专利名称：圆通垂直轴气动风力发电机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是风力发电机组，具体的是一种垂直轴式，与市场上的垂直轴风力 发电机所不同的是，本风力发电机省去了并网所用的变频装置，采用空气压缩机带动气动 马达连接发电机进行发电，电流稳定，可直接并入国家电网；同时，本产品降低了设备的成 本。
背景技术：
稳定、可靠、清洁的能源供应是人类文明、经济发展和社会进步的保障。煤炭、石 油、天然气等化石能源支持了 19世纪和20世纪近200年的人类文明的进步和发展。然而， 化石燃料的大量消耗，不仅让人类面临资源枯竭的压力，同时也感觉到了环境恶化的威胁。 21世纪是科技、经济和社会快速发展的世纪，也将是从化石燃料时代向具有持续利用能力 的可再生能源时代过渡，逐步开创一个人类摆脱化石燃料桎梏的能源新时代的世纪。风力 发电是近期内技术成熟，具有大规模发展潜力的可再生能源，在远期有可能成为世界重要 的替代能源。风力机作为风力发电的主要设备，其机构型式多种多样。按照风轮旋转轴在空间 的方向，可以将风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类。水平轴风力机扫风面积 较大，风能利用系数较高，是目前世界上的主流风力机，其技术已经发展的比较成熟。但是 由于水平轴风力机自身固有的一些特点，如叶片受力情况复杂，需要偏航系统对风，机舱在 塔架顶部不易维修等因素，使得水平轴风力机的制造成本和运营维护成本较高。而垂直轴 风力机由于不需要偏航系统，齿轮箱等部件可以放在地面或塔架底部，维护方便等因素，制 造成本和运营维护成本较低，近些年来越来越得到广泛的关注。然而目前使用的垂直轴风力发电机与电网并网时一定要使电流的频率与电网相 一致，这样，要采用变频器、逆变器在技术上对电压及频率进行调节，方能实现并网的目的， 但这在设备的购置上要增补很多相关的器具，无形之中增加了投资的成本，也增大了占地 面积。这是目前使用的垂直轴风力发电机存在的关键问题和缺欠。
发明内容
本发明的目的是针对目前国内外市场上风力发电机价格普遍较高，并网技术路线 复杂，投资较大的问题而提供的一种机构简单、投资少、见效快、易推广、易于维护保养的圆 通垂直轴气动风力发电机组。采用的技术方案是圆通垂直轴气动风力发电机组，包括风轮机构、风力传动机构、气路传送机构、压 缩空气调节控制机构、气动马达发电机构等五部分。所述风轮机构包括多个叶片、主轴和多个支架；多个叶片分别对应和多个支架固 定连接，多个支架均勻布设在主轴四周并与主轴固定连接，主轴的下端通过主轴联轴器与风力传动机构的传动轴同心固定连接；所述风力传动机构包括塔筒、传动轴、轴承座、联轴器、齿轮箱、刹车机构、离合器、 水平轴等；传动轴位于塔筒内同轴心安装，在传动轴的下端连接置于地面的齿轮箱，通过齿 轮箱的输出轴连接在离合器上，齿轮箱与离合器之间有刹车装置。当风速超过25m/s时，进 行机械刹车，以保证风机的安全。通过离合器后面连接的后水平轴带动空气压缩机产生压 缩空气。所述气路传送机构，包括至少一个空气压缩机、储气罐、气动马达；至少一个空气 压缩机的输气口通过管路与储气罐相连接，储气罐的出气口经出口截止阀、电磁换向阀、空 气过滤器、流量阀、减压阀、气动马达入口压力表和油雾过滤器与气动马达相连接，气动马 达的输出轴与发电机转子固定连接；压缩空气在气路传送机构的操控下向气动马达发电机 构释放压缩空气。所述压缩空气调节控制机构包括流量阀、减压阀和测速发电机；压缩空气调节控 制机构由粗调和微调两个单元组成。