一种低风速启动的风力发电装置的制作方法

本发明属于风力发电，具体涉及一种低风速启动的风力发电装置。

背景技术：

1、当前我国十分重视绿色能源的开发和利用，而风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽，用之不竭的，在其转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境，具有就地取材不需要运输等特点。

2、但是我国风资源分布不均，风资源丰富地区主要分布在西北、西南和华北地区，主要通过大型风力发电机组进行统一大规模风力发电，而用电负荷中心主要分布在东部沿海和华南地区，大部分属于低风速地区且占地面积广，然而受低风速发电技术的限制，低风速风能未能得到充分的开发利用，存在较为严重的资源浪费情况。

3、当前国内外对于风能的开发仍把目光主要集中在高风速的风能资源丰富的地区。通过建立大型的风力发电场、研制mw级风电机组、并网运行发电，实现高效低成本的风电能转换。但是，上述地区仅占我国总面积的8％，且主要分布在经济较不发达的内陆地区。

4、而我国其它低风速地区同样蕴含着巨大的风能资源，却并不适合继续采用建立风电场的大规模的风电开发模式，传统的风力发电技术风能利用率太低，其运行时需要较大力量的自然能源来抗衡其扭矩和内阻，一般都在四级以上风力的时候才能启动发电，因此很难将适用于高风速区的成熟先进的风电技术平行推广至低风速地区。为了满足低风速风电场的发电需求，以及兼顾城市和偏远农村等不适宜安装大型风力发电机的特点，小型风力发电机应运而生。目前传统小型风力发电机大多采用机械轴承支承，摩擦阻力大，启动风速达到3.5m/s以上，发电风速在4.2m/s以上，风能利用效率普遍不高，且一般不采用失速型叶片或变桨距叶片，这使得发电机在大于额定风速条件下很难迅速减少叶轮风能的输入，容易导致发电机超速、超功率运行，甚至风车事故。

5、综上所述，需要设计一种低风速启动的风力发电装置，来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中风力发电机受低风速发电技术的限制，在低风速地区的风能资源的利用率较低，且安全可靠的运行得不到保障的技术问题，本发明提出一种低风速启动的风力发电装置。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种低风速启动的风力发电装置，包括：

4、壳体，所述壳体的下方连接有安装柱；

5、俘能组件，包括主轴和风叶单元，所述主轴转动设置在壳体内且与壳体滑动连接，所述主轴的一端伸出壳体并与风叶单元连接，所述风叶单元带动主轴旋转且可在大于额定风速条件下使主轴向后移动，所述主轴上设有可使主轴复位的复位单元；

6、永磁发电组件，包括套设固定在主轴上的转子磁盘和固定在壳体内部的定子线圈，用于将俘能组件的机械能转换为电能；

7、减速机构，包括主动锥形齿轮和至少一组减速组件，所述主动锥形齿轮套设固定在主轴上，所述减速组件包括被动锥形齿轮和发电机，所述被动锥形齿轮与发电机的输入轴连接，所述发电机安装在壳体内，所述主动锥形齿轮和被动锥形齿轮在主轴向后移动后可相互啮合。

8、为了满足低风速风电场的发电需求，本发明旨在既要保证风机在低于额定风速区间内能够高效率的转化风能，又要确保在高于额定风速时能够安全可靠的运行，不超速，不过载，避免出现飞车事故；因此，本发明采用永磁直驱式发电方式，减少了传动损耗，提高了发电效率，在较低的风速下就能够启动，进入低风速发电模式，而为了保证发电装置的安全稳定运行，本发明通过对俘能组件进行改进，在风速大于额定风速条件下时，风叶单元接收风能并在风能的作用下，使主轴向后移动直至减速机构中的主动锥形齿轮和被动锥形齿轮相啮合，进入高风速发电模式，在主轴旋转时驱动被动锥形齿轮旋转，被动锥形齿轮旋转带动发电机的输入轴旋转，不仅可以利用发电机进行发电，增加发电量，提高风能的利用率，还能够产生阻力使得主轴转速下降，从而减少风叶单元输入的风能，完成减速，以避免发电装置超速、超功率运行，降低出现飞车事故的概率；在风速减小后，在复位单元的弹力下主轴向前移动，主动锥形齿轮和被动锥形齿轮不再啮合，不再对主轴进行减速，从而恢复低风速下发电；通过上述技术方案的改进，本发明在大小风力的情况下均能发电，能够与风力匹配充分利用风能，使本发电装置能够在低风速下启动，解决了低风速地区利用风能的难题，且在高风速下，不仅能够俘获更多的风能，还能够保证设备的运行稳定性，具有很好的安全性能，延长了发电设备的使用寿命，有效的降低了维修成本。

9、在进一步的技术方案中，所述壳体内部的两端均设有导向筒，所述主轴位于导向筒内且与导向筒滑动连接，所述导向筒内均设有复位单元，所述复位单元套设在主轴上。

10、采用上述技术方案，主轴安装在导向筒内，不仅可以在导向筒内转动，还能滑动，能够根据风叶单元的风能俘获效果调整位置，从而有效的匹配风速大小充分利用风能，提高风能的利用率。

