CN101004167A - 花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，具体地说是适应在地球上任何有风的地区和地点安装使用，用于发电，解决生活、生产用电，属于发电装置技术领域。其主要采用风叶装于轮毂的滑槽中，在风叶的接口处设有滑槽及弹簧压板，弹簧压板压紧在风叶上，轮毂的芯轴装在卸载轴承座的轴承内孔中，卸载轴承座联接在机座的面板上，增速器联接在机座的面板下部，轮毂的芯轴联接在增速器的输入轴上，增速器的输出轴通过联轴器与发电机相联接。本发明能产生的转动力矩大；能完整地使风能得到二次利用；不会产生叶尖高速扰动气流产生的噪音，能提高安全系数；能实现风叶的角度调整，以达到控制转速的目的，并可以大大简化和减少安装工作量。

Description

花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机

技术领域

本发明涉及一种花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，具体地说是适应在地球上任何有风的地区和地点安装使用，用于发电，解决生活、生产用电，属于发电装置技术领域。

背景技术

目前，风力发电技术应用的范围，基本都在在沿海、草原、大平原等富风区地带，具体不外乎年平均风速为8米/秒以上的新疆、内蒙、东北及沿海地区，关于发展风力发电技术的具体取向时都会表述成，能源紧缺急需替代能源，为保护环境急需发展清洁能源，或因地理环境及资源等原因无法通达电网，至今还未使用上电源的地区迫切需要解决生活、生产用电，对于人口密集用电要求量巨大的城市几乎都是忽略不提的，这是因为城市里的风力资源是无法满足现有任何类型的风力发电机的运营要求造成的。

水平轴风力机的尖速比(Tip Speed  Ratio)大约在4-5左右(也有说是5-7的)，也就是说风力机叶片尖端的线速度为风速的4-5倍，风能有利用价值的风速通常都在10米/秒以上，在通常的地表状况下，在近地有限高度内风速梯度的曲线弯曲是比较大的，风力机一般的安装高度范围内，高度每下降5米，风速要降低大约7％，大型风力发电机在顶端垂直最高点与垂直最低点，其风速可以相差50％以上，截风面积非常有限，另外，水平轴风力发电机，其一般小型风力发电机在运行时，靠风力将尾翼推动旋转风叶朝向风力方向旋转发电，由于风向的不定性，风叶随着风向不停地旋转换向，因此造成风叶与尾翼旋转不平衡摇摆不定，遇強风和颱风时造成旋转阻力大，大都会折断尾翼和风叶。而大型风力发电机的风力机叶片，属悬臂梁结构受力模式，其运行时是靠偏航装置来转换风向的，但由于强风或颱风来时会造成瞬间高压失压停电保护，如风电场处理不及时会在短时间内因高压停电而风力发电机偏航系统无电压而停止工作，这样，在遇强颱风时极易折断风叶，造成具大的经济损失，这样的电力设备不仅对风速要求高且有着严重安全隐患，在城市使用确实也是不可能的。

垂直轴式风力发电机，叶片是环绕着垂直轴始终水平定向旋转发电的，她的运行风向可以从任何方向来，所以，无需尾翼；也没有偏航装置，其径向穿过风力机转子的风有两次与叶片交会的机会，也就是使叶片得到了两次截取风能的机会，这就表明垂直轴式风力机有高得多的风能利用系数，能更充分地截留风能，垂直轴形式的风力发电机相对水平轴形式的风力发电机，在风能利用和安全运行而言，相对有所进步，但目前面世的大多数垂直轴风力机，其叶片是垂直设置的，形状为长方体平板式，这种风叶能够最大限度地万向捕获风能，但由于特定的板状结构使得迎风面与背风面的动力系数差值不够大，导致驱动力矩不够大，因此，这类风力发电机比较水平轴形式的发功性能也就更差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，在同样风轮直径的条件下，聚风力和空气动力系数要大得多，产生的转动力矩也大；能完整地使风能得到二次利用；不会产生象水平轴风力发电机风轮旋转时叶尖高速扰动气流产生的噪音，发明的机械结构能实现风叶的角度调整，以达到控制转速的目的，提高了安全系数；并可以大大简化和减少安装工作量，大型设备在地面上便能实行对设备的维护和保养。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明风力发电机组的风叶均匀安装在轮毂的圆周上，在风叶与轮毂的联接的接口处设有定向滑槽及弹簧压板，弹簧压板压紧在风叶上，轮毂的芯轴装在卸载轴承座的轴承内孔中，卸载轴承座联接在机座的面板上，增速器联接在机座的面板下部，轮毂的芯轴联接在增速器的输入轴上，增速器的输出轴通过联轴器与发电机相联接，调节器将发电机安装在机座架上，发电机的固定和平衡由调节器调控，机座的底板与风力机塔架上的面板相联接，避雷器装在轮毂的上端面。

