垂直軸風力機的製作方法
2023-05-08 02:35:26
專利名稱：垂直軸風力機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力機，尤其涉及一種應用在電網尚未到達的偏遠地區和雖建有電網，但風力資源較豐富地區的風力機，如應用在偏遠村落、海島、畜牧場、養殖場和我國西北、華北北部、東北等三北地區的垂直軸風力機。
背景技術：
人類利用風能的歷史已有2000多年，但只是近20年在風能的開發利用方面才取得了巨大的進步。一些發達國家的風力發電機組生產，剛實現了商品化。而現在發達國家的商品風力機組(以下簡稱風力機)的結構形式，主要是以上風向水平軸三槳葉形式為主。
水平軸風力機的優點是，技術較成熟，槳葉在360°旋轉範圍內均作功，風能轉換效率較高，但亦不能突破「Betz」限度59.3％。
但是由於其結構上的原因，水平軸風力機也受到一定的限制，它有如下缺點因為槳葉相當於懸臂梁結構，所以槳葉的重力、風力所產生的水平阻力及升力都使得槳葉的根部受力最大，風速越高，受力越大，因此通常使槳葉在高風速時進入失速狀態，以避免槳葉的破壞，從而導致了在高風速區內，不能充分利用風能的不足。
隨著風力機單機容量的增大，槳葉長度、面積、重量不斷加大，相應地水平傳動軸、增速器、發電機的重量也隨之加大。而支撐杆塔所需材料的重量及基礎佔地面積都隨之增大，使得杆塔的建造成本也成為影響發電成本的因素之一。
同理，受結構上的限制大多數水平軸風力機的槳葉是做成不等徑(寬)的，根部較寬，而往槳葉上部則逐漸收縮，而我們知道，槳葉上單位面積元所產生的力矩是隨著距水平軸半徑R的增大而增大的，換句話說，等徑的槳葉比現行的槳葉產生的力矩要大得多。但是受結構的限制，我們沒有這樣做。而且考慮失速調節的原因，翼形槳葉的攻角也由根部向葉尖逐漸減少，使得兒何形狀較複雜，從而導致模具製作困難，加工難度增加，工時延長，槳葉製作成本上升。
由於增速器、發電機等設備都集中於風力機水平軸後部的機倉內，尺寸、重量都受到限制，採用新技術，增加新設備受到一定的限制。
因機倉設於杆塔的頂端，設備安裝、調試、維修、保養都成為高空作業，極為不便，同時也增加了發電的成本。
如果用風力機組杆塔以上(包括杆塔)單位重量的發電能力，這項指標來衡量水平軸風力機，它存在以上的問題。
實用新型內容本實用新型針對上述風力機存在的問題，設計出一種垂直軸風力機，它解決了現有技術中風能利用不足，操作不便，發電成本高等問題。
本實用新型是這樣實現的風輪由水平槳葉、垂直槳葉、垂直支撐軸三部分構成；機倉設置在地面；水平槳葉採用變徑機翼形結構；支撐、固定垂直槳葉；水平槳葉的尖部可設計成葉尖擾流器形式；垂直槳葉採用等徑翼形結構；沿垂直方向的每一段與垂直支撐軸的距離都相同，沿垂直槳葉每一單位面積元所產生的轉距均相等；每個垂直槳葉均設有上下兩個固定連接點，形成簡支梁；垂直槳葉一般安裝3-6個；垂直支撐軸支撐水平槳葉、垂直槳葉及構件；垂直支撐軸上設有二個軸承，分別是連接上水平槳葉、上斜拉的上軸承；連接下水平槳葉、下斜拉的下軸承；下軸承安裝有將風能轉換的機械轉矩輸出的齒輪；機倉內可設置多級變速器，也可設置無級變速器；多級變速器設計成輸出軸為2-3個的多輸出軸結構；級數不超過四級，其變速形式可以人為手動變速，
也可通過風速測量裝置自動變速；機倉內增設有離合器。
本實用新型垂直軸風力機的設計原理如下水平槳葉水平槳葉的結構採用類似水平軸風力機槳葉的形式，為變徑機翼形結構。它的作用有兩個，一是結構梁的作用，起支撐、固定垂直槳葉的作用；二是當風流通過時，在水平槳葉上亦產生氣動力，這個氣動力可分成兩個分力，就是產生垂直升力的分力f1和產生水平阻力的分力fd，分力f1產生的垂直升力，可抵消一部分風輪重力，因此也就減小了風輪的水平轉動阻力；分力fd產生的阻力則產生使風輪轉動的力矩。同時水平槳葉還可以利用地面處垂直風流的風能使風輪轉動。類似水平軸風力機，我們也可把水平槳葉的尖部設計成葉尖擾流器形式，平時葉尖部分與槳葉成為一體，而在超風速時，葉尖旋轉一定角度，起到阻尼剎車作用。
