垂直軸風力發電裝置的製作方法

2023-05-26 17:07:11

專利名稱：垂直軸風力發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明專利涉及風力發電，特別是一種啟動風速低，發電效率高的垂直軸風力發 電裝置。
背景技術：
眾所周知，風力機是一種將風能轉換成機械能、電能或熱能的能量轉換裝置，按風輪軸的位置不同可分為水平軸風力機和垂直軸風力機，能量驅動鏈(即風輪、主軸、增速 箱、發電機)呈水平方向的稱之為水平軸風力機(Horizontal Axis Wind Turbine,HAWT) 能量驅動鏈成垂直方向的稱之為垂直軸風力機(Verticaol Axis Wind Turbine，VAWT)。水平軸風力機是目前國內外研製最多，最常見的一種風力機，也是技術最成熟的 一種風力機，其風輪葉輪數一般為2 3葉，葉輪形狀一般為翼形，該風輪啟動力矩較大，風 能利用係數高，為使掃風面隨時對著風向，需裝有調向裝置。垂直軸風力機很早就被應用於人類的生活領域中，但是由於人們普遍認為垂直軸 風輪的啟動力矩小、風能利用率低，因而導致垂直軸風力機長期得不到重視。隨著科技的發 展和人類認識水平的不斷提高，研究證明垂直軸風力發電機風能利用率並不低於水平軸風 力發電機，目前許多國家的機構和個人正在研究各種垂直軸風力發電機。垂直軸風力機可 分為兩個主要類型一類是利用空氣動力的阻力做功，典型的結構是S型風力機；另一類是 利用翼型的升力做功，最典型的是達裡厄(Darrieus)型風力機，達裡厄風力機有多種形式 如Φ型、H型、Y型和菱形，基本上是直葉輪和彎葉輪兩種，以H型、Φ型風輪為典型。上述現有風力發電技術存在如下缺陷1.水平軸風力發電機結構複雜、安裝調試維護困難、製造成本高，抗損能力差，並 且有一定的噪聲汙染，表現為(1)從葉輪受力分析來看，水平軸漿葉上受到正面風載荷 力、離心力作用，隨機風載荷達幾十噸，而葉輪結構類似懸臂梁，葉輪根部受到的彎矩應力 很大，大量事故都是葉輪根部折斷；(2)當風速變化時，為了調節轉速，安裝有液壓閉環調 節控制系統來調節漿距，即在風載荷下轉動漿葉一個角度，該系統精度高、價格貴、維護難； (3)為實現轉速的合理匹配，設計有重達50 100噸的多級行星齒輪變速箱，其運輸和安裝 起重的難度很大，成本很高；(4)水平軸機組機艙放置在高塔的頂部，是一個可旋轉360° 的活動聯接系統。其重心高，結構不穩定，導致安裝和維護不便。2.垂直軸風力電機擁有比水平軸風力電機噪音低、安全性高等特點。一般垂直軸 風力機不要迎風調節系統，可以接受360°方位中任何方向來風，並始終向著設計的方向轉 動；風機不需要閉環液壓調距系統、不需要葉輪迎風調節系統、不需要任何自動控制調速系 統或特殊設計的變速恆頻發電機。在整個可發電風速範圍內向電網輸出同頻率，同電壓的 電；不需要發電機的過載、過流保護系統及複雜昂貴的監控系統；發電機的齒輪箱放在底 部，重心低，不僅穩定，而且維護方便；風機塔架可以用鋼索進行固定，因而製造成本大大減 小，但垂直軸風力發電機普遍存在啟動性能差，運行效率低等缺點，這在全球風力發電設計 領域來說都是一個比較難以跨越的課題。如S型風機(風阻型)由兩個軸線錯開的半圓柱形組成，其優點是啟動轉矩大，缺點是(1)風機轉速低，其尖速比小於1，故風能利用率低， 轉化效率係數Cp在0. 3左右；(2)由於圍繞著風輪產生不對稱氣流，從而對它產生側向推 力。對於較大型的風力機，由於受偏轉與極限應力的限制，採用這種結構形式是比較困難 的。而升力型風機如達裡厄風力機在高轉速時(一般尖速比在4 5)其風能利用率高，可 達0.45 0.55。但缺點是(1)啟動力矩小，不能自啟動(2)調速、限速困難。

