CN2693983Y

CN2693983Y - 垂直轴风力机

Info

Publication number: CN2693983Y
Application number: CNU2003201312559U
Authority: CN
Inventors: 王稔英; 陆文志
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2013-12-30

Abstract

本实用新型涉及了一种垂直轴风力机，其特征在于风轮由水平桨叶、垂直桨叶、垂直支撑轴三部分构成；机仓设置在地面；水平桨叶采用变径机翼形结构；支撑、固定垂直桨叶；垂直桨叶采用等径翼形结构；每个垂直桨叶均设有上下两个固定连接点，形成简支梁；垂直支撑轴支撑水平桨叶、垂直桨叶及构件；优点为：材料消耗减少，现场施工工时下降；设备及配件的更换、维修、保养、调试都变得方便容易，减少故障时间，增加运行时间；避免了水平轴风力机因对风产生的电缆缠绕问题，无须采用复杂的自动解缆技术，风轮可以自起动；风电转换效率得以提高，发电成本得以下降；适于批量生产，容易实现标准化、通用化、国产化和大型化。

Description

垂直轴风力机

技术领域

本实用新型涉及一种风力机，尤其涉及一种应用在电网尚未到达的偏远地区和虽建有电网，但风力资源较丰富地区的风力机，如应用在偏远村落、海岛、畜牧场、养殖场和我国西北、华北北部、东北等三北地区的垂直轴风力机。

背景技术

人类利用风能的历史已有2000多年，但只是近20年在风能的开发利用方面才取得了巨大的进步。一些发达国家的风力发电机组生产，刚实现了商品化。而现在发达国家的商品风力机组(以下简称风力机)的结构形式，主要是以上风向水平轴三桨叶形式为主。

水平轴风力机的优点是，技术较成熟，桨叶在360°旋转范围内均作功，风能转换效率较高，但亦不能突破“Betz”限度：59.3％。

但是由于其结构上的原因，水平轴风力机也受到一定的限制，它有如下缺点：

因为桨叶相当于悬臂梁结构，所以桨叶的重力、风力所产生的水平阻力及升力都使得桨叶的根部受力最大，风速越高，受力越大，因此通常使桨叶在高风速时进入失速状态，以避免桨叶的破坏，从而导致了在高风速区内，不能充分利用风能的不足。

随着风力机单机容量的增大，桨叶长度、面积、重量不断加大，相应地水平传动轴、增速器、发电机的重量也随之加大。而支撑杆塔所需材料的重量及基础占地面积都随之增大，使得杆塔的建造成本也成为影响发电成本的因素之一。

同理，受结构上的限制大多数水平轴风力机的桨叶是做成不等径(宽)的，根部较宽，而往桨叶上部则逐渐收缩，而我们知道，桨叶上单位面积元所产生的力矩是随着距水平轴半径R的增大而增大的，换句话说，等径的桨叶比现行的桨叶产生的力矩要大得多。但是受结构的限制，我们没有这样做。而且考虑失速调节的原因，翼形桨叶的攻角也由根部向叶尖逐渐减少，使得儿何形状较复杂，从而导致模具制作困难，加工难度增加，工时延长，桨叶制作成本上升。

由于增速器、发电机等设备都集中于风力机水平轴后部的机仓内，尺寸、重量都受到限制，采用新技术，增加新设备受到一定的限制。

因机仓设于杆塔的顶端，设备安装、调试、维修、保养都成为高空作业，极为不便，同时也增加了发电的成本。

如果用风力机组杆塔以上(包括杆塔)单位重量的发电能力，这项指标来衡量水平轴风力机，它存在以上的问题。

实用新型内容

本实用新型针对上述风力机存在的问题，设计出一种垂直轴风力机，它解决了现有技术中风能利用不足，操作不便，发电成本高等问题。

本实用新型是这样实现的：风轮由水平桨叶、垂直桨叶、垂直支撑轴三部分构成；机仓设置在地面；

水平桨叶采用变径机翼形结构；支撑、固定垂直桨叶；水平桨叶的尖部可设计成叶尖扰流器形式；

垂直桨叶采用等径翼形结构；沿垂直方向的每一段与垂直支撑轴的距离都相同，沿垂直桨叶每一单位面积元所产生的转距均相等；每个垂直桨叶均设有上下两个固定连接点，形成简支梁；垂直桨叶一般安装3-6个；

垂直支撑轴支撑水平桨叶、垂直桨叶及构件；垂直支撑轴上设有二个轴承，分别是连接上水平桨叶、上斜拉的上轴承；连接下水平桨叶、下斜拉的下轴承；下轴承安装有将风能转换的机械转矩输出的齿轮；

