本發(fā)明屬于風力發(fā)電領域，尤其涉及一種自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置及風力發(fā)電機。

背景技術：

我國風能資源豐富，風電發(fā)展迅速。風電機組主要分為水平軸和垂直軸，大型化風電機組普遍采用水平軸方案，小型風電機組中水平軸和垂直軸的方案各有應用。水平軸方案的主要利用葉片的升力做功，優(yōu)勢在于功率系數(shù)較高，缺點在于需要根據風向的變化調整對風方向、塔架承受較大的彎矩；垂直軸方案較為多樣化，主要有阻力型、升力型和混合型，阻力型包括S型、風杯型等，其優(yōu)點是翼型簡單、自啟型好，但風功率利用系數(shù)不高；升力型包括H型，Φ型等，其優(yōu)點是風能利用率高，缺點是需要專門的翼型、自啟動性不好；混合型兼具升力型和阻力型的優(yōu)點，但結構較為復雜。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的第一目的是提供一種自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置。

本發(fā)明的一種自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置，包括塔架，塔架的頂端安裝有風輪和電機，所述風輪包括若干個葉片，每個葉片均安裝有一個自適應變槳裝置，自適應變槳裝置安裝在電機的轉子上；所述塔架上還安裝有聚風導流罩，所述聚風導流罩位于風輪的下方，所述聚風導流罩用于將各個方向的風能聚集并使其垂直吹向風輪，使得風輪在風速的作用下帶動電機的轉子旋轉產生電能。

優(yōu)選地，所述自適應變槳裝置包括第一支撐軸、葉根軸、扭簧和第二支撐軸承；所述葉根軸與葉片固定連接，葉根軸分別與第一支撐軸承和第二支撐軸承相連，所述第一支撐軸承和第二支撐軸承均安裝于電機的轉子上，所述葉根軸上還套穿有扭簧，所述扭簧也固定于電機的轉子上。

由于扭簧預設一定扭矩，大小為額定風速時作用在葉根軸上的氣動扭矩。初始狀態(tài)下葉片固定在最佳迎風角，該角度下葉片能夠捕獲最大風能。自適應變槳裝置的工作過程如下：額定風速以下時，葉片在扭簧預緊扭矩的作用下處于初始迎風角度，此時風力發(fā)電機捕獲當前風速下的最大風能；額定風速以上時，作用在葉根軸上的空氣力矩超過扭簧預設的扭矩，葉片的迎風角度在氣動力矩的作用下向順槳方向轉動，作用在葉片上的氣動力矩相應減小，直到氣動力矩與預設的扭矩達到平衡，此時風輪捕獲的功率穩(wěn)定在額定功率。

進一步地，所述塔架上還安裝有保護罩，所述保護罩安裝于風輪上方。防護罩的目的是保護葉片和電機不受雨雪冰雹雷擊的影響，同時可以有效防止生物入侵。

優(yōu)選地，葉片的數(shù)量至少為3個。3個葉片是滿足最小風力發(fā)電的要求的最低限，而葉片的具體數(shù)量根據實際情況確定。

優(yōu)選地，所述自適應變槳裝置等間距安裝在電機的轉子上。這樣使得與自適應變槳裝置相連的葉片能夠均勻地布置于電機的轉子上，既能保證自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的穩(wěn)定性，也能夠達到快速穩(wěn)定發(fā)電的要求。

進一步地，電機的轉子上還安裝有輪轂，葉根軸穿過輪轂與葉片固定連接。輪轂的主要作用是保護電機和自適應變槳裝置，同時利用翼型產生的升力原理在風輪背風面產生負壓，對流經風輪的風速進行二次加速。