粗调由安装在传输压缩空气的管路上的流量阀进行调 节，流量阀的前、后两端分别与空气过滤器和减压阀相连接；减压阀的后端与气动马达入口 压力表连接；测速发电机位于发电机后面的转子边缘，测速发电机输出的信号通过导线连 接控制柜中的中央处理器，中央处理器的输出端分别对应与流量阀和减压阀的控制端口相 连。当流量阀开启量大，通过的压缩空气量就大，同时进入气动马达内的压缩空气量就大， 马达转速相应较高；反之，马达转动就慢。控制了气动马达的转速，也就同时控制了发电机 的转速，即控制了发电机的发电频率。微调单元由减压阀进行调节，当启动马达的转速通过 流量阀调节后尚有偏差时，减压阀得到信号，调节压缩空气的压力，使气动马达的转速达到 发电机要求，使发电机在额定功率下工作。所述气动马达发电机构，包括气动马达和发电机；气动马达的输出轴与发电机的 出轴固定连接；气动马达在压缩空气的作用下飞快的旋转，从而带动了发电机同步旋转，发 电机输出的电流符合规定和要求而并网运行。上述传动轴的底端连接一大锥齿轮，大锥齿轮与小锥齿轮相啮合，小锥齿轮位于 水平轴的一端。上述空气压缩机与储气罐连接的管路上先后装设有空压机输出压力表、截止阀、 单向阀。上述储气罐上装设有储气罐压力表。上述传动轴与塔筒同轴心安装，本发明的工作原理风力发电机一般用在指定的风场中工作，风场中的风能丰富，且风向稳定。风机叶 片在气动推力的作用下产生旋转，叶片通过固定在主轴上的支架把旋转力矩传递给主轴。 本发明对现有垂直轴风力发电机做了一些改造设计，将齿轮箱部分移到了地面，而将主轴 直接传递到地面，通过一组锥齿轮将垂直方向的轴变成水平方向。这组锥齿轮不但起到使 主轴变相的作用，同时起到了一定的增速作用。主轴通过固定在塔架上的轴承定位，共有3 段轴，轴与轴之间用联轴器连接。通过锥齿轮的变相作用，把垂直的力矩改变成水平力矩，并通过齿轮箱对现有的 水平轴进行增速，以达到空气压缩机所需要的额定转速。在齿轮箱与空气压缩机之间有离合器与刹车系统，当风速达到切除风速时刹车系统使风机静止，以保证风机的使用安全。刹 车系统安装在齿轮箱之后，降低了刹车所用的扭矩并使刹车系统自身机构紧凑。在刹车系 统后是离合器，离合器起到辅助保护风力机安全的作用。齿轮箱的增速轴连接空气压缩机的带轮，带轮通过带传动将力矩传递给空气压缩 机，空气压缩机工作产生压缩空气，通过耐高压的钢管将压缩空气传递到储气罐中。在储气 罐与空气压缩机之间有安全阀、单向阀、压力表等装置。压力表用来记录空气压缩机产生的 压力值，截止阀用来控制空气压缩机对储气罐的送气，单向阀控制压缩空气的单向传输。储气罐中的压缩空气通过高压管将压缩空气传递给气动马达，在储气罐与气动马 达之间有空气过滤器、流量阀、安全阀、压力表、减压阀、油雾过滤器等装置。这些装置的主 要用途是为了得到洁净的压缩空气同时又要保证储气罐储气的安全。空气过滤器与油污过 滤器对空气压缩机产生的压缩空气进行过滤，流量阀、安全阀、压力表、减压阀等主要是控 制储气罐内压缩空气的压力容量。当储气罐内的压缩空气量不足时，压力表会显示此时的 压力值，这时需要调节流量阀，向储气罐内持续储气。当储气罐内的压缩空气量过多时，压 力表同样会显示此时的压力值，这时应打开减压阀排除一部分空气，以保证储气罐的安全。 该机构由粗调和微调两个单元组成，粗调由安装在传输压缩空气的管路上的流量阀进行调 节，当流量阀开启量大，通过的压缩空气量就大；微调单元由安装在压缩空气管路上的减压 阀进行调节。气动马达在压缩空气的作用下产生动力，其输出轴连接发电机发电。该电流频率 稳定，可直接并入国家电网。在气动马达入口处有一压力计，显示传输到气动马达的空气压 力，当气量不足时，压力计显示此时的压力值，这时需要通过流量阀来控制气动马达的进气 量和储气罐中的空气量。