机仓内可设置多级变速器，也可设置无级变速器；多级变速器设计成输出轴为2-3个的多输出轴结构；级数不超过四级，其变速形式可以人为手动变速，

也可通过风速测量装置自动变速；机仓内增设有离合器。

本实用新型垂直轴风力机的设计原理如下：

水平桨叶：

水平桨叶的结构采用类似水平轴风力机桨叶的形式，为变径机翼形结构。它的作用有两个，一是结构梁的作用，起支撑、固定垂直桨叶的作用；二是当风流通过时，在水平桨叶上亦产生气动力，这个气动力可分成两个分力，就是产生垂直升力的分力f₁和产生水平阻力的分力f_d，分力f₁产生的垂直升力，可抵消一部分风轮重力，因此也就减小了风轮的水平转动阻力；分力f_d产生的阻力则产生使风轮转动的力矩。同时水平桨叶还可以利用地面处垂直风流的风能使风轮转动。类似水平轴风力机，我们也可把水平桨叶的尖部设计成叶尖扰流器形式，平时叶尖部分与桨叶成为一体，而在超风速时，叶尖旋转一定角度，起到阻尼刹车作用。

垂直桨叶：

垂直桨叶采用等径翼形结构。从图中我们可以看出垂直桨叶，沿垂直方向的每一段与垂直支撑轴的距离都相同，沿垂直桨叶每一单位面积元所产生的转距均相等，从而产生较大转距。每个垂直桨叶均有上下两个固定连接点，由水平轴风力机桨叶的悬臂梁变成简支梁，使固定连接点的受力情况得到改善。因此可进一步增大桨叶的面积，获得更大的转距。

垂直桨叶一般安装3-6个，不宜再多，桨叶过多风轮自重增加，导致起动力矩增大。

垂直支撑轴部分：

通常水平轴风力机的水平传动轴，为了承受桨叶产生的扭矩，不得不设计的较粗、较重；而本实用新型垂直轴风力机的垂直支撑轴，根本就不作为传动轴使用，而是起支撑水平桨叶、垂直桨叶及构件作用。垂直支撑轴上有二个轴承，分别是连接上水平桨叶、上斜拉的上轴承；连接下水平桨叶、下斜拉的下轴承；下斜拉轴承安装有齿轮将风能转换的机械转矩输出。

因垂直支撑轴不参与转动，因此就可以采用普通的碳钢管做垂直支撑轴，减轻了风轮的重量和转动惯性，降低了风力机的起动力矩，也就降低了风力机的切入风速值。

增、变速器及相关设备

在水平轴风力机增速器的设计中，因机仓设在杆塔顶部，受空间、重量的限制，一般采用结构紧凑的行星轮增速器及双速异步发电机组，且增速器只有一个固定的增速比。

而在本实用新型垂直轴风力机中，因上述这些设备放置在地面的机仓内，不需要杆塔的支撑，因此不受空间、重量的限制，根据实际需要，可采用一些已成熟的技术，如像汽车中的变速机构一样，采用多级变速器，或者无级变速器，以及其它一些新技术，这就给设计及应用带来极大的灵活性。

因此在本实用新型垂直轴风力机中，采用普通直齿轮的多级变速器(以下简称增、变速器)。增、变速器级数不超过四级；其变速形式可以人为手动变速也可通过风速测量装置，微电脑、液压机电一体化控制系统，根据风速的变化实现自动变速；以保持输出轴转速相对稳定，维持发电机电压和功率的恒定。

增、变速器设计为多输出轴方式，一般输出轴为2-3个。其中一个输出轴为固定增速比，输出轴通过离合器连至一个小容量发电机，目的是当风速达到设计的切入风速值时，该离合器合上，小发电机开始发电；另外的高速轴，也通过各自的离合器将转矩耦合至大容量发电机；如两个高速轴则采用同步变速方式，即它们的变速比始终是一样的。当风速超过小发电机的设计切出风速时，一台大发电机投入运行，增、变速器开始切换第一低速档，当风速继续升高时切换第二低速档，如此过程直至切换到第三低速档；如风速继续升高，第二台大发电机投入运行，因两台发电机投入后，转速必然下降，因此，增、变速器切换至第一低速档；如风速继续升高，则增、变速器切换至下一级低速档，同前，随风速增高，增、变速器切换至最低档(第三低速档)。如风速降低，切换过程相反。

