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垂直轴风力发电机储能发电系统及方法
    【技术领域】
     本发明涉及垂直轴风力发电领域， 尤其是具备并 / 离网发电的大型垂直轴风力发电机。 背景技术 人们的生活和工作离不开电， 没有了电的世界是无法想象的， 人们的生活没有了 电将是无趣乏味的， 人们的生产没有了电将会停滞， 会直接导致整个社会生产力崩溃。 电能 如此的重要， 目前世界各国都相当的重视电能的开发， 比较常用的发电设备有风力发电、 水 力发电、 火力发电以及核能发电， 火力发电和核能发电存在重大污染， 不符合人类发展的需 求， 目前正逐渐被人类所放弃 ； 而水力发电的资源小， 远远满足不了人类对电量的需求 ； 因 此清洁环保、 资源丰富的风力发电将成为今后人类主要开发的方向。
     目前采用并网发电的大型垂直轴风力发电机还存在很多问题， 而这些难题都是由 于自然风存在许多的不稳定性所引起的。 在低风速时， 大型的垂直轴风力发电机难以启动，
     或者根本无法启动， 导致发电机白白浪费了资源 ； 在正常风速时， 大型的垂直轴风力发电机 虽然能够启动并工作， 但是发电机的发电效率不高， 往往是没有达到满发的状态 ； 在超大风 时， 发电机的转速明显加快， 甚至超过了发电机本身的额定功率， 这时候的发电机处于危险 状态， 发电机部件有可能会被损坏， 而超高的功率输出同时也存在一定的危险。另外， 因为 自然风会无时无刻的存在小风、 低风速或者高风速， 导致发电机的发电功率极其不稳定， 接 入电网时会对电网造成冲击。
     我国目前的供电系统是变电站将发电设备发出来的电供应到各个片区的配电站， 再由配电站向该区域的居民和工厂供电， 对于偏远的地区来说， 这种并网供电的方式存在 造价成本高， 维修难等诸多问题， 因此造成偏远地区供电难的问题， 目前也是各级政府亟须 解决的问题， 离网发电无疑是决绝该问题的最好的途径， 而如何利用风力发电解决该问题 成为了人们研发的方向。
     无论是并网还是离网的风力发电， 在白天， 人们的生产活动用电需求比较大， 变电 站的供电十分紧张， 有时候甚至需要实行区域分开用电来解决用电紧缺的问题 ； 而到了夜 晚， 人们的生产活动用电需求比较小， 此时变电站的供电是富余， 这些富余的电能无法投入 到人们的生产生活中而最后导致浪费， 如何将该部分浪费的电能再利用也是更好解决风力 发电机并网或离网发电存在的其他问题。 发明内容
     本发明所要解决技术问题之一是提供一种垂直轴风力发电机储能发电系统， 并网 发电时， 使其发电功率对电网不会造成冲击 ； 能够将电能转化其他形式的能量进行储存， 然 后再转换为电能， 一定程度上解决了电能浪费的问题， 同时也决绝了大型垂直轴风力发电 机离网发电的问题。
     本发明所要解决技术问题之二是提供一种垂直轴风力发电机储能发电方法， 并网发电时， 使其发电功率对电网不会造成冲击 ； 能够将电能转化其他形式的能量进行储存， 然 后再转换为电能， 一定程度上解决了电能浪费的问题， 同时也决绝了大型垂直轴风力发电 机离网发电的问题。
     为解决上述技术问题之一， 本发明的技术方案是 ： 包括储能系统和发电系统， 所述 发电系统包括中心塔柱、 设置在中心塔柱上一个以上的发电单元， 所述发电单元包括与所 述中心塔柱枢接的 Φ 形的风轮、 套在中心塔柱上的主齿轮、 两个以上的发电机、 用于安装 发电机的安装平台 ； 所述主齿轮设置在所述风轮下方且与所述风轮连接 ； 所述主齿轮分别 通过一套齿轮传动系统与所述发电机的转轴联接 ； 所述储能系统包括高压气体发生装置、 蓄水装置和水轮机， 所述高压气体发生装置包括至少一个高压储气罐和与其配合的空气压 缩机， 所述蓄水装置包括至少一个水箱 ； 所述空气压缩机通过进气管道与所述高压储气罐 连通， 所述高压储气罐通过出气管道与所述水箱连通 ； 所述水轮机设置在靠近地面的发电 单元下方， 水轮机包括环抱所述中心塔柱的叶轮和包裹叶轮的壳体， 所述壳体上设有进水 口和出水口， 所述水箱通过出水管道与所述水轮机进水口连接， 所述水轮机的叶轮与靠近 地面的发电单元的主齿轮连接 ； 所述发电系统通过电缆向所述空气压缩机供电。
     作为改进， 所述风轮上端设有第一轴承， 所述第一轴承的内圈固定套在所述中心 塔柱上， 所述第一轴承的外圈与所述风轮上端固定连接 ； 所述风轮下端设有第二轴承， 所述 第二轴承的内圈固定套在所述中心塔柱上， 所述第二轴承的外圈与所述风轮下端和主齿轮 固定连接， 所述风轮通过第一轴承和第二轴承与所述中心塔柱枢接。
     作为改进， 所述主齿轮与所述风轮之间设有联轴器和刹车装置， 所述联轴器上端 与所述风轮下端连接， 联轴器下端与主齿轮连接 ； 所述刹车装置包括设于所述联轴器上的 环形刹车盘和固定在所述塔柱上的一个以上的制动装置， 所述制动装置包括制动器和驱动 制动器的动力源， 所述制动器与所述刹车盘配合。
