專利名稱：一種升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電系統，尤其涉及一種使升力和阻力在螺旋模式中相結合的、有軌道對風輪轉動構成支撐的、有收集風輪正面受風的集風結構的、有多臺發(fā)電機根據風能情況組合發(fā)電的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統。
背景技術：
作為風力發(fā)電主流的三葉式風機在風速3-5米/s時難以發(fā)電；而風速高于12米/s米時，為保護發(fā)電機安全又要開始卸掉部分風能；風速25米/s則必須剎車，這些都會造成對風資源的巨大浪費。另外三葉式風機難以克服風的不穩(wěn)定性，于是又有了風電的品質問題。 已有的升力和阻力型垂直軸風力發(fā)電機雖較好的解決了三葉式風機低風速和高風速難以發(fā)電的問題，但是升力型風機有自啟動性能差，系統容易振動，而阻力型風機轉速較低，這些缺陷嚴重阻礙了垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展。

發(fā)明內容
為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供了一種使升阻力相結合的風葉在螺旋模式中安裝、因此可全面利用3-30米以上的風資源、并可實現風機大型化的垂直軸風力發(fā)電系統。一種升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，包括風輪、傳動系統、發(fā)電機和電動機；風輪上安裝螺旋狀的使升力阻力相結合的鷹形風葉，所述風輪布置于風輪軌道行走裝置上；所述鷹形風葉在風輪桁架上沿風輪圓周設置多道，每道鷹形風葉包括多層，沿風輪圓心向外分多層交叉安裝或平行安裝；每道鷹形風葉的每層風葉均為一根；傳動系統包括一個中心齒輪和若干個行星齒輪，中心齒輪和行星齒輪嚙合,傳動系統與風輪的主軸連接；行星齒輪拖動發(fā)電機，電動機拖動傳動系統。所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，還包括對風裝置以及由對風裝置拖動的集風裝置；所述對風裝置為通過軸承安裝于風輪主軸頂部的風向舵、伺服電機和測風儀；對風裝置的風向舵直接拖動集風裝置對風或/和通過對風裝置的測風儀經自控系統指令伺服電機拖動集風裝置對風；所述集風裝置為一個弧度為O. 5-2度的半圓形結構，通過軸承安裝于風輪頂部的主軸上，同時再通過滾輪支撐并行走于布置在自身下部的環(huán)形導軌上，繞風輪做圓周運動，以在風輪圓周逆時針方向80-180度處向風葉收集風能。鷹形風葉為扭轉狀長方形，是將升力型長橢圓形風葉靠頭部一側做成下凹曲線，使該部分阻力受風；其剖面為長橢圓形，在靠近長橢圓形的一端的一側向內做一個鷹頸狀曲面，該曲面的弦長為長橢圓形弦長的1/3。所述用于收集風輪正受力側受風的集風裝置為集風板，集風板正投影為矩形，整體高度略高于風輪，集風板整體架沿風輪輪廓彎成0. 5-2度的弧形與弧度對應的圓直徑略大于風輪直徑；集風板表面為弧面。所述鷹形風葉以3-18道分內層風葉和外層風葉交叉安裝或平行安裝，交叉安裝時內外層風葉的夾角為30-60度。所述風葉在風輪支架上以3-30度向風輪旋轉方向傾斜安裝；安裝時風葉背面統一朝向風輪外側，在風輪表面呈螺旋狀。安裝時風葉統一以風葉背面向外，并自下而上呈3-30度螺旋狀傾斜，以保證風輪受風的連續(xù)性，徹底消除振動。所述風輪軌道行走裝置包括滾輪和導軌，風輪以安裝于風輪下部的滾輪和軌道裝置行走于機座或支撐塔基上。 發(fā)電機和/或電動機與行星齒輪直接連接或通過離合器連接。中心齒輪的直徑大于行星齒輪的直徑；行星齒輪的數量為3-8個。中心齒輪的直徑為1-25米。集風板以金屬管為矩形框架，略高于風輪，框架內沿上述弧度水平布置若干根固定金屬薄板的龍骨，為增加剛性而進行過折彎處理的金屬薄板固定其上。本發(fā)明可提高垂直軸風輪捕風性能20-35%以上，而且還可以實現系統的全天候捕風功能，有效改進系統傳動部分增速功能和大幅度降低系統的運行成本。