垂直槳葉垂直槳葉採用等徑翼形結構。從圖中我們可以看出垂直槳葉，沿垂直方向的每一段與垂直支撐軸的距離都相同，沿垂直槳葉每一單位面積元所產生的轉距均相等，從而產生較大轉距。每個垂直槳葉均有上下兩個固定連接點，由水平軸風力機槳葉的懸臂梁變成簡支梁，使固定連接點的受力情況得到改善。因此可進一步增大槳葉的面積，獲得更大的轉距。
垂直槳葉一般安裝3-6個，不宜再多，槳葉過多風輪自重增加，導致起動力矩增大。
垂直支撐軸部分通常水平軸風力機的水平傳動軸，為了承受槳葉產生的扭矩，不得不設計的較粗、較重；而本實用新型垂直軸風力機的垂直支撐軸，根本就不作為傳動軸使用，而是起支撐水平槳葉、垂直槳葉及構件作用。垂直支撐軸上有二個軸承，分別是連接上水平槳葉、上斜拉的上軸承；連接下水平槳葉、下斜拉的下軸承；下斜拉軸承安裝有齒輪將風能轉換的機械轉矩輸出。
因垂直支撐軸不參與轉動，因此就可以採用普通的碳鋼管做垂直支撐軸，減輕了風輪的重量和轉動慣性，降低了風力機的起動力矩，也就降低了風力機的切入風速值。
增、變速器及相關設備在水平軸風力機增速器的設計中，因機倉設在杆塔頂部，受空間、重量的限制，一般採用結構緊湊的行星輪增速器及雙速異步發電機組，且增速器只有一個固定的增速比。
而在本實用新型垂直軸風力機中，因上述這些設備放置在地面的機倉內，不需要杆塔的支撐，因此不受空間、重量的限制，根據實際需要，可採用一些已成熟的技術，如像汽車中的變速機構一樣，採用多級變速器，或者無級變速器，以及其它一些新技術，這就給設計及應用帶來極大的靈活性。
因此在本實用新型垂直軸風力機中，採用普通直齒輪的多級變速器(以下簡稱增、變速器)。增、變速器級數不超過四級；其變速形式可以人為手動變速也可通過風速測量裝置，微電腦、液壓機電一體化控制系統，根據風速的變化實現自動變速；以保持輸出軸轉速相對穩定，維持發電機電壓和功率的恆定。
增、變速器設計為多輸出軸方式，一般輸出軸為2-3個。其中一個輸出軸為固定增速比，輸出軸通過離合器連至一個小容量發電機，目的是當風速達到設計的切入風速值時，該離合器合上，小發電機開始發電；另外的高速軸，也通過各自的離合器將轉矩耦合至大容量發電機；如兩個高速軸則採用同步變速方式，即它們的變速比始終是一樣的。當風速超過小發電機的設計切出風速時，一臺大發電機投入運行，增、變速器開始切換第一低速檔，當風速繼續升高時切換第二低速檔，如此過程直至切換到第三低速檔；如風速繼續升高，第二臺大發電機投入運行，因兩臺發電機投入後，轉速必然下降，因此，增、變速器切換至第一低速檔；如風速繼續升高，則增、變速器切換至下一級低速檔，同前，隨風速增高，增、變速器切換至最低檔(第三低速檔)。如風速降低，切換過程相反。
蓄電池組、逆變器、控制器結構及原理與水平軸風力機相同，在此不再贅述。
本實用新型垂直軸風力機的優點如下由於風輪結構上的改進，使得風電轉換效率得以提高，充分利用了高速段的風能，發電成本得以下降。
綜述如下1.由於發電機、增、變速器、傳動軸、制動器等部件從塔頂移至地面，因而使支撐杆塔的材料消耗減少，現場施工工時下降。從而降低發電成本。
2.因機倉移至地面，設備安裝完全不受重量、空間的限制，使得採用新技術改進性能，增設設備變得簡單可行，從而提高可靠性，降低發電成本。
3.機倉移至地面還有一個好處，那就是使設備及配件的更換、維修、保養、調試都變得方便容易，減少故障時間，增加運行時間，進一步降低營運成本。
4.因風輪上沒有電力電纜，也就避免了水平軸風力機因對風產生的電纜纏繞問題，無須採用複雜的自動解纜技術，可進一步降低成本。
5.因風輪水平槳葉的輔助升力及結構上的精心設計，儘量減輕風輪的自重及旋轉磨擦阻力，從而使得風輪的自起動成為可能，克服舊式垂直軸風力機不能自起動的缺點。
6.風輪的垂直槳葉採用等截面的槳葉，使得模具製造容易，槳葉的生產加工也變得相對容易，更適於批量生產，從而降低槳葉的製造成本。