     作为改进， 所述中心塔柱为钢筋混凝土结构， 所述中心塔柱的中心设有从底部直 通顶部的通道， 所述安装平台环抱所述中心塔柱， 所述安装平台与所述中心塔柱一体灌浆 成型， 所述安装平台上设有安装螺孔， 所述内转子发电机通过螺栓固定在所述安装平台上。
     作为改进， 所述蓄水装置包括两个水箱， 所述水轮机出水口通过回水管道与所述 水箱连通。
     作为改进， 所述高压气体发生装置包括两个高压储气罐和两个空气压缩机， 两个 所述高压储气罐分别为第一高压储气罐、 第二高压储气罐， 两个所述空气压缩机分别为第 一空气压缩机、 第二空气压缩机， 所述第二空气压缩机通过第一气管与所述第一高压储气 罐连通 ； 所述第一空气压缩机通过第二气管与所述出气管道连通。
     作为改进， 所述进气管道、 出气管道、 第一气管、 第二气管、 出水管道及回水管道上 均设有阀门， 所述出水管道上设有增压设备。
     为解决上述技术问题之二， 本发明的技术方案是 ： 一种垂直轴风力发电机储能发 电方法， 其中包括储能系统和发电系统， 所述发电系统包括设置在中心塔柱上的一个以上 的发电单元， 所述发电单元包括与所述中心塔柱枢接的 Φ 形的风轮、 套在中心塔柱上的主 齿轮、 两个以上的发电机、 用于安装发电机的安装平台 ； 所述储能系统包括高压气体发生装 置、 蓄水装置和水轮机， 所述高压气体发生装置包括至少一个密闭的高压储气罐和与其配 合的空气压缩机， 所述蓄水装置包括至少一个密闭的水箱 ； 具体发电方法包括以下步骤 ：（1） 发电系统将富余的电量通过电缆向储能系统的空气压缩机输送 ； （2） 空气压缩机得电工作， 通过进气管道将空气压缩进高压储气罐中， 使高压储气罐中 的空气分子势能增加， 完成电能到空气的分子势能的转换 ； （3） 水箱内装有水， 需要启动储能系统发电时， 高压储气罐中的高压气体通过出气管道 释放到水箱中， 水箱内气压增加， 当气压达到指定值时， 将水箱内的水通过出水管道释放至 水轮机， 出水管道内的水在气压作用下产生一定的动能， 从而完成空气分子势能到水的动 能的转换 ； （4） 具有动能的水沿着出水管道达到水轮机并推动水轮机的叶轮转动， 从而完成水的 动能到机械能的转换 ； 水轮机的叶轮带动靠近地面的发电单元的主齿轮旋转， 主齿轮通过 齿轮传动系统将动力传递至两个以上的发电机， 最后完成机械能到电能的转换。
     作为改进， 所述高压气体发生装置包括两个高压储气罐和两个空气压缩机， 两个 所述高压储气罐分别为第一高压储气罐、 第二高压储气罐， 两个所述空气压缩机分别为第 一空气压缩机、 第二空气压缩机， 所述第二空气压缩机通过第一气管与所述第一高压储气 罐连通 ； 所述第一空气压缩机通过第二气管与所述出气管道连通 ； 所述步骤 （2） 具体为 ： 第 一空气压缩机通过进气管道将空气压缩进第一高压储气罐中， 使第一高压储气罐中的空气 分子势能增加 ； 第二空气压缩机通过进气管道将空气压缩进第二高压储气罐中， 使第二高 压储气罐中的空气分子势能增加。 作为改进， 所述蓄水装置包括两个水箱， 分别为第一水箱和第二水箱， 所述水轮机 出水口通过回水管道与所述第一水箱和第二水箱连通 ； 所述步骤 （3） 具体为 ： 第一水箱或 第二水箱内装有水， 装有水的水箱为工作水箱， 没有水的水箱为备用水箱， 需要启动储能系 统进行发电时， 高压储气罐中的高压气体通过出气管道释放到工作水箱中， 工作水箱内气 压增加， 当气压达到指定值时， 将工作水箱内的水通过出水管道释放至水轮机 ； 对水轮机做 功后通过回水管道进入到备用水箱中， 直到工作水箱中的水全部转移到备用水箱中后， 备 用水箱成为新的工作水箱， 原工作水箱成为新的备用水箱， 如此循环进行发电。
     本发明与现有技术相比所带来的有益效果是 ： 1） 能够在低风速风轮难以启动发电机时， 水轮机可作为辅助启动， 在风轮和水轮机共 同带动下， 发电机可以做到轻松启动 ； 2） 发电机在正常运行状态下， 通过水轮机推动发电机转子， 从而拖动发电机转子增速， 使发电机达到满发功率状态 ； 3） 在超大风速时， 使水轮机反方向旋转， 从而抑制发电机转子速度的增加， 使发电机转 子恢复到额定转速状态， 使其发电功率对电网不会造成冲击 ； 4） 储能系统与发电系统相互配合， 能够将电能转化其他形式的能量进行储存， 然后再 转换为电能， 一定程度上解决了电能浪费的问题， 同时也决绝了大型垂直轴风力发电机离 网发电的问题。
     附图说明
     图 1 为本发明实施例 1 发电系统结构示意图。
     图 2 为图 1 的 A 处放大图。
