可调桨距、自启动垂直轴风电机组.pdf

本发明是一种用于风力发电系统的可调桨距、自启动垂直轴风电机组。目前，国内外风力发电主流机型均为水平轴风力发电机组，必须有对风系统(偏航系统)，要想省去变速齿轮箱又带来了大饼状发电机引起的塔影效应。最后，国内外对垂直轴发电机组的研究尚存在一些误解，如不能调桨距、不能自启动等。本发明的目的是提供一种可调桨距、自启动的垂直轴风力发电机组，它充分发挥了垂直轴风力发电机组的优点，取消了偏航系统和变速齿轮箱，还可以将笨重的机舱移到地面(也可留在塔顶)，从而，提供一种既可在陆地、也可在浅水(近海)的造价相对较低、管理相对较易的风力发电机组。

1.  本发明为一种可调桨距、自启动垂直轴风力发电机组，其特征是桨叶截面由两条曲线构成，一条为普通流线型，另一条为凹入的弧形。

2.  根据权利要求1所述的可调桨距、自启动垂直轴风力发电机组，其特征是四片桨叶从轮毂向空间均匀辐射，即两片成90度夹角斜向上，另两片也成90度夹角而斜向下，两片斜向下桨叶组成的平面与斜向上两片组成的平面垂直。四片桨叶与垂直于地面的转轴的夹角均为45度。