7.大部分機械部件都在地面上，因而這些部件的生產更容易實現標準化、通用化、國產化和大型化。
如上所述，本實用新型垂直軸風力機因為自身的技術優勢、價格優勢及紮根於本土的地緣優勢，更易於在一直由外國人壟斷的風力機市場上打開突破口。在我國的風電市場上，它一定會有廣闊的發展前景，一定能植根於「三北」大地，進一步地發芽、開花、結果。
圖1為本實用新型垂直軸風力機的結構示意圖。
圖2為本實用新型垂直軸風力機的俯視圖。
圖3為本實用新型垂直軸風力機的水平槳葉工作原理圖。
圖4為本實用新型垂直軸風力機在獨立運行的村落的工作框圖。
圖5為本實用新型垂直軸風力機在獨立運行的村落的運行切換圖。
圖6為本實用新型垂直軸風力機在併網運行的村落的工作框圖。
圖7本實用新型垂直軸風力機在併網運行的村落的運行切換圖。
圖中，1.上水平槳葉，2.垂直槳葉，3.垂直支撐軸，4.上斜拉，5.上軸承，6.下斜拉，7.下軸承，8.齒輪，9.下水平槳葉，10.固定連接點，11.風輪，12.傳動齒輪對，13.增、變速器，14.盤形制動器，15.離合器，16.小容量發電機，17.大容量發電機，18.液壓站，19.PC控制器，20.低壓開關櫃，21.蓄電池充放電控制器，22.蓄電池組，23.逆變器，24.大發電機運行曲線，25.小發電機運行曲線，26.大發電機功率曲線，27.大發電機功率曲線，28.小發電機功率曲線，B.變壓器，C.補償電容器，P.發電機實際功率，Pe.發電機額定功率，V.風速。
具體實施方式
本實用新型垂直軸風力機在機械結構上較水平軸風力機稍複雜一些，在小型戶用型風力機應用方面，因成本較高，無競爭優勢，但隨著容量的增大，其優越性越見突出。
本實用新型垂直軸風力機，主要應用在以下兩種場合一.電網尚未到達的偏遠村落、海島、畜牧場、養殖場、蔬菜大棚區等。
二.雖建有電網，但風力資源較豐富的地區，如我國的三北地區(西北、華北北部、東北)。
依據上述兩種應用場合的特點，分別設計了兩種不同的風力機組。
一.獨立運行的村落型風力機組，適用於第一種應用場合。
二.併網運行的村落型風力機組，適用於第二種應用場合；即可以單臺供電，也可以由多颱風力機組成風電場，集中供電。
一.獨立運行的村落型風力機組獨立運行的風力機組容量較小，無需併網，因此結構簡單，成本低廉，可靠性高，應是優先考慮的指標。
獨立運行的村落風力機組工作框圖見圖4獨立運行的村落風力機組基本構成和設計特點如下1.槳葉數量不宜過多，一般設計為3或者4葉型，槳葉安裝角固定(類似水平軸定槳距風力機)。
2.在水平槳葉端部不裝設葉尖擾流器。
3.無需對風裝置，但設有風速測量裝置。
4.安裝大小兩臺直流發電機，兩臺發電機的容量比設計為1∶4。
5.地面機房內設有PC控制器19、液壓站18、蓄電池組22、逆變器23等控制執行裝置。
6.增、變速器的特點及運行增、變速器13設有兩個高速輸出軸，其中一個通過離合器15連至小容量發電機16，該高速軸增速比不變。當風速達到起動風速3.5m/s時，離合器15合上，小容量發電機16投入運行；另外一個高速軸也通過離合器15連至大容量發電機17，當達到切換風速8m/s時，大容量發電機17投入運行，小容量發電機16切除(此時增、變速器為第一檔)；當風速超過V1速度14m/s時，增、變速器13切換至第二檔；當風速超過V2速度17m/s時，增、變速器13切換至第三檔；當風速超過V3速度20m/s時，將全部切入相當於投入電氣制動，同時盤形制動器14也開始制動，風力機切出運行。整個過程見風力機運行切換圖5。
7.為保證用電負荷的供電質量，保證頻率及電壓的穩定，風力機採用全逆變供電方式，就是直流發電機發出的直流電經充電控制器21直接給蓄電池組22充電，而再由逆變器23將直流電轉換成交流電後，輸出至用電負荷。
二、併網運行的風力機組併網運行的風電機組容量都較大，一般在100kw以上，因此性能要求更完善，為此增加了一些特殊功能機。風力機工作框圖見圖6。
