一种层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机

摘要

一种层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机。在水平轴风力机为主流的风电领域，垂直轴风力机构成的风电机组仍有其特有的优势，在某些特定的区域或位置，垂直轴风电机组比水平轴风电机组有更好的性价比。它整体上设备制造成本低、安装维护方便、嗓音低等。而一般升力型垂直轴风力机存在起动性能差、风能利用率低、强风时避险能力差等缺点。本发明提出一种设有风向导流板、风轮以层叠结构安装、风轮叶片可自动变桨距的垂直轴风力机。所发明的风力机，结构上具备现有垂直轴风力机的全部优点，完全消除了一般垂直轴风力机固有的缺点和不足，具备明显的技术先进性和良好的应用前景。

说明书

【技术领域】

本发明属于绿色新能源技术中的风力发电装置技术领域，涉及一种有风向导流板，风轮为上下层叠结构，叶片可自动变桨的垂直轴风力发电装置。

【技术背景】

在水平轴风力机为主流的风电领域，近30年来水平轴风力机发挥了巨大的作用。但由于其自身结构特点的限制，使其存在一些不易解决的缺陷。如机舱过重；几十吨甚至几百吨重的发电设备要吊装到几十米甚至上百米高空的机舱内；塔架所承受的倾翻力矩非常大，对塔架基础的要求非常高；从而整体造价很高。垂直轴(即立轴)风力机构成的风电机组，在某些区域或位置，有其结构上的明显优势。垂直轴风电机组比水平轴风电机组有更好的性价比，即垂直轴风力机具有整体上设备制造成本低，安装、运输、维护方便，噪音低等优势。本发明是在主要发明人申请的ZL20142012724.8号实用新型专利《立轴风力发电装置》基础上的一个突破性的改进，或者说是一个升级版的新结构。ZL20142012724.8号专利存在阻力型叶片效率低、单层结构不易大型化等不足。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有升力型立轴风力机启动性能差、风能利用率低、避险能力差的缺陷和不足，提供一种新型层叠结构、叶片自动变桨、带有风向导流调节板的垂直轴(即立轴)风力机。

本发明提供的层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机，包括通过风轮主立轴1安装在支座上的风轮及其主立轴，在风轮外围的基础上通过导流板立轴8安装有一组导流板6，导流板用于调控风轮的风能捕获量和风向；所述的风力机为层叠式框架结构，在风轮主立轴上至少串联安装有两组框架式风轮及导流板，每组框架式风轮至少安装有三个框架15，每个框架15内安装有一根叶片转轴2，每根叶片转轴2上安装有一个叶片3；所述导流板6为长方形，以宽度方向靠近风轮的位置固定在导流板立轴轴承座上；各导流板的水平投影与风轮径向平面夹角相等，各导流板能够围绕导流板立轴同步调整角度。

所述风力机的叶片3采用自动变桨机构，每个叶片在垂直方向均设有一根支撑轴2即叶片转轴2，叶片转轴2在水平方向上靠近叶片前缘，固定在叶片的1/4—1/3处，叶片转轴2通过轴承安装在风轮框架15上，在风轮框架上靠近叶片位置各安装有一个叶片变桨角度限位机构7，以限制叶片最大变桨位置，在风力和离心力的合力作用下，实现自动变桨。

所述风轮为串联层叠结构，每一层风轮的叶片3均错开一个角度安装，使所有叶片3在径向均布于360度旋转圆柱曲面上；每层风轮至少由三个叶片组成。

所述风轮主立轴轴承座安装在由导流板立轴8组成的结构支座上，导流板立轴8顶部采用环形刚性结构连接为一体，且分别与风轮主立轴1进行径向刚性连接。

本发明垂直轴风力机的关键组件及特点：

1.导流板6的结构、安装形式及调节传动

在该风力机风轮旋转圆柱面外侧设有6个及以上长方形的风向导流板6，通过轴承座安装在导流板立轴8上。在导流板外侧设有导流板角度同步调节环形结构5，它和计算机执行机构4连接，根据增速机10高速轴上的转速信号，按设定的参数适时调整导流板的角度。执行机构电机减速机通过齿轮、齿条调整导流板的角度。

2.风轮的层叠结构及其作用

本发明中的风轮至少由两层框架式风轮组成，各层风轮叶片上下错位安装，形成层叠结构，它增加了风力机的整体刚性和制造、运输的便利性。层叠结构的另一个作用是使各层风轮叶片沿360度均布安装，以减少风力机起动转矩的死角范围。

3.叶片3自动变桨距结构及其作用

该风力机叶片3通过其转轴2及轴承安装在其风轮框架内。该转轴固定在叶片的水平投影方向上靠近其前缘的1/4～1/3处。在上述风轮框架上设有对叶片转动角度的限位机构7，限制叶片在正负20度范围内运动。借助于风对叶片的推力和风轮旋转时的离心力二者的叠加作用，实现自动变桨距。叶片围绕其转轴在风轮正对风上风向的前半部分圆柱曲面,呈现0-20度的正桨距角,从而获得较大的起动转矩和风能利用系数；而在风轮下风向的后半部分圆柱曲面，呈现0-20度的负桨距角，同样能获得较大的起动转矩和风能利用率。风轮叶片通过其固定安装的水平支撑机构上设置的限位机构起到桨距角正负值变化的最大值约束。