     图 3 为本发明实施例 2 发电系统结构示意图。图 4 为安装平台内部结构示意图。 图 5 为刹车装置结构示意图。 图 6 为鼠笼结构示意图。 图 7 为本发明实施例 1 储能系统管路图。 图 8 为本发明实施例 2 储能系统管路图。 图 9 为实施例 2 储能系统中水箱的剖视图。 图 10 为实施例 3 储能系统管路图。具体实施方式
     下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
     实施例 1 一种垂直轴风力发电机储能发电系统， 包括储能系统和发电系统。
     如图 1、 2 所示， 所述储能系统包括中心塔柱 24、 设置在中心塔柱 24 上的一个以上 的发电单元， 本实施例中， 所述中心塔柱 24 上设有一个发电单元， 且该发电单元靠近地面。 所述发电单元包括风轮 17、 主齿轮 18、 两个以上的发电机 20 和用于安装所述发电机 20 的 安装平台 23。本实施例中， 在主齿轮 18 周边对称设有两个发电机 20 ； 所述风轮 17 为 Φ 形 风轮， 所述风轮 17 由两片对称设置的叶片组成。所述中心塔柱 24 上对应风轮 17 上端位置 设有第一轴承 16， 中心塔柱 24 上对应风轮 17 下端位置设有第二轴承 19。叶片上端通过第 一连接法兰 27 与第一轴承 16 的外圈连接 ； 叶片下端依次通过第二连接法兰 28、 联轴器 29、 第三连接法兰 （未标示） 、 主齿轮 18 后与第二轴承 19 的外圈连接。其中本实施例的第一、 二 轴承 16、 19 为双排球转盘轴承， 且该轴承为现有技术， 在这里不再详细描述， 本领域技术人 员应当知晓其结构和工作原理。所述风轮 17 通过第一轴承 16 和第二轴承 19 与所述中心 塔柱 24 枢接， 且风轮 17 与所述主齿轮 18 具有同步转速。
     所述主齿轮 18 分别通过一套齿轮传动系统与所述发电机 20 的转轴连接， 本实施 例中， 所述齿轮传动系统为一锥齿轮 22， 主齿轮 18 与所述锥齿轮 22 啮合， 且所述锥齿轮 22 套在水平放置的发电机 20 的转轴上， 因此， 风轮 17 通过主齿轮 18 和锥齿轮 22 与所述发电 机 20 的转轴联动， 实现由风轮 17 的垂直旋转转变成发电机 20 的水平旋转， 对于垂直轴风 力发电机来说， 发电机 20 的安装更简单方便了。
     如图 6 所示， 所述第一轴承 16 与第二轴承 19 之间设有两根以上均匀分布在同一 圆周上的连接管 26， 连接管 26 上端通过第一连接法兰 27 与第一轴承 16 的外圈固定连接， 连接管 26 的下端与第二连接法兰 28 连接， 第一轴承 16 的外圈通过所述连接管 26 与所述 第二轴承 19 的外圈联动同步。所述第一连接法兰 27、 连接管 26 和第二连接法兰 28 的分布 构成一个鼠笼 41 结构， 由于叶片上端的风速与下端的风速往往不一样， 上端的风速一般比 下端的风速大， 从而会造成叶片在旋转时上端的速度比下端的速度快， 但是由于叶片是一 个整个结构， 叶片的上端和下端必须具有同步的转速， 这样一来叶片有可能会发生扭曲， 从 而破坏叶片的最佳迎风面积， 降低叶片对的风能的利用率。鼠笼 41 的设计正是为了传递叶 片上端的力矩到叶片下端， 使叶片在旋转过程中， 尽可能的降低叶片的扭曲程度。
     所述主齿轮 18 与锥齿轮 22 之间设有控制齿轮传动系统与主齿轮 18 连接的离合 器 （未标示） ， 所述风轮 17 及发电机 20 的转轴上设有速度传感器 （未标示） ， 所述速度传感器与所述离合器电连接。 当速度传感器检测到风轮 17 或发电机 20 的转轴转速超过预设值时， 发送信号至离合器， 使离合器断开齿轮传动系统与主齿轮 18 的连接 ； 当速度传感器检测到 风轮 17 转速回到预设值内时， 发送信号至离合器， 使离合器重新连接齿轮传动系统与主齿 轮 18。
     如图 4 所示， 所述中心塔柱 24 为中空的钢筋混凝土结构， 所述安装平台 23 环抱所 述中心塔柱 24， 所述安装平台 23 与所述中心塔柱 24 一体灌浆成型。所述安装平台 23 内部 设有工字钢， 所述工字钢水平设置且贯穿所述中心塔柱 24， 相互垂直交错形成网格状分布， 且中心塔柱 24 内的建筑构造用钢筋 30 延伸至所述安装平台 23 内。所述安装平台 23 上设 有安装螺孔， 发电机 20、 控制柜 25 等发电设备通过螺栓固定在所述安装平台 23 上。 所述安 装平台 23 上设有防护罩 21， 所述防护罩 21 环绕所述安装平台 23， 所述防护罩 21 上设有门 窗形成防风雨的房屋， 所述发电机 20 设于所述房屋内， 用于保护发电机 20、 控制柜 25、 齿轮 传动系统等发电设备免受外界环境影响， 确认其运行在安全的环境， 能够增加发电设备的 使用寿命。