在发电机的后面安装一测速发电机，用来检测发电机的转速大小， 测速发电机的输出信号通过导线送入控制柜中的中央处理器，其电信号通过A/D转换模块 变数字量送给单片机，单片机通过内部运算决定流量阀和减压阀的调节量，输出的数字信 号通过D/A转换模块变成电信号进而调节流量阀和减压阀的开启程度。测速发电机输出导 线与控制柜中对应端相连接，输出端分别与流量阀和减压阀的端口相连。本发明的特点1、经济效益巨大整套设备造价较低。本发明用齿轮箱、空气压缩机、气动马达、 发电机等装置代替了原有风力发电机的变频器和永磁发电机。市场上一台120kw的垂直轴 永磁风力发电机价格可达到180万元左右，而本发明与市场上普遍的垂直轴风力发电机相 比，成本大大降低。2、社会效益巨大有利于地方经济建设，增加地方税收，增加当地人员就业。使 用空气压缩机，气动马达等设施，这些设备可实现全部国产化，给国内的中小企业提供了市 场。有利于拉动内需，促进国内经济发展。3、入网电流稳定由于本发明采用压缩空气带动气动马达连接发电机进行发电， 使其发电频率稳定，可直接入网发电。储气罐中的压缩空气量稳定，这就使得发电的稳定性 和连续性有了一定的保障。同时储气罐的可储存一定量的空气，可连续供给，这样就不会造 成电的浪费。4、本发明采用压缩空气带动气动马达进行发电，压缩空气供量稳定就使得发电机 转数稳定，电流稳定，目前国内尚没有此项技术应用在风力发电机中。
本发明建立在垂直轴风力发电机的基础之上，在结构上与其相似，但省去了变频 环节，通过控制压缩空气的流量和压力确保发电频率稳定，于此同时又大大降低了垂直轴 风力发电机的成本。目前风力发电机组广泛采用变频器、逆变器对电压及频率进行调节，用蓄电池储 电。本发明用风力发电机产生的动力带动空气压缩机，将产生的高压空气储存，通过释放压 缩空气，带动气动马达产生动力，之后连接发电机进行发电。该压缩空气具有可调性和可储 存性，这就使得发电频率稳定，该电流可直接并入国家电网进行发电。这样有效解决了风力 发电机变频入网环节费用较高的问题本发明设计科学、合理、富有创意，利用空气压缩机和气动马达带动发电机，替换 了市场上通用的风力发电机系统，有效的解决了风力发电机成本高，电流不稳定的特点。装 设有相关的安全调整装置，适宜各种风向，稳定可靠，实用性强，具有较好的发展前景。本发 明适用于电力部门使用。
图1为本发明的整体示意图。图2为本发明的风轮机构结构的示意图。图3为本发明的塔筒内传动轴连接示意图。图4为本发明的塔筒连接示意图。图5为本发明的风力传动机构连接示意图。图6为本发明的气路传送机构连接示意图。图7为本发明的压缩空气调节控制机构连接示意图。
具体实施例方式圆通垂直轴气动风力发电机组，包括风轮机构、风力传动机构、气路传送机构、压 缩空气调节控制机构、气动马达发电机构等五部分。所述风轮机构包括多个叶片1、主轴3、 多个支架2 ；多个支架2分设上、下对应的两层，每层多个支架2的投影径向均勻的布设在 一个圆内，多个叶片1采用空气动力学结构，上、下两端通过螺栓连接在上、下两层相对应 的支架2的一端上，上、下两层相对应的支架2的另一端对应的分设上、下两层均勻的与主 轴3固定连接，在风力作用下叶片1带动连接在支架2上的主轴3旋转，主轴3旋转产生转 矩，产生动力。主轴3的下端通过联轴器4与风力传动机构的传动轴9同心固定连接。风力传动机构的传动轴9位于塔筒12内，塔筒12顶端设有法兰盘7，顶端端盖5 与塔筒12的法兰盘7通过螺栓连接，传动轴9通过固定在塔筒12上的轴承座6进行定位。 塔筒12内的传动轴9共分为三段，即一段轴8、二段轴10、三段轴11，一段轴8和二段轴10、 二段轴10和三段轴11分别通过结构相同的万向联轴器13进行连接，塔筒共分为5段，即 一段塔筒15、二段塔筒16、三段塔筒19、四段塔筒36和五段塔筒56，每段塔筒与塔筒之间 通过结构相同的法兰14用螺栓固定连接。