一种垂直轴风力发电装置的制作方法

本发明涉及风力发电领域，具体是涉及一种垂直轴风力发电装置。

背景技术：

目前，风力发电机，特别是大功率机型，主要采用升力型三叶片水平轴风轮，叶片翼型复杂，设计、制造难度大。发电设备位于固定塔架顶部的旋转机舱内，重心高，且需要对风装置，抗风能力差，安装、维修困难，运营成本高。垂直轴风力发电机不需要对风，发电设备可以安装于地面，重心低，稳定型好，便于安装、维护，运营成本低，同时叶片翼型简单，设计、制造成本低，相对于水平轴风力发电机具有诸多优点。

申请号为201810756982.5的中国发明专利申请公开了一种垂直轴风力发电装置。该垂直轴风力发电装置包括主轴和多个风轮叶片，所述多个风轮叶片在所述主轴外侧环绕所述主轴设置，所述多个风轮叶片沿竖直方向放置，所述多个风轮叶片的一侧端面通过连接机构与所述主轴可转动的连接。该申请虽然解决了风力发电装置对风力等级要求较高、风力发电装置与发电机中轴连接不稳定的技术问题。但是，由于该风力发电装置的叶片全部位于风轮的外缘，离心力大，同时支撑叶片的连杆采用悬臂结构，受力状况恶劣，风轮直径增大时结构容易破坏。受限于目前的材料和结构，垂直轴风力发电机难以大型化。

技术实现要素：

为克服上述现有技术中的缺陷与不足，本发明提供一种大型垂直轴风力发电装置，该风力发电装置为垂直轴风力发电装置。此外，该风力发电装置结构坚固，抗风能力强，可以快速调速和可靠制动，能够实行垂直轴风力发电机的大型化。

为实现上述目的本发明的技术方案是，一种垂直轴风力发电装置，包括轮毂塔、发电机及安装在基座上的立柱和环形轨道，所述环形轨道处于所述立柱的圆周外围且与所述立柱同心，所述立柱安装于所述基座的中心位置且穿过所述轮毂塔中心；在所述立柱上可转动地套装有轴承，所述轮毂塔一方面通过立柱连杆与所述轴承的外圈固定连接，另一方面通过所述轮毂塔底部的轨道轮竖直地安装在环形轨道上；所述发电机的主轴上安装有齿轮，所述齿轮与安装在所述轮毂塔底部的内齿圈相互啮合。

优选的是，在所述基座上还安装有调速电机，所述调速电机的主轴上固定套装有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述内齿圈相互啮合。所述调速电机的设置方式能够显著提高风力发电装置的发电效率。

在上述任一方案中优选的是，在所述基座上还设置有刹车装置，所述刹车装置为钳式结构且与所述轮毂塔底部的刹车盘互相配合。所述刹车装置的设置，能够显著提高所述轮毂塔的安全性能。

在上述任一方案中优选的是，当所述轮毂塔转动时，所述发电机和所述调速电机处于电动机状态；当所述轮毂塔的转速达到设定速度时，所述发电机处于发电状态，当所述轮毂塔未达到设定速度时或所述轮毂塔需要增速时，所述调速电机转为电动机状态；所述轮毂塔减速和停机时通过所述刹车装置刹车。

在上述任一方案中优选的是，所述立柱具有阶梯圆结构，所述轴承的数量为多个且同时套装在所述立柱的阶梯圆上。采用多个轴承同时套装在所述立柱的阶梯圆结构能够显著提高所述轮毂塔的稳定性。

在上述任一方案中优选的是，所述轮毂塔为鼠笼型结构，具体包括间隔地安装在套筒的圆周外壁上的第一叶片连杆和第二叶片连杆，处于所述套筒的圆周外围且与所述第一叶片连杆和所述第二叶片连杆固定连接的至少一层竖直设置的叶片，所述叶片的一端与所述第一叶片连杆固定连接，另一端与所述第二叶片连杆固定连接。