發明內容
本發明專利的目的是克服上述現有技術的不足，提供一種啟動力矩大、發電效率 高、使用壽命長的垂直軸風力發電裝置。本發明專利可以通過如下措施達到一種垂直軸風力發電裝置，包括支架、發電機、葉輪，葉輪由葉片、輪輻、輪轂和主 軸組成，葉片連接在輪輻上，輪輻連接於輪轂上，輪轂可繞主軸旋轉，其特徵在於葉輪呈H 型並垂直安裝，發電機和主軸相連接，主軸為垂直軸，主軸上裝有自動偏航剎車調速裝置。本發明自動偏航剎車調速裝置安裝在主軸的頂部，隨風向及轉速調節控制垂直安 裝的葉輪的迎風攻角；葉輪在風力驅動下旋轉而帶動發電機轉動從而達到發電的目的。本發明專利葉輪採用H型翼型葉片，輪輻採用三角形輪輻，輪輻與輪轂上、下雙支 點連接，葉片與輪輻採用活動連接，並可繞銷軸擺動，其擺動方向和位置受自動偏航剎車調 速系統的控制，由於採用了垂直葉片和三角形雙支點設計，使得主要受力點集中於輪轂，因 此很好地解決了葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題，使用壽命延長。本發明專利中的自動偏航剎車調速系統由偏航立柱、滑塊、彈簧、轉盤、轉軸、連 杆、尾杆、尾翼等組成，偏航立柱安裝在主軸頂端，其上端安裝尾杆，尾杆後端帶有尾翼，偏 航立柱在尾翼的作用下與風向始終保持一定的角度；偏航立柱上設有滑軌，上面安裝滑塊， 滑塊下端安裝有彈簧，滑塊外部安裝轉盤，轉盤可繞偏航立柱轉動；偏航立柱上設計的滑軌 與主軸有一定的夾角，故安裝於滑軌內的滑塊在不同的高度相對主軸有不同的位置，除了 在滑軌與主軸軸線相交處與主軸重合外，其餘位置均偏離主軸一定距離，故安裝在滑塊上 的轉盤也就偏離主軸中心一個距離；此偏心距受葉輪轉速的控制，在轉速達到額定轉速時， 轉盤中心與主軸中心重合，偏心距為零；而在轉速低於或高於額定轉速時，轉盤中心則偏離 主軸一定距離，即偏心距L，轉盤通過轉軸、連杆與葉片鉸鏈相連；葉片在輪輻前端通過銷 軸連接，可繞銷軸做一定幅度的擺動，輪輻與輪轂相連並繞著主軸旋轉；葉片、輪輻的迴轉 中心為主軸，而連杆、轉盤的迴轉中心是滑塊中心；這樣，葉片、輪輻、連杆、轉盤就組成了一 個以主軸為中心的隨轉角不同而夾角不斷變化的四連杆機構，它根據風向的不同和轉速的 高低來不斷調整葉片的迎風攻角，從而達到在低風速時以風阻型方式快速啟動風機，在額 定轉速時以升力型方式高效運行風機，而在超過額定轉速時自動剎車限速的目的。本發明專利使用時，在風力驅動下，自動偏航剎車調速系統的尾翼始終位於下風向處，尾杆與風向一致，尾杆控制偏航立柱與風向的角度；偏航立柱中的滑塊處於主軸上 方，滑塊偏離主軸中心一定距離(偏心距L隨轉速增高而變小)，因轉盤安裝於滑塊上，故 隨滑塊一起相對主軸移動一個偏心距L ；此時，對於處於順風位置的葉片，連杆在偏心的相 反方向，葉片上連杆的連接點到主軸的距離=連杆長度-偏心距；連杆拉動葉片向主軸中 心轉動，葉輪與輪輻基本平行，葉片的受風面積基本等於葉片的弦長；而處於逆風位置的葉片，連杆與偏心的相同方向，葉片上連杆的連接點到主軸的距離=連杆長度+偏心距；連杆 推動葉片旋轉到與輪輻約為90°角度，此葉片的受風面積基本等於葉片弦高；即葉片在順 風時張開最大從而獲得最大的風能，而在逆風時葉片迎風面最小從而阻力最小；風機在兩 側力矩差的作用下迅速啟動，從而達到低速快速啟動的目的；在葉輪轉速低於設定轉速時， 此偏心距一直存在，葉片始終在順風時張開而在逆風時合上，從而獲得最佳的力學性能。