CN101603507A - 立轴变桨直驱风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明立轴变桨直驱风力发电机是涉及可再生能源领域的风力发电机。其特点是桨叶与旋转轴垂直于水平面的风电机，采用变桨、变距、调速、低位布置，与外转子永磁发电机同轴，省去事故频发的齿轮箱，低转速发电机直接联接，并采用水泥塔架，大大降低设备造价，解决大型水平轴风电机的运输及吊装的困难，一般的运输工具及卷扬机便可吊装。因此是具有广泛推广意义的新型风力发电设备。

Description

立轴变桨直驱风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机

背景领域：

随着社会的发展和对能源需求的加快，环境污染也在加速，人们已认识到环境的破坏将严重威协人类的生存。开发并发展可再生能源是人类社会当务之急，既可解决能源紧张又可保护生态环境。而风力发电又是目前所有可再生能源中发展最为成熟的一种。它具有资源丰富，造价低，技术比较完善等特点。

但是风力发电设备一般采用的是双馈变桨变速或永磁直驱电机，水平轴与高位布置，容量趋向大型化，这样带来如运输、吊装、维修等一系列问题。如兆瓦风电机，风叶长40多米，塔筒高80多米，机舱重达50多吨，不但运输困难，且吊装需要200T汽车吊，若齿轮箱出了问题，吊下维修后再吊上就耗去整个机组造价的十分之一。据目前国内外运行的风电机情况，齿轮箱占事故的40％，于是人们将研究对象放在直驱永磁风电机上。而直驱风电机也同样存在着如发电机直径大，D/H太大，磁轭小，轴承的Pv过大，运输困难等问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种结构简单，效率较高，造价低廉，便于安装，运输方便的可变桨立轴型风力发电机(见图1和图2)。

具体的技术解决方案：

1、立轴变桨风电机。包括风叶②、机架③、刹车装置⑤、变桨结构④、塔台⑥、发电机

、控制***

、变频器

、冷却装置九部份组成，其特征在于：

A、塔台⑥是钢筋水泥结构沏成的圆台，其高度由建场地点的地貌决定，风叶②、风轮架③、支承轴承

装在塔台上面，塔台内部上方置放刹车⑨、发电机

，下部置放变压器、控制器、变频器等。

B、塔台上面正中设立中心立轴⑦：(1)装有风叶的机架，(2)机架可绕立轴旋转，上下装有滚动轴承

，机架上可装能自由转动的风叶②，(3)有数片风叶的机架下端通过联轴⑩与发电机联结。

C、机架的横架内装有变桨机构，主要采用两种方式：其一是机械式(附图5-I)，本发明有链轮传动，齿轮蜗轮传动，凸轮及轨道等形式。这里采用数对链轮及链条(附图I)，立轴上方的轮子

，带动风叶上轮子

转动是采用链条带动或蜗轮蜗杆带动，当机架旋转时风叶也按比例随之转动，保证风叶的较好的攻角，使整个风轮的转矩为最大；其二是采用电动伺服***(附图5-II)，是根据风向及叶片的瞬间位置，由传感器收集信号，按***软件指令，通过蜗轮

蜗杆

使风叶转到最佳功角④，以吸取最大能量。大于100kw采用电动式，小于100kw采用机械式。

D、当采用机械变桨时，对风装置是由风向仪①(风速仪)及传感器传递信号给控制器

，命令执行机构调速电机转动，它们可以是齿轮或蜗轮蜗杆，由电动机带动风轮架对风，风能架安装在塔台的平面轴承上，可以轻松转动。如采用电动伺服马达变桨，则不需对风装置，只要根据风向，指令风叶处于最佳功角，风叶起到对风的导向作用。

E、刹车装置是装在风轮架③的下部，由刹车盘⑨及电磁钳组成。

F、控制***是由控制器

变频器

组成，变频器是将发电机的直流电变为50HZ或60HZ电源频率，经变压器升压后入大电网。控制器主要用在设计风速范围内，确保风电机在工作风速范围内正常工作，超过风速或事故发生时，保护风电机的安全。