優(yōu)選地，所述電機為盤式外轉子電機，電機的轉子與風輪固定在一起，共同圍繞電機的定子旋轉，電機的定子固定連接在塔架上。

進一步地，所述塔架內還設有電纜線，所述電纜線與電機相連。塔架的主要起支撐固定作用，這樣其內設置的電纜線能夠將電機輸出的電能發(fā)送至需電裝置中。

本發(fā)明的第二目的是提供一種自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的工作方法。

本發(fā)明的該自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的工作方法，包括：

步驟1：聚風導流罩用于將各個方向的風能聚集并使其垂直吹向風輪，風輪在風速的作用下帶動電機的轉子旋轉產生電能；

步驟2：自適應變槳裝置根據風速大小自動調節(jié)葉片的迎風角度，實現(xiàn)對功率和載荷的自適應控制。

本發(fā)明的第三目的是提供一種風力發(fā)電機。

本發(fā)明的該風力發(fā)電機，包括上述的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的聚風導流罩能夠聚集濃縮風能，提高風能品味，提高發(fā)電機工作效率；聚風導流罩能夠聚集各個方向的風能，不需要偏航對風裝置；

(2)本發(fā)明的每個葉片都安裝有自適應變槳裝置，該裝置不需要動力源，能夠根據風速大小自動的改變葉片迎風角度，實現(xiàn)功率和功率的自適應控制；

(3)風力發(fā)電機的旋轉部件都隱藏在導流罩內部，不造成視覺污染，不影響自然環(huán)境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影響，可在城市內大量應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置結構的一個實施例示意圖；

圖2是本發(fā)明的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置結構的另一個實施例示意圖；

圖3是本發(fā)明的風輪的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的自適應變槳裝置結構示意圖；

圖5是本發(fā)明的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的工作原理圖。

其中，1、保護罩；2、輪轂；3、葉片；5、聚風導流罩；6、自適應變槳裝置；7、電機的轉子；8、塔架；9、第一支撐軸承；10、扭簧；11、第二支撐軸承；12、葉根軸。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接連接，也可以通過中間媒介間接連接，可以是兩個元件內部的連接。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面描述的本發(fā)明不同實施例方式中所涉及的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互結合。

圖1是本發(fā)明的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置結構的一個實施例示意圖。如圖所示的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置，包括塔架8，塔架8的頂端安裝有風輪和電機，所述塔架8上還安裝有聚風導流罩5，所述聚風導流罩5位于風輪的下方，所述聚風導流罩5用于將各個方向的風能聚集并使其垂直吹向風輪，使得風輪在風速的作用下帶動電機的轉子7旋轉產生電能。

如圖3所示的風輪包括若干個葉片3，每個葉片3均安裝有一個自適應變槳裝置6，自適應變槳裝置6安裝在電機的轉子7上。

在另一個實施例中，如圖2所示，塔架8上還安裝有保護罩1，所述保護罩1安裝于風輪上方。防護罩1的目的是保護葉片和電機不受雨雪冰雹雷擊的影響，同時可以有效防止生物入侵。

本在本實施例中，電機的轉子上7還安裝有輪轂2，葉根軸12穿過輪轂2與葉片3固定連接。輪轂2的主要作用是保護電機和自適應變槳裝置，同時利用翼型產生的升力原理在風輪背風面產生負壓，對流經風輪的風速進行二次加速。

進一步地，所述塔架8內還設有電纜線，所述電纜線與電機相連。塔架的主要起支撐固定作用，這樣其內設置的電纜線能夠將電機輸出的電能發(fā)送至需電裝置中。

優(yōu)選地，所述電機為盤式外轉子電機，電機的轉子與風輪固定在一起，共同圍繞電機的定子旋轉，電機的定子固定連接在塔架上。

優(yōu)選地，葉片的數(shù)量至少為3個。3個葉片是滿足最小風力發(fā)電的要求的最低限，而葉片的具體數(shù)量根據實際情況確定。

采用水平軸升力型葉片，發(fā)電效率較高；

優(yōu)選地，所述自適應變槳裝置等間距安裝在電機的轉子上。這樣使得與自適應變槳裝置相連的葉片能夠均勻地布置于電機的轉子上，既能保證自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的穩(wěn)定性，也能夠達到快速穩(wěn)定發(fā)電的要求。