隨 著葉輪轉速的提高，葉片的離心力越大，施加於連杆上的力越大，連杆拉動滑塊克服彈簧的 壓力而向下移動，滑塊相對於主軸的偏心距逐步縮小，直至與主軸中心重合，此時，輪輻、葉 片、連杆就組成一繞主軸旋轉的固定的三角形，葉片角度不再變化，成為純升力型風機，圍 繞主軸高速旋轉，以獲得高的風電轉換效率。在葉輪轉速超過額定轉速時，葉片的離心力通 過連杆拉動滑塊繼續向下移動，滑塊相對於主軸出現一相反方向的偏心距，轉速越高偏心 距越大；與低速轉動時的作用相反，此時，對於處於順風位置的葉片，偏心的作用是加長連 杆從而推動葉片旋轉以減少受風面積；而處於逆風位置的葉片，偏心的作用是縮短連杆從 而拉動葉片旋轉以增大阻力；風機在兩側力矩差的作用下迅速剎車，從而達到剎車限速的 目的。本發明專利發明所設計的風力發電機，是一種全新結構的垂直軸風力發電機。它 集風阻型風機的大啟動力矩、升力型風機的高風電轉換效率及獨有的超速剎車調速於一 身，結構上使用垂直軸風機的基本形式，以達到結構簡單、製造成本低、安全性高、操作維護 方便、噪音低等優點；同時在其頂部安裝有類似水平軸風機的自動偏航剎車調速系統來操 縱風機的葉片，使葉片隨著風向即轉速的不同而在不同的位置擁有不同的迎風角，自動偏 航剎車調速系統的作用是在低風速時以風阻型方式啟動風機，以獲得大的啟動力矩；而 在高風速時和高轉速時以升力型方式運行，以獲得高的風電轉換效率；在超高風速時實現 自動剎車調速，以獲得穩定的電力輸出。


圖1是本發明專利的總體結構示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是本發明專利中葉輪三角形雙支點連接示意4是本發明自動偏航剎車調速裝置的結構示意圖。圖5是圖4的俯視圖。圖6是本發明啟動時自動偏航剎車調速裝置的狀態圖。圖7是本發明啟動時的葉片的狀態圖。圖8是本發明在額定轉速時自動偏航剎車調速裝置的狀態圖。圖9是本發明在額定轉速時葉片的狀態圖。圖10是本發明在超速時自動偏航剎車調速裝置的狀態圖。圖11是本發明在超速時葉片的狀態圖。
具體實施例方式下面結合各附圖對本發明專利作進一步描述如圖1、圖2所示，一種垂直軸風力發電裝置，包括支架1、發電機2、葉輪3、自動偏航剎車調速系統4。葉輪3包括葉片5、銷軸6、支耳7、輪輻8、輪轂9、主軸10 (如圖3所示)；自動偏航剎車調速系統包括連杆11、轉軸12、轉盤13、偏航立柱14、滑塊15、彈簧16、 尾杆17、尾翼18、鉸鏈19(如圖4、圖5所示)，支架1、發電機2的結構及相互連接關係與 現有技術相同，此不贅述，本發明專利的特徵在於葉輪3採用H型機翼型葉片5，輪輻8採 用三角形輪輻，輪輻與輪轂9上、下雙支點連接，如圖3所示。葉片5與輪輻8採用活動連 接，一般採用銷軸連接，葉片5可繞銷軸6擺動，其擺動方向和位置受自動偏航剎車調速裝 置4的控制，由於採用了垂直葉輪3和三角形雙支點連接設計，使得主要受力點集中於輪轂 9，因此很好地解決了葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問題，使用壽命延長。