蓄电池组、逆变器、控制器结构及原理与水平轴风力机相同，在此不再赘述。

本实用新型垂直轴风力机的优点如下：

由于风轮结构上的改进，使得风电转换效率得以提高，充分利用了高速段的风能，发电成本得以下降。

综述如下：

1.由于发电机、增、变速器、传动轴、制动器等部件从塔顶移至地面，因而使支撑杆塔的材料消耗减少，现场施工工时下降。从而降低发电成本。

2.因机仓移至地面，设备安装完全不受重量、空间的限制，使得采用新技术改进性能，增设设备变得简单可行，从而提高可靠性，降低发电成本。

3.机仓移至地面还有一个好处，那就是使设备及配件的更换、维修、保养、调试都变得方便容易，减少故障时间，增加运行时间，进一步降低营运成本。

4.因风轮上没有电力电缆，也就避免了水平轴风力机因对风产生的电缆缠绕问题，无须采用复杂的自动解缆技术，可进一步降低成本。

5.因风轮水平桨叶的辅助升力及结构上的精心设计，尽量减轻风轮的自重及旋转磨擦阻力，从而使得风轮的自起动成为可能，克服旧式垂直轴风力机不能自起动的缺点。

6.风轮的垂直桨叶采用等截面的桨叶，使得模具制造容易，桨叶的生产加工也变得相对容易，更适于批量生产，从而降低桨叶的制造成本。

7.大部分机械部件都在地面上，因而这些部件的生产更容易实现标准化、通用化、国产化和大型化。

如上所述，本实用新型垂直轴风力机因为自身的技术优势、价格优势及扎根于本土的地缘优势，更易于在一直由外国人垄断的风力机市场上打开突破口。在我国的风电市场上，它一定会有广阔的发展前景，一定能植根于“三北”大地，进一步地发芽、开花、结果。

附图说明

图1为本实用新型垂直轴风力机的结构示意图。

图2为本实用新型垂直轴风力机的俯视图。

图3为本实用新型垂直轴风力机的水平桨叶工作原理图。

图4为本实用新型垂直轴风力机在独立运行的村落的工作框图。

图5为本实用新型垂直轴风力机在独立运行的村落的运行切换图。

图6为本实用新型垂直轴风力机在并网运行的村落的工作框图。

图7本实用新型垂直轴风力机在并网运行的村落的运行切换图。

图中，1.上水平桨叶，2.垂直桨叶，3.垂直支撑轴，4.上斜拉，5.上轴承，6.下斜拉，7.下轴承，8.齿轮，9.下水平桨叶，10.固定连接点，11.风轮，12.传动齿轮对，13.增、变速器，14.盘形制动器，15.离合器，16.小容量发电机，17.大容量发电机，18.液压站，19.PC控制器，20.低压开关柜，21.蓄电池充放电控制器，22.蓄电池组，23.逆变器，24.大发电机运行曲线，25.小发电机运行曲线，26.大发电机功率曲线，27.大发电机功率曲线，28.小发电机功率曲线，B.变压器，C.补偿电容器，P.发电机实际功率，Pe.发电机额定功率，V.风速。

