自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置及风力风电机的制作方法

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置及风力发电机。

背景技术：

我国风能资源丰富，风电发展迅速。风电机组主要分为水平轴和垂直轴，大型化风电机组普遍采用水平轴方案，小型风电机组中水平轴和垂直轴的方案各有应用。水平轴方案的主要利用叶片的升力做功，优势在于功率系数较高，缺点在于需要根据风向的变化调整对风方向、塔架承受较大的弯矩；垂直轴方案较为多样化，主要有阻力型、升力型和混合型，阻力型包括S型、风杯型等，其优点是翼型简单、自启型好，但风功率利用系数不高；升力型包括H型，Φ型等，其优点是风能利用率高，缺点是需要专门的翼型、自启动性不好；混合型兼具升力型和阻力型的优点，但结构较为复杂。

技术实现要素：

为了解决现有技术的缺点，本发明的第一目的是提供一种自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置。

本发明的一种自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置，包括塔架，塔架的顶端安装有风轮和电机，所述风轮包括若干个叶片，每个叶片均安装有一个自适应变桨装置，自适应变桨装置安装在电机的转子上；所述塔架上还安装有聚风导流罩，所述聚风导流罩位于风轮的下方，所述聚风导流罩用于将各个方向的风能聚集并使其垂直吹向风轮，使得风轮在风速的作用下带动电机的转子旋转产生电能。

优选地，所述自适应变桨装置包括第一支撑轴、叶根轴、扭簧和第二支撑轴承；所述叶根轴与叶片固定连接，叶根轴分别与第一支撑轴承和第二支撑轴承相连，所述第一支撑轴承和第二支撑轴承均安装于电机的转子上，所述叶根轴上还套穿有扭簧，所述扭簧也固定于电机的转子上。

由于扭簧预设一定扭矩，大小为额定风速时作用在叶根轴上的气动扭矩。初始状态下叶片固定在最佳迎风角，该角度下叶片能够捕获最大风能。自适应变桨装置的工作过程如下：额定风速以下时，叶片在扭簧预紧扭矩的作用下处于初始迎风角度，此时风力发电机捕获当前风速下的最大风能；额定风速以上时，作用在叶根轴上的空气力矩超过扭簧预设的扭矩，叶片的迎风角度在气动力矩的作用下向顺桨方向转动，作用在叶片上的气动力矩相应减小，直到气动力矩与预设的扭矩达到平衡，此时风轮捕获的功率稳定在额定功率。

进一步地，所述塔架上还安装有保护罩，所述保护罩安装于风轮上方。防护罩的目的是保护叶片和电机不受雨雪冰雹雷击的影响，同时可以有效防止生物入侵。

优选地，叶片的数量至少为3个。3个叶片是满足最小风力发电的要求的最低限，而叶片的具体数量根据实际情况确定。

优选地，所述自适应变桨装置等间距安装在电机的转子上。这样使得与自适应变桨装置相连的叶片能够均匀地布置于电机的转子上，既能保证自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的稳定性，也能够达到快速稳定发电的要求。

进一步地，电机的转子上还安装有轮毂，叶根轴穿过轮毂与叶片固定连接。轮毂的主要作用是保护电机和自适应变桨装置，同时利用翼型产生的升力原理在风轮背风面产生负压，对流经风轮的风速进行二次加速。

优选地，所述电机为盘式外转子电机，电机的转子与风轮固定在一起，共同围绕电机的定子旋转，电机的定子固定连接在塔架上。

进一步地，所述塔架内还设有电缆线，所述电缆线与电机相连。塔架的主要起支撑固定作用，这样其内设置的电缆线能够将电机输出的电能发送至需电装置中。

本发明的第二目的是提供一种自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的工作方法。

本发明的该自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的工作方法，包括：

步骤1：聚风导流罩用于将各个方向的风能聚集并使其垂直吹向风轮，风轮在风速的作用下带动电机的转子旋转产生电能；

步骤2：自适应变桨装置根据风速大小自动调节叶片的迎风角度，实现对功率和载荷的自适应控制。

本发明的第三目的是提供一种风力发电机。

本发明的该风力发电机，包括上述的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的聚风导流罩能够聚集浓缩风能，提高风能品味，提高发电机工作效率；聚风导流罩能够聚集各个方向的风能，不需要偏航对风装置；

(2)本发明的每个叶片都安装有自适应变桨装置，该装置不需要动力源，能够根据风速大小自动的改变叶片迎风角度，实现功率和功率的自适应控制；

(3)风力发电机的旋转部件都隐藏在导流罩内部，不造成视觉污染，不影响自然环境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影响，可在城市内大量应用。

附图说明

图1是本发明的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置结构的一个实施例示意图；

图2是本发明的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置结构的另一个实施例示意图；

图3是本发明的风轮的结构示意图；

图4是本发明的自适应变桨装置结构示意图；

图5是本发明的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的工作原理图。

其中，1、保护罩；2、轮毂；3、叶片；5、聚风导流罩；6、自适应变桨装置；7、电机的转子；8、塔架；9、第一支撑轴承；10、扭簧；11、第二支撑轴承；12、叶根轴。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面描述的本发明不同实施例方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1是本发明的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置结构的一个实施例示意图。如图所示的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置，包括塔架8，塔架8的顶端安装有风轮和电机，所述塔架8上还安装有聚风导流罩5，所述聚风导流罩5位于风轮的下方，所述聚风导流罩5用于将各个方向的风能聚集并使其垂直吹向风轮，使得风轮在风速的作用下带动电机的转子7旋转产生电能。