2、根据1所述，立轴变桨风电机，其特征在于风叶安装角随风轮转动而变动，使得风轮获得的能量最大。

3、根据1所述，立轴变桨风电机，其特征在于变桨机构，风轮、发电机、对风装置、刹车为同轴装置安装，省去轮毂、齿轮箱、主轴及支承等联节机构，提高效率。

4、根据1所述，本技术是采用等截面、两端各有支点的风叶结构，比水平轴风叶悬臂受力要安全可靠，并配有轴承以减少摩擦，成本降低30％。

5、根据1所述，立轴变桨风电机，其特征是外转子永磁发电机，其转速允许在额定转速±20％变化，采用低转速，与风轮直接联结，省去齿轮箱，提高整机效率。

6、根据1所述，立轴变桨风电机，其特征是没有又高又大的钢质塔筒而采用钢筋水泥塔台，其高度根据要求可高可低，且成本是塔筒架的1/3。

7、风叶形状可采用Nasa的线型，也可采用MEF的线型，视需要而定。

8、根据1所述，立轴变桨风电机，其变桨的执行机构在操纵轴上，设置电磁离合器，当超过设计的破坏风速或发生事故时，电磁离合器失电松开，风叶顺桨，刹车开始工作。

本发明可解决现代水平轴高位风电机存在的造价高、运输吊装困难、维修价格高等问题。采用变桨风叶，大大提高效率，由于低位安装，特别适合于高山丘陵等交通不方便地区，如山峰、沙膜、海洋、岛屿、旷野，等地区。所有部套都可拆，拆卸后可以用汽车运输，安装时不必动用大型吊车，甚至用卷扬机或手拉葫芦就可以解决，造价低廉适合一些经济欠发达地区，包括国外：诸如印度尼西亚、巴基斯坦等地区。

附图说明：

图1、为本发明结构示意图

图2、为本发明俯视图

图3、为大功率(＞100kw)立轴风电机电动变桨***示意图

图4、为发电机示意图

图5、为变桨***示意图

图6、为积木式大功率风电机示意图

下面结合附图，通过实例对本发明作进一步说明：

图1中主轴⑦是整根一直插到塔台的基础中，风轮支架分上下二层，作为风叶两支点及旋转用，可据风机容量及实度比要求决定风叶多少，分三片、四片、五片或多片，支架的中心套筒是用滚动轴承，固定在立轴上，可绕立轴作圆周运动，在支架③的外端通过滚动轴承安装风叶，风叶的转动是通过装在风叶轴上的变桨***④来完成的。装在立轴上的轮子与叶片上的轮子

来改变风叶的功角，实现两个轮子互动，可用皮带链条或齿轮蜗轮蜗杆联接，支架下端与发电机

直接连的，发电机是定予直接固定在主轴④上，风轮架是与调向齿轮(蜗轮)联在一起，靠两对滚动轴承及平面推力轴承固定在主轴④与塔台⑦上，围绕立轴旋转。其旋转角度是靠风向仪①(风速仪)来调节的，风轮转动时，风叶跟着转动，传感器传递信号经控制柜来控制。

图4说明：①芯轴，②定子，③外转子，④线圈，⑤轴承，⑥磁钢，⑦硅钢片

图6说明：当功率很大(在1000kw以上)，本发明将采用两种固定方式：第一种如图6-I所示，是用钢丝拉索固定三根撑架①，叶片多层积木式，分几层，每层叶片也可以多斤重；第二种如图6-II所示，没有***撑架，靠立轴支撑，风轮架通过变桨箱④固定在立轴上，立轴不动，风轮架转动。

Claims (7)

1、立轴变桨距风力发电机其主轴垂直于水平面，装在立轴风轮架上的，风叶平行于立轴并围绕立轴作圆周运动，叶片在风力作用下发出的功是通过立轴下方的联合器带动发电机发电的。

2、如权利要求1所述的形式，其特征是风叶随风轮架旋转时，同时也绕叶片自身的蕊轴转动，蕊轴上下装有两个滚动轴承以减少叶片转动时的阻力，随时保持叶片的最佳攻角。本发明有两种方式来使风叶转动：一是机械式，是在立轴上装一个固定轮，并在叶片一端装一被动轮，通过包括皮带、链条、齿轮、蜗轮蜗杆、凸轮及导向槽等六种方式带动风叶转动，以获得最大能量；二是，采集风向、风速信号与叶片瞬时所在位置，通过控制***指令伺服马达转动，使叶片处于最佳攻角位置，以获得最多的风能做功。

3、如权利要求1所述的形式，其特征是对风装置，也有两种：一是针对小功率(100kw以下)，是风向仪采集信号经过处理，指令偏航马达工作，使风轮叶片的初始位置与风向一致；二是针对大功率(100kw以上)，是由风速风向传感器，通过变桨伺服马达，保持风叶的最佳功角，则叶片起到对风作用。

4、本发明的发电机是立式低转速外转子永磁发电机，与风轮架直接联接，且安置在风轮架下方，低位布置在塔台之内，便于安装维修。

5、本发明的保护***是采用一旦出现事故需要停车时，是先通过电磁离合器，使叶片绕叶片轴自由转动而不做功，然后由机械式刹车钳将刹车盘刹车，这样，只要失电，立即刹车，比较安全。

6、本发明是采用水泥塔台，其特征是用钢筋水泥按要求砌成水泥塔台来代替价格昂贵的钢质塔筒，塔台上方安放风轮架、风叶与变桨机构，塔台内部上端置放刹车、发电机与冷却器，内部下端置放控制器、变频器与变压器，控制中心也设在其中。

7、本发明是采用等截面叶片，其特征是采用Nasa线型，各截面都相等，可以拉制，使造价降低，叶片采用两种形式：一是，用树脂加玻璃纤维，用模子拉制，一般用于大型风电机；二是，钢骨架外用铝皮蒙制，一般用于功率低于100kw风电机。

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