CN201606189U - 一种垂直轴风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴风力发电机，塔柱上从上往下依次设有叶片组、发电机、水轮动力机，所述水轮动力机包括外罩、设于外罩内的涡轮，叶片组、发电机转子、涡轮之间相互连接形成一个整体，具有相同转速；还设有第一水箱、第二水箱、储气罐、空气压缩机，所述空气压缩机通过气管与储气罐连通，所述储气罐通过气管分别与两个水箱连通，两个水箱上均设有出水管和回水管，所述出水管从所述外罩侧伸入叶轮动力机内，所述回水管从所述外罩底面伸入叶轮动力机内；所述进水管和回水管上均设有流量阀，所述气管上均设有开关阀。通过高压气体使水箱中的水形成高压水柱射到涡轮上推动涡轮，再利用涡轮对发电机转速进行控制。

Description

一种垂直轴风力发电机

技术领域

本实用新型涉及垂直轴风力发电机领域。

背景技术

目前采用并网发电的大型垂直轴风力发电机还存在很多问题，而这些难题都是由于自然风存在许多的不稳定性所引起的。在低风速时，大型的垂直风力发电机难以启动，或者根本无法启动，导致发电机白白浪费了资源；在正常风速时，大型的垂直风力发电机虽然能够启动并工作，但是发电机的发电效率不高，往往是没有达到满发的状态；在超大风时，发电机的转速明显加快，甚至超过了发电机本身的额定功率，这时候的发电机处于危险状态，发电机部件有可能会被损坏，而超高的功率输出同时也存在一定的危险。另外，因为自然风会无时无刻的存在小风、低风速或者高风速，导致发电机的发电功率极其不稳定，接入电网时会对电网造成冲击。

为改善上述并网发电的大型垂直轴风力发电机存在的问题，本申请人提交了一份关于垂直轴风力发电机的申请书，该申请文件揭示了垂直轴的风力发电机包括储气罐和叶轮动力机，所述叶轮动力机包括第二叶片组、风罩；在塔柱上设有使第一叶片组旋转的第一枢接装置和使第二叶片组旋转的第二枢接装置，所述第一叶片组与第二叶片组旋转带动发电机转子旋转。所述储气罐与叶轮动力机之间设有进风管，所述叶轮动力机上设有进风口和出风口，进风管与进风口连接。在低风速时，叶轮动力机可作为发电机的辅助启动装置；正常状态下，可通过叶轮动力机加快发电机的转动，使发电机达到满发功率状态；在超大风速时，叶轮动力机可作为发电机的刹车装置。增加了叶轮动力机虽然能够在低风速时协助启动发电机，在正常状态下帮助发电机达到满发功率，在超大风速时能够限制发电机的转速，但是其能量的转换效率比较低，仅仅依靠高压气体对第二叶轮组的冲击力来使叶轮动力机转动，显然是比较困难的，空气的质量就决定了其冲击力是相当有限的。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种垂直轴风力发电机，不仅能够在低风速时启动发电机，在正常状态下帮助发电机达到满发功率，在超大风速时能够限制发电机的转速，保证了发电机的在外界不稳定因素下都能工作在正常状态，使其发电功率对电网不会造成冲击，并且其能源利用率更高。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种垂直轴风力发电机，包括塔柱，所述塔柱上设有叶片组、设于叶片组下方的发电机，所述塔柱上于叶片组上方设有第一枢接装置，塔柱上于叶片组与发电机之间设有第二枢接装置，塔柱上于发电机下方设有第三枢接装置；所述叶片上端与第一枢接装置连接，叶片组下端与第二枢接装置连接，发电机转子上端与第二枢接装置连接，发电机转子下端与第三枢接装置连接；其特征在于：所述塔柱上于第三枢接装置下方设有水轮动力机，所述水轮动力机包括外罩、设于外罩内的涡轮，所述涡轮上端与第三枢接装置连接，塔柱上于涡轮下方设有第四枢接装置，涡轮下端与所述第四枢接装置连接；叶片组、发电机转子、涡轮形成一个整体，具有相同转速；还设有第一水箱、第二水箱、储气罐、空气压缩机，所述空气压缩机通过气管与储气罐连通，所述储气罐通过气管分别与两个水箱连通，两个水箱上均设有出水管和回水管，所述出水管从所述外罩侧伸入叶轮动力机内，所述回水管从所述外罩底面伸入叶轮动力机内；所述出水管和回水管上均设有流量阀，所述气管上均设有开关阀。