所述相邻两个安装平台 23 之间的距离用于安装发电单元的风轮 17。为了以后 的维修方便， 中心塔柱 24 上可以设置维修口通往中心塔柱 24 内的通道 31， 维修人员就可以 通过维修口进入到中心塔柱 24 的通道 31 内， 在通道 31 内设置吊笼， 维修人员通过吊笼到 达中心塔柱 24 的不同高度， 对具有多层发电单元的垂直轴风力发电机 20 来说是十分方便 的； 另外上层的发电单元的电缆线还可以通过该通道 31 进行布线。 如图 5 所示， 所述联轴器 29 为弹性联轴器 29， 联轴器 29 上端通过第二连接法兰 28 与风轮 17 下端连接， 联轴器 29 下端通过第三连接法兰与主齿轮 18 连接， 主齿轮 18 固定在 第二轴承 19 的外圈上， 从而使风轮 17、 联轴器 29、 主齿轮 18 能够同步。所述联轴器 29 内 设有刹车装置， 所述刹车装置包括环形刹车盘 32 和一个以上的制动装置 36。所述刹车盘 32 包括固定部 40 和摩擦部 39， 所述固定部 40 与摩擦部 39 之间设有斜面过渡， 所述固定部 40 固定在联轴器 29 上 ； 所述摩擦部 39 上、 下表面沿半径方向设有防滑条纹， 防滑条纹呈放 射状， 增大制动器与刹车盘 32 之间的摩擦力， 从而增强其制动效果。所述制动装置 36 包括 制动器垫板 35、 减振器 34、 减振器垫板 33、 制动器 38 和驱动制动器的动力源 37。所述中心 塔柱 24 上延伸设有环形凸台 43， 所述减振器垫板 33 设在所述凸台 43 上， 所述减振器 34 设 在所述减振器垫板 33 上， 所述制动器垫板 35 设在所述减振器 34 上， 所述制动器 38 设在所 述制动器垫板 35 上， 且所述制动器 38 均匀分布在所述中心塔柱 24 周边形成多点制动 ； 所 述制动器 38 包括设置在刹车盘 32 上、 下两侧的刹车片， 所述刹车片与刹车盘 32 的摩擦部 39 配合 ； 所述制动装置 36 中的动力源 37 为液压驱动系统， 提供可靠且强而有力的动力。
     制动时， 实际是刹车装置对联轴器 29 的制动， 但由于联轴器 29 将风轮 17 与主齿 轮 18 连成一体， 就可以起到降低垂直轴风力发电机 20 的风轮 17 及主齿轮 18 的速度， 这样 一来不仅可以保护风轮 17 不会因失速而损坏， 而且保护发电机 20 不会因发电功率过高而 烧毁。该种刹车装置与垂直轴风力发电机 20 相互配合， 而且结构简单， 制动效果显著。
     风轮 17 受风力作用旋转， 其动力依次通过主齿轮 18、 齿轮传动系统传递到每台发 电机 20 的转轴， 为每一台发电机 20 提供机械能， 从而进行发电。通过齿轮传动系统可以改 变主齿轮 18 与发电机 20 的转轴的转速比， 尽管风轮 17 的转速较低， 但是经过齿轮传动系 统的调整后， 同样可以输出较大的转速到发电机 20 的转轴上， 从而可以利用高转速的发电 机 20， 高转速的发电机 20 与现有技术低转速发电机 20 相比， 在同样的发电功率下， 高转速
     的发电机 20 体积更小。本发明中， 风轮 17 的负载减小， 启动风速更小， 有利于风力发电机 20 在低风速时也能够发电 ； 每台发电单元中的发电机 20 体积较小， 其制造成本低， 且降低 维修检修难度 ； 中心塔柱 24 上可安装的发电单元数量更多， 进一步提高了垂直轴风力发电 机发电系统的发电功率。
     如图 7 所示， 所述储能系统包括高压气体发生装置、 蓄水装置和水轮机。所述高压 气体发生装置包括至少一个密闭的高压储气罐 2 和与其配合的空气压缩机 1， 本实施例只 包括一个密闭的高压储气罐 2 和一个空气压缩机 1 ； 所述蓄水装置包括至少一个密闭的水 箱 3， 本实施例只包括一个水箱 3。所述空气压缩机 1 通过进气管道 4 与所述高压储气罐 2 连通， 所述进气管道 4 上设有手动阀门 8 ； 所述高压储气罐 2 通过调节阀 9 与出气管道 5 连 接， 出气管道 5 与所述水箱 3 顶部连通， 所述出气管道 5 上设有手动阀门 8 ； 空气压缩机 1 通 过第二气管 14 与出气管道 5 连通， 所述第二气管 14 上设有手动阀门 8 ； 所述水箱 3 底部引 出出水管道 6， 通过出水管道 6 与所述水轮机 10 进水口连接， 所述出水管道 6 上设有手动阀 门 8 和至少一个增压机 13， 所述出水管道 6 通过增压阀门 11 与水轮机 10 进水口连接 ； 所 述水轮机 10 设置在发电单元下方， 水轮机 10 包括环抱所述中心塔柱 24 的叶轮 102 和包裹 叶轮的壳体 101， 所述水轮机的叶轮 102 与主齿轮 18 连接。