圖I為本發(fā)明提供的風輪的總裝示意圖；圖2為本發(fā)明提供的為風葉的螺旋結構和發(fā)電機組合示意圖；圖3為本發(fā)明提供的垂直軸風輪俯視圖；圖4為本發(fā)明提供的風機集風裝置示意圖；圖5為本發(fā)明提供的風輪行走部分示意圖；圖5-1為本發(fā)明提供的風輪行走部分側視圖；圖6為本發(fā)明提供的鷹型風葉示意圖；圖7為圖6中的A-A鷹型風葉剖面示意圖；圖8為本發(fā)明鷹型風葉安裝示意圖；圖9為圖8中的的鷹型風葉安裝俯視示意圖；圖10為本發(fā)明發(fā)電機組合示意圖。附圖標記說明1_風向舵，2-風輪支架，3-風葉，4-垂直軸，5-導輪，6-導軌，7-小齒輪，8-大齒輪,9-配電房，10-發(fā)電機,11-集風板，12-測風儀
具體實施例方式下面結合附圖，對本發(fā)明做進一步的詳細描述。安裝風輪風葉時，在已經連接安裝好的風輪支架上根據風葉所要求的弧度預制支撐風葉的龍骨。將適當厚度的薄板沿龍骨輪廓固定，風葉自下而上統一向背風方向逐漸傾斜3-30度，實驗證明該處置可使風輪受風時保持受力的連續(xù)性，消除傳統升力型風輪因受風時的斷續(xù)特征而產生的脈沖振蕩。為解決垂直軸風機因主軸支撐強度不夠而無法大型化的問題，本技術在風輪下部和機座之間布置一圈可供風輪依靠導輪行走其上的導軌。與風輪主軸連接的是中心主傳動齒輪，在中心主傳動齒輪周圍分布的是若干個與中心主傳動齒輪行星狀嚙合的副傳動齒輪。被副傳動齒輪拖動的是若干個不同功率發(fā)電機，以及可以拖動傳動系統的不同功率的電動機。由于系統可根據風速的不同加載不同大小和數量的發(fā)電機，因此從風速2米/s開始至風速60米/s，系統對這里的風能都能正常利用。由于系統可以將任意一臺或幾臺直流發(fā)電機切變?yōu)樗欧妱訖C反過來拖動主傳動齒輪、以增加主傳動齒輪對其它發(fā)電機的扭矩輸出，當風速在一定范圍內波動時，可通過 自動控制啟動和切出相關伺服電動機來穩(wěn)定風輪轉速，從而在根本上改善風電的品質。使風輪主軸與一個直徑1-25米的齒輪連接,該齒輪即為系統的中心主傳動齒輪，使3-8個直徑較小齒輪以行星狀與中心齒輪嚙合。使發(fā)電機通過離合器與所說行星小齒輪連接。當風輪拖動中心大齒輪帶動行星小齒輪轉動時可操作如下過程可根據風速的不同編組加載不同大小和數量的發(fā)電機，因此系統可有效采集自風速2米/s至風速60米/s時的全部風能。系統可以將自己若干臺發(fā)電機中的任意一臺或幾臺切變?yōu)樗欧妱訖C，當風速在一定范圍內波動時，可通過自動控制啟動和切出相關伺服電動機來有效穩(wěn)定風輪轉速，以大幅度改善所發(fā)電能的品質。所述的垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，還包括對風裝置以及由對風裝置拖動的集風裝置。所述對風裝置為通過軸承安裝于風輪主軸頂部的風向舵、伺服電機和測風儀；對風裝置的風向舵直接拖動集風裝置對風或/和通過對風裝置的測風儀經自控系統指令伺服電機拖動集風裝置對風；所述集風裝置水平連接為一個弧度為O. 5-2度的半圓形，以鋼架結構整體支撐加固，通過軸承安裝于風輪頂部的主軸上，同時再通過滾輪支撐并行走于布置在自身下部的環(huán)形導軌上，繞風輪做圓周運動，以在風輪圓周的逆時針方向的80-180度處向風葉收集風能。