机主轴，发电组件偏心设置在电机主轴上，左转轴和右转轴上均设有刹车盘组件和数据采集器，刹车盘组件和数据采集器均与控制柜电性连接。

所述发电组件包括电机转子和电机定子，电机转子固定在左转轴上且电机转子内壁固定有绕组；电机定子固定在右转轴上且电机定子上设有与绕组相对应的磁钢；绕组通过导线与设置在旋转箱架内的集电环Ⅰ相连接，集电环Ⅰ与碳刷总成Ⅰ对应连接将发电组件产生的电向外输送。

所述左转轴上固定连接有左固定盘，左固定盘与右转轴之间设有第一轴承，右转轴上转动连接有右固定盘，右固定盘与右转轴之间设有第二轴承；电机转子连接在左固定盘和右固定盘上，电机转子、左固定盘和右固定盘形成安装腔，绕组和磁钢位于安装腔内。

所述集电环Ⅰ固定在右固定盘的外端面，碳刷总成Ⅰ通过第一支架固定在旋转箱架，碳刷总成Ⅰ与集电环Ⅰ接触配合，碳刷总成Ⅰ通过导线与控制柜内的储电装置相连接。

所述控制柜内的储电装置与设置在旋转箱架内的碳刷总成Ⅱ电性连接，碳刷总成Ⅱ与设置在支撑塔架上的集电环Ⅱ对应接触，储电装置内的电经碳刷总成Ⅱ、集电环Ⅱ引出旋转箱架。

所述旋转箱架包括固定底板和外壳，外壳通过螺栓连接在固定底板上，所述固定底板的底部固定有连接套筒，连接套筒与设置在支撑塔架上的支撑轴转动连接。

所述支撑塔架包括立式塔柱，立式塔柱的顶部固定有支撑轴，支撑轴为空心轴管，连接套筒套设在空心轴管上且通过轴承实现与空心轴管的转动连接。

所述左转轴通过左轴承座连接在旋转箱架内，右转轴通过右轴承座连接在旋转箱架内。

所述大风叶的风叶长度是小风叶风叶长度的1.1~2.5倍。

本实用新型的有益效果为：1、本实用新型充分科学的利用了电磁场与速度、风向的关系设计出具有两个风叶、一套发电组件的水平式风力发电机，即两套旋转装置（风叶）风力发电机使用的是一套绕组，在绕组内装有转子，转子与绕组在两个不同角度风叶的带动下向两个方向旋转；使转子与绕组相对旋转产生的电的理论数据输出功率提高3~4倍。2、本实用新型利用偏心设置的发电组件与大小风叶配合，在大风叶与小风叶接收风力过程中，产生对旋转箱架的切向力，旋转箱架绕支撑塔架上的支撑轴转动，保证发电装置的稳定，同时，大小风叶随风绕支撑点转动，便于大风叶与小风叶接收不同方向的风力，进一步提高风能利用率和发电效率，风能利用率大大提高。此外，本实用新型设计有两个风叶，工作时在风力的作用下向两个不同方向旋转，使两个风叶产生的离心力相互抵消，增加了设备的稳定性，降低了产品的损坏系数降低，保证了发电装置的稳定。3、利用刹车盘组件和数据采集器和控制柜形成的闭环反馈系统，能够实现智能监控、智能运维、云计算、故障智能诊断和预警、智能化管理，能在线对电机主轴转速进行监控，当转速超过设定值，控制柜的控制器控制刹车盘组件进行工作，降低转速，防止转速过高、电压电流过大造成设备损坏，增加了发电机的稳定性，减少了发电机的损坏率，延长了发电机使用寿命。4、本实用新型科学利用力学、重力、风力的特性与规律的结合设计，使风力发电机的风叶能够始终能够垂直于风力，与传统产品相比减掉风力发电机偏航与风跟踪系统，结构实现了简单化，降低了成本，实现了轻量化，充分最大化的利用了材料与能源，使产品增加了安全系数。5、本实用新型的上述设计与传统产品相比发电机输出功率提高3~4倍以上，同功率条件下制造成本下降60%以上；本实用新型产品实现了轻量化，与传统发电设备相比设备重量和体积减少60%以上，具有较高的市场价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体内部结构示意图。

图2为图1中A处局部放大图。

图3为旋转箱架内部结构俯视示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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付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。

