一种垂直轴风力发电装置 技术领域 本发明涉及一种风力发电设备， 特别涉及一种垂直轴式风力发电装置， 属于可再 生能源技术领域。
背景技术 目前， 世界能源消费构成是以煤、 石油、 天然气等不可再生能源为主。不可再生能 源的过度开发和利用， 不仅带来了能源危机， 更带来了日益严重的环境污染问题。例如， 由 于大量使用劣质煤， 我国已有 70％的国土受到酸雨的影响， 水体酸化会改变水生生态， 而土 壤酸化会使土壤贫瘠化， 导致陆地生态系统的退化。 随着全球气候变暖和能源危机， 各国都 在加紧对风力的开发和利用， 尽量减少二氧化碳等温室气体的排放， 保护我们赖以生存的 地球。
风能资源具有可再生、 永不枯竭、 无污染等特点， 综合社会效益高。 我国幅员辽阔， 海岸线长， 风能资源比较丰富。据国家气象局估算， 全国风能密度为 100W/m2， 风能资源总 5 储量约 1.6X10 MW， 特别是东南沿海及附近岛屿、 内蒙古和甘肃走廊、 东北、 西北、 华北和青 藏高原的部分地区， 每年风速在 3m/s 以上的时间近 4000h 左右， 一些地区年平均风速可达 6 ～ 7m/s 以上， 具有很大的开发利用价值。根据 “十一五” 国家风电发展规划， 2010 年全国 风电装机容量达到 500 万千瓦， 2020 年全国风电装机容量达到 3000 万千瓦。而 2006 年底， 全国已建成和在建的约 91 个风电场， 装机总容量仅 260 万千瓦。可见， 风机市场前景诱人， 发展空间广阔。
目前常见的风力发电机是水平轴风力发电机， 即叶片在风驱动下绕着水平轴旋 转； 这种风力发电机存在启动风速高、 噪音大、 抗风能力差、 受风向影响和维护困难等缺点， 限制了风力资源的开发和利用。因此， 近些年来， 不少国家在开发垂直轴风力发电机， 它的 叶片是垂直设置的， 这些叶片环绕着一根同样垂直于地面的轴旋转。垂直轴风力发电机有 多项优点， 如不择风向， 节省了对风选向装置， 使结构设计简单化 ； 塔架较矮， 且发电机传 动、 减速制动等装置都安装在机组下方， 因此安装、 维修方便， 造价成本较低 ； 强、 大风时， 减 速、 停机操作容易， 效果较好 ； 叶片形状可塑变化性强， 可做成各种形状。
垂直轴风力发电机主要分为阻力型和升力型两种。 阻力型垂直轴风力发电机主要 是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力， 而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力 作为驱动力。由于叶片在旋转过程中， 随着转速的增加阻力急剧减小， 而升力反而会增大， 所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。 然而升力型垂直轴风力机有 两大缺点限制了其应用， 一是其空气动力性能较低， 再一个 “致命” 的缺点就是没有 “自启动 能力” 。而阻力型风力机天然具有良好的 “自启动能力” ； 如果采用这种阻力型风力机， 就只 需解决空气动力性能低的一个问题就行了。另外， 升力型垂直轴风力机一般仍有较高的尖 速比， 可达 3 ～ 5， 其叶片的切线速度一般可达 40 ～ 50m/s ； 而阻力型的尖速比则最大为 1， 这就是说， 阻力型风力机的叶片最大切线速度不可能超过风速， 所以它可以在强风中工作， 这正是阻力型风力机的最大优点， 同时由此产生的低噪声也带来其另一大优点。
因此， 同时采用阻力型与升力型两种叶片， 将二者的优点结合起来， 开发一种新型 的垂直轴式风力发电设备， 使之达到微风启动、 大风稳定又不受风向限制， 是十分必要的。发明内容
本发明的目的是提供一种垂直轴风力发电装置， 通过采用升力型叶片与阻力型叶 片相结合的结构形式， 将两者的优点相结合， 并克服其存在的不足和缺陷， 使之达到微风启 动、 静音运行、 抗风暴力强又不受风向限制， 从而实现小风能发电、 大风时系统安全稳定运 行的目的。
本发明的技术方案如下 ：
一种垂直轴风力发电装置， 含有一组升力型叶片、 垂直轴、 叶片支架， 发电机以及 系统支架， 所述的垂直轴与发电机的轴相连接， 其特征在于 ： 该垂直轴风力发电装置还包括 一组阻力型叶片， 所述的升力型叶片和阻力型叶片安装在叶片支架上， 并以垂直轴为中心 分别在两个不同直径的圆周上均匀布置， 且升力型叶片布置在外圆周上， 阻力型叶片布置 在内圆周上 ； 在每个阻力型叶片顶部设有一个用于自动调节阻力型叶片受风面积的离心稳 速控制器， 该离心稳速控制器包括壳体， 以及设置在壳体内的齿轮、 齿条、 力平衡块和弹簧， 该弹簧的一端固定在壳体上， 弹簧另一端与齿条的一端连接， 齿条的另一端与所述的力平 衡块相连， 所述的齿轮与阻力型叶片同轴安装。 本发明的技术特征还在于 ： 升力型叶片和阻力型叶片的个数相同， 且每个升力型 叶片在同一径向方向对应一个阻力型叶片。