3.  根据权利要求1所述的可调桨距、自启动垂直轴风力发电机组，其特征是桨叶的叶柄在轮毂内通过伺服电机可以调整它们的桨距。

4.  根据权利要求1所述的可调桨距、自启动垂直轴风力发电机组，其特征是风轮直接驱动发电机。

可调桨距、自启动垂直轴风电机组
本发明是一种用于风力发电系统的可调桨距、自启动垂直轴风电机组。
目前，国内外风力发电主流机型均为水平轴风力发电机组，必须有对风系统(偏航系统)，要想省去变速齿轮箱又带来了大饼状发电机引起的塔影效应。最后，国内外对垂直轴发电机组的研究尚存在一些误解，如不能调桨距、不能自启动等。
本发明的目的是提供一种可调桨距、自启动的垂直轴风力发电机组，它充分发挥了垂直轴风力发电机组的优点，取消了偏航系统和变速齿轮箱，还可以将笨重的机舱移到地面(也可留在塔顶)，从而，提供一种既可在陆地、也可在浅水(近海)的造价相对较低、管理相对较易的风力发电机组。
本发明的目的是这样实现的：风力发电讲的是风对桨叶的相对速度，等于风速减去桨叶的旋转速度，利用相对速度进行分析由于桨叶作圆周运动的方向时时在变会陷入十分复杂的数学计算中。而分别考虑风速和桨叶圆周运动，由分速度引起桨叶截面形状——叶素的空气动力学分析得出只有弧形截面的桨叶最适合垂直轴风轮，因为它能集升力形和阻力形优点并用，最大限度地利用风能，所以能完成微风下的自启动。而采用弧形叶素，使桨叶能做细做长，它根本不同于以往垂直轴风电机组Φ型、Ψ型、H型、∏型和S型等所有机型的桨叶。同时，弧形叶素细长的桨叶从中心(轮毂)处向空间均匀辐射分布，构成了本发明的核心。这不仅不同于目前所有的风电机组，而且可以通过手动或自动控制改变桨叶攻角，即改变桨距来适合风速的变化，提高风能利用率，且能在切出风速下紧急从工作状态改变攻角而辅助停车。
垂直轴风轮的最直接效果是不存在塔影效应。可设计出适合风轮转速慢的直接驱动的多极发电机，这种发电机是大饼状的，但因为“饼”面是平行于风向的，所以没有塔影效应。因此，省去了变速齿轮箱，也省去了偏航系统。在陆上时，还可以将发电机装在地上。此外垂直轴风力发电机系统的重力是支在地上(止推轴承上)，而水平轴是支在前后两个轴承上。前者平衡的设计和安装较后者要容易得多。
综上所述，本发明由于采取垂直轴和弧形叶素以及桨叶从轮毂向空间均匀辐射，风力发电机完全可以自启动，也可以调节桨距，同时，可以相对降低造价和管理运营费用。
图1为垂直轴风轮桨叶上一点的风速v、转速n、圆周运动线速度u和相对速度w的示意图。
图2为叶素受力的空气动力学分析图。
图3为桨叶构造示意图。
图4为轮毂构造图示意图。
图5为20千瓦可调桨距、自启动垂直轴风电机组纵剖面构造图。
图中，1上桨叶，2下桨叶，3轮毂，4转轴，5发电机转子，6发电机定子，7止推轴承，8刹车系统，9伺服电机，10伺服电机电缆，11伺服电机电源引出线及滑环，12接地及引出滑环，13伺服电机主动齿轮，14叶柄从动伞齿轮，15桨叶避雷系统，16.1-16.5桨叶叶素，17桨叶-叶柄从动伞齿轮连接板。
，正攻角(+α)时，其u方向分量，是与+u方向相反的，而负攻角(-α)时，是与+u方向一致的。所以，在垂直轴风力发电机中，桨叶的叶素只有取负功角时，才能得到风轮加速的切向力。而当叶素只受风速作用时，由于叶素在圆周的不同位置，风的方向不同。所以如设叶素不动，则风来自四面八方，从图2(C)可以看出，只有弧形叶素，才能既得到升力的推动，又能得到阻力的反作用的推动(即风的推动)。图2(C)中，A、B、C方向的风受到圆弧叶素的阻挡，叶素则依靠反作用而向前推进。所以本发明能在微风下启动，如同杯形风速计(其截面是弧形)在微风中，也能快速转动一样。
有了上面的分析，现在可以考虑相对风速w＝v-u。首先，由v选出既可以得到较大的升力由可以得到较大阻力的反作用力的弧形叶素以及该叶素时对风速的攻角的角度范围，然后在这个范围内选取圆周运动的负攻角。这既可以通过计算，也可以通过实践试验。而往往是通过二者的结合(特别是通过风洞试验)来调整攻角满足最佳效果的。
图3中，16.1-16.5表明叶素的形状不一样，其下弦并不平行，说明桨叶有一定扭角，以适合相同的旋转半径时相对风速的大小和方向的不同。图中15为桨叶避雷系统，包括叶尖的金属导雷片和桨叶中线的导电电缆，能将雷引导到轮毂和转动轴，最后入地。
图4轮毂为对称体，(A)为纵剖面，只画了桨叶1对应的部分(桨叶2与其平面反向垂直)。(B)为横剖面，呈圆形。中央为伺服电机9，它通过伺服电机主动齿轮13和叶柄从动伞齿轮14的啮合，可同步改变4个桨叶的攻角(桨距)。伺服电机不工作时，与四个桨叶一起随转动轴4和发电机转子5一起转动。而伺服电机与4个桨叶之间的齿轮联系，也保证了它们的相对静止。17将桨叶和叶柄从动伞齿轮连接起来，同时，又通过滚珠轴承与轮毂相连，能相对轮毂转动。
图5为本发明的实施例。图中，下桨叶2画的是虚线，用意是表明它并不在图中的位置，而是在与图中纸面垂直的位置。当风速达到和超过切入风速(3.5米/秒)时，桨叶通过轮毂3带动转轴4和发电机转子5同步转动，从定子6发出三相交流电。7为止推轴承，8为刹车系统。桨叶叶柄L₁为400毫米，桨叶叶掌L₂为3800毫米，桨叶根部宽d₁为480毫米，叶尖宽d₂为150毫米，叶根中央厚为60毫米，从叶根逐渐减薄到叶尖处，其中央厚为12毫米，叶柄直径为200毫米。桨叶材料为复合有机材料，采用湿法铺层技术制作。轮毂外径为520毫米，高270毫米。风轮转轴4长11000毫米，因考虑相对风速造成的偏心转矩及转矩的周期变化，和由此引起的桨叶振动、挥舞和摆动等，转轴选用35毫米厚外径为260毫米的钢管。最后，转轴的外面通过轴承采用衍架支护(图中未画衍架)，其设计和安装均较灵活，造价也是各种加固方法中最低的。