專利名稱：垂直軸風輪連桿組合變槳距風力發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可調節(jié)的風カ發(fā)電裝置，具體的說是ー種垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置。
背景技術：
風能具有取之不盡，用之不竭，不消耗資源，清潔衛(wèi)生，分布范圍廣等特點，風能發(fā)電成為世界許多國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。垂直軸風カ發(fā)電機相比于水平軸風カ發(fā)電機，具有結構簡單、造價與維護成本低廉、不需迎風調節(jié)系統(tǒng)等優(yōu)點，近年來得到各國的普遍重視。垂直軸風カ發(fā)電機主要包括垂直軸風輪、風カ發(fā)電機、電源存儲與輸出控制単元等。垂直軸風輪直接驅動永磁發(fā)電機，是風カ發(fā)電領域的發(fā)展趨勢之一，特別是采用永磁發(fā)電機技術，其可靠性和效率高，在今后風電機組的研發(fā)中將有很大的發(fā)展空間。專利號201010140707.4的國家專利公布了ー種垂直軸風カ發(fā)動機的魚脊線葉板升力風輪，該發(fā)明可引導氣流通過風輪內腔作用于背風面葉片上實現(xiàn)二次做功，具有渦流損失低，風能利用率高，結構簡單等優(yōu)點，為風能利用提供了成本低廉的垂直軸風カ發(fā)電風輪。專利號20111 0215832.1的國家專利公開了ー種軸向主磁路結構永磁風カ發(fā)電機,該發(fā)明可由垂直軸風輪驅動，與風輪同軸的軸對稱主磁路結構永磁風カ發(fā)電裝置可在1.0m/s 25m/s風速范圍內工作。直驅式永磁風カ發(fā)電機的垂直軸風輪與永磁發(fā)電機的轉子固聯(lián)并同步運轉。當環(huán)境風速超過風カ發(fā)電機的額定風速范圍時，永磁發(fā)電機轉子受風輪驅動將超出其額定轉速，此時發(fā)電機磁路飽和，當轉速繼續(xù)升高，將對發(fā)電機的運行性能產生惡劣影響，產生永磁體過熱、甚至不可逆退磁等破壞現(xiàn)象。因此，在環(huán)境風速超過發(fā)電機額定風速值吋，怎樣降低風輪轉速，降低垂直軸風輪的風能轉化率，實現(xiàn)對風カ發(fā)電機進行過載保護是至關重要的。

發(fā)明內容
為了解決上述風カ過大、風輪轉速過快而易造成發(fā)電機過載的技術問題，本發(fā)明提供ー種垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，能夠有效低風輪轉速，降低垂直軸風輪的風能轉化率，實現(xiàn)對永磁發(fā)電機進行過載保護。本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案為:垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，包括套裝在風輪中心軸上的下支撐板、上支撐板與位于上、下支撐板之間的風輪葉板，發(fā)電機的轉子與下支撐板固定連接，定子固定在風輪中心軸上，上、下支撐板之間還設有葉板支撐軸，風輪葉板安裝在葉板支撐軸上并可繞其旋轉，風輪中心軸上設有可調節(jié)風輪葉板工作位置的變槳距系統(tǒng)。所述變槳距系統(tǒng)包括雙滑塊機構與曲柄滑塊機構，雙滑塊機構包括內滑套、外支撐套、固定鉸、連桿、固定鉸，曲柄滑塊機構包括活動鉸、水平固定鉸、水平連桿，雙滑塊機構與曲柄滑塊機構共用復合滑塊，外支撐套通過內滑套套在風輪中心軸上，連桿一端通過支撐套固定鉸與外支撐套鉸接，另一端通過垂直固定鉸鉸接在復合滑塊上；水平連桿一端通過水平固定鉸與復合滑塊鉸接，另一端與活動鉸連接。