如图1所示，实施例1，一种偏心式水平风力发电装置，包括支撑塔架1，支撑塔架1上设有偏心设置的旋转箱架2，即旋转箱架2的中心线与支撑塔架1的中心线不重合，旋转箱架2内设有水平设置的左转轴3和右转轴4，左转轴3的一端与右转轴4转动连接、另一端伸出旋转箱架2且连接有大风叶5，大风叶接收风力带动右转轴转动。右转轴4的一端与左转轴3转动连接、另一端伸出旋转箱架2且连接有小风叶6，小风叶接收风力带动左转轴转动。大风叶5的迎风角度与小风叶6的迎风角度相反设置，由于两个风叶设置角度相反、工作时在风力的作用下两个风叶向相反的方向旋转。两个风叶工作时在风力的作用下向两个不同方向旋转，使两个风叶产生的离心力相互抵消，增加了设备的稳定性，降低了产品的损坏系数降低，保证了发电装置的稳定。所述左转轴3和右转轴4连接处设有发电组件7且发电组件7也偏心设置；发电组件7靠近大风叶5且与旋转箱架2配合实现发电组件的偏心设置同时确定其平稳性。此外，大风叶端质量相对较大，小风叶端质量相对较小，小风叶更易接收风力，并始终随风向转动，以此实现旋转箱架相对支撑塔架的转动，使风力发电机的风叶能够始终能够垂直于风力，确保小风叶和大风叶能始终精确接收风力，上述结构设计能替代传统的风向仪，实现该发电装置的自发随风运动；与传统产品相比减掉风力发电机偏航与风跟踪系统，结构实现了简单化，降低了成本，实现了轻量化，充分最大化的利用了材料与能源，使产品增加了安全系数。而且小风叶在转动过程中，风力朝向大风叶发散，既能使大风叶接收更多风力。具体来说发电组件7的中心线与支撑塔架1的中心线偏离距离为R，R＞0，优选100mm≥R≥20mm，大风叶5到支撑塔架1中心线的距离L1大于小风叶6到支撑塔架1中心线的距离L2，且L1= L2+ R；即两个风叶到发电组件的中心距离相等，而发电组件与支撑塔架1偏心设置。所述发电组件7与设置在旋转箱架2内的控制柜8相连接；右转轴4与左转轴3发生相对转动，发电组件发出的电流向控制柜内的储电装置，以供用电设备的使用。

本实施例中所述左转轴3和右转轴4同轴线设置形成电机主轴；即左转轴和右转轴组成组合式电机主轴，将风力转化为电机主轴的相对转动，以供发电组件进行发电。发电组件7偏心设置在电机主轴上且偏向大风叶一侧；大风叶与小风叶配合，既能跟随风向转动，使风力发电机的风叶能够始终能够垂直于风力，实现对不同方向风力的接收，提高风力利用率，同时又能保证电机转动的平稳，左转轴3和右转轴4上均设有刹车盘组件9和数据采集器10，刹车盘组件9和数据采集器10均与控制柜8电性连接；控制柜的数量根据需要可设置1~4个。刹车盘组件9实现控制风力发电机的电机主轴的旋转速度和停止的作用，降低其转动速率，进而降低发电组件输出功率，起到稳压稳流作用。同时提高维修时的安全系数。所述大风叶5的风叶长度是小风叶6风叶长度的1.1~2.5倍；根据发电组件7在电机主轴上的偏心距进行合理选择，确保发电装置整体的稳定性。数据采集器10可采用转速传感器，用于采集左转轴3和右转轴4的转速，当转速超过设定值，控制柜8的控制器控制刹车盘组件进行工作，降低转速，防止转速过高、电压电流过大造成设备损坏。在控制柜上设计配置控制器，控制器内设计配置有转速传感器、风速传感器、数据传输软件，能够实现智能监控、智能运维、云计算、故障智能诊断和预警、智能化管理，在发电机两个轴上分别设计配置刹车装置，在超出额定风速下、过速、过载采集数据实现减速或刹车。

实施例2：在实施例1的基础上，本实施例做进一步优化：

如图2、3所示，本实施例中所述发电组件7包括电机转子71和电机定子72，电机转子71固定在左转轴3上且电机转子71内壁固定有绕组73；大风叶接收风力带动左转轴正向转动，进而实现电机转子带动绕组的转动。电机定子72固定在右转轴4上且电机定子72上设有与绕组73相对应的磁钢74，磁钢74的数量根据需要设置N个，N≥4；小风叶接收风力带动右转轴方向转动，进而实现电机定子带动磁钢的转动；绕组73与磁钢74发生相对转动，切割磁感线，实现两倍以上发电。绕组73通过导线与设置在旋转箱架2内的集电环Ⅰ75相连接，集电环Ⅰ75与碳刷总成Ⅰ76对应接触连接将发电组件7产生的电向外输送。电能通过导线输出到集电环Ⅰ75与碳刷总成Ⅰ76，并经碳刷总成Ⅰ76输送到控制柜内。碳刷总成Ⅰ76的碳刷支架内设有碳刷，碳刷与集电环Ⅰ滑动链接，碳刷支架的一侧设有碳刷，碳刷与集电环相对应，碳刷总成与市场上采用碳刷结构相同，包括碳刷屋，碳刷屋中设有碳刷和压簧，压簧用于压紧碳刷。