     本发明垂直轴风力发电机储能发电原理如下 ： （1） 发电系统将富余的电量通过电缆向储能系统的空气压缩机 1 输送 ； （2） 空气压缩机 1 得电工作， 通过进气管道 4 将空气压缩进高压储气罐 2 中， 使高压储 气罐 2 中的空气分子势能增加， 完成电能到空气的分子势能的转换 ； （3） 水箱 3 内装有水， 需要启动储能系统发电时， 高压储气罐 2 中的高压气体通过出气 管道 5 释放到水箱 3 中， 水箱 3 内气压增加， 当气压达到指定值时， 将水箱 3 内的水通过出 水管道 6 释放至水轮机 10， 出水管道 6 内的水在气压作用下产生一定的动能， 从而完成空气 分子势能到水的动能的转换 ； （4） 具有动能的水沿着出水管道 6 达到水轮机 10 并推动水轮机 10 的叶轮 102 转动， 从而完成水的动能到机械能的转换 ； 水轮机 10 的叶轮 102 通过主齿轮 18 带动发电机 20 旋 转， 使发电单元发电， 最后完成机械能到电能的转换。
     对发电单元来说， 储能系统也能起到调节发电机 20 输出功率的目的 ： 发电机 20 的启动方式 ： 低风速发电机 20 难以启动时， 启动储能系统， 推动水轮机 10 转 动， 通过风轮 17 和水轮机的叶轮 102 的共同作用实现发电机 20 的启动。
     发电机 20 的发电方式 ： 发电机 20 在正常发电但没有达到满发的情况下， 速度传感 器测量出风轮 17 的旋转速度， 并将信号回馈到控制器中， 控制器将该信号与预设信号进行 比较， 控制出水管道上电磁阀的流量， 出水管道中的水流经过增压机 13 的再次增压形成强 大的水柱冲向水轮机的叶轮 102， 加快了水轮机的叶轮 102 以及发电机 20 转子的转动速度， 随着风轮 17 速度慢慢上升， 电磁阀的流量逐渐减小， 使出水管道中的水柱对水轮机的叶轮 102 的作用减弱， 使发电机 20 的转子能够平稳的到达额定转速。 在储能系统的辅助下， 发电 单元能够时刻的保持在满发状态， 使该发电单元接入电网时更稳定。
     发电机 20 的刹车方式 ： 超大风使发电机 20 转速超过而定转速的情况下， 速度传感 器测量出风轮 17 的旋转速度， 并将信号回馈到控制器中， 控制器将该信号与预设信号进行 比较， 控制电磁阀的流量和水轮机进水口的方向。出水管道 6 中的水柱与叶轮 102 旋转方向相反的作用在叶轮 102 上， 对第叶轮 102 施加一个反向的推力， 从而限制了发电机 20 的 转子速度的最大值， 使发电单元的发电状态保持在满发状态。
     实施例 2 一种垂直轴风力发电机储能发电系统， 包括储能系统和发电系统。
     如图 3 所示， 所述储能系统包括中心塔柱 24、 设置在心塔柱上的一个以上的发电 单元， 本实施例中， 所述中心塔柱 24 上设有两个呈上下设置的发电单元。所述发电单元包 括风轮 17、 主齿轮 18、 两个以上的发电机 20 和用于安装所述发电机 20 的安装平台 23。本 实施例中， 在主齿轮 18 周边对称设有两个发电机 20 ； 所述风轮 17 为 Φ 形风轮， 所述风轮 17 由两片对称设置的叶片组成。所述中心塔柱 24 上对应风轮 17 上端位置设有第一轴承 16， 中心塔柱 24 上对应风轮 17 下端位置设有第二轴承 19。叶片上端通过第一连接法兰 27 与第一轴承 16 的外圈连接 ； 叶片下端依次通过第二连接法兰 28、 联轴器 29、 第三连接法兰、 主齿轮 18 后与第二轴承 19 的外圈连接。其中本实施例的第一、 二轴承为双排球转盘轴承， 且该轴承为现有技术， 在这里不再详细描述， 本领域技术人员应当知晓其结构和工作原理。 所述风轮 17 通过第一轴承 16 和第二轴承 19 与所述中心塔柱 24 枢接， 且风轮 17 与所述主 齿轮 18 具有同步转速。 所述主齿轮 18 分别通过一套齿轮传动系统与所述发电机 20 的转轴连接， 本实施 例中， 所述齿轮传动系统为一锥齿轮 22， 主齿轮 18 与所述锥齿轮 22 啮合， 且所述锥齿轮 22 套在水平放置的发电机 20 的转轴上， 因此， 风轮 17 通过主齿轮 18 和锥齿轮 22 与所述发电 机 20 的转轴联动， 实现由风轮 17 的垂直旋转转变成发电机 20 的水平旋转， 对于垂直轴风 力发电机来说， 发电机 20 的安装更简单方便了。
     如图 6 所示， 所述第一轴承 16 与第二轴承 19 之间设有两根以上均匀分布在同一 圆周上的连接管 26， 连接管 26 上端通过第一连接法兰 27 与第一轴承 16 的外圈固定连接， 连接管 26 的下端与第二连接法兰 28 连接， 第一轴承 16 的外圈通过所述连接管 26 与所述 第二轴承 19 的外圈联动同步。所述第一连接法兰 27、 连接管 26 第二连接法兰 28 的分布构 成一个鼠笼 41 结构， 由于叶片上端的风速与下端的风速往往不一样， 上端的风速一般比下 端的风速大， 从而会造成叶片在旋转时上端的速度比下端的速度快， 但是由于叶片是一个 整个结构， 叶片的上端和下端必须具有同步的转速， 这样一来叶片有可能会发生扭曲， 从而 破坏叶片的最佳迎风面积， 降低叶片对的风能的利用率。鼠笼 41 的设计正是为了传递叶片 上端的力矩到叶片下端， 使叶片在旋转过程中， 尽可能的降低叶片的扭曲程度。