所述變槳距系統(tǒng)的內滑套通過導向鍵固定在風輪中心軸上，內滑套與外支撐套之間裝有雙向推力軸承與轉動軸承。所述下支撐板上設有圓弧滑槽與直線滑槽。所述復合滑塊設在直線滑槽內并可沿直線滑槽延伸方向滑動。所述變槳距系統(tǒng)的活動鉸上固定有銷軸，銷軸頂端與風輪葉板上的銷軸孔間隙配合，銷軸上固定有軸承，軸承設置圓弧滑槽內并可沿其延伸方向滾動，軸承上方設有套筒。所述風輪中心軸上還設有液壓缸，液壓缸位于外支撐套的下方，液壓缸上的活塞桿與內滑套固定連接。導向柱一端通過導向套套裝在外支撐套上，另一端與下支撐板固定連接。所述風輪中心軸的頂端安裝有風速儀。該發(fā)電裝置還設有能夠接收風速儀信號并控制變槳距系統(tǒng)的PLC控制單元。本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置改變了風輪葉板在上、下支撐板之間的設置方式，在上、下支撐板之間設置有葉板支撐軸，風輪葉板安裝在葉板支撐軸上并可繞其旋轉，與傳統(tǒng)的風カ發(fā)電裝置的風輪相比，本發(fā)明使得風輪葉板能夠在帶動風輪中心軸轉動的同時，實現(xiàn)自身繞葉板支撐軸旋轉，使得風輪葉板的掠風面積具備可調性；
2、本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置在風輪中心軸上設有可調節(jié)風輪葉板工作位置的變槳距系統(tǒng)，該變槳距系統(tǒng)的豎直平面的雙滑塊機構與水平面的曲柄滑塊機構串聯(lián)組合實現(xiàn)風輪葉板的變槳距動作，實現(xiàn)了風輪葉板掠風面積的調節(jié)，由變槳距系統(tǒng)調節(jié)風輪葉板內旋以減小風輪掠風面積的同時，能夠有效的減少由風輪葉板之間縫隙進入風輪內腔的進風量，極大的降低了風進入風輪內腔產生的二次驅動，從而進ー步降低風輪中心軸轉速，起到對風カ發(fā)電裝置的過載保護作用；
3、本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置由于實現(xiàn)了風カ發(fā)電裝置風輪葉板掠風面積的可調，并降低了風進入風輪內腔產生的二次驅動，從而最大程度上保證了風カ發(fā)電裝置的過載保護，避免了風カ過大導致的發(fā)電裝置過載損壞的問題，根據風カ大小及時調整風輪葉板的工作位置，保證了風カ發(fā)電裝置能以最高的效率與最佳的工作狀態(tài)運行；
4、本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置通過變槳距系統(tǒng)的豎直平面雙滑塊機構與水平面的曲柄滑塊機構串聯(lián)組合實現(xiàn)風輪葉板的變槳距動作，雙滑塊機構與曲柄滑塊機構均為連桿機構，其運動副為低副面接觸，因此與目前現(xiàn)有的齒輪式、凸輪式等變槳距機構相比，在變槳距過程中，該機構具有構件受カ狀況好、負載能力大、機構運轉穩(wěn)定等優(yōu)點；
5、本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置結構巧妙合理、使用方便且易于安裝維護，具有較高的商業(yè)價值。


圖1是本發(fā)明的正視 圖2是本發(fā)明變槳距系統(tǒng)的側面剖視圖； 圖3是本發(fā)明俯視狀態(tài)剖視 圖4是本發(fā)明的結構原理示意圖。圖中標記:1、油管，2、風輪中心軸，3、液壓缸，4、活塞桿，5、內滑套，6、外支撐套，