11、在进一步的技术方案中，所述导向筒内设有滑动腔，所述复位单元包括复位弹簧和套环，所述套环套设固定在主轴上，所述复位弹簧活动套设在主轴上，所述复位弹簧的一端与滑动腔连接，另一端与套环抵接。

12、采用上述技术方案，复位弹簧的端部与套环抵接，并未与主轴直接连接，对主轴的转动效果影响很小，在高风速下，主轴向后移动抵住复位弹簧，积攒弹性势能，在风速降低后，弹性势能释放，将主轴弹回，从而再次进入低风速发电模式。

13、在进一步的技术方案中，所述滑动腔内滑动设置有第一轴承，所述第一轴承套设固定在主轴上且位于套环远离复位弹簧的一侧，所述第一轴承的外侧壁上设有多个第一导向块，所述导向筒的内壁上开设有多个与第一导向块相匹配的第一导向轨。

14、采用上述技术方案，第一轴承通过第一导向块在第一导向轨内进行滑动，不仅能够使第一轴承随主轴前后移动，还能够限制第一轴承的转动，从而使主轴始终能够在第一轴承内完成旋转，减少主轴与导向筒的滑动摩擦力。

15、在进一步的技术方案中，所述风叶单元包括多个叶片，相邻所述叶片之间的圆心角相同，且每个所述叶片的迎风侧均开设有集风槽。

16、采用上述技术方案，风叶单元通过叶片俘获风能，从而带动主轴旋转，而在叶片的迎风侧开设的集风槽，能够接收风力，在风力的作用下给叶片向后的力，从而在大于额定风速条件下，能够带动主轴向后移动，进入高风速发电模式。

17、在进一步的技术方案中，所述定子线圈的中部设有第二轴承，所述定子线圈通过第二轴承套设固定在主轴上，所述定子线圈的外侧壁上设有多个第二导向块，所述壳体的内壁上开设有多个与第二导向块相匹配的第二导向轨。

18、采用上述技术方案，定子线圈通过第二轴承与主轴转动连接，而定子线圈通过外侧壁上的第二导向块在壳体内壁上的第二导向轨内进行滑动，不仅能够保证定子线圈不旋转，还能够跟随主轴前后移动，避免了定子线圈和转子磁盘之间的位置不变，保证了磁场的稳定性，有利于发电。

19、在进一步的技术方案中，所述转子磁盘的数量为两个，分别对称设置在定子线圈的两侧，所述转子磁盘包括托盘，所述托盘套设固定在主轴上，所述托盘靠近定子线圈一侧的表面上沿圆周方向均匀布置多个永磁块，相邻永磁块的磁极交叉布置。

20、采用上述技术方案，通过两个对称设置在定子线圈两侧的转子磁盘，通过均匀布置的多个永磁块，且相邻永磁块的磁极交叉布置，在保证正常运行的情况下，更加轻量化，质量分布对称，动力学特性好，有效的降低了发电设备的风速启动条件。

21、在进一步的技术方案中，所述减速组件还包括转轴和联轴器，所述被动锥形齿轮和联轴器分别套设在转轴的两端，所述联轴器的另一端与发电机的输入轴固定连接。

22、采用上述技术方案，通过联轴器将端部套设固定有被动锥形齿轮的转轴和发电机的输入轴联结在一起回转，在动力传递过程中保证转轴和输入轴不脱开，同时作为一种安全装置用来防止发电机的输入轴承受过大的载荷，起到过载保护的作用。

23、在进一步的技术方案中，所述转轴上套设固定有第三轴承，所述第三轴承上连接有连杆，所述连杆与壳体的内壁连接。

24、采用上述技术方案，通过第三轴承和连杆的设置，使转轴的旋转更加稳定，保证了减速机构对主轴的减速效果及发电机的发电效果。

25、在进一步的技术方案中，还包括偏航控制系统，所述偏航控制系统包括依次连接的风向传感器、控制器和偏航执行器，所述偏航执行器的上下两端分别与壳体和安装柱固定连接。

26、采用上述技术方案，通过风向传感器检测的风向信号，经过控制器处理后控制偏航执行器进行对风，使风叶单元始终朝向迎风面，以获得最大风能，具体的，偏航控制系统为现有技术中的常规技术手段，本领域技术人员完全能够实现，故不再赘述。

27、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

28、本发明在大小风力的情况下均能发电，能够与风力匹配充分利用风能，使本发电装置能够在低风速下启动，解决了低风速地区利用风能的难题，而通过俘能组件和减速机构的改进及配合，在风速大于额定风速条件下时，通过主动锥形齿轮和被动锥形齿轮啮合传动，带动发电机的输入轴旋转，不仅可以利用发电机进行发电，增加发电量，提高风能的利用率，还能够产生阻力使得主轴转速下降，从而减少风叶单元输入的风能，完成减速，以避免发电装置超速、超功率运行，降低出现飞车事故的概率，从而保证了设备的运行稳定性，具有很好的安全性能，延长了发电设备的使用寿命。