     所述主齿轮 18 与锥齿轮 22 之间设有控制齿轮传动系统与主齿轮 18 连接的离合 器 （未标示） ， 所述风轮 17 及发电机 20 的转轴上设有速度传感器 （未标示） ， 所述速度传感器 与所述离合器电连接。 当速度传感器检测到风轮 17 或发电机 20 的转轴转速超过预设值时， 发送信号至离合器， 使离合器断开齿轮传动系统与主齿轮 18 的连接 ； 当速度传感器检测到 风轮 17 转速回到预设值内时， 发送信号至离合器， 使离合器重新连接齿轮传动系统与主齿 轮 18。
     如图 4 所示， 所述中心塔柱 24 为中空的钢筋混凝土结构， 所述安装平台 23 环抱所 述中心塔柱 24， 所述安装平台 23 与所述中心塔柱 24 一体灌浆成型。所述安装平台 23 内部 设有工字钢， 所述工字钢水平设置且贯穿所述中心塔柱 24， 相互垂直交错形成网格状分布， 且中心塔柱 24 内的建筑构造用钢筋 30 延伸至所述安装平台 23 内。所述安装平台 23 上设
     有安装螺孔， 发电机 20、 控制柜 25 等发电设备通过螺栓固定在所述安装平台 23 上。 所述安 装平台 23 上设有防护罩 21， 所述防护罩 21 环绕所述安装平台 23， 所述防护罩 21 上设有门 窗形成防风雨的房屋， 所述发电机 20 设于所述房屋内， 用于保护发电机 20、 控制柜 25、 齿轮 传动系统等发电设备免受外界环境影响， 确认其运行在安全的环境， 能够增加发电设备的 使用寿命。所述相邻两个安装平台 23 之间的距离用于安装所述垂直轴风力发电机的风轮 17。 为了以后的维修方便， 中心塔柱 24 上可以设置维修口通往中心塔柱 24 内的通道 31， 维 修人员就可以通过维修口进入到中心塔柱 24 的通道 31 内， 在通道 31 内设置吊笼， 维修人 员通过吊笼到达中心塔柱 24 的不同高度， 对具有多层发电单元的垂直轴风力发电机来说 是十分方便的 ； 另外上层的发电单元的电缆线还可以通过该通道 31 进行布线。
     如图 5 所示， 所述联轴器 29 为弹性联轴器 29， 联轴器 29 上端通过第二连接法兰 28 与风轮 17 下端连接， 联轴器 29 下端通过第三连接法兰与主齿轮 18 连接， 主齿轮 18 固定在 第二轴承 19 的外圈上， 从而使风轮 17、 联轴器 29、 主齿轮 18 能够同步。 所述联轴器 29 内设 有刹车装置， 所述刹车装置包括环形刹车盘 32 和一个以上的制动装置 36。所述刹车盘 32 包括固定部 40 和摩擦部 39， 所述固定部 40 与摩擦部 39 之间设有斜面过渡， 所述固定部 40 固定在联轴器 29 上 ； 所述摩擦部 39 上、 下表面沿半径方向设有防滑条纹， 防滑条纹呈放射 状， 增大制动器 38 与刹车盘 32 之间的摩擦力， 从而增强其制动效果。所述制动装置 36 包 括制动器垫板 35、 减振器 34、 减振器垫板 33、 制动器 28 和驱动制动器的动力源 37。所述中 心塔柱 24 上延伸设有环形凸台 43， 所述减振器垫板 33 设在所述凸台 43 上， 所述减振器 34 设在所述减振器垫板 33 上， 所述制动器垫板 35 设在所述减振器 34 上， 所述制动器 38 设在 所述制动器垫板 35 上， 且所述制动器 38 均匀分布在所述中心塔柱 24 周边形成多点制动 ； 所述制动器 38 包括设置在刹车盘 32 上、 下两侧的刹车片， 所述刹车片与刹车盘 32 的摩擦 部 39 配合 ； 所述制动装置 36 中的动力源 37 为液压驱动系统， 提供可靠且强而有力的动力。
     制动时， 实际是刹车装置对联轴器 29 的制动， 但由于联轴器 29 将风轮 17 与主齿 轮 18 连成一体， 就可以起到降低发电单元的风轮 17 及主齿轮 18 的速度， 这样一来不仅可 以保护风轮 17 不会因失速而损坏， 而且保护发电机 20 不会因发电功率过高而烧毁。该种 刹车装置与垂直轴风力发电机相互配合， 而且结构简单， 制动效果显著。