所述用于強化風輪正受力側受風的集風裝置為集風板，集風板正投影為矩形，整體高度略高于風輪，以金屬管為矩形框架，集風板上下框架沿風輪輪廓彎成O. 5-2度的弧形，與弧度對應的圓直徑略大于風輪直徑；集風板表面為平面。科學原理升力型垂直軸風機轉速比較高，但是它自啟動性能差，而阻力型垂直軸風機的轉速比較低。而且兩種風輪受風時都會因為風葉受力的斷續(xù)特征而引發(fā)系統的脈沖振蕩；因此使升力和阻力相結合的技術方案就是人們一直在思考和實踐的問題。在本技術中通過對升力型葉型進行阻力型改造，實現了升、阻力的完美組合。垂直軸風機的葉片在受風時存在著受力的間斷特征，這種間斷特征便會給系統帶來脈沖振蕩，這對風機是一種不安全因素。但是如果把風葉以一定角度傾斜安裝，使風葉與風葉之間不存在受力空擋，這就必然會因徹底消除脈沖而徹底消除系統共振。垂直軸風機的風輪無論是升力型、還是阻力型的，這里都有風葉最佳受風角度隨風輪轉動而消失的問題。對于升、阻力型風機，對于風輪正面，這個受風角度開始消失的點位于風輪90度附近。通過實驗發(fā)現由這個點開始用集風板收集本來已經吹過風輪的風能，使之繼續(xù)作用與風輪80-180度位置的風葉上，從而大大的延長了風葉受風的受風時間，可直接提高3-5%的風能利用系數。由于垂直軸風機的主軸在風輪做的比較大后，就會出現支撐強度不夠的問題。這個問題是垂直軸風機難以大型化的主要癥結。本技術在風輪下部布置可供風輪轉動時行走其上的導軌和導輪，使風輪的主要重量和受力都由導軌和導輪承擔，風機大型化的問題可迎刃而解。風的不穩(wěn)定性是風電品質不好的直接原因，如果在風速向下波動時以伺服電動機拖動主傳動齒輪，這必然可以補足風能短時間不足部分，從而使發(fā)動機穩(wěn)定發(fā)電，最終使風電品質接近或等同火電。在一臺風機上裝多臺發(fā)電機以適應不同風速，這是人們已有的想法。但是對于三葉式風機，由于它的機艙狹小，這個想法很難實現。對于垂直軸風機，由于發(fā)電機機房可以直接布置在風輪下，而且這個機房還可以做的足夠大，因此在垂直軸風輪下可以直接布置 以一個大齒輪為中心的發(fā)電機陣列。由于風機的發(fā)電部分為多臺不同功率的發(fā)電機，因此可以以不同功率和臺數的發(fā)電機去對應不同的風速，這必然可以全面采集每秒3-30米風速下的風能。由于垂直軸風輪所拖的是一個由大小不等、而且可以隨意組合的發(fā)電機群，風速2-3米/s時,可通過離合器只向中心大齒輪加載一臺較小的發(fā)電機,大馬拉小車,風輪肯定可以拖動這臺發(fā)電機正常發(fā)電；當風速12-60米/s時，可根據需要隨機向中心大齒輪增減發(fā)電機，因此現場的風能可以得到全面利用，配合上系統其它方面的優(yōu)勢，本發(fā)明中的風機的年等效滿發(fā)電小時數可達6000-8000小時。
權利要求
1.一種升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，包括風輪、傳動系統、發(fā)電機和電動機； 風輪上安裝螺旋狀的使升力阻力相結合的鷹形風葉，所述風輪布置于風輪軌道行走裝置上； 所述鷹形風葉在風輪桁架上沿風輪圓周設置多道，每道鷹形風葉包括多層，沿風輪圓心向外分多層交叉安裝或平行安裝；每道鷹形風葉的每層風葉均為一根； 傳動系統包括一個中心齒輪和若干個行星齒輪，中心齒輪和行星齒輪嚙合，傳動系統與風輪的主軸連接； 行星齒輪拖動發(fā)電機，電動機拖動傳動系統。