7、支撐套固定鉸，8、連桿，9、連接法蘭盤，10、垂直固定鉸，11、復合滑塊，12、下支撐板，13、葉板支撐軸，14、風輪葉板，15、風速儀，16、上支撐板，17、發(fā)電機定子，18、發(fā)電機轉子，19、導向柱，20、導向套，21、雙向推力軸承，22、轉動軸承，23、導向鍵，24、套筒，25、軸承，26、活動鉸，27、水平固定鉸，28、水平連桿，29、圓弧滑槽，30、直線滑槽，31、曲柄。
具體實施例方式下面結合

本發(fā)明的具體實施方式
:垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，包括套裝在風輪中心軸2上的下支撐板12、上支撐板16與位于上、下支撐板之間的風輪葉板14，發(fā)電機的轉子與下支撐板12固定連接，定子固定在風輪中心軸2上，上、下支撐板之間還設有葉板支撐軸13，風輪葉板14安裝在葉板支撐軸13上并可繞其旋轉，風輪中心軸2上設有可調節(jié)風輪葉板14工作位置的變槳距系統(tǒng)。所述變槳距系統(tǒng)包括雙滑塊機構與曲柄滑塊機構，雙滑塊機構包括內滑套5、外支撐套6、固定鉸7、連桿8、固定鉸10，曲柄滑塊機構包括活動鉸26、水平固定鉸27、水平連桿28，雙滑塊機構與曲柄滑塊機構共用復合滑塊11，外支撐套6通過內滑套5套在風輪中心軸2上，連桿8 一端通過支撐套固定鉸7與外支撐套6鉸接，另一端通過垂直固定鉸10鉸接在復合滑塊11上；水平連桿28 —端通過水平固定鉸27與復合滑塊11鉸接，另一端與活動鉸26連接。所述變槳距系統(tǒng)的內滑套5通過導向鍵23固定在風輪中心軸2上，內滑套5與外支撐套6之間裝有雙向推力軸承21與轉動軸承22。所述下支撐板12上設有圓弧滑槽29與直線滑槽30。所述復合滑塊11設在直線滑槽30內并可沿直線滑槽30延伸方向滑動。所述變槳距系統(tǒng)的活動鉸26上固定有銷軸，銷軸頂端與風輪葉板14上的銷軸孔間隙配合，銷軸上固定有軸承25，軸承25設置圓弧滑槽29內并可沿其延伸方向滾動，軸承25上方設有套筒24。所述風輪中心軸2上還設有液壓缸3，液壓缸3位于外支撐套6的下方，液壓缸3上的活塞桿4與內滑套5固定連接。導向柱19 一端通過導向套20套裝在外支撐套上，另一端與下支撐板12固定連接。所述風輪中心軸2的頂端安裝有風速儀15。該發(fā)電裝置還設有能夠接收風速儀15信號并控制變槳距系統(tǒng)的PLC控制單元。如圖1-3所示，風輪中心軸2固定不動，上支撐板16通過軸承水平套裝在風輪中心軸2上，下支撐板12亦通過軸承水平套裝在風輪中心軸2上，上下支撐板同時繞中心軸2轉動，風輪葉板14置于上支撐板16、下支撐板12之間，每片葉板安裝在葉板支撐軸13上并可繞其旋轉，葉板支撐軸13安裝在上、下支撐板之間，發(fā)電機轉子18通過連接法蘭盤9與下支撐板12固聯(lián)，發(fā)電機定子固定在風輪中心軸2上，下支撐板12下面開有直線滑槽30，內部裝有可滑動的復合滑塊11，復合滑塊11上安裝有水平固定鉸27，水平固定鉸27在水平面上通過水平連桿28與另一端的活動鉸26相連，活動鉸26的銷軸穿過在下支撐板12上開的圓弧滑槽29，通過軸承25與套筒24與其上的風輪葉板14連接，復合滑塊11上同時安裝有垂直固定鉸10，垂直固定鉸10在垂直面上通過連桿8與另一端的支撐套固定鉸7連接，支撐套固定鉸7安裝在外支撐套6上面，導向柱19通過導向套20套裝在外支撐套6上，導向柱19上端固定在下支撐板12下底面上，內滑套5通過風輪中心軸2上的導向鍵23套裝在風輪中心軸2上，內滑套5與外支撐套6之間安裝有雙向推力軸承21和轉動軸承22組件，液壓缸3固定在風輪中心軸2上，并處于變槳距系統(tǒng)的下部，油管I與下方的液壓系統(tǒng)相連；活塞桿4利用螺母結構與其上的內滑套5底板固聯(lián)。