在每两个法兰14连接处之间装夹有一法兰盘 18，结构相同的五个轴承座6分别安装在五个法兰盘18的中心，传动轴9分别上、下装设在 五个轴承座6中；塔筒12底部的法兰盘20连接地基基座，传动轴9的底端连接一大锥齿轮 21，大锥齿轮21与小锥齿轮22相啮合，小锥齿轮22位于前水平轴17的一端，大、小锥齿轮21和22用来变相与增速。通过锥齿轮变相增速的前水平轴17与齿轮箱23相连，齿轮箱 23对前水平轴17进行增速，以达到空气压缩机33所需要的转速。齿轮箱23的后面先后连 接刹车装置24与离合器26，当风速超过25m/s时，启动刹车装置24，进行风机的刹车，以保 证本风力发电机的使用安全。离合器26与刹车装置24配合使用，当本风力发电机需要检 修或启动时，开启离合器26，控制本风力发电机的启动与停车。离合器26的输入端与输出 端分别通过前联轴器25和后联轴器27与前水平轴17和后水平轴29相连。在离合器26后端连接空气压缩机33的皮带大轮30，空气压缩机33的皮带大轮 30通过皮带31与皮带小轮32相连接，皮带大轮30与皮带小轮32为增速机构，即皮带大轮 30与后水平轴29相连接，皮带小轮32连接空气压缩机33，这就使得前述齿轮箱23可以适 当的减小尺寸。后水平轴29前后并列设置结构相同的空气压缩机33的三个皮带大轮30， 此后水平轴29前、后用轴承28进行轴向定位。气路传送机构的空气压缩机33为活塞式空气压缩机，在皮带小轮32的带动下空 气压缩机33产生压缩空气，并通过高压管输送到储气罐42中。在空气压缩机33与储气罐 42之间设有三组结构相同的先后连接的空压机压力表37、截止阀38、单向阀39。空压机压 力表37用来记录空气压缩机33产生的压力值，截止阀38用来控制空气压缩机33对储气 罐的送气，单向阀39控制压缩空气的单向传输。储气罐42储存空气压缩机产生的空气，并 将压缩空气传递给气动马达48，使气动马达48产生动力，带动发电机50发电。在储气罐 42与气动马达48之间的管路上先后分别装有截止阀34、电磁换向阀35、空气过滤器43、流 量阀44、减压阀45、气动马达入口压力表46、油雾过滤器47等装置，在储气罐42上装有减 压阀40和压力表41。储气罐42上的压力表41用来显示储气罐42内的空气压力，当储气 罐42内的压力过大时，需要调节减压阀40进行减压，以保证储气罐42的安全。压缩空气调节控制机构的截止阀34、流量阀44、减压阀45、气动马达入口压力表 46位于储气罐42与气动马达48之间管路上，截止阀34、流量阀44、减压阀45和气动马达 入口压力表46用来指示、调节和控制储气罐42对气动马达48的进气量。气动马达入口压 力表46显示储气罐42对气动马达48的进气压力，当压力过大时，需要调节减压阀45来降 低压缩空气的压力；当整套设备停止工作时，调节截止阀34来保证储气罐42不对气动马达 48送气；流量表用来显示启动马达48的进气量。空气过滤器43与油雾过滤器47用来过 滤储气罐42通向气动马达48的空气，以保证进入气动马达48的空气是洁净的。电磁换向 阀35控制整个线路的开启与闭合。气动马达48在压缩空气的作用下产生动力，其输出轴通过末端联轴器49与发电 机50相连，带动发电机50进行发电，该电流频率稳定，可直接并入国家电网。发电机50后 面连接一测速发电机51，用来测得发电机的转速是否在额定转速下工作。测速发电机51输 出的信号52通过导线送入控制柜中的中央处理器55，信号52通过A/D转换模块变为数字 量送给单片机，单片机通过内部运算决定流量阀44和减压阀45的调节量，输出的数字信号 通过D/A转换模块变成电信号进而调节流量阀44和减压阀45的开启程度。测速发电机51 输出导线与控制柜中对应端相连接，输出端53、54分别对应与流量阀44和减压阀45的端 口相连。气动马达发电机构的气动马达48的输出轴与发电机50的出轴固定连接；气动马 达48在压缩空气的作用下飞快的旋转，从而带动了发电机50同步旋转，发电机50输出的电流符合规定和要求而并网运行。