在上述任一方案中优选的是，所述立柱连杆的一端与所述轴承的外圈固定连接，另一端与所述套筒的内壁固定连接。

在上述任一方案中优选的是，所述立柱连杆的数量为多个且均匀地水平布置。多个所述立柱连杆的设置提高了所述轮毂塔的结构性能。

在上述任一方案中优选的是，所述第一叶片连杆平行于第二叶片连杆。

在上述任一方案中优选的是，所述第一叶片连杆和/或第二叶片连杆具有第一横梁和第二横梁。

在上述任一方案中优选的是，在所述第一叶片连杆和/或第二叶片连杆上竖直安装有多个间隔设置的驱动叶片。

在上述任一方案中优选的是，所述驱动叶片的一端与所述第一横梁固定连接，另一端与所述第二横梁固定连接。

在上述任一方案中优选的是，所述第一横梁平行于所述第二横梁。

在上述任一方案中优选的是，所述叶片为等截面翼形结构。

在上述任一方案中优选的是，在所述套筒的顶部圆周外壁上间隔的固定连接有多个拉索。所述拉索的设置提高了叶片连杆的载重能力和稳定性。

在上述任一方案中优选的是，所述拉索的一端与所述套筒的顶部固定连接，另一端与相互对应的所述第一叶片连杆的尾端固定连接。

在上述任一方案中优选的是，所述第一叶片连杆和/或所述第二叶片连杆的第一横梁和/或第二横梁为螺旋桨叶片结构。采用此种结构的优点在于旋转时产生升力，减少叶片连杆所受的重力。

在上述任一方案中优选的是，所述刹车盘水平安装。

在上述任一方案中优选的是，所述刹车盘竖直安装。

在上述任一方案中优选的是，所述调速电机的数量为两两个。

在上述任一方案中优选的是，所述发电机的数量为两个。

在上述任一方案中优选的是，所述叶片为多段式结构，每段叶片安装于所述第一叶片连杆或所述第二叶片连杆上。

在上述任一方案中优选的是，还包括控制器，所述控制器通过线路与所述调速电机电性连接并控制所述调速电机的转速，在所述调速电机内设置有传感器。

在上述任一方案中优选的是，所述叶片采用双层布置。采此种结构设计的优点在于，可以提高风能利用率并增强叶片连杆的刚性。

在上述任一方案中优选的是，所述基座安装于海上漂浮平台上。

在上述任一方案中优选的是，所述基座安装于船舶上，所述内齿圈连接螺旋桨的驱动轴直接驱动所述船舶行驶。

在上述任一方案中优选的是，所述发电机改成水泵。

在上述任一方案中优选的是，所述发电机改成风机。

与现有技术相比本发明的优点在于：该风力发电装置充分发挥了垂直轴风力发电机叶片简单、不需要对风、发电设备可放置于地面的优点，同时通过发明的结构和系统设计，大大提高了垂直轴风机的结构强度、调速和制动能力，从而能够提高风力发电机的高度和风轮直径，实现垂直轴风力发电机的大型化，大幅降低设备投资、安装成本和维护成本，整体上大幅提升了风力发电的环境适应性和经济性，尤其适应于海上风力发电。

附图说明

图1为按照本发明的风力发电装置一优选实施例的原理示意图。

图2为按照本发明的风力发电装置图1所示实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的多个优选实施作进一步阐述说明；

下面公开了多种不同的实施例所述的主题技术方案的实施方式或实施例。为了简化公开内容，下面描述了各元素和排列的具体实例。当然，这些仅仅为例子而已，并非对本发明的保护范围进行限制。

实施例1：

如图1-2所示，一种大型垂直轴风力发电装置，该风力发电装置，包括轮毂塔1、发电机2及安装在基座3上的立柱4和环形轨道5。基座3水平的设置在地面上。立柱4采用金属材料制成。在本实施例中，环形轨道5处于立柱4的圆周外围且与立柱4同心。发电机2为内转子发电机。立柱4安装于基座3的中心位置且穿过轮毂塔1的中心。在立柱4上可转动地套装有至少一个轴承6。轮毂塔1通过轴承6可转动地套装在立柱4的顶部。轮毂塔1一方面通过多个水平设置的立柱连杆7与轴承6的外圈固定连接，另一方面通过轮毂塔1底部的轨道轮竖直且可转动地安装在环形轨道5上。多个立柱连杆7均匀地水平布置。