風力機的特殊功能及控制特點如下1.在水平槳葉的尖部設葉尖擾流器，在超風速時起動力剎車作用。
2.水平槳葉最多設6葉。
3.由於採用槳葉可變控制技術，就必須增加對風裝置。當風向改變後，風速、風向測量裝置將信號發送至PC控制器，PC控制器發出工作指令後，各槳葉的液壓推桿動作，使得槳葉與風向平行，並將此時的槳葉角度作為零度起始角，然後前180°槳葉角度基本不變。
4.增、變速器的特點及運行增、變速器13設有3個高速輸出軸，第一個高速軸通過離合器15接至小容量發電機16，第二、三個高速軸增速比相同，也就是轉速相同，通過各自的離合器15連至兩個同等容量的發電機。當風速達到3.5m/s時的切入風速時，小發電機16投入運行；當風速達到8m/s的第一切換風速時，第一臺大發電機17投入運行，小發電機16切出運行；當風速達到14m/s的第二切換風速時，第二臺大發電機17投入運行；當風速升高達到19m/s時，槳角轉至最大阻力位置，葉尖擾流器也動作，維持兩發電機轉速恆定；當風速超過23m/s時，風力機切出運行。見風力機運行切換圖7。
5.三臺發電機均採用異步發電機，其容量比為1∶4∶4，並採用PC機控制的雙向晶閘管軟併網技術，減小對電網的衝擊。
6.蓄電池組22的容量較獨立運行的村落型風力機可大為減小，只需滿足Pc控制器19、液壓站18、控制設備所需容量及滿足電機總電流的5％既可。
7.逆變器23容量也相應減小，一般，採用電力電子元件組成的固定逆變器。
8.採用Pc控制器19與液壓系統連合的機電一體化控制技術，控制各發電機的投、切，併網頻率及電壓穩定，風力機的起動，葉尖擾流器與制動器的投、切，槳葉攻角變化和蓄電池組22的充電等。
權利要求1.一種垂直軸風力機，其特徵在於風輪由水平槳葉(1、9)、垂直槳葉(2)、垂直支撐軸(3)三部分構成；機倉設置在地面；水平槳葉(1、9)採用變徑機翼形結構；支撐、固定垂直槳葉(2)；垂直槳葉(2)採用等徑翼形結構；沿垂直方向的每一段與垂直支撐軸(3)的距離都相同；每個垂直槳葉(2)均設有上下兩個固定連接點，形成簡支梁；垂直支撐軸(3)支撐水平槳葉、垂直槳葉及構件；垂直支撐軸(3)上設有二個軸承，分別是連接上水平槳葉(1)、上斜拉(4)的上軸承(5)；連接下水平槳葉(9)、下斜拉(6)的下軸承(7)；下軸承(7)安裝有將風能轉換的機械轉矩輸出的齒輪。
2.根據權利要求1所述的垂直軸風力機，其特徵在於所述的水平槳葉(1、9)的尖部可設計成葉尖擾流器形式。
3.根據權利要求1所述的垂直軸風力機，其特徵在於所述的垂直槳葉(2)可以為3-6個。
4.根據權利要求1所述的垂直軸風力機，其特徵在於所述的機倉內可設置多級變速器(13)，也可設置無級變速器。
5.根據權利要求1所述的垂直軸風力機，其特徵在於所述的機倉內還設有離合器(15)。
6.根據權利要求4所述的垂直軸風力機，其特徵在於所述的多級變速器(13)級數不超過四級，其變速形式可以人為手動變速，也可通過風速測量裝置自動變速；採用多輸出軸結構，一般設置2-3個輸出軸。
專利摘要本實用新型涉及了一種垂直軸風力機，其特徵在於風輪由水平槳葉、垂直槳葉、垂直支撐軸三部分構成；機倉設置在地面；水平槳葉採用變徑機翼形結構；支撐、固定垂直槳葉；垂直槳葉採用等徑翼形結構；每個垂直槳葉均設有上下兩個固定連接點，形成簡支梁；垂直支撐軸支撐水平槳葉、垂直槳葉及構件；優點為材料消耗減少，現場施工工時下降；設備及配件的更換、維修、保養、調試都變得方便容易，減少故障時間，增加運行時間；避免了水平軸風力機因對風產生的電纜纏繞問題，無須採用複雜的自動解纜技術，風輪可以自起動；風電轉換效率得以提高，發電成本得以下降；適於批量生產，容易實現標準化、通用化、國產化和大型化。
文檔編號F03D11/02GK2693983SQ20032013125
公開日2005年4月20日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者王稔英, 陸文志 申請人:王稔英