2.如權利要求I所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，還包括對風裝置以及由對風裝置拖動的集風裝置； 所述對風裝置為通過軸承安裝于風輪主軸頂部的風向舵、伺服電機和測風儀；對風裝置的風向舵直接拖動集風裝置對風或/和通過對風裝置的測風儀經自控系統指令伺服電機拖動集風裝置對風； 所述集風裝置為一個弧度為0. 5-2度的半圓形結構，通過軸承安裝于風輪頂部的主軸上，同時再通過滾輪支撐并行走于布置在自身下部的環(huán)形導軌上，以風輪對風面的正中線為O。，繞風輪做圓周運動，其向風葉收集風能的作用位置在逆時針方向的80° -180°處。
3.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統；其特征在于鷹形風葉為扭轉狀長方形，是將升力型長橢圓形風葉靠頭部一側做成下凹曲線，使該部分阻力受風；其剖面為長橢圓形，在靠近長橢圓形的一端的一側向內做一個鷹頸狀曲面，該曲面的弦長為長橢圓形弦長的1/3。
4.如權利要求2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于所述用于收集風輪正受力側受風的集風裝置為集風板，集風板正投影為矩形，整體高度略高于風輪，集風板整體架沿風輪輪廓彎成0. 5-2度的弧形與弧度對應的圓直徑略大于風輪直徑；集風板表面為弧面。
5.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于，所述鷹形風葉以3-18道分內層風葉和外層風葉交叉安裝或平行安裝，交叉安裝時內外層風葉的夾角為30° -60°。
6.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于所述風葉在風輪支架上以3° -30°向風輪旋轉方向傾斜安裝；安裝時風葉背面統一朝向風輪外側，在風輪表面呈螺旋狀； 安裝時風葉統一以風葉背面向外，并自下而上呈3° -30°螺旋狀傾斜，以保證風輪受風的連續(xù)性，從而消除振動。
7.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于所述風輪軌道行走裝置包括滾輪和導軌，風輪以安裝于風輪下部的滾輪和軌道裝置行走于機座或支撐塔基上。
8.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于發(fā)電機和/或電動機與行星齒輪直接連接或通過離合器連接。
9.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于中心齒輪的直徑大于行星齒輪的直徑；行星齒輪的數量為3-8個。
10.如權利要求I或2所述的升力、阻力結合型垂直軸風力發(fā)電系統，其特征在于中心齒輪的直徑為1-25米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種升力、阻力結合型螺旋風葉垂直軸風力發(fā)電系統，包括風輪、風葉、集風結構、風輪行走系統、傳動系統、發(fā)電機和電動機；風輪包括以傾斜布置的升、阻力結合型螺旋風葉；傳動系統包括一個中心齒輪和若干個行星齒輪，中心齒輪和行星齒輪嚙合，傳動系統與風輪的主軸連接；行星齒輪拖動發(fā)電機，電動機拖動傳動系統。本發(fā)明可有效消除傳統的垂直軸風力發(fā)電機的自啟動性能差和系統振動等弊病、可提高風機大型化時的安全性、可實現系統的全天候捕風功能，提高風能利用系數10％以上、可大幅度降低系統的運行成本。通過對強化垂直軸風輪正受力側受風，以及通過強化風葉氣動性能和在一臺風機上裝多臺發(fā)電機的處置，以成倍提高垂直軸風機發(fā)電效率的技術。
文檔編號F03D3/04GK102758740SQ20121026695
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權日2011年12月2日
發(fā)明者伍康旺, 張青, 黃照祺, 黃自杰 申請人:伍康旺, 張青, 黃照祺