本发明风叶形状为花瓣状，风叶二端大小为横向式，其一面为凹陷流线形，另一面为凸面；其凸面为小于90度的锐角；在风叶上设有叶筋，叶筋主要增加风叶的强度。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构简单、紧凑，合理；能在同样风轮直径的条件下，其聚风力和空气动力系数要大得多，产生的转动力矩也大，即使在增速比较大的情况下，在三级风时就能起动发电；既能完整地使风能得到二次利用，而求取动力系数的差值也能发挥得淋漓尽致；

2、能实现风叶的角度调整，以达到控制转速的目的，并可以大大简化和减少安装工作量，大型机组可在地面上实行对设备的维护和保养；不会产生象水平轴风力发电机风轮旋转时叶尖高速扰动气流产生的噪音和风叶因抗强而折断，能真正提高安全系数，使得适合安装应用的场所更为广泛；

3、由于风叶的低阻力特性使得风力发电机能在3级风状态下启动，5级风以上达到额度出率，因此，可适应在地球上任何有风的地区和地点安装使用，并且能够达到预期效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明结构剖视图。

图3为本发明风力发电机组系统原理图。

图4为本发明单片机控制方框原理图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

本发明主要由避雷器1、轮毂2、滑槽3、弹簧压板4、风叶5、叶筋6、卸载轴承座7、输入轴8、增速器9、联轴器10、输出轴11、机座12、发电机13、调节器14、风力机塔架15及机座罩16等组成。

如图1、2所示：本发明风力发电机组主要采用风叶5通过夹紧装置装于轮毂2的滑槽3中，轮毂2完全置于塔架顶部或立柱顶端面上部，其风叶5环绕轮毂2立轴旋转形成的扫风平面不会产生塔架或立柱“障壁效应”，避免了影响风能利用率的不利因数，整个轮毂2按装的风叶5数量为奇数，均匀安装在轮毂2的圆周上。在风叶5与轮毂2的接口处设有定向滑槽3及弹簧压板4，弹簧压板4压紧在风叶5上，由弹簧压板4的弹压力控制风叶5的对风角度；风叶5二面分别制成凹凸形，二端大小为横向式，其一面为凹陷流线形，另一面为凸面；其凸面为小于90度的锐角；在风叶5上设有叶筋6，叶筋6主要增加风叶5的强度；轮毂2的芯轴装在卸载轴承座7的轴承内孔中，卸载轴承座7通过螺栓联接在机座12的面板上，轮毂2和风叶5总成的重量与风力及定心均由卸载轴承座7承受。增速器9通过螺栓联接在机座12的面板下部，轮毂2的芯轴通过导向键联接在增速器9的输入轴8上，增速器9的输出轴11通过联轴器10与发电机13相联接，调节器14将发电机13安装在机座架上，发电机13的固定和平衡由调节器14调控，机座12的底板通过螺栓与风力机塔架15上的面板相联接，机座罩16安装在机座12上，避雷器1装在轮毂2的上端面。

如图3所示：本发明风力发电机组安装在风力机塔架上，风力发电机组通过电缆与控制逆变器连接，控制逆变器分别与蓄电池组、直流负载及220V交流负载连接。

如图4所示：控制逆变器采用单片机进行控制。由控制器通过导线分别与输入设备、输出设备连接，测速头发出信号给输入设备；控制器通过导线连接运算器，运算器通过导线连接控制器；运算器通过导线连接存储器、存储器通过导线连接控制器，同时传递信号；输出设备发出信号给执行机构，执行机构通过导线分别与机械式变速机构及液压马达连接。

本发明的主要技术特性和参数：

1、额定功率：5kW；2、风轮直径：5m；3、额定风速：12m/s；4、启动风速：5m/s；5、抗最大风速：35m/s；叶片：6、材质：玻璃钢；7、翼型形状：花瓣状；8、叶片数：5片，叶片表面防腐，耐酸碱，耐盐雾；9、增速器：行星齿轮增速器；10、增速比：9∶1；11、发电机：永磁交流发电机；12、额定转速：400rpm；13、额定电压；56v；14、控制逆变器：全CPU控制的数控式逆变电源；15、交流输出：220v，50HZ，正弦波。

本发明的工作原理：

本发明其风叶型状原来自于海豚的腹部形状和背部外型的仿生学原理启发的灵感，风力发电机的动力源自于风叶摄能，风叶截面积接收空气动力系数产生的阻力差与转动轴产生的驱动力矩是成正比的，因此，风叶的大小、形状对摄取风能和提高风能利用率是至关重要的，也是成败的关键所在，依照海洋生物海豚前进阻力最小的原理，设计了现有的风力机叶片。本发明风力机为垂直轴水平运转式，机组免除了对风装置，避免了水平轴惯有的“陀螺力”，同时机组在风轮上设置了卸载功能以抵御强风和台风，比较水平轴风力机提高了安全系数，使适用区域更为广泛。