具体实施方式

本实用新型垂直轴风力机在机械结构上较水平轴风力机稍复杂一些，在小型户用型风力机应用方面，因成本较高，无竞争优势，但随着容量的增大，其优越性越见突出。

本实用新型垂直轴风力机，主要应用在以下两种场合：

一.电网尚未到达的偏远村落、海岛、畜牧场、养殖场、蔬菜大棚区等。

二.虽建有电网，但风力资源较丰富的地区，如我国的三北地区(西北、华北北部、东北)。

依据上述两种应用场合的特点，分别设计了两种不同的风力机组。

一.独立运行的村落型风力机组，适用于第一种应用场合。

二.并网运行的村落型风力机组，适用于第二种应用场合；即可以单台供电，也可以由多台风力机组成风电场，集中供电。

一.独立运行的村落型风力机组

独立运行的风力机组容量较小，无需并网，因此结构简单，成本低廉，可靠性高，应是优先考虑的指标。

独立运行的村落风力机组工作框图见图4

独立运行的村落风力机组基本构成和设计特点如下：

1.桨叶数量不宜过多，一般设计为3或者4叶型，桨叶安装角固定(类似水平轴定桨距风力机)。

2.在水平桨叶端部不装设叶尖扰流器。

3.无需对风装置，但设有风速测量装置。

4.安装大小两台直流发电机，两台发电机的容量比设计为1∶4。

5.地面机房内设有PC控制器19、液压站18、蓄电池组22、逆变器23等控制执行装置。

6.增、变速器的特点及运行

增、变速器13设有两个高速输出轴，其中一个通过离合器15连至小容量发电机16，该高速轴增速比不变。当风速达到起动风速3.5m/s时，离合器15合上，小容量发电机16投入运行；另外一个高速轴也通过离合器15连至大容量发电机17，当达到切换风速8m/s时，大容量发电机17投入运行，小容量发电机16切除(此时增、变速器为第一档)；当风速超过V₁速度14m/s时，增、变速器13切换至第二档；当风速超过V₂速度17m/s时，增、变速器13切换至第三档；当风速超过V₃速度20m/s时，将全部切入相当于投入电气制动，同时盘形制动器14也开始制动，风力机切出运行。整个过程见风力机运行切换图5。

7.为保证用电负荷的供电质量，保证频率及电压的稳定，风力机采用全逆变供电方式，就是直流发电机发出的直流电经充电控制器21直接给蓄电池组22充电，而再由逆变器23将直流电转换成交流电后，输出至用电负荷。

二、并网运行的风力机组

并网运行的风电机组容量都较大，一般在100kw以上，因此性能要求更完善，为此增加了一些特殊功能机。风力机工作框图见图6。

风力机的特殊功能及控制特点如下：

1.在水平桨叶的尖部设叶尖扰流器，在超风速时起动力刹车作用。

2.水平桨叶最多设6叶。

3.由于采用桨叶可变控制技术，就必须增加对风装置。当风向改变后，风速、风向测量装置将信号发送至PC控制器，PC控制器发出工作指令后，各桨叶的液压推杆动作，使得桨叶与风向平行，并将此时的桨叶角度作为零度起始角，然后前180°桨叶角度基本不变。

4.增、变速器的特点及运行

增、变速器13设有3个高速输出轴，第一个高速轴通过离合器15接至小容量发电机16，第二、三个高速轴增速比相同，也就是转速相同，通过各自的离合器15连至两个同等容量的发电机。当风速达到3.5m/s时的切入风速时，小发电机16投入运行；当风速达到8m/s的第一切换风速时，第一台大发电机17投入运行，小发电机16切出运行；当风速达到14m/s的第二切换风速时，第二台大发电机17投入运行；当风速升高达到19m/s时，桨角转至最大阻力位置，叶尖扰流器也动作，维持两发电机转速恒定；当风速超过23m/s时，风力机切出运行。见风力机运行切换图7。

5.三台发电机均采用异步发电机，其容量比为1∶4∶4，并采用PC机控制的双向晶闸管软并网技术，减小对电网的冲击。

6.蓄电池组22的容量较独立运行的村落型风力机可大为减小，只需满足Pc控制器19、液压站18、控制设备所需容量及满足电机总电流的5％既可。

7.逆变器23容量也相应减小，一般，采用电力电子元件组成的固定逆变器。

8.采用Pc控制器19与液压系统连合的机电一体化控制技术，控制各发电机的投、切，并网频率及电压稳定，风力机的起动，叶尖扰流器与制动器的投、切，桨叶攻角变化和蓄电池组22的充电等。

Claims

1.一种垂直轴风力机，其特征在于风轮由水平桨叶(1、9)、垂直桨叶(2)、垂直支撑轴(3)三部分构成；机仓设置在地面；水平桨叶(1、9)采用变径机翼形结构；支撑、固定垂直桨叶(2)；垂直桨叶(2)采用等径翼形结构；沿垂直方向的每一段与垂直支撑轴(3)的距离都相同；每个垂直桨叶(2)均设有上下两个固定连接点，形成简支梁；垂直支撑轴(3)支撑水平桨叶、垂直桨叶及构件；垂直支撑轴(3)上设有二个轴承，分别是连接上水平桨叶(1)、上斜拉(4)的上轴承(5)；连接下水平桨叶(9)、下斜拉(6)的下轴承(7)；下轴承(7)安装有将风能转换的机械转矩输出的齿轮。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于所述的水平桨叶(1、9)的尖部可设计成叶尖扰流器形式。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于所述的垂直桨叶(2)可以为3-6个。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于所述的机仓内可设置多级变速器(13)，也可设置无级变速器。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风力机，其特征在于所述的机仓内还设有离合器(15)。

6.根据权利要求4所述的垂直轴风力机，其特征在于所述的多级变速器(13)级数不超过四级，其变速形式可以人为手动变速，也可通过风速测量装置自动变速；采用多输出轴结构，一般设置2-3个输出轴。