如圖4、圖5所示，自動偏航剎車調速系統由偏航立柱14、滑塊15、彈簧16、轉盤 13、轉軸12、連杆11、尾杆17、尾翼18等組成，偏航立柱14安裝在主軸10頂端，其上端安 裝尾杆17，尾杆後端帶有尾翼18 ；偏航立柱14上設有滑軌，滑軌上面安裝滑塊15，滑塊15 下端安裝有彈簧16，滑塊15外部安裝轉盤13，轉盤13可繞偏航立柱14轉動；偏航立柱14 上設計的滑軌與主軸10有一定的夾角，故安裝於滑軌內的滑塊15在不同的高度相對主軸 10有不同的位置，除了在滑軌與主軸軸線相交處與主軸中心重合外，其餘位置均偏離主軸 一定距離，故安裝在滑塊15上的轉盤13也就偏離主軸中心一個距離L ；此偏心距受葉輪轉 速的控制，在轉速達到額定轉速時，轉盤中心與主軸中心重合，偏心距為零；而在轉速低於 或高於額定轉速時，轉盤中心則偏離主軸一定距離，即偏心距L。轉盤13通過轉軸12、連杆 11與葉片5用鉸鏈19相連；葉片5在輪輻8前端通過銷軸6連接，可繞銷軸做一定幅度的 擺動，輪輻8與輪轂9相連並繞著主軸旋轉；葉片、輪輻的迴轉中心為主軸，而連杆、轉盤的 迴轉中心是滑塊中心；這樣，葉片5、輪輻8、連杆11、轉盤13就組成了一個以主軸10為中 心的隨轉角不同而夾角不斷變化的四連杆機構，它根據風向的不同和轉速的高低來不斷調 整葉片的迎風攻角，從而達到在低風速時以風阻型方式快速啟動風機，在額定轉速時以升 力型方式高效運行風機，而在超過額定轉速時自動剎車限速的目的。如圖6、圖7所示在風力驅動下，自動偏航剎車調速系統的尾翼18始終位於下風向 處，尾杆17與風向一致，尾杆控制偏航立柱14與風向的角度；偏航立柱中的滑塊15處於主 軸10上方，滑塊偏離主軸中心一個偏心距L，因轉盤13安裝於滑塊上，故隨滑塊一起相對主 軸移動一個偏心距L ；此時，對於處於順風位置的葉片5，偏心在連杆與主軸的反方向，偏心 的作用是縮短葉片上連杆的連接點到主軸的距離，中心距=連杆長度-偏心距，連杆拉動 葉片向主軸中心擺動，葉片5與輪輻8基本平行，葉片的受風面積基本等於葉片的弦長；而 處於逆風位置的葉片，連杆與滑塊偏心的相同方向，偏心的作用是加長葉片上連杆的連接 點到主軸的距離，葉片上連杆的連接點到主軸的距離=連杆長度+偏心距，連杆推動葉片5 旋轉到與輪輻8約為90°角度，此葉片的受風面積基本等於葉片弦高；因葉片的弦長大於 弦高，故葉片在順風方向上獲得的風力大於在逆風方向上獲得的風力，葉輪在兩側力矩差 的作用下迅速啟動，從而達到低速快速啟動的目的。在葉輪啟動及轉速低於額定轉速時，此 偏心距一直存在，葉片始終在順風時張開而在逆風時合上，從而獲得最佳的力學性能。如圖8、圖9所示，隨著葉輪轉速的提高，葉片5的離心力越大，離心力迫使葉片繞 銷軸6轉動，葉片上將通過鉸鏈19拉動連杆11向外移動，連杆11與葉片5在垂直方向的夾 角變小，在連杆另一端的轉盤13與滑塊15 —起在連杆拉動下克服彈簧16的彈力而向下移 動，滑塊15相對於主軸10的偏心距逐步縮小，直至與主軸中心重合，此時，輪輻8、葉片5、連杆11就組成一繞主軸10旋轉的固定的三角形，葉片角度不再變化，成為純升力型風機，圍繞主軸高速旋轉，以獲得高的風電轉換效率。翼型葉片的升力做功原理與其它H型升力 型風機的工作機理一樣，在此不再贅述。