在晚上电网电量富余时，利用与电网连接的空气压缩机对储气罐进行压缩空气，使一部分的电能转换成为具有内能的高压气体，完成了电能向内能的转换。高压气体被储存在储气罐中，等到白天电网电量紧缺且自然风力较小，叶片组不能使发电机达到满发状态时，释放储气罐中的高压气体，这部分的高压气体经气管输送至第一水箱中，水箱中的水受到高压水位上升，当第一水箱内的水也具有高压时，打开流量阀释放第一水箱中的水，从出水管射出的水柱具有动能，完成了内能向动能的转换。水柱射在涡轮上，使涡轮旋转，转化为涡轮的旋转动力，由于水的冲击力比较大，因此涡轮所获得的动能也相对比较大。由于涡轮与发电机转子为一体具有相同速度，涡轮的转动同时也带动了发电机转子的转动，一定程度上加快了发电机转子的转动速度，使发电机的发电量增加，完成了动能向风能的转换。这样一来，即使在风速不大的情况下也可令发电机始终处于满发的状态，发电机就可以对电网提供持续稳定的电能，完成了风能向电能的转换。本实用新型的垂直轴风力发电机经过了电能-内能-动能-风能-电能的转换，能够在电网电量富余时以其他形式储存其一部分的能量，在电网电量紧缺时能够持续稳定的将电能回馈到电网中，实现平衡电网的目的。水轮动力机内的积水通过回水管回流到第二水箱中，并在第二水箱中储存。第一水箱中的水用完后，第二水箱也就储满了水，然后关闭第一水箱出水管的流量阀，同时向第二水箱释放高压气体，第二水箱中的水受到高压水位上升，当第二水箱内的水也具有高压时，打开流量阀释放第二水箱中的水，其工作原理与第一水箱一样，都是用来使涡轮转动的，在这里不再详细叙述。用于向涡轮提供动能的水不断的在两个水箱中循环，解决了资源再利用的问题。

另外，在低风速发电机难以启动时，可以利用高压气体使水箱内的水形成高压水柱并射向水轮动力机，利用水柱的冲击力推动涡轮的转动，从而带动发电机转动，完成发电机在低风速的启动。启动后的发电机由于发电功率比较低，此时也可以利用高压水柱加速涡轮的旋转使发电机的转速达到额定转速，即使发电机工作在满发状态，从而发电机接入电网时不会对电网造成冲击。

在超大风速时，发电机转子在叶片的带动下速度会越来越高，甚至会超过发电机本身的额定转速，有可能会给发电机本身造成损坏，发电机的发电功率也会超过额定功率，发电机产生的超高电压一定程度上存危险，且接入电网时会对电网产生一个强烈的冲击，严重影响电网的稳定性。此时，储气罐中的高压气体使水箱中的水形成高压水柱射向涡轮，并且水柱的反向与涡轮的旋转方向相反，相当于对涡轮施加了一个相反的推力，该推力能够抑制涡轮的旋转，可使涡轮的速度减缓，从而达到了限制发电机转子速度的目的。可把超额定功率运行的发电机限制到只能工作在额定功率下，即使发电机工作在满发状态，从而发电机接入电网时不会对电网造成冲击。

作为改进，所述第一枢接装置、第二枢接装置、第四枢接装置为单一轴承；所述第三枢接装置包括上轴承、下轴承，所述上轴承与下轴承之间设有离合器，所述发电机转子下端与上轴承连接，水轮动力机的涡轮上端与下轴承连接。当外界风速适当并能够使发电机达到满发状态时，为了减少发电机的负载，通过离合器分开上轴承与下轴承的连接，使水轮动力机与发电机分离成两个独立的设备。

作为改进，所述塔柱上设有控制器，叶片组上设有速度感应器，所述速度感应器、流量阀、开关阀均与控制器连接。速度传感器测量出叶片组的旋转速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制开关阀和流量阀。

作为改进，所述发电机定子内部设有若干冷却水管，所述冷却水管的进水口通过水管与水泵连接，所述冷却水管的排水口通过水管伸入水轮动力机内。积在水轮动力机内的水通过水泵被输送到发电机中，这部分的水通过定子内部的冷却水管最后回流到水轮动力机中，在水游走发电机定子的过程中，会带走发电机内一部分的热量，达到降温发电机的目的。

本实用新型与现有技术相比所带来的有益效果是：

1)能够在低风速第一叶片组能以启动发电机时，涡轮可作为辅助启动，在片组和涡轮的共同带动下，发电机可以做到轻松启动；

2)发电机在正常运行状态下，通过利用高压水柱推动涡轮，从而拖动发电机转子增速，使发电机达到满发功率状态；

3)在超大风速时，通过利用高压水柱反向推动涡轮，从而抑制发电机转子速度的增加，使发电机转子恢复到额定转速状态，使其发电功率对电网不会造成冲击；

4)利用高压气体使水箱中的水柱获得动能，再利用水的冲击力推动涡轮，能量的转化率更高；

5)用于向涡轮提供动能的水不断的在两个水箱中循环，解决了资源再利用的问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图；

