CN102536643B - 一种垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种垂直轴风力机，包括风力机塔架、风力机主轴、发电机、风速风向传感器、升力型叶片、阻力型叶片、升力型伺服电机、阻力型驱动电机、风轮，风力机主轴与风力机塔架相连，发电机安装在风力机塔架上并与风力机主轴相连，风轮安装在风力机主轴上，风轮上分别安装升力型叶片和阻力型叶片，升力型叶片安装升力型伺服电机，阻力型叶片安装阻力型驱动电机，风力机主轴上安装主轴位置编码器和导电滑环，风速风向传感器通过风向风速连接板安装在风力机主轴顶部。本发明叶片为对称结构，风力相对于叶片转轴产生的力矩为0，叶片所受的气动力矩与叶片转动方向一致，降低了电机消耗，提高了启动性能和风能利用率，应用场合广。

Description

一种垂直轴风力机
技术领域
本发明涉及的是一种用于发电的风力机。
背景技术
垂直轴风力发电机分为阻力型和升力型两类：阻力型风力机启动性能好，但是适合在低尖速比下运行；升力型风力机气动性能好，风能利用率较高，但是其启动性能差，甚至在不能自启动。两类风力机的缺陷限制了垂直轴风力机的广泛应用，对垂直轴风力机的自启动性能和风能利用率的研究，以及风力机环境适应性与工作范围的研究成为重点。
针对上述问题，人们提出了多种方案，以申请号为200920261028.5的实用新型专利“升阻力混合型垂直轴风力机”最具有代表性，其采用H型Darrius风机与S型风机组合，通过升阻力型风机的组合在一定程度上改善了风力机的启动性能，但是存在S型叶片加工复杂，成本高的缺点，而且随着风速的提高S型叶片对风力机的运行产生很大影响，降低了风能利用率，即虽然提高了风力机低风速工作范围，但限制了高风速的使用，且定桨距技术下风能利用率较低。这使得此项发明功耗大、不适用于高风速场合、成本高。
实用新型专利ZL200820017859.3通过改变叶片翼型气动力外形，改变了风力机的气动参数，虽然改善了垂直轴风力机的启动性能，但是翼型气动力外形的变化，对高尖速比下风力机的发电效率有很大影响，而且特殊的叶片翼型无疑增加了风力机成本。实用新型专利200820091137.2“垂直轴半活半固组合型叶片风车”，由于只有一个叶片活动，结构上看似简单，但未能充分利用风力机风场资源，且加剧了固定叶片与活动叶片间湍流现象，恶化了叶片受力环境，提高了对叶片强度和刚度的要求，加剧风力机的振动，影响整体性能，实用性差。
发明内容
本发明的目的在于提供降低启动风速、拓宽工作范围、提高发电效率的一种垂直轴风力机。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种垂直轴风力机，其特征是：包括风力机塔架、风力机主轴、发电机、风速风向传感器、升力型叶片、阻力型叶片、升力型伺服电机、阻力型驱动电机、风轮，风力机主轴与风力机塔架相连，发电机安装在风力机塔架上并与风力机主轴相连，风轮安装在风力机主轴上，风轮上分别安装升力型叶片和阻力型叶片，升力型叶片安装升力型伺服电机，阻力型叶片安装阻力型驱动电机，风力机主轴上安装主轴位置编码器和导电滑环，风速风向传感器通过风向风速连接板安装在风力机主轴顶部。
本发明还可以包括：
1、阻力型叶片与升力型叶片在风轮上的安装半径分别为RD、RL，RD/RL＝3/10。
2、由阻力型叶片、升力型叶片、风轮组成的机构共有三组，每组之间夹角均为120度。
3、升力型叶片和阻力型叶片均采用两端支撑形式，升力型叶片转动中心布置在距叶片前缘的1/4处。
4、阻力型叶片包括两个半叶片，两个半叶片轴通过传动比为1的齿轮啮合，两个半叶片闭合拼成完整的翼型，俯视垂直轴风力机时，阻力型叶片在方位角130度由闭合转为张开，在方位角190度时叶片张开到最大位置，在方位角270度至315度之间实现闭合。
本发明的优势在于：本发明叶片为对称结构，风力相对于叶片转轴产生的力矩为0，叶片所受的气动力矩与叶片转动方向一致，降低了电机消耗，降低了启动风速，提高了启动性能和风能利用率，应用场合广。
附图说明
图1是本发明的三维整体效果图；
图2是本发明的主视图；
图3是垂直轴风力机升力与阻力型叶片状态示意图；
图4是本发明垂直轴风力机升力型叶片变桨距规律；
图5是风力机信息采集装置。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～5，本发明的风力机主轴5与风力机塔架1通过法兰连接并与地面固定，风轮3绕风力机主轴5旋转，发电机2安装在风力机主轴5下部，风轮3通过链条将风轮旋转运动传递到发电机2；风速风向传感器7位于风力机主轴5顶部，主轴位置编码器11和导电滑环12套装在风力机主轴5上，并位于风速风向传感器7下面，防雨罩6套装在主轴位置编码器11和导电滑环12***，以保证传感器正常使用；升力型叶片10和阻力型叶片8安装在风轮3上，阻力型驱动电机4安装在阻力型叶片顶部，升力型伺服电机9安装在升力型叶片顶部。风速风向传感器7和主轴位置编码器11将采集信息经导电滑环12传递给控制器，实现变桨距控制。
结合图3和图4，以大地为参考坐标系，升阻力混合型垂直轴风力机在运转过程中，叶片的状态如图3所示。对于阻力型叶片，叶片在方位角约130°开始由闭合逐渐张开，在方位角190°时叶片张开到最大位置，然后在方位角270°至315°范围内实现闭合，然后保持叶片闭合状态，直到下一次张开，由于阻力型叶片的开合作用提高了上风向顺风区的驱动力矩，并降低了下风向逆风区的阻力矩，可以使风机在很低的风速下启动，提高了风力机的启动性能；对于升力型叶片其变化规律遵循图4所示规律，在不同尖速比下采用不同变桨规律，提高垂直轴风力机的风能利用率，通过调节垂直轴风力机未启动状态下叶片的桨距角，可实现垂直轴风力机的自启动，提高风力机启动性能。
结合图5，本发明风轮3经角接触球轴承19绕风力机主轴5旋转，在风轮3端部安装有端面法兰20，将风轮3的旋转运动传递给主轴位置编码器11和导电滑环12，并在端面法兰20与风力机主轴5接触位置安装毛毡密封圈18；主轴位置编码器11套装在风力机主轴5上，主轴位置编码器11的固定环与风力机主轴5固结，旋转部分则通过编码器连接件21与端面法兰20固结，用于采集风轮旋转信息；导电滑环12安装在主轴位置编码器11上面，通过滑环连接件17与端面法兰20螺钉固结，防雨罩6套在主轴位置编码器11和导电滑环12***，以防止雨水和灰尘的进入，在防雨罩6和风力机主轴5连接处安装有迷宫式密封环16，防止雨水渗入并保护传感设备；风向仪13与风速仪14置于风力机主轴5顶部，安装在风向风速连接板15上，风向仪13采集垂直轴风力机附近流场风向，风速仪14采集风场风速变化情况。
升阻力混合型垂直轴风力机信息采集与升力型叶片的位置伺服控制的原理描述如下：主轴位置编码器11采集风轮位置，传感器采集的信息经导电滑环12传递给控制器，控制器经算法解算出合适的变桨规律，控制器输出的控制规律以及电机动力线经导电滑环12传递给伺服电机9，升力型伺服电机驱动叶片转动相应角度以获得最佳气动性能，叶片转动信息经叶片编码器反馈到控制器，控制器做出相应调整，实现叶片的位置伺服控制。
本发明包括这样一些特征：
1、所述垂直轴风力机采用风轮绕主轴转动的旋转方式，阶梯状主轴上安装有角接触球轴承，轴承两支撑形式以保证风力机的刚度和风力机旋转精度，同时保证风力机运转的稳定性。
2、风速风向传感器位于主轴顶部，并在风速风向传感器下安装导电滑环和位置编码器，风速和风向信息、升力叶片伺服电机编码器反馈信号、阻力型叶片驱动电机编码器反馈信号等通过导电滑环将信息传递到控制器，同时动力电源也通过导电滑环传到各传感器和各电机，实现叶片的位置伺服控制。
3、升力型和阻力型叶片都采用两端支撑形式，叶片轴端部均安装有角接触球轴承以保证叶片的刚度，降低叶片变形对气动参数的影响。
4、升力型叶片转动中心布置在距叶片前缘的1/4弦长处，叶片伺服电机安装在叶片轴顶部，控制器通过控制蜗轮蜗杆减速电机调节叶片的桨距角，叶片轴端安装有编码器，编码器将叶片位置反馈给控制器，通过叶片的桨距角位置伺服控制实现垂直轴风力机最大功率输出。
5、本发明中，内层阻力型叶片由两个半叶片构成，叶片端部与力矩电机连接，两叶片轴通过传动比为1的齿轮啮合，两叶片闭合拼成完整的翼型，力矩电机控制叶片的张开角度，叶片轴处安装有限位开关，以保证叶片的安全。
6、本发明中，升力型叶片和阻力型叶片按照额定风速下的最佳尖速比布置，阻力型叶片和升力叶片安装的风轮半径比为0.3，实现风力机低尖速比向高尖速比运转的过渡，提高风力机的风能利用率。

