相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的製作方法

2023-12-12 16:38:47

本發明涉及一種風力機器，更為具體地，本發明涉及一種垂直軸式風力機器。

背景技術：

風力機器是一種利用風力機葉片捕獲風能，並將其轉換為旋轉機械能，進而驅動機器發電的能源機器。根據其規模和功率的大小將其劃分為大型風力機器和小型風力機器。我國是小型風力機器的主要生產和出口國。

現有技術中，小型風力機器主要有水平軸式和垂直軸式兩種結構，這兩種結構均採用風力機直接驅動永磁機器方式。

水平軸式風力機器的缺點是啟動風力較大，一般需要啟動風速在3.5m/s~4.0m/s才能啟動機器，無法實現微風（2級風）啟動發電。

垂直軸式風力機器的啟動轉距大，可以實現微風啟動發電，但其垂直軸結構限制了其轉速，風力機葉片旋轉的線速度不能高於風速，迴轉半徑越大，則轉速就越低。而用於風力機器的永磁機器轉速要求較高，一般轉速都在300轉/分以上才能有效發電。現有技術中的垂直軸式風力機器採用垂直旋轉風力機與永磁機器直接連接的方式，風力機安裝在永磁機器的轉子上，利用風力機的葉片旋轉帶動永磁機器的轉子旋轉來發電。而高轉速的永磁機器在風速較低時與低轉速的風力機不匹配，使永磁機器無法工作在額定的設計轉速中，也就無法提供需要的電能，影響了發電效率。

此外，現有技術中的垂直軸式機器的調速較為困難，不能最大限度地捕獲風能，且過高風速下的保護也只能靠機械式剎車裝置。

因此，提供一種解決上述缺點的相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統實為必要。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統，通過以下技術方案實現：該相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統包括定子葉片組，外轉子葉片組和具有定子和外轉子的永磁機器，所述定子葉片組連接在所述永磁機器的定子上,能夠帶動該定子沿第一方向旋轉;所述外轉子葉片組連接在所述永磁機器的外轉子上,能夠帶動該外轉子沿與所述第一方向相反的第二方向旋轉。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，所述定子葉片組包括複數個定子葉片，每個所述定子葉片通過複數個定子連接葉片連接到所述永磁機器的定子上；所述外轉子葉片組包括複數個外轉子葉片，每個所述外轉子葉片通過複數個外轉子連接葉片連接到所述永磁機器的外轉子上。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，每個所述定子葉片和每個所述外轉子葉片均由主機翼和襟翼構成，所述襟翼可相對於所述主機翼調整偏角。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，所述襟翼由直流電機通過一對齒輪驅動，所述直流電機由無線遙控裝置控制其運轉，進而控制所述襟翼相對於所述主機翼調整偏角。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，所述定子連接葉片和所述外轉子連接葉片為升力翼型連接葉片。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，所述永磁機器的定子上安裝有定子法蘭盤，所述定子葉片組安裝在所述定子法蘭盤上；所述永磁機器的外轉子上安裝有外轉子法蘭盤，所述外轉子葉片組安裝在所述外轉子法蘭盤上。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，每個所述定子葉片和每個所述外轉子葉片採用NACA2414或NACA23012翼型。

在本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的一個具體實施例中，還包括塔架，該塔架的一端連接所述永磁機器，該塔架用於支撐所述永磁機器及所述定子葉片組和外轉子葉片組。

本發明採用兩組葉片，一組連接永磁機器的定子，一組連接永磁機器的外轉子，而且在風力的驅動下，兩組葉片將帶動該永磁機器的定子和外轉子相向旋轉。相對於只有一組葉片連接在永磁機器的轉子上的結構而言，本發明提供的這種風力機器的結構使永磁機器在相同的風力條件下轉速提高了一倍，能夠使葉片的旋轉速度與永磁機器額定的轉速相匹配。同時，採用兩組葉片的結構相對於一組葉片的結構也減小了葉片的尺寸和迴轉半徑。本發明的一個具體實施例中，採用的可調襟翼結構可實現風能的最大捕獲和高風速下的自我保護功能；採用升力翼型連接葉片可有效減小旋轉時軸承上的機械負荷，延長實用壽命。

附圖說明

圖1為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的整體結構圖；

圖2為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的永磁機器的剖面圖；

圖3為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的定子葉片的結構圖；

圖4為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的的定子葉片工作時正常工作狀況下的結構圖；

圖5為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的的定子葉片工作時微風啟動狀況下的結構圖；

圖6為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的的定子葉片工作時在大風速狀況下的結構圖；

具體實施方式

下面將結合附圖詳細講解本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統。

參考圖1，一種相向垂直軸式風力機器包括永磁機器3，該永磁機器3包括定子30和外轉子31。所述定子30呈圓柱形，而所述外轉子31則呈圓筒形，且外轉子31的內半徑大於所述定子30的半徑，從而定子30可以在外轉子31的內部中空部位相對自由的轉動，所述定子30和外轉子31都可以轉動，其名稱是採用傳統技術的名稱，不能限定其功能。