在本实施例中，轮毂塔1为鼠笼型结构。轮毂塔1具体包括间隔地安装在套筒11圆周外壁上的多个间隔设置的第一叶片连杆12和多个间隔设置的第二叶片连杆13，处于所述套筒11的圆周外围且与所述第一叶片连杆12和所述第二叶片连杆13固定连接的至少一层竖直设置的叶片16。叶片16的一端与第一叶片连杆12固定连接，另一端与所述第二叶片连杆13固定连接。具体是，任一第一叶片连杆12的一端与套筒11顶部的圆周外壁固定连接，另一端与叶片16的一端固定连接。任一第二叶片连杆13的一端与套筒11底部的圆周外壁固定连接，另一端与叶片16的另一端固定连接。第一叶片连杆12与第二叶片连杆13相互对应。

叶片16为等截面翼形结构。轮毂塔1可通过立柱4和轴承6的作用转动并且通过立柱4和环形轨道5共同支撑轮毂塔1。多个立柱连杆7的一端与所述轴承6的外圈固定连接，另一端与所述套筒11的内壁固定连接。具体采用焊接的方式固定连接。在本实施例中，第一叶片连杆12处于套筒11的顶部，第二叶片连杆13处于套筒11的底部且第一叶片连杆12平行于第二叶片连杆13。

在本实施例中，第一叶片连杆12和第二叶片连杆13均具有第一横梁17和第二横梁18。在第一叶片连杆12和第二叶片连杆13上均安装有多个间隔设置的驱动叶片19。多个所述驱动叶片19的一端与第一叶片连杆12的第一横梁17固定连接，另一端与所述第一叶片连杆12的第二横梁18固定连接。多个所述驱动叶片19的一端与第二叶片连杆13的第一横梁17固定连接，另一端与第二叶片连杆13的第二横梁18固定连接。第一叶片连杆12的第一横梁17平行于第一叶片连杆12的所述第二横梁18。第二叶片连杆13的第一横梁17平行于所述第二叶片连杆13的第二横梁18。

在发电机2的主轴上安装有齿轮。轮毂塔1的底部具有内齿圈和刹车盘。所述刹车盘水平安装。所述齿轮与安装在所述轮毂塔1底部的内齿圈相互啮合。在基座3上还安装有调速电机8。调速电机8的主轴上固定套装有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述内齿圈相互啮合。在基座3上还设置有刹车装置9。刹车装置9为钳式结构且与轮毂塔1底部的刹车盘互相配合。该风力发电装置还包括控制器14，控制器14通过线路与所述调速电机8电性连接并控制所述调速电机8的转速。在所述调速电机8内设置有传感器用于检测转速并将转速信息传递给控制器，控制器控制调速电机8的转速。当轮毂塔1转动时，发电机2和所述调速电机8处于电动机状态；当轮毂塔1的转速达到设定速度时，发电机2处于发电状态，当所述轮毂塔1未达到设定速度时或所述轮毂塔1需要增速时，所述调速电机8转为电动机状态；所述轮毂塔1减速和停机时通过所述刹车装置9刹车。

在套筒11的顶部圆周外壁上间隔的固定连接有多个拉索20。拉索20的一端与所述套筒11的顶部固定连接，另一端与相互对应的第一叶片连杆12的尾端固定连接。多个拉索20的设置提高了轮毂塔1的稳定性和连接刚性。

实施例2:

如图1-2所示，一种大型垂直轴风力发电装置。该风力发电装置，包括轮毂塔1、发电机2及安装在基座3上的立柱4和环形轨道5。立柱4为圆柱形空心结构或圆柱形结构。环形轨道5为闭环结构。基座3安装于海上漂浮的平台上。立柱4采用金属材料制成。在本实施例中，环形轨道5处于立柱4的圆周外围且与立柱4同心。发电机2为外转子发电机。在本实施例中，发电机2的数量为两个。立柱4安装于基座3的中心位置且穿过轮毂塔1的中心。在本实施例中与实施例1所不同的是，立柱4具有阶梯圆10结构。在立柱4上可转动的同时套装有多个轴承6。进一步的，所述多个轴承6可同时套装在立柱4上相对应的阶梯圆10上。多个轴承6的设置方式可提高轮毂塔1的动态稳定性。轮毂塔1一方面通过多个水平设置的立柱连杆7与相互对应轴承6的外圈固定连接，另一方面通过轮毂塔1底部的轨道轮竖直地安装在环形轨道5上。环形轨道5用于支撑轮毂塔1。