本实施例中所述左转轴3上固定连接有左固定盘77，左固定盘77与右转轴4之间设有第一轴承11，实现左固定盘77与右转轴4的转动连接。右转轴4上转动连接有右固定盘78，右固定盘78与右转轴4之间设有第二轴承12，实现右固定盘78与右转轴4的转动连接。电机转子71连接在左固定盘77和右固定盘78上，左转轴3转动，同时带动左固定盘77和右固定盘78及电机转子转动，电机转子71、左固定盘77和右固定盘78形成安装腔，绕组73和磁钢74位于安装腔内，使结构更加紧凑，同时确保绕组与磁钢的良好接触，提高发电效率。

本实施例中所述集电环Ⅰ75采用盘式集电环，盘式集电环固定在右固定盘78的外端面，能随右固定盘进行转动，碳刷总成Ⅰ76通过第一支架79固定在旋转箱架2，碳刷总成Ⅰ76与集电环Ⅰ75接触配合，实现电能传动，碳刷总成Ⅰ76通过导线与控制柜8内的储电装置相连接。发电组件7将机械能转换为电能，并通过集电环Ⅰ75与碳刷总成Ⅰ76将电能输送至控制柜8内的储电装置内，储电装置内的电能可供控制柜本身用电设备使用，又能向外部传输，以供外部用电设备的使用。

实施例3，在实施例2的基础上，本实施例做进一步优化：

本实施例中所述控制柜8内的储电装置通过导线与设置在旋转箱架2内的碳刷总成Ⅱ710电性连接，碳刷总成Ⅱ710与设置在支撑塔架1上的集电环Ⅱ711对应接触，储电装置内的电经碳刷总成Ⅱ710、集电环Ⅱ711引出旋转箱架2，以供外部用电设备的使用。集电环Ⅰ75采用盘式集电环，发电机绕组的输出导线与盘式集电环上的三个金属环连接，盘式集电环上分别设配装有碳刷总成Ⅰ的三个碳刷，碳刷上设制有导线，导线与控制器连接，控制器的输出导线碳刷总成Ⅱ上的导线连接，碳刷总成Ⅱ上的导线另一端的碳刷与配装在塔杆上的电环Ⅰ活动连接，连接电环Ⅰ的输出导线从支撑塔架引出。

作为进一步优选方案，所述旋转箱架2包括固定底板21和外壳22，外壳22通过螺栓连接在固定底板21上，形成箱型机构，为发电组件提供保护与支撑。所述固定底板21的底部固定有连接套筒23，连接套筒23与设置在支撑塔架1上的支撑轴1-1转动连接。具体为连接套筒套设在支撑轴上，并通过上下两组轴承进行转动连接，在大风叶与小风叶接收风力过程中，产生对旋转箱架的切向力，工作时在风力的作用下向两个不同方向旋转，使两个风叶产生的离心力相互抵消，增加了设备的稳定性；旋转箱架2通过连接套筒23绕支撑塔架1上的支撑轴1-1转动，保证发电装置的稳定；同时，便于大风叶与小风叶接收不同方向的风力，进一步提高风能利用率和发电效率。

本实施例中所述支撑塔架1包括立式塔柱1-2，立式塔柱1-2的高度根据需要可选择1~8m，立式塔柱1-2的顶部固定有支撑轴1-1，支撑轴1-1与立式塔柱1-2的轴线重合，支撑轴1-1为空心轴管，便于导线的引出，连接套筒23套设在空心轴管上且通过轴承实现与空心轴管的转动连接。此外，所述左转轴3通过左轴承座31连接在旋转箱架2内，右转轴4通过右轴承座41连接在旋转箱架2内，确保左转轴3与右转轴4的稳定性。

本实用新型利用偏心设置的发电组件与大小风叶配合，在大风叶与小风叶接收风力过程中，能随风而动，使风力发电机的风叶能够始终能够垂直于风力，产生对旋转箱架的切向力，旋转箱架绕支撑塔架上的支撑轴转动，保证发电装置的稳定，同时，便于大风叶与小风叶接收不同方向的风力，进一步提高风能利用率和发电效率。

本实用新型偏心式水平风力发电装置与传统单向旋转发电装置（对比对象1）做对比试验，对比对象1为定子旋转或转子旋转的旋转发电装置；得到不同转速下，输出的直流电压、直流电流及输出功率的数据，如下表：

从上述表格可知，本实用新型采用双向旋转的偏心式水平风力发电装置的输出的直流电压、直流电流约为传统单向旋转发电装置的2倍左右，而根据P=U×I，P为输出功率，U为输出电压，I为输出电流，可知本实用新型双向旋转的偏心式水平风力发电装置的输出功率为传统传统单向旋转发电装置的4倍左右；大大提高了发电装置的输出功率。