Claims (5)

1.一种垂直轴风力机，其特征是：包括风力机塔架、风力机主轴、发电机、风速风向传感器、升力型叶片、阻力型叶片、升力型伺服电机、阻力型驱动电机、风轮，风力机主轴与风力机塔架相连，发电机安装在风力机塔架上并与风力机主轴相连，风轮安装在风力机主轴上，风轮上分别安装升力型叶片和阻力型叶片，升力型叶片安装升力型伺服电机，阻力型叶片安装阻力型驱动电机，风力机主轴上安装主轴位置编码器和导电滑环，风速风向传感器通过风向风速连接板安装在风力机主轴顶部；
阻力型叶片与升力型叶片在风轮上的安装半径分别为RD、RL，RD/RL=3/10。
2.根据权利要求1所述的一种垂直轴风力机，其特征是：由阻力型叶片、升力型叶片、风轮组成的机构共有三组，每组之间夹角均为120度。
3.根据权利要求1或2所述的一种垂直轴风力机，其特征是：升力型叶片和阻力型叶片均采用两端支撑形式，升力型叶片转动中心布置在距叶片前缘的1/4处。
4.根据权利要求1或2所述的一种垂直轴风力机，其特征是：阻力型叶片包括两个半叶片，两个半叶片轴通过传动比为1的齿轮啮合，两个半叶片闭合拼成完整的翼型，俯视垂直轴风力机时，阻力型叶片在方位角130度由闭合转为张开，在方位角190度时叶片张开到最大位置，在方位角270度至315度之间实现闭合。
5.根据权利要求3所述的一种垂直轴风力机，其特征是：阻力型叶片包括两个半叶片，两个半叶片轴通过传动比为1的齿轮啮合，两个半叶片闭合拼成完整的翼型，俯视垂直轴风力机时，阻力型叶片在方位角130度由闭合转为张开，在方位角190度时叶片张开到最大位置，在方位角270度至315度之间实现闭合。
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