圖4是本發(fā)明的一種自適應變槳裝置的結構示意圖，如圖所示的自適應變槳裝置包括第一支撐軸9、葉根軸12、扭簧10和第二支撐軸承11；所述葉根軸12與葉片3固定連接，葉根軸12分別與第一支撐軸承9和第二支撐軸承11相連，所述第一支撐軸承9和第二支撐軸承11均安裝于電機的轉子7上，所述葉根軸12上還套穿有扭簧10，所述扭簧10也固定于電機的轉子7上。

由于扭簧預設一定扭矩，大小為額定風速時作用在葉根軸上的氣動扭矩。初始狀態(tài)下葉片固定在最佳迎風角，該角度下葉片能夠捕獲最大風能。自適應變槳裝置的工作過程如下：額定風速以下時，葉片在扭簧預緊扭矩的作用下處于初始迎風角度，此時風力發(fā)電機捕獲當前風速下的最大風能；額定風速以上時，作用在葉根軸上的空氣力矩超過扭簧預設的扭矩，葉片的迎風角度在氣動力矩的作用下向順槳方向轉動，作用在葉片上的氣動力矩相應減小，直到氣動力矩與預設的扭矩達到平衡，此時風輪捕獲的功率穩(wěn)定在額定功率。

本發(fā)明中的自適應變槳裝置還可以采用液壓變槳裝置或是現(xiàn)有的其他結構的自適應變槳裝置。

本發(fā)明的聚風導流罩能夠聚集濃縮風能，提高風能品味，提高發(fā)電機工作效率；聚風導流罩能夠聚集各個方向的風能，不需要偏航對風裝置；本發(fā)明的每個葉片都安裝有自適應變槳裝置，該裝置不需要動力源，能夠根據風速大小自動的改變葉片迎風角度，實現(xiàn)功率和功率的自適應控制；風力發(fā)電機的旋轉部件都隱藏在導流罩內部，不造成視覺污染，不影響自然環(huán)境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影響。

本發(fā)明為了更好地保證聚風導流罩聚集的各個方向的風能垂直吹向風輪，可在風輪的外側還設置有頂層導流罩。

圖5是本發(fā)明的自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的工作原理圖。如圖5所示，本發(fā)明的該自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置的工作方法，包括：

步驟1：聚風導流罩用于將各個方向的風能聚集并使其垂直吹向風輪，風輪在風速的作用下帶動電機的轉子旋轉產生電能；

步驟2：自適應變槳裝置根據風速大小自動調節(jié)葉片的迎風角度，實現(xiàn)對功率和載荷的自適應控制。

由于來流方向的不一致，作用在風輪上的風載荷是不均勻分布的，當某個葉片上的風載荷過大時，該葉片的自適應變槳裝置會單獨變槳，減少該葉片承受的風載，從而使作用在整個風輪上的載荷處于平衡狀態(tài)。這種方法可以有效減少極限屈服和疲勞失效的幾率。為了減少葉片自適應變槳裝置的振動，也可以在葉根軸上加裝阻尼裝置。

本發(fā)明基于如圖1和圖2所示的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置還提供了一種風力發(fā)電機，該風力發(fā)電機，包括上述所述自適應變槳的垂直軸風力發(fā)電機驅動裝置。該風力發(fā)電機的其他結構均為現(xiàn)有結構，此處將不再累述。

本發(fā)明的該風力發(fā)電機中的聚風導流罩能夠聚集濃縮風能，提高風能品味，提高發(fā)電機工作效率；聚風導流罩能夠聚集各個方向的風能，不需要偏航對風裝置；而每個葉片都安裝有自適應變槳裝置，該裝置不需要動力源，能夠根據風速大小自動的改變葉片迎風角度，實現(xiàn)功率和功率的自適應控制；風力發(fā)電機的旋轉部件都隱藏在導流罩內部，不造成視覺污染，不影響自然環(huán)境，不受雨雪冰雹和生物入侵的影響，可在城市內大量應用。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。