权利要求
圆通垂直轴气动风力发电机组，包括风轮机构、风力传动机构、气路传送机构、压缩空气调节控制机构、气动马达发电机构；所述风轮机构包括多个叶片(1)、主轴(3)和多个支架(2)；多个叶片(1)分别对应和多个支架(2)固定连接，多个支架(2)均匀布设在主轴(3)四周并固定连接，主轴的下端通过主轴联轴器(4)与风力传动机构的传动轴(9)同心固定连接；其特征在于所述风力传动机构，包括塔筒(12)、传动轴(9)、轴承座(6)、万向联轴器(13)、齿轮箱(23)、刹车装置(24)、离合器(26)、水平轴(29)；传动轴(9)位于塔筒(12)内，在传动轴(9)的下端连接置于地面的齿轮箱(23)，齿轮箱(23)的输出轴连接在离合器(26)上，齿轮箱(23)与离合器(26)之间装设有刹车装置(24)；离合器(26)的输出轴与后水平轴(29)相连接，后水平轴(29)与至少一个空气压缩机(33)相连接；所述气路传送机构，包括至少一个空气压缩机(33)、储气罐(42)和气动马达(48)；空气压缩机(33)的输气口通过管路与储气罐(42)相连接，储气罐(42)的出气口经出口截止阀(34)、电磁换向阀(35)、空气过滤器(43)、流量阀(44)、减压阀(45)、气动马达入口压力表(46)和油雾过滤器(47)与气动马达(48)相连接，气动马达(48)的输出轴与发电机(50)转子固定连接；所述压缩空气调节控制机构包括流量阀(44)、减压阀(45)和测速发电机(51)；流量阀(44)安装在传输压缩空气的管路(36)上，流量阀(44)的前、后两端分别与空气过滤器(43)和减压阀(45)相连接；减压阀(45)的后端与气动马达入口压力表(46)连接；测速发电机(51)位于发电机(50)后面的转子边缘，测速发电机(51)输出的信号(52)通过导线连接控制柜中的中央处理器(55)，中央处理器(55)的输出端(53)、(54)分别对应与流量阀(44)和减压阀(45)的控制端口相连。
2.根据权利要求1所述的圆通垂直轴气动风力发电机组，其特征在于上述传动轴(9) 的底端连接一大锥齿轮(21)，大锥齿轮(21)与小锥齿轮(22)相啮合，小锥齿轮(22)位于 前水平轴(17)的一端。
3.根据权利要求1所述的圆通垂直轴气动风力发电机组，其特征在于上述空气压缩 机(33)与储气罐(42)连接的管路上先后装设有空压机输出压力表(37)、截止阀(38)和单 向阀(39)。
4.根据权利要求1所述的圆通垂直轴气动风力发电机组，其特征在于上述储气罐 (42)上装设有储气罐压力表(41)。
5.根据权利要求1所述的圆通垂直轴气动风力发电机组，其特征在于上述传动轴(9) 与塔筒(12)同轴心安装。
全文摘要
垂直轴圆通气动风力发电机组，由风轮机构、风力传动机构、气路传送机构、压缩空气调节控制机构和气动马达发电机构组成；多个叶片分别对应和多个支架连接，多个支架均匀与主轴连接，主轴与传动轴连接；传动轴的下端连接置于地面的齿轮箱，齿轮箱输出轴连接刹车装置和离合器，离合器输出与后水平轴连接，后水平轴连空气压缩机，空气压缩机的输气口与气动马达连接。气动马达的输出轴与发电机转子固定连接，发电机输出的电流符合规定和要求而并网运行。本发明设计科学、技术简单、成本低，有很大的推广空间和市场价值。
文档编号F03D9/00GK101994653SQ20091001328
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者韩树君, 韩洋 申请人:韩树君