     风轮 17 受风力作用旋转， 其动力依次通过主齿轮 18、 齿轮传动系统传递到每台发 电机 20 的转轴， 为每一台发电机 20 提供机械能， 从而进行发电。通过齿轮传动系统可以改 变主齿轮 18 与发电机 20 的转轴的转速比， 尽管风轮 17 的转速较低， 但是经过齿轮传动系 统的调整后， 同样可以输出较大的转速到发电机 20 的转轴上， 从而可以利用高转速的发电 机 20， 高转速的发电机 20 与现有技术低转速发电机 20 相比， 在同样的发电功率下， 高转速 的发电机 20 体积更小。本发明中， 风轮 17 的负载减小， 启动风速更小， 有利于风力发电机 20 在低风速时也能够发电 ； 每台发电单元中的发电机 20 体积较小， 其制造成本低， 且降低 维修检修难度 ； 中心塔柱 24 上可安装的发电单元数量更多， 进一步提高了垂直轴风力发电 机发电系统的发电功率。
     如图 8、 9 所示， 所述储能系统包括高压气体发生装置、 蓄水装置和水轮机 10。 所述 高压气体发生装置包括两个密闭的高压储气罐和两个空气压缩机， 两个所述高压储气罐分 别为第一高压储气罐 2a、 第二高压储气罐 2b， 两个所述空气压缩机分别为第一空气压缩机 1a、 第二空气压缩机 1b ； 所述蓄水装置包括两个水箱， 分别为第一水箱 3a 和第二水箱 3b。 所述第一空气压缩机 1a 通过进气管道 4 与所述第一高压储气罐 2a 连通， 所述进气管道 4 上 设有手动阀门 8 ； 所述第二空气压缩机 1b 通过进气管道 4 与所述第二高压储气罐 2b 连通， 所述进气管道 4 上设有手动阀门 8 ； 所述第二空气压缩机 1b 通过第一气管 15 与所述第一高 压储气罐 2a 连通， 所述第一气管 15 上设有手动阀门 8 ； 所述第一高压储气罐 2a 通过调节 阀 9 与两根出气管道 5 连接， 所述出气管道 5 分别与所述第一水箱 3a 和第二水箱 3b 顶部 连通， 所述出气管道 5 上设有手动阀门 8 ； 第一空气压缩机 1a 通过第二气管 14 与出气管道 5 连通， 所述第二气管 14 上设有手动阀门 8 ； 所述第二高压储气罐 2b 通过调节阀 9 与两根 出气管道 5 连接， 所述出气管道 5 分别与所述第一水箱 3a 和第二水箱 3b 的顶部连通， 所述 出气管道 5 上设有手动阀门 8 ； 所述第一水箱 3a 和第二水箱 3b 底部引出出水管道 6， 所述 出水管道 6 通过增压阀门 11 与水轮机 10 进水口连接， 且所述出水管道 6 上设有手动阀门 8 和增压机 13 ； 所述水轮机 10 设置在靠近地面的发电单元下方， 水轮机 10 包括环抱所述中 心塔柱 24 的叶轮 102 和包裹叶轮的壳体 101， 所述水轮机的叶轮 102 与主齿轮 18 连接， 所 述水轮机 10 出水口通过回水管道 7 分别与所述第一水箱 3a 和第二水箱 3b 顶部连通， 所述 回水管道 7 上设有手动阀门 8。
     本发明垂直轴风力发电机的储能发电原理如下 ： （1） 发电系统将富余的电量通过电缆向储能系统的第一空气压缩机 1a 和第二空气压 缩机 1b 输送 ； （2） 第一空气压缩机 1a 和第二空气压缩机 1b 得电工作， 第一空气压缩机 1a 通过进气 管道 4 将空气压缩进第一高压储气罐 2a 中， 使第一高压储气罐 2a 中的空气分子势能增加 ； 第二空气压缩机 1b 通过进气管道 4 将空气压缩进第二高压储气罐 2b 中， 使第二高压储气 罐 2b 中的空气分子势能增加， 完成电能到空气的分子势能的转换 ； 必要时， 第二空气压缩 机 1b 通过第一气管 15 将空气压缩进第一高压储气罐 2a 中， 加快第一高压储气罐 2a 的储 气速度 ； （2） 第一水箱 3a 或第二水箱 3b 内装有水， 装有水的水箱为工作水箱， 没有水的水箱为 备用水箱， 需要启动储能系统进行发电时， 第一高压储气罐 2a 和 / 或第二高压储气罐 2b 中 的高压气体通过出气管道 5 释放到工作水箱中， 工作水箱内气压增加， 当气压达到指定值 时， 将工作水箱内的水通过出水管道 6 释放至水轮机 10， 出水管道 6 内的水在气压作用下产 生一定的动能， 从而完成空气分子势能到水的动能的转换 ； 在启动储能发电系统时发电站 然具有富余电能或者第一高压储气罐 2a 和第二高压储气罐 2b 内的气压无法达到工作状态 时， 第一空气压缩机 1a 通过第二气管 14 和出气管道 5 直接将高压气体注入工作水箱中 ； （3） 具有动能的水沿着出水管道 6 达到水轮机 10 并推动水轮机 10 的叶轮 102 转动， 从 而完成水的动能到机械能的转换 ； 水轮机 10 的叶轮 102 通过齿轮传动系统带同发电机 20 旋转， 使发电单元发电， 最后完成机械能到电能的转换 ； （4） 具有动能的水对水轮机 10 做功后通过回水管道进入到备用水箱中， 直到工作水箱 中的水全部转移到备用水箱中后， 备用水箱成为新的工作水箱， 原工作水箱成为新的备用 水箱 ； （5） 第一高压储气罐 2a 和 / 或第二高压储气罐 2b 中的高压气体通过出气管道 5 释放 到新的工作水箱中， 如此循环上述步骤 （2） ~（4） 直到将第一高压储气罐 2a 和第二高压储 气罐 2b 中的高压气体释放完为止。对靠近地面的发电单元来说， 储能系统起到调节发电机 20 输出功率的目的 ： 发电机 20 的启动方式 ： 低风速发电机 20 难以启动时， 启动储能系统， 推动水轮机 10 转 动， 通过风轮 17 和水轮机 10 的叶轮 102 的共同作用实现发电机 20 的启动。