轮毂塔1为鼠笼型结构，具体包括间隔地安装在套筒11圆周外壁上的多个第一叶片连杆12和多个第二叶片连杆13，处于所述套筒11的圆周外围且与所述第一叶片连杆12和所述第二叶片连杆13固定连接的多个竖直设置的多个叶片16。在套筒11的顶部圆周外壁上间隔的固定连接有多个拉索20。每个拉索20的一端与所述套11筒的顶部固定连接，另一端与相互对应的第一叶片连杆12的尾端固定连接。多个拉索20的设置提高了轮毂塔1的稳定性和连接刚性。在本实施例中，拉索20为可调节长度的金属链条。

在本实施例中，叶片16为等截面翼形结构且采用双层布置。任一叶片16的一端与第一叶片连杆12固定连接，另一端与所述第二叶片连杆13固定连接。轮毂塔1可通过立柱4和轴承6的作用转动并且通过立柱4和环形轨道5共同支撑轮毂塔1。每一个立柱连杆7的一端与所对应的轴承6外圈固定连接，另一端与所述套筒11的内壁固定连接。第一叶片连杆12平行于第二叶片连杆13。第一叶片连杆12处于轮毂塔1的上部，第二叶片连杆13处于轮毂塔1的下部。具体是，任一第一叶片连杆12的一端与套筒11顶部的圆周外壁固定连接，另一端与叶片16的一端固定连接。任一第二叶片连杆13的一端与套筒11底部的圆周外壁固定连接，另一端与叶片16的另一端固定连接。第一叶片连杆12与第二叶片连杆13相互对应。

在本实施例中，第一叶片连杆12和第二叶片连杆13均具有第一横梁17和第二横梁18。在第一叶片连杆12和第二叶片连杆13上均安装有多个间隔设置的驱动叶片19。多个所述驱动叶片19的一端与第一叶片连杆12的第一横梁17固定连接，另一端与所述第一叶片连杆12的第二横梁18固定连接。多个所述驱动叶片19的一端与第二叶片连杆13的第一横梁17固定连接，另一端与第二叶片连杆13的第二横梁18固定连接。第一叶片连杆12的第一横梁17平行于第一叶片连杆12的所述第二横梁18。第二叶片连杆13的第一横梁17平行于所述第二叶片连杆13的第二横梁18。

在发电机2的主轴上安装有齿轮。轮毂塔1的底部具有内齿圈和刹车盘。所述刹车盘水平安装或竖直安装。所述齿轮与安装在所述轮毂塔1底部的内齿圈相互啮合。在基座3上还安装有调速电机8。调速电机8的数量为两个。在两个调速电机8的主轴上均固定套装有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述内齿圈相互啮合。在基座3上还设置有刹车装置9。刹车装置9为钳式结构且与轮毂塔1底部的刹车盘互相配合。该风力发电装置还包括控制器14。控制器14通过线路与所述调速电机8电性连接并控制所述调速电机8的转速。在所述调速电机8内设置有传感器。当轮毂塔1转动时，发电机2和所述调速电机8处于电动机状态；当轮毂塔1的转速达到设定速度时，发电机2处于发电状态，当所述轮毂塔1未达到设定速度时或所述轮毂塔1需要增速时，所述调速电机8转为电动机状态；所述轮毂塔1减速和停机时通过所述刹车装置9刹车。

实施例3：在本实施例中与实施例1或2所不同的是，第一叶片连杆12和/或所述第二叶片连杆13的第一横梁17和/或第二横梁18为螺旋桨叶片结构。

实施例4：在本实施例中与实施例1或2所不同的是，叶片16为多段式结构，每段叶片安装于所述第一叶片连杆12或第二叶片连杆13上。

实施例5：在本实施例中与实施例1或2所不同的是，基座3安装于船舶上，所述内齿圈连接螺旋桨的驱动轴直接驱动所述船舶行驶。

实施例6：该风力发电装置的发电机可改成水泵。

实施例7：所述发电机2改成风机。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

阅读了本说明书后，本领域技术人员不难看出，本发明由现有技术的结合构成，这些构成本发明的各部分的现有技术有些在此给予了详细描述，有些则出于说明书简明考虑并未事无巨细地赘述，但本领域技术人员阅读了说明书后便知所云。而且本领域技术人员也不难看出，为构成本发明而对这些现有技术的结合是饱含大量创造性劳动，是发明人多年理论分析和大量实验的结晶。本领域技术人员同样可以从说明书中看出，这里所披露的每个技术方案以及各个特征的任意组合都属于本发明的一部分。