图2为本实用新型实施例2结构示意图；

图3为本实用新型电气连接图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1、3所示，一种垂直轴风力发电机，塔柱1上从上往下依次设有叶片组2、发电机3、水轮动力机4。本实施例所述的发电机3为外转子发电机，定子32固定套在塔柱1上，转子31绕定子32旋转。所述水轮动力机4包括外罩41、设于外罩41内的涡轮42。所述塔柱1上于叶片组2上方设有第一轴承11，塔柱1上于叶片组2与发电机3之间设有第二轴承12，塔柱1上于发电机3与水轮动力机4之间设有第三轴承13，水轮动力机4下方设有第四轴承14。所述叶片上端与第一轴承11连接，叶片组2下端与第二轴承12连接，发电机转子31上端与第二轴承12连接，发电机转子31下端与第三轴承13连接，水轮动力机4的涡轮42上端与第三轴承13连接，水轮动力机4的涡轮42下端与第四轴承14连接，使得叶片组2、发电机转子31、涡轮42形成一个整体，共同绕着塔柱1旋转并具有相同转速。地面上还设有第一水箱6、第二水箱7、储气罐5、空气压缩机20，所述空气压缩机20与电网19连接，空气压缩机20通过气管与储气罐5连通，所述储气罐5通过气管9分别与两个水箱6、7连通，两个水箱6、7上均设有出水管8和回水管10，所述出水管8从所述外罩41侧伸入水轮动力机4内，所述回水管10从所述外罩41底面伸入水轮动力机4内；所述出水管8和回水管10上均设有流量阀(未标示)，所述气管9上均设有开关阀(未标示)。

发电机3的启动方式：低风速发电机3难以启动时，打开储气罐5与第一水箱6之间气管9上的开关阀，将高压气体释放到第一水箱6中。由于第一水箱6中的水不灌满，留有空间，在高压气体的作用下，第一水箱6中的水位会慢慢上升，并且最后充满到出水管8中。等到出水管8中的水具有高压时，打开第一水箱6与水轮动力机4之间出水管8上的流量阀，第一水箱6中的水从出水管8射出，具有相当大的动能，利用水柱的冲击力推动涡轮42的转动，通过涡轮42和叶片组2的共同作用实现发电机3的启动。

发电机3的发电方式：发电机3在正常发电但没有达到满发的情况下，叶片组2上设有的速度传感器(未标示)测量出叶片组2的旋转速度，并将信号回馈到塔柱1上设有的控制器(未标示)中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制储气罐5将高压气体释放到第一水箱6中，令第一水箱6中的水以高压水柱的形式射出，为了达到使发电机转子31满发状态，控制器控制流量阀的流量，从而控制涡轮42的转速，也即是发电机转子31的转速。随着叶片组2的速度慢慢上升，流量阀的流量逐渐减小，从第一水箱6射出的水柱作用减弱，使发电机3转子31能够平稳的到达额定转速。在外部高压气体混合水的辅助下，发电机3能够时刻的保持在满发状态，使发电机3接入电网19时更稳定。

发电机3的刹车方式：超大风使发电机3转速超过而定转速的情况下，速度传感器测量出叶片组2的旋转速度，并将信号回馈到控制器中，控制器将该信号与预设信号进行比较，控制储气罐5将高压气体释放到第一水箱6中，令第一水箱6中的水以高压水柱的形式射出，为了达到使发电机转子31减速，控制器控制流量阀的流量并向涡轮42旋转方向的反方向射出，从而降低涡轮42的转速，也即是降低发电机转子31的转速。该部分高压水柱反向作用在涡轮42上，对涡轮42施加一个反向的推力，限制了发电机转子31速度的最大值，使发电机的发电状态保持在满发状态。

发电机3的散热方式：所述发电机定子32内部设有若干冷却水管17，所述冷却水管17的进水口通过水管16与水泵15连接，所述冷却水管17的排水口通过水管18伸入水轮动力机4内。积在水轮动力机4内的水通过水泵15被输送到发电机3中，这部分的水通过定子32内部的冷却水管17最后回流到水轮动力机4中，在水游走发电机定子32的过程中，会带走发电机3内一部分的热量，达到降温发电机3的目的。