風輪中心軸2的頂端安裝有風速儀15，以獲取實時風速信息并轉換為風速信號，通過PLC控制器控制液壓傳動系統(tǒng)，當風速超過預設值時，為變槳距系統(tǒng)提供動カ驅動實現(xiàn)風輪葉板的變槳距動作，而當風速低于預設值時，提供反向動カ使葉板回復至正常運轉位置。本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置主要通過以下方式實現(xiàn)，所述發(fā)電裝置在自然環(huán)境下運轉時，風輪轉速隨環(huán)境風速的變化而變化，安裝于垂直軸風輪組件上端的風速儀15獲取實時風速值并轉換為風速信號，風速信號通過PLC控制單元提供給液壓傳動系統(tǒng)，如在環(huán)境風速低于而定工作風速(如25m/s)范圍時，風輪葉板處于正常エ位，可形成較大的風輪掠風面積，以獲得較高的風能吸收率，同時，風輪葉板之間互相形成導流內腔，導引氣流從內腔通過并驅動風輪葉板產生二次驅動，進而提高風能利用率，此時，變槳距系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)，內滑套5因活塞桿4處于靜止狀態(tài)而不動，外支撐套6和與其相連的連桿8、復合滑塊11、下支撐板12、風輪葉板14、上支撐板16均通過各自的軸承組件，冋步繞風輪中心軸2轉動，將風能轉化為風輪轉動動能；發(fā)電機定子17固定在風輪中心軸2上，下支撐板12通過連接法蘭盤9驅動發(fā)電機轉子18同步轉動，產生旋轉磁場切割發(fā)電機定子繞組產生電能。當環(huán)境風速超過發(fā)電機額定風速值(如25m/s)時，PLC控制單元接收風速儀15產生的風速信號，發(fā)送控制信號給液壓傳動系統(tǒng)，此時油管I輸油使活塞桿4向上運動，驅動與其固聯(lián)的內滑套5沿風輪中心軸2上的導向鍵23向上運動，內滑套5的向上運動通過雙向推力軸承21驅動外支撐套6向上運動，外支撐套6在豎直面上通過支撐套固定鉸7、連桿
8、垂直固定鉸10驅動復合滑塊11沿下支撐板12上開的直線滑槽30向外滑動；導向柱19上端固定在下支撐板下面，下端通過導向套20套裝在外支撐套6上，使外支撐套6驅動復合滑塊11的直線滑動全程保持在一個相對平面內。當復合滑塊11向外滑動時，其上安裝的水平固定鉸27在水平面上通過與其連接的水平連桿28，使活動鉸26的銷軸穿過下支撐板12上的圓弧滑槽29，活動鉸26的銷軸通過套筒24、軸承25與風輪葉板14相連，從而使得當復合滑塊11向外滑動時，風輪葉板14以葉板支撐軸13為轉動中心，以葉板支撐軸13中心至活動鉸26中心的距離為轉動半徑，沿圓弧滑槽進行轉動，在活塞桿4驅動內滑套5向上運動從而帶動復合滑塊11使得風輪葉板14繞葉板支撐軸13旋轉的過程中，風輪葉板14仍然依靠葉板支撐軸13安裝在下支撐板12上，并通過與下支撐板12相連的復合滑塊11、連桿8、與連桿8相連的外支撐套6，利用安裝在外支撐套6與內滑套5之間的轉動軸承22組件，使風輪葉板14繞風輪中心軸2轉動，即在活塞桿4實施變槳距驅動過程中，風輪葉板14的運動為其繞葉板支撐軸13的轉動和其繞風輪中心軸2的轉動的復合運動。每片風輪葉板均具有相同的葉板支撐軸和上述的變槳距系統(tǒng)，每套變槳距系統(tǒng)隨各自的風輪葉板沿風輪中心軸2均布，并均連接在外支撐套6上，每套變槳距系統(tǒng)從外支撐套6上獲取動力輸入并傳遞到各自機構中，當液壓缸3通過活塞桿4驅動每套變槳距系統(tǒng)，使得各個風輪葉片在繞風輪中心軸2公轉的同時，能夠繞葉板支撐軸13自身轉動，每片風輪葉板轉動至風輪中心軸附近并互相靠攏，風輪總掠風面積減小，降低了風能吸收率，葉板之間導流內腔的區(qū)域也同時減小，阻止氣流從內腔流過，増大了風輪的渦流損失，從而降低風輪的轉速。