本发明不同于现有任何形式的风力机：

1、首先在形状上，将风叶设计成：二面凹凸、二端大小的横向式，其一面为凹陷形，迎风向时可为截留风能创造有利的聚风环境，另一面为小于90度的锐角，背风向时可使叶片环绕转子回转时阻力达到最小，横向安装的叶片在运转时，因受风力的层次较窄，故受风力层均匀，利用扛杆定律，叶片的大端安装设置在外围，不但能捕获到更多的风能，同时产生的动力也更大，叶片夹层设有叶径状的加强筋，以确保叶片本身的承载强度。经样机运行的实践证明；与其他立轴式风力发电机比较，在同样风轮直径的条件下，其聚风力和空气动力系数要大得多，产生的转动力矩也大，即使在增速比较大的情况下，在三级风就能起动发电(发电机为400rpm，采用该档转速的风力发电机其主要原因，是因为该类发电机的国产技术比较成熟和生产厂家比较普遍，制造成本较低)，五级风以上就能达到额定出率，如果配以多极低速发电机，在增速比较小的情况下(或直驱)，二级风就能起动发电。

2、风力机的风轮完全置于塔架顶部或立柱顶端面上部，其叶片环绕轮毂立轴旋转形成的扫风平面不会产生塔架(或立柱)“障壁效应”，避免了影响风能利用率的不利因数，整个轮毂按装的叶片数量为奇数，这样既能完整地使风能得到二次利用，而求取动力系数的差值也能发挥得淋漓尽致。

3、省却了对风装置，风轮的受风面是万向的，简化了机械结构，免除了风轮对风时产生的“陀螺力”，提高了利用风能的效率，因风叶是阻力推进型的，其转速较低，运转平稳，绝不会产生“飞车”，由于转速低，故而也降低了转动轴、风叶等另部件的强度的要求和加工精度的要求，有利于减少成本，并且也不会产生象水平轴风力发电机风轮旋转时叶尖高速扰动气流产生的噪音，或因抗强风而折断风叶，提高了安全系数使得适合安装应用的场所更为广泛。

4、为了使风力发电机在较宽的风力等级情况下，都能平稳安全地发电，在设计风力机时采用了调速控制，小型风力发电机在固定风叶的接口处设有定向滑糟与弹簧压板，当风力机的转速超过额定转速的20％时，设置的机械结构能将风叶调转对风角度，根据受风力度逐渐将风叶调至180°，以减小风轮的转动力矩，使风轮的转速降下来，低于额定转速时，再逐渐调整至正常工作状态，大型风力发电机翻转的动力采用液压马达，其控制由MCS--51单片机来执行，当测速探头将检测到的脉冲信号输出到微电脑输入接口时，微电脑中央处理器根据设定的额定转速和准许的转速误差上下极限，进行逻辑运算，发出有关指令，由执行机构液压马达来实现风叶的角度调整，以达到控制转速的目的，为了不使液压马达的开关动作过于频繁，设置了延时开关电路，即当实际转速达到额定转速的上限或下限时不立即动作，而是延时数秒钟，因为大自然中的风力往往是瞬息万变的，频繁的启动和仃止，容易使执行机构和控制系统损坏。

5、本发明风叶数为奇数，均匀分布在轮毂的圆周上，通过卸载轴承座将动力传递给行星增速器，然后经联轴节带动发电机发电，所谓卸载轴承座，就是重量相对来讲较重的轮毂和风叶总成，其重量和风力，以及定心，由卸载轴承座来承受，这样，就能使得不能承受轴向载荷太大径向力的行星齿轮增速器运行的难题得以解决。为了在夏季雷雨季节使风力发电机组能安全运行，在轮毂的顶面上设置了避雷器，发电机和传动机构都密封在机座里面，不怕风吹雨淋和盐雾的侵蚀，小型风力发电机安装在塔架上部或钢立柱上面，大中型的风力发电机，可以将发电机和增速器安装在塔架下部的地面上，其风力机的动力可以通过万向联轴节轴传递给装于地面上的增速器和发电机，这样，可以大大简化和减少安装工作量，在地面上也便于对设备进行维护和保养。

Claims (4)

1、一种花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，主要采用避雷器(1)装在轮毂(2)的上端面，风叶(5)均匀安装在轮毂(2)的圆周上，其特征是在风叶(5)与轮毂(2)的接口处设有滑槽(3)及弹簧压板(4)，弹簧压板(4)压紧在风叶(5)上，轮毂(2)的芯轴装在卸载轴承座(7)的轴承内孔中，卸载轴承座(7)联接在机座(12)的面板上，增速器(9)联接在机座(12)的面板下部，轮毂(2)的芯轴联接在增速器(9)的输入轴(8)上，增速器(9)的输出轴(11)通过联轴器(10)与发电机(13)相联接，调节器(14)将发电机13安装在机座架上，机座(12)的底板与风力机塔架(15)上的面板相联接。

2、根据权利要求1所述的花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，其特征在于所述的风叶(5)二端为大小横向式，其中一面为凹陷流线形，另一面为凸面，凸面为小于90度的锐角。

3、根据权利要求1或2所述的花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，其特征在于所述的风叶(5)形状为花瓣状。

4、根据权利要求1或2所述的花瓣状风叶垂直轴高效风力发电机，其特征在于所述的风叶(5)上设有叶筋(6)。

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