水轮动力机4内的积水通过回水管10回流到第二水箱7中，并在第二水箱7中储存。第一水箱6中的水用完后，第二水箱7也就储满了水，然后关闭第一水箱6出水管8的流量阀，同时向第二水箱7释放高压气体，第二水箱7中的水受到高压水位上升，当第二水箱7内的水也具有高压时，打开流量阀释放第二水箱7中的水，其工作原理与第一水箱6一样，都是用来使涡轮42转动的，在这里不再详细叙述。用于向涡轮42提供动能的水不断的在两个水箱中循环，解决了资源再利用的问题。

实施例2

如图2、3所示，一种垂直轴风力发电机，塔柱1上从上往下依次设有叶片组2、发电机3、水轮动力机4。本实施例所述的发电机3为外转子发电机，定子32固定套在塔柱1上，转子31绕定子32旋转。所述水轮动力机4包括外罩41、设于外罩41内的涡轮42。所述塔柱1上于叶片组2上方设有第一轴承11，塔柱1上于叶片组2与发电机3之间设有第二轴承12，塔柱1上于发电机3与水轮动力机4之间设有第三枢接装置13，水轮动力机4下方设有第四轴承14。所述叶片上端与第一轴承11连接，叶片组2下端与第二轴承12连接，发电机转子31上端与第二轴承12连接，发电机转子31下端与第三枢接装置13连接，水轮动力机4的涡轮42上端与第三枢接装置13连接，水轮动力机4的涡轮42下端与第四轴承14连接，使得叶片组2、发电机转子31、涡轮42形成一个整体，共同绕着塔柱1旋转并具有相同转速。地面上还设有第一水箱6、第二水箱7、储气罐5、空气压缩机20，所述空气压缩机20与电网19连接，空气压缩机20通过气管与储气罐5连通，所述储气罐5通过气管分别与两个水箱6、7连通，两个水箱6、7上均设有出水管8和回水管10，所述出水管8从所述外罩41侧伸入水轮动力机内，所述回水管10从所述外罩41底面伸入水轮动力机内；所述出水管8和回水管10上均设有流量阀(未标示)，所述气管上均设有开关阀(未标示)。

本实施例中，所述第三枢接装置13包括上轴承131、下轴承132，所述上轴承131与下轴承132之间设有离合器(未标示)，所述发电机转子31下端与上轴承131连接，水轮动力机4的涡轮42上端与下轴承132连接。当外界风速适当并能够使发电机3达到满发状态时，为了减少发电机3的负载，通过离合器分开上轴承131与下轴承132的连接，使水轮动力机4与发电机3分离成两个独立的设备。其工作原理与实施例1一样，本实施例中不再详细叙述。

本实用新型不仅能够在低风速时启动发电机，在正常状态下帮助发电机达到满发功率，在超大风速时能够限制发电机的转速，保证了发电机的在外界不稳定因素下都能工作在正常状态，使其发电功率对电网不会造成冲击；并且利用高压其他使水具有动能，再利用水柱的冲击力带动涡轮，其能源利用率更高。

Claims (4)

1.一种垂直轴风力发电机，包括塔柱，所述塔柱上设有叶片组、设于叶片组下方的发电机，所述塔柱上于叶片组上方设有第一枢接装置，塔柱上于叶片组与发电机之间设有第二枢接装置，塔柱上于发电机下方设有第三枢接装置；所述叶片上端与第一枢接装置连接，叶片组下端与第二枢接装置连接，发电机转子上端与第二枢接装置连接，发电机转子下端与第三枢接装置连接；其特征在于：所述塔柱上于第三枢接装置下方设有水轮动力机，所述水轮动力机包括外罩、设于外罩内的涡轮，所述涡轮上端与第三枢接装置连接，塔柱上于涡轮下方设有第四枢接装置，涡轮下端与所述第四枢接装置连接；叶片组、发电机转子、涡轮形成一个整体，具有相同转速；还设有第一水箱、第二水箱、储气罐、空气压缩机，所述空气压缩机通过气管与储气罐连通，所述储气罐通过气管分别与两个水箱连通，两个水箱上均设有出水管和回水管，所述出水管从所述外罩侧伸入叶轮动力机内，所述回水管从所述外罩底面伸入叶轮动力机内；所述出水管和回水管上均设有流量阀，所述气管上均设有开关阀。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述第一枢接装置、第二枢接装置、第四枢接装置为单一轴承；所述第三枢接装置包括上轴承、下轴承，所述上轴承与下轴承之间设有离合器，所述发电机转子下端与上轴承连接，水轮动力机的涡轮上端与下轴承连接。

3.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述塔柱上设有控制器，叶片组上设有速度感应器，所述速度感应器、流量阀、开关阀均与控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力发电机，其特征在于：所述发电机定子内部设有若干冷却水管，所述冷却水管的进水口通过水管与水泵连接，所述冷却水管的排水口通过水管伸入水轮动力机内。

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