當風輪葉板處于近風輪中心軸位置，且環(huán)境風速由惡劣狀況(如風速值大于25m/s)降低到允許工作風速范圍內吋，PLC控制單元接收風速儀15產生的風速信號，發(fā)送信號給液壓傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)控制油管I反向供油使活塞桿4向下運動，活塞桿4帶動內滑套5，通過雙向推力軸承21帶動外滑套6向下運動，外滑套6通過連桿8使復合滑塊11向內滑動，復合滑塊11通過其上安裝的水平固定鉸27、連桿28、活動鉸29，帶動風輪葉板14繞其葉板支撐軸13反向旋轉，回復至正常工作位置，以高轉速和高風能利用率驅動永磁發(fā)電機運轉，風輪復位動作為前述變槳距動作的反向運動，圖3中實線狀態(tài)的風輪葉板為過載保護狀態(tài)下的工作位置，虛線為風輪葉板正常工作時所處位置。本發(fā)明垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置的變槳距系統(tǒng)原理為空間連桿組合機構，如圖4所示，機構中心軸為Z軸，在垂直平面XOZ內，布置有雙滑塊機構，內滑套5與外支撐套6構成主動滑塊，由液壓缸提供上下方向的往復直線運動，復合滑塊11為從動件，將主動滑塊的上下往復直線運動轉換為水平方向的內外往復直線運動，垂直平面XOZ內雙滑塊機構的輸出構件即復合滑塊11又在水平面XOY內串聯(lián)ー個曲柄滑塊機構，該機構中，曲柄31為從動件，將復合滑塊11的內外往復直線運動轉換為以葉板支撐軸13為轉動中心，葉板支撐軸13中心至活動鉸26中心為半徑的往復回轉運動；該機構為一空間連桿串聯(lián)組合機構，在非工作狀態(tài)時，與相連的風輪葉板同步繞風輪中心軸旋轉，在進行變槳距動作吋，由主動滑塊提供運動，轉換為曲柄31的往復轉動，此時活動鉸26連接風輪葉板，帶動風輪葉板繞葉板支撐軸13轉動，同時，該機構在導向柱19及轉動軸承22的作用下，仍然隨同風輪葉板繞中心軸轉動。本發(fā)明通過為垂直軸風輪的每個葉板設置桿組式變槳距機構，利用風速儀采集的風速信號，通過PLC控制單元控制液壓回路，驅動風輪葉板繞其支撐軸做往復回轉運動，使得風速檢測值超過預設閾值時，各風輪葉板內旋以降低風輪掠風面積，降低風輪的風能吸收率，同時減小導流內腔容積，阻止風能進入風輪內腔產生二次驅動，從而達到再次降低風輪轉速的目的；而當風速值回復到允許范圍內時，風輪葉板外旋到達正常運轉位置，回復至正常轉速驅動永磁發(fā)電機運轉。本發(fā)明未敘述部分為現(xiàn)有技術。
權利要求
1.直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，包括套裝在風輪中心軸(2)上的下支撐板(12)、上支撐板(16)與位于上、下支撐板之間的風輪葉板(14)，發(fā)電機轉子與下支撐板(12)固定連接，定子固定在風輪中心軸(2)上，其特征在于:上、下支撐板之間還設有葉板支撐軸(13)，風輪葉板(14)安裝在葉板支撐軸(13)上并可繞其旋轉，風輪中心軸(2)上設有可調節(jié)風輪葉板(14)工作位置的變槳距系統(tǒng)。