本發明專利的超速自動剎車調速原理如圖10、圖11所示，在葉輪轉速超過額定轉 速時，葉片5的離心力通過連杆11拉動滑塊15繼續向下移動(驅動原理如前所述)，滑塊 15相對於主軸10出現一反方向的偏心距(-L)，轉速越高偏心距越大；與低速轉動時偏心距 的作用相反，此時，對於處於順風位置的葉片，偏心的作用是加長連杆從而推動葉片旋轉以 減少受風面積；而處於逆風位置的葉片，偏心的作用是縮短連杆從而拉動葉片旋轉以增大 阻力；風機在兩側力矩差的作用下迅速剎車，從而恢復到額定轉速時的工作狀態，以達到自 動剎車調速的目的。如前所述，本發明專利所設計的風力發電裝置，是一種全新結構的垂直軸風力發 電機。它集風阻型風機的大啟動力矩、升力型風機的高風電轉換效率及獨有的超速剎車調 速於一身，結構上使用垂直軸風機的基本形式，以達到結構簡單、製造成本低、安全性高、操 作維護方便、噪音低等優點；同時在其頂部安裝有類似水平軸風機的自動偏航剎車調速系 統來操縱風機的葉片，使葉片隨著風向及轉速的不同而在不同的位置擁有不同的迎風角， 以達到在低風速時以風阻型方式快速啟動風機，在高風速時和高轉速時以升力型方式高效 率運行風機，在超高風速時自動剎車調速保護風機的目的。自動偏航剎車調速系統的使用 解決了目前垂直軸風機普遍存在的不能自動調速、剎車困難等難題，同時在使用電液控制 自動偏航剎車調速系統時，因液壓作動筒中的液體具有阻尼作用，可有效的減弱風機的振 動。此技術是對垂直軸風力發電機一種較大的更新。
權利要求
一種垂直軸風力發電裝置，包括支架、發電機、葉輪，葉輪由葉片、輪輻、輪轂和主軸組成，葉片連接在輪輻上，輪輻連接於輪轂上，輪轂可繞主軸旋轉，其特徵在於葉片呈機翼型並H型垂直安裝，發電機和主軸相連接，主軸為垂直軸，主軸上裝有自動偏航剎車調速裝置。
2.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力發電裝置，其特徵在於自動偏航剎車調速裝 置安裝在主軸的頂部。
3.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力發電裝置，其特徵在於輪輻採用三角形輪 輻，輪輻與輪轂上、下雙支點連接，葉片與輪輻採用活動連接。
4.根據權利要求1所述的一種垂直軸風力發電裝置，其特徵在於自動偏航剎車調速裝 置由偏航立柱、滑塊、彈簧、轉盤、轉軸、連杆、尾杆、尾翼組成，偏航立柱安裝在主軸頂端，其 上端安裝尾杆，尾杆後端帶有尾翼，偏航立柱上設有滑軌，滑軌上裝有滑塊，滑塊下端安裝 有彈簧，滑塊上安裝可繞偏航立柱轉動的轉盤，轉盤上設有轉軸，連杆一端與轉軸相連接， 另一端與葉片鉸鏈相連。
全文摘要
本發明涉及風力發電，特別是一種垂直軸風力發電裝置，其包括支架、發電機、葉輪，葉輪由葉片、輪輻、輪轂和主軸組成，葉片連接在輪輻上，輪輻連接於輪轂上，輪轂可繞主軸旋轉，特徵在於葉輪呈H型並垂直安裝，發電機和主軸相連接，主軸為垂直軸，主軸上裝有自動偏航剎車調速裝置，本發明具有結構簡單、製造成本低、使用效率高、安全性好、操作維護方便、噪音低等優點。同時能夠實現低風速時大力矩啟動風機，高風速時和高轉速時高效率運行風機，在超高風速時自動剎車調速保護風機的功能。
文檔編號F03D3/06GK101839212SQ20091001459
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者劉慧 , 歐振玉 申請人:歐振玉