本发明的又一技术特征是 ： 在离心稳速控制器的壳体内还设有用于限定齿条位置 的两个限位轴承。
上述技术方案中， 所述的升力型叶片和阻力型叶片的个数各采用 2 ～ 5 片。
本发明与现有技术相比， 具有以下优点及突出性效果 ： 本发明由于采用了升力型 叶片与阻力型叶片相结合的结构形式， 并设置离心稳速控制器， 因此该发明的性能优势是 可以同时利用升力和阻力， 实现低风速正常发电， 具有抗风能力强， 且不受风向限制的特 点； 当风速加大时， 风机转速随风速增大， 离心力增加， 离心稳速控制器可使阻力型叶片转 动相应的一个角度， 减少受风面积， 因此可以达到自稳定及超风速自动保护的目的。
附图说明
图 1 为本发明提供的垂直轴风力发电装置一种实施例的整体结构示意图。
图 2 为图 1 的 A-A 剖视图。
图 3 为离心稳速控制器的结构示意图。
图中 ： 1- 升力型叶片 ； 2- 阻力型叶片 ； 3- 垂直轴 ； 4- 叶片支架 ； 5- 系统支架 ； 6- 发 电机 ； 7- 联轴器 ； 8- 离心稳速控制器 ； 9- 壳体 ； 10- 力平衡块 ； 11- 第一限位轴承 ； 12- 齿轮 ； 13- 第二限位轴承 ； 14- 齿条 ； 15- 弹簧 ； 16- 螺栓。 具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体结构和工作原理作进一步的说明。
本发明提供的垂直轴风力发电装置包括一组升力型叶片 1、 一组阻力型叶片 2、 垂直轴 3、 叶片支架 4、 发电机 6 以及系统支架 5， 所述的升力型叶片 1 和阻力型叶片 2 安装在 叶片支架 4 上， 并以垂直轴为中心分别在两个不同直径的圆周上均匀布置， 且升力型叶片 布置在外圆周上， 与叶片支架固定连接 ； 阻力型叶片布置在内圆周上， 并通过叶片轴与叶片 支架铰接。升力型叶片 1 和阻力型叶片 2 的个数可以相同， 也可以不同， 升力型叶片和阻力 型叶片的个数一般均为 2 ～ 5 片。
升力型叶片和阻力型叶片可以布置同一径向方向， 也可以分别布置在不同的径向 方向上。图 1 和图 2 为发明提出的一种优选实施例的结构示意图， 即升力型叶片和阻力型 叶片的个数相同， 且每个升力型叶片在同一径向方向对应一个阻力型叶片。
所述的垂直轴 3 通过轴承与系统支架 5 连接， 叶片支架 4 的上部和下部通过法兰 固定在垂直轴 3 上。垂直轴 3 通过联轴器 7 与发电机 6 的轴相连接， 并通过上下两组轴承 支承在系统支架 5 上。所述轴承可采用既能承受轴向力又可同时承受径向力的组合结构。
在每个阻力型叶片顶部设有一个用于自动调节阻力型叶片受风面积的离心稳速 控制器 8， 该离心稳速控制器包括壳体 9， 以及设置在壳体内的齿轮 12、 齿条 14、 力平衡块 10 和弹簧 15， 该弹簧的一端固定在壳体 9 上， 弹簧的另一端与齿条 12 的一端连接， 齿条的另一 端与所述的力平衡块 10 连接， 齿轮 12 通过螺栓 16 固定在阻力型叶片的轴上， 即齿轮 12 与 阻力型叶片安装在同一轴上 ( 如图 3 所示 )。当风速较小时， 风向与阻力型叶片相垂直， 可 推动叶片正常旋转， 叶片转动带动垂直轴转动， 并将动力传送到发电机， 从而实现低风速下 正常发电。当风速加大时， 垂直轴转速随风速增大， 离心力增加， 置于离心稳速控制器壳体 内的力平衡块 10 向远离垂直轴的方向移动， 带动齿条并通过齿轮拉动阻力型叶片转动相 应的一个角度， 从而减少受风面积 ； 当风速正常时， 由于弹簧的作用， 阻力型叶片又回复到 与风向相垂直的位置， 从而达到自稳定及超风速自动保护的目的。
在离心稳速控制器的壳体内还设有用于限定齿条位置的第一限位轴承 11 和第二 限位轴承 13， 其作用是为了保证齿条 14 按要求的轨迹滑动， 使之与齿轮 12 有效啮合。
对于 1KW ～ 10KW 小型风力发电系统， 其叶片高度约为 1 ～ 5m， 外园直径为 3 ～ 8m ； 对于兆瓦级风力发电系统， 其叶片高度约为 60 ～ 120m， 外径约 30 ～ 60m。