2.按權利要求1所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述變槳距系統(tǒng)包括雙滑塊機構與曲柄滑塊機構，雙滑塊機構包括內滑套(5)、外支撐套(6)、固定鉸(7)、連桿(8)、固定鉸(10)，曲柄滑塊機構包括活動鉸(26)、水平固定鉸(27)、水平連桿(28 )，雙滑塊機構與曲柄滑塊機構共用復合滑塊(11)，外支撐套(6 )通過內滑套(5 )套在風輪中心軸(2)上，連桿(8)—端通過支撐套固定鉸(7)與外支撐套(6)鉸接，另一端通過垂直固定鉸(10)鉸接在復合滑塊(11)上；水平連桿(28)—端通過水平固定鉸(27)與復合滑塊(11)鉸接，另一端與活動鉸(26)連接。
3.按權利要求1或2所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述變槳距系統(tǒng)的內滑套(5)通過導向鍵(23)固定在風輪中心軸(2)上，內滑套(5)與外支撐套(6 )之間裝有雙向推力軸承(21)與轉動軸承(22 )。
4.按權利要求1所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述下支撐板(12 )上設有圓弧滑槽(29 )與直線滑槽(30 )。
5.按權利要求1或2所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述復合滑塊(11)設在直線滑槽(30)內并可沿直線滑槽(30)延伸方向滑動。
6.按權利要求1或2所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述變槳距系統(tǒng)的活動鉸(26)上固定有銷軸，銷軸頂端與風輪葉板(14)上的銷軸孔間隙配合，銷軸上固定有軸承(25)，軸承(25)設置圓弧滑槽(29)內并可沿其延伸方向滾動，軸承(25)上方設有套筒(24)。
7.按權利要求1或2或3所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在干:所述風輪中心軸(2)上還設有液壓缸(3)，液壓缸(3)位于外支撐套(6)的下方，液壓缸(3)上的活塞桿(4)與內滑套(5)固定連接。
8.按權利要求1所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:導向柱(19) 一端通過導向套(20)套裝在外支撐套上，另一端與下支撐板(12)固定連接。
9.按權利要求1或2或3所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:所述風輪中心軸(2)的頂端安裝有風速儀(15)。
10.按權利要求1所述的垂直軸風輪連桿組合變槳距風カ發(fā)電裝置，其特征在于:該發(fā)電裝置還設有能夠接收風速儀(15)信號并控制變槳距系統(tǒng)的PLC控制單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可調節(jié)的風力發(fā)電裝置，即一種垂直軸風輪連桿組合變槳距風力發(fā)電裝置。包括套裝在風輪中心軸上的下支撐板、上支撐板與位于上、下支撐板之間的風輪葉板，發(fā)電機轉子與下支撐板固定連接，定子固定在風輪中心軸上，上、下支撐板之間還設有葉板支撐軸，風輪葉板安裝在葉板支撐軸上并可繞其旋轉，風輪中心軸上設有可調節(jié)風輪葉板工作位置的變槳距系統(tǒng)。能夠有效低風輪轉速，降低垂直軸風輪的風能轉化率，實現(xiàn)對永磁發(fā)電機進行過載保護。
文檔編號F03D9/00GK103089548SQ20131003342
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權日2013年1月29日
發(fā)明者宋磊, 楊宗霄, 吳延峰 申請人:河南科技大學