這種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統還包括定子葉片組1和外轉子葉片組2。所述定子葉片組1安裝在定子30上，並能夠帶動該定子30在第一方向（例如順時針方向）上旋轉；而外轉子葉片組2則安裝在外轉子31上，並能夠帶動該外轉子31在與所述第一方向相反的方向（例如逆時針方向）上旋轉。也就是說，定子30和外轉子31在各自的葉片組帶動下相向旋轉，與現有技術中只有一個外轉子旋轉的風力機器相比，該技術使永磁機器的轉速提高了一倍。

在本實施例中，所述定子葉片組1和外轉子葉片組2都包括複數個（本實施例為3個）葉片，定子葉片組1上的葉片我們稱之為定子葉片10，而外轉子葉片組2上的葉片我們稱之為外轉子葉片20，所述定子葉片10和外轉子葉片20無論結構還是功能都是一樣的，故下文中如果僅介紹其中一種葉片，另外一種葉片也是同樣的結構和功能，就不再另外介紹了。

在本實施例中，所述定子葉片組1和外轉子葉片組2都包括複數個（本實施例為6個）連接葉片，定子葉片組1上的連接葉片我們稱之為定子連接葉片11，而外轉子葉片組2上的連接葉片我們稱之為外轉子連接葉片21，所述定子連接葉片11和外轉子連接葉片21無論結構還是功能都是一樣的，故下文中如果僅介紹其中一種連接葉片，另外一種連接葉片也是同樣的結構和功能，就不再另外介紹了。

不論是定子葉片組1還是外轉子葉片組2，都是通過各自的連接葉片連接到定子30或外轉子31上的。

這種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統還包括一支撐所述永磁機器3和所述定子葉片組1和外轉子葉片組2的塔架4。該塔架一端連接所述永磁機器3，另一端則埋入地下用於固定該風力機器。

參考圖2，該圖2為永磁機器3的剖面圖。該永磁機器3包括定子30和外轉子31。所述定子30的頂端安裝有定子法蘭盤300，該定子法蘭盤300用於安裝定子連接葉片11從而固定定子葉片10。所述外轉子31的頂端安裝有外轉子法蘭盤310，該外轉子法蘭盤310用於安裝外轉子連接葉片21從而固定外轉子葉片20。該外轉子31還包括一支撐筒312，在該支撐筒312的頂端裝有軸承301，該軸承301可以為滾珠軸承或其它起支撐並潤滑作用的軸承，軸承301有助於定子30順暢地相對於支撐筒312旋轉。在支撐筒312和外轉子31的旋轉部分（圖未示）之間裝有軸承311，在本實施例中，該軸承311包括4個分立軸承，有3個分立軸承位於該支撐筒312的上端，有1個分立軸承位於該支撐筒312的下端。所述支撐筒312下端固定在所述塔架4上（圖未示），如此一來，定子30可以相對於支撐筒312旋轉，外轉子31的旋轉部分也相對於支撐筒312旋轉，只要通過葉片組的不同安裝方向就可以決定定子30和外轉子31的旋轉方向。

參考圖3，圖3為本發明提供的一種相向旋轉垂直軸式風力發電機控制系統的定子葉片的結構圖。因為外轉子葉片和定子葉片的結構和工作模式完全一樣，因此這裡僅描述定子葉片，外轉子葉片就不再另外描述。如圖所示，定子葉片10包括主翼100和襟翼101，該襟翼101靠近主翼100的一端安裝有齒輪組102，該齒輪組102通過一個傳動軸（圖未示）由一直流電機103控制其運轉，該直流電機103由一無線遙控裝置（圖未示）控制其運轉，進而控制齒輪組102運轉，齒輪組102將帶動所述襟翼101相對於主翼100調整偏角。

該風力機器可以在微風條件下啟動，微風啟動時，通過無線遙控裝置控制所述定子葉片10的襟翼101下偏，參見圖5，當襟翼101下偏時，定子葉片10將獲得較大的啟動轉距，能夠在微風條件下順利啟動。當啟動完成時，風速也在額定的範圍內，即該風力機器工作在正常條件下時，通過無線遙控裝置控制所述定子葉片10的襟翼101與主翼100沒有偏角，參見圖4，即該襟翼101與主翼100保持流線型外形，該外形符合空氣動力特性要求。當風速過大需要降低葉片組的轉速時，通過無線遙控裝置控制所述定子葉片10的襟翼101上偏，參見圖6，此時定子葉片10的氣動轉距減小，進而使定子葉片組1的轉速降低。所述無線控制裝置可以採用單片機作為控制器，因為該技術為公知技術，在此不再贅述。

在本發明的一個具體實施例中，每個所述定子葉片10和每個所述外轉子葉片20採用NACA2414或NACA23012翼型，採用中間有支撐龍骨加填充物，外面包上玻璃纖維的結構形式，以減輕重量並使外形輪廓保證一定的形狀、強度和剛度。

在本發明的一個具體實施例中，所述定子連接葉片11和所述外轉子連接葉片21為升力翼型連接葉片，利用空氣動力產生的升力來減小旋轉時的軸承負載，提高軸承使用壽命。

以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。