本实用新型偏心式水平风力发电装置与传统只有水平方向扇叶转动的发电装置（对比对象2）做对比试验，对比不同风速条件下的输出功率。如下图：

其中电流I1、功率W1对应本实用新型偏心式水平风力发电装置；电流I2、功率W2对应对比对象2，从图上可知风力发电机的平均输出功率和平均风速息息相关。通过两种型号的风力发电机试验对比，试验结果表明：风速在0m/s～10m/s的范围内，本实用新型偏心式水平风力发电装置发电功率高于传统型风力发电机。这种差别在风速是7m/s～18m/s的时候更明显。本实用新型偏心式水平风力发电装置对风能的利用效率更高。

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 (10)

1.一种偏心式水平风力发电装置，其特征在于：包括支撑塔架（1），支撑塔架（1）上设有偏心设置的旋转箱架（2），旋转箱架（2）内设有水平设置的左转轴（3）和右转轴（4），左转轴（3）的一端与右转轴（4）转动连接、另一端伸出旋转箱架（2）且连接有大风叶（5），右转轴（4）的一端与左转轴（3）转动连接、另一端伸出旋转箱架（2）且连接有小风叶（6）；大风叶（5）的迎风角度与小风叶（6）的迎风角度相反设置；所述左转轴（3）和右转轴（4）连接处设有发电组件（7）且发电组件（7）的中心线与支撑塔架（1）的中心线偏离距离为R，R＞0，大风叶（5）到支撑塔架（1）中心线的距离L1大于小风叶（6）到支撑塔架（1）中心线的距离L2，且L1= L2+R；所述发电组件（7）与设置在旋转箱架（2）内的控制柜（8）相连接。

2.根据权利要求1所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述左转轴（3）和右转轴（4）同轴线设置形成电机主轴，发电组件（7）偏心设置在电机主轴上，左转轴（3）和右转轴（4）上均设有刹车盘组件（9）和数据采集器（10），刹车盘组件（9）和数据采集器（10）均与控制柜（8）电性连接。

3.根据权利要求1或2所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述发电组件（7）包括电机转子（71）和电机定子（72），电机转子（71）固定在左转轴（3）上且电机转子（71）内壁固定有绕组（73）；电机定子（72）固定在右转轴（4）上且电机定子（72）上设有与绕组（73）相对应的磁钢（74）；绕组（73）通过导线与设置在旋转箱架（2）内的集电环Ⅰ（75）相连接，集电环Ⅰ（75）与碳刷总成Ⅰ（76）对应连接将发电组件（7）产生的电向外输送。

4.根据权利要求3所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述左转轴（3）上固定连接有左固定盘（77），左固定盘（77）与右转轴（4）之间设有第一轴承（11），右转轴（4）上转动连接有右固定盘（78），右固定盘（78）与右转轴（4）之间设有第二轴承（12）；电机转子（71）连接在左固定盘（77）和右固定盘（78）上，电机转子（71）、左固定盘（77）和右固定盘（78）形成安装腔，绕组（73）和磁钢（74）位于安装腔内。

5.根据权利要求4所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述集电环Ⅰ（75）固定在右固定盘（78）的外端面，碳刷总成Ⅰ（76）通过第一支架（79）固定在旋转箱架（2），碳刷总成Ⅰ（76）与集电环Ⅰ（75）接触配合，碳刷总成Ⅰ（76）通过导线与控制柜（8）内的储电装置相连接。

6.根据权利要求5所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述控制柜（8）内的储电装置与设置在旋转箱架（2）内的碳刷总成Ⅱ（710）电性连接，碳刷总成Ⅱ（710）与设置在支撑塔架（1）上的集电环Ⅱ（711）对应接触，储电装置内的电经碳刷总成Ⅱ（710）、集电环Ⅱ（711）引出旋转箱架（2）。

7.根据权利要求1、2和4~6任一项所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述旋转箱架（2）包括固定底板（21）和外壳（22），外壳（22）通过螺栓连接在固定底板（21）上，所述固定底板（21）的底部固定有连接套筒（23），连接套筒（23）与设置在支撑塔架（1）上的支撑轴（1-1）转动连接。

8.根据权利要求7所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述支撑塔架（1）包括立式塔柱（1-2），立式塔柱（1-2）的顶部固定有支撑轴（1-1），支撑轴（1-1）为空心轴管，连接套筒（23）套设在空心轴管上且通过轴承实现与空心轴管的转动连接。

9.根据权利要求1、2、4~6和8任一项所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述左转轴（3）通过左轴承座（31）连接在旋转箱架（2）内，右转轴（4）通过右轴承座（41）连接在旋转箱架（2）内。

10.根据权利要求1所述的偏心式水平风力发电装置，其特征在于：所述大风叶（5）的风叶长度是小风叶（6）风叶长度的1.1~2.5倍。