     发电机 20 的发电方式 ： 发电机 20 在正常发电但没有达到满发的情况下， 速度传 感器测量出风轮 17 的旋转速度， 并将信号回馈到控制器中， 控制器将该信号与预设信号进 行比较， 控制出水管道 6 上电磁阀的流量， 出水管道 6 中的水流经过增压机 13 的再次增压 形成强大的水柱冲向水轮机 10 的叶轮 102， 加快了水轮机 10 的叶轮 102 以及发电机 20 转 子的转动速度， 随着风轮 17 速度慢慢上升， 电磁阀的流量逐渐减小， 使出水管道 6 中的水柱 对水轮机 10 的叶轮 102 的作用减弱， 使外转子发电机 20 的转子能够平稳的到达额定转速。 在储能系统的辅助下， 底层发电单元能够时刻的保持在满发状态， 使该发电单元接入电网 时更稳定。
     发电机 20 的刹车方式 ： 超大风使外转子发电机 20 转速超过而定转速的情况下， 速度传感器测量出风轮 17 的旋转速度， 并将信号回馈到控制器中， 控制器将该信号与预设 信号进行比较， 控制电磁阀的流量和水轮机 10 进水口的方向。出水管道 6 中的水柱与叶轮 102 旋转方向相反的作用在叶轮 102 上， 对第叶轮 102 施加一个反向的推力， 从而限制了外 转子发电机 20 的转子速度的最大值， 使底层发电单元的发电状态保持在满发状态。
     实施例 3 如图 10 所示， 与实施例 1 不同的是， 储能系统的高压气体发生装置包只包括一个密闭 的高压储气罐 2 和一个空气压缩机 1 ； 所述蓄水装置包括两个相互连通的水箱， 第一水箱 3a 和第二水箱 3b， 两个水箱之间设有阀门 （未标示） 控制其连通。所述空气压缩机 1 通过进气 管道 4 与所述高压储气罐 2 连通， 所述进气管道 4 上设有手动阀门 8 ； 所述高压储气罐 2 通 过调节阀 9 与出气管道 5 连接， 出气管道 5 与所述第一水箱 3a 顶部连通， 所述出气管道 5 上设有手动阀门 8 ； 空气压缩机 1 通过第二气管 14 与出气管道 5 连通， 所述第二气管 14 上 设有手动阀门 8 ； 所述第一水箱 3a 底部引出出水管道 6， 通过出水管道 6 与所述水轮机 10 进水口连接， 所述出水管道 6 上设有手动阀门 8 和至少一个增压机 13， 所述出水管道 6 通过 增压阀门 11 与水轮机 10 进水口连接 ； 水轮机 10 出水口通过回水管道 7 与第二水箱 3b 连 通。
     本发明垂直轴风力发电机的储能发电原理如下 ： （1） 发电系统将富余的电量通过电缆向储能系统的空气压缩机 1 输送 ； （2） 空气压缩机 1 得电工作， 空气压缩机 1 通过进气管道 4 将空气压缩进高压储气罐 2 中， 使高压储气罐 2 中的空气分子势能增加 ； （2） 第一水箱 3a 内装有水， 需要启动储能系统进行发电时， 高压储气罐 2 中的高压气体 通过出气管道 5 释放到第一水箱 3a 中， 第一水箱 3a 内气压增加， 当气压达到指定值时， 第 一作水箱 3a 内的水通过出水管道 6 释放至水轮机 10， 出水管道 6 内的水在气压作用下产生 一定的动能， 从而完成空气分子势能到水的动能的转换 ； 在启动储能发电系统时发电站然 具有富余电能或者高压储气罐 2 内的气压无法达到工作状态时， 空气压缩机 1 通过第二气 管 14 和出气管道 5 直接将高压气体注入第一水箱 3a 中 ； （3） 具有动能的水沿着出水管道 6 达到水轮机 10 并推动水轮机 10 的叶轮 101 转动， 从而完成水的动能到机械能的转换 ； 水轮机 10 的叶轮 101 带动外转子发电机 12 的转子旋转， 使底层发电单元发电， 最后完成机械能到电能的转换 ； （4） 具有动能的水对水轮机 10 做功后通过回水管道 7 进入到第二水箱 3b 中， 直到第一 水箱 3a 中的水全部转移到第二水箱中后， 释放第一水箱 3a 内的高压气体并将第二水箱 3b 中的水重新流回到第一水箱 3a 中 ； （5） 高压储气罐中的高压气体再次通过出气管道 5 释放到新的第一水箱中， 如此循环 上述步骤 （2） ~（4） 直到将高压储气罐 2 中的高压气体释放完为止。
     综上所述， 本发明垂直轴风力发电机储能发电系统并网发电时， 使其发电功率对 电网不会造成冲击 ； 能够将电能转化其他形式的能量进行储存， 然后再转换为电能， 一定程 度上解决了电能浪费的问题， 同时也决绝了大型垂直轴风力发电机离网发电的问题。