如图3所示的风轮包括若干个叶片3，每个叶片3均安装有一个自适应变桨装置6，自适应变桨装置6安装在电机的转子7上。

在另一个实施例中，如图2所示，塔架8上还安装有保护罩1，所述保护罩1安装于风轮上方。防护罩1的目的是保护叶片和电机不受雨雪冰雹雷击的影响，同时可以有效防止生物入侵。

本在本实施例中，电机的转子上7还安装有轮毂2，叶根轴12穿过轮毂2与叶片3固定连接。轮毂2的主要作用是保护电机和自适应变桨装置，同时利用翼型产生的升力原理在风轮背风面产生负压，对流经风轮的风速进行二次加速。

进一步地，所述塔架8内还设有电缆线，所述电缆线与电机相连。塔架的主要起支撑固定作用，这样其内设置的电缆线能够将电机输出的电能发送至需电装置中。

优选地，所述电机为盘式外转子电机，电机的转子与风轮固定在一起，共同围绕电机的定子旋转，电机的定子固定连接在塔架上。

优选地，叶片的数量至少为3个。3个叶片是满足最小风力发电的要求的最低限，而叶片的具体数量根据实际情况确定。

采用水平轴升力型叶片，发电效率较高；

优选地，所述自适应变桨装置等间距安装在电机的转子上。这样使得与自适应变桨装置相连的叶片能够均匀地布置于电机的转子上，既能保证自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的稳定性，也能够达到快速稳定发电的要求。

图4是本发明的一种自适应变桨装置的结构示意图，如图所示的自适应变桨装置包括第一支撑轴9、叶根轴12、扭簧10和第二支撑轴承11；所述叶根轴12与叶片3固定连接，叶根轴12分别与第一支撑轴承9和第二支撑轴承11相连，所述第一支撑轴承9和第二支撑轴承11均安装于电机的转子7上，所述叶根轴12上还套穿有扭簧10，所述扭簧10也固定于电机的转子7上。

由于扭簧预设一定扭矩，大小为额定风速时作用在叶根轴上的气动扭矩。初始状态下叶片固定在最佳迎风角，该角度下叶片能够捕获最大风能。自适应变桨装置的工作过程如下：额定风速以下时，叶片在扭簧预紧扭矩的作用下处于初始迎风角度，此时风力发电机捕获当前风速下的最大风能；额定风速以上时，作用在叶根轴上的空气力矩超过扭簧预设的扭矩，叶片的迎风角度在气动力矩的作用下向顺桨方向转动，作用在叶片上的气动力矩相应减小，直到气动力矩与预设的扭矩达到平衡，此时风轮捕获的功率稳定在额定功率。

本发明中的自适应变桨装置还可以采用液压变桨装置或是现有的其他结构的自适应变桨装置。

本发明的聚风导流罩能够聚集浓缩风能，提高风能品味，提高发电机工作效率；聚风导流罩能够聚集各个方向的风能，不需要偏航对风装置；本发明的每个叶片都安装有自适应变桨装置，该装置不需要动力源，能够根据风速大小自动的改变叶片迎风角度，实现功率和功率的自适应控制；风力发电机的旋转部件都隐藏在导流罩内部，不造成视觉污染，不影响自然环境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影响。

本发明为了更好地保证聚风导流罩聚集的各个方向的风能垂直吹向风轮，可在风轮的外侧还设置有顶层导流罩。

图5是本发明的自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的工作原理图。如图5所示，本发明的该自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置的工作方法，包括：

步骤1：聚风导流罩用于将各个方向的风能聚集并使其垂直吹向风轮，风轮在风速的作用下带动电机的转子旋转产生电能；

步骤2：自适应变桨装置根据风速大小自动调节叶片的迎风角度，实现对功率和载荷的自适应控制。

由于来流方向的不一致，作用在风轮上的风载荷是不均匀分布的，当某个叶片上的风载荷过大时，该叶片的自适应变桨装置会单独变桨，减少该叶片承受的风载，从而使作用在整个风轮上的载荷处于平衡状态。这种方法可以有效减少极限屈服和疲劳失效的几率。为了减少叶片自适应变桨装置的振动，也可以在叶根轴上加装阻尼装置。

本发明基于如图1和图2所示的垂直轴风力发电机驱动装置还提供了一种风力发电机，该风力发电机，包括上述所述自适应变桨的垂直轴风力发电机驱动装置。该风力发电机的其他结构均为现有结构，此处将不再累述。

本发明的该风力发电机中的聚风导流罩能够聚集浓缩风能，提高风能品味，提高发电机工作效率；聚风导流罩能够聚集各个方向的风能，不需要偏航对风装置；而每个叶片都安装有自适应变桨装置，该装置不需要动力源，能够根据风速大小自动的改变叶片迎风角度，实现功率和功率的自适应控制；风力发电机的旋转部件都隐藏在导流罩内部，不造成视觉污染，不影响自然环境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影响，可在城市内大量应用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。