4.导流板粘贴光伏电池板结构及工作方式

根据该型风电机组的安装位置和主风向，选择部分风向导流板朝向阳光侧粘贴柔性光伏电池板,该电池板主要为该风电机组自备电源蓄电池进行充电用。在风电机组不发电期间,自备电源蓄电池可能因自放电失电而不能使风电机组自行工作,因此安装部分光伏电池能确保风电机组正常工作。

5.导流板立轴8的作用

该导流板立轴8不仅作为支撑导流板在其上可转动的立轴，也作为该风力机的塔架，既作为风轮主立轴1轴承座的结构支座，也作为风轮主立轴稳定性的框架结构辅助支撑。

本发明专利的优点和有益效果

1、流导板具有增大风轮的风能捕获量，并实现风力机对风，提高风能利用率的功能。同步调整各导流板的角度，可控制风量及调控风轮的转速。在遇强台风时，关闭导流板(即各导流板围绕其立轴组成环形立体屏障)，保护风力发电装置不受损害。

2、风轮叶片借助于离心力和风推力的叠加作用，实现一定范围的自动变桨，即叶片自动调整桨距角以获得最大起动转矩和提高风能利用率，从而使设备结构简单、可靠、耐用，也降低了风力机的制造成本。

3、所述风力机，风轮为上下层叠结构，每一层风轮叶片相互错位、按360度均布安装，使所有叶片均布于360度旋转圆柱曲面上，减少了风力机起动转矩的死角。提高了低风速的风轮启动性能。可根据风电机组的功率大小，确定风力机的层数。

4、该导流板立轴不仅是导流板旋转所用的支撑立轴，还兼具本发明风力机的塔架作用，该组立轴与风轮主立轴在端部分别进行径向刚性连接，增强了风力机系统的刚性和稳定性。风轮主立轴轴承座安装在由导流板立轴组成的结构支座上。

【附图说明】

图1是层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机俯视图。

图2是层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机正视图。

图3是叶片变桨结构示意图。

图中，1.风轮主立轴，2.叶片转轴，3.叶片，4.导流板调节执行机构，5.导流板调节环形结构，6.导流板，7.叶片角度限位机构，8.导流板立轴，9.导流板调节连杆，注：①为导流板开启最大角度 ②为导流板闭合角度；10.增速机，11.制动器，12.联轴器，13.发电机，14.增速机、发电机安装支座，15.风轮框架。

【具体实施方式】

如图1和图2所示层叠结构、自动变桨的垂直轴风力机，包括通过风轮主立轴1安装在支座上的风轮及其主立轴，在风轮外围的基础上通过导流板立轴8安装有一组导流板6，导流板用于调控风轮的风能捕获量和风向；所述的风力机为层叠式框架结构，在风轮主立轴上至少串联安装有两组框架式风轮及导流板，每组框架式风轮至少安装三个框架，每个框架内安装有一根叶片转轴2，每根叶片转轴上安装有一个叶片3；所述导流板为长方形，以宽度方向靠近风轮的位置固定在导流板立轴轴承座上；各导流板在水平投影方向与风轮径向平面夹角相等，各导流板能够围绕导流板立轴同步调整角度。

本发明的垂直轴风力机具有以下几个创造性特征。

1.可调向风向导流板6结构(如图1、图2)在垂直轴风力机旋转的风轮圆柱曲面外围,设有6-16片风向导流板6，导流板垂直方向高度与风力机风轮高度相同,导流板宽度小于或等于风轮半径,导流板厚度在满足机械强度的前提下尽量薄。以宽度方向靠近风轮的位置固定在导流板立轴8轴承座上。各导流板在水平投影方向与风轮径向夹角相等，在导流板外侧设有导流板角度同步调节环形结构5，它和计算机执行机构4连接，各导流板通过导流板调节连杆9与同步调节环形结构5连接，可使各导流板围绕其立轴由计算机执行机构4同步调整角度,驱动装置(即执行机构4)及控制系统安装在导流板立轴8支架上。驱动装置通过齿轮、齿条调整导流板的角度(图中略)。

2.该风力机风向导流板6的立轴8不仅支撑导流板6、同时也作为风力机整体的纵向支撑塔架,风轮主立轴1轴承座安装在由导流板立轴8组成的结构支座上，导流板立轴8端部采用环形刚性结构连接为一体，且均与风轮主立轴1端部径向刚性连接，辅助支撑风力机风轮围绕主立轴1旋转。

3.该风力机至少由两层层叠结构的风轮组成,可根据设计要求由多层风轮组成层叠式结构，每层都有风向导流板和风轮，风轮上的叶片3数量，根据设计可以是三个或更多,每层风轮叶片3在旋转圆周上的安装位置相互错开一个角度,原则是所有叶片累加起来均匀分布于360度旋转圆柱曲面上。

4.叶片自动变桨距结构(如图1，图3)

该垂直轴风力机的每层风轮包含有三个及三个以上升力型叶片3，在垂直方向上叶片3固定安装在其转轴2上,转轴2在叶片3水平方向上靠近前缘1/4-1/3处，叶片3通过转轴2与轴承安装在风力机的风轮框架15上。在该框架机构上设有对叶片3转动角度的限位机构7，以限制叶片3沿转轴2旋转圆柱曲面向内或向外的旋转角度，其角度为正负20度以内。

5.导流板粘贴光伏发电电池板结构

该垂直轴风力机导流板上，可选择安装朝向太阳方向的一面粘贴柔性光伏发电电池板，光伏发电电池输电导线在导流板立轴附近柔性固定导出。