变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机.pdf

本发明提供的是一种变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机。它包括电力转换装置、发电机、发电机V带轮机构、主轴、套筒、悬臂支架、叶片；主轴外直接通过轴承连接套筒，套筒与悬臂支架连接，悬臂支架设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风向标；通过多重同步带机构实现了由一个电机驱动的4个叶片风能利用的最优攻角控制；发电机输出的低压交流电经逆变器的整流而输出直流电充入蓄电池组为叶片转动装置提供电源；风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。本发明采用阻力型与升力型相结合的垂直轴风车形式，可根据风向仪测得的风向自动调节叶片的攻角，使风机始终处于可产生最大扭矩的状态，有效地降低了启动风速，并且提高了风能利用率。

1、  一种变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，它包括电力转换装置、发电机、发电机V带轮机构、主轴、套筒、悬臂支架、叶片；其特征是：主轴外直接通过轴承连接套筒，套筒与悬臂支架连接，叶片设置在悬臂支架上，悬臂支架上设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风向标；所述的叶片转动装置的组成包括直流电机、同步带轮、同步带，直流电机安装在一个下悬臂支架上，直流电机轴上连接同步带轮，其他下悬臂支架与直流电机轴相应的位置上安装同步带轮，每个叶片轴上带有同步带轮，直流电机轴上连接的同步带轮所处的内圈同步带轮通过同步带相连，把动力传递给内圈的另外的同步带轮，内圈的带轮再通过同步带分别传递动力给中圈的同步带轮，同样的方式再传递到外圈的同步带轮；发电机输出的低压交流电经逆变器整流后输出直流电充入蓄电池组；叶片转动装置以蓄电池组为电源；风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。

2、  根据权利要求1所述的变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，其特征是：主轴与上、下套筒之间设置有角接触球轴承和深沟球轴承，发电机带轮安装在发电机轴上，套筒带轮固定在下套筒上，发电机带轮与套筒带轮通过V带相连接。

3、  根据权利要求2所述的变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，其特征是：叶片转轴设定在叶片的中心处。

4、  根据权利要求3所述的变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，其特征是：每一个叶轮采用两个叶片，并且内叶片大、外叶片小。

5、  根据权利要求4所述的变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机，其特征是：包括四个叶轮，四个叶轮垂直连接为一个大叶轮。

变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机
(一)技术领域
本发明涉及垂直轴风力发电机，特别是一种结合了阻力型与升力型的垂直轴发电机。
(二)背景技术
风力发电机又称风车，是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置。按风轮轴的不同可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。能量驱动链(即风轮、主轴、增速箱、发电机)呈水平方向的，称之为水平轴风力机。能量驱动链成垂直方向的，称之为垂直轴风力机。垂直风力发电机可分为阻力型和升力型两类。
已有技术中关于利用风能、太阳能以及其组合的发电装置的公开报道较多。但是，一般的垂直轴风力发电机的风轮采用升力型，叶片形状复杂，制造成本较高，叶片的轴线和垂直轴平行，风轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。由于叶片与悬臂支架的角度固定不变，因此，叶片产生的驱动力矩的大小和方向是不断变化的，不可能产生攻角始终为最优攻角时的最大力矩，同时还会产生较大的阻力矩，所以现有的垂直轴风力发电机的启动风速较大且风能利用率不高，环境适应性不强。
相似专利以申请号为200610023892.2的专利名称为“垂直轴风力发电机叶片攻角调节方法和调节装置”的发明专利最具有代表性，其叶片攻角的变化是通过凸轮机构实现的。这就产生了它的弊端，凸轮机构具有传动效率低、低速性、结构复杂、加工困难、成本高的缺点，这也使得此项发明功耗大、不适用于高风速场合、成本高。
本发明的申请人曾提出了申请号为200810064624.4、名称为“变攻角阻力型垂直轴风—光互补式发电机”的专利申请。该专利申请文件中记载的技术方案的叶片转动装置使用电机多，结构复杂，噪音高。而且因为仅仅利用了风的阻力，在高风速条件下风能利用率降低很多。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种叶片攻角可调节、能同时利用阻力与升力、能提高发电机的风能利用率和环境适应能力以及降低启动风速的变攻角阻力与升力混合型垂直轴风力发电机。
本发明的目的是这样实现的：
它包括电力转换装置、发电机、发电机V带轮机构、主轴、套筒、悬臂支架、叶片；主轴外直接通过轴承连接套筒，套筒与悬臂支架连接，叶片设置在悬臂支架上，悬臂支架上设置有叶片转动装置，主轴顶端设置有风向标；所述的叶片转动装置的组成包括直流电机、同步带轮、同步带，直流电机安装在一个下悬臂支架上，直流电机轴上连接同步带轮，其他下悬臂支架与直流电机轴相应的位置上安装同步带轮，每个叶片轴上带有同步带轮，直流电机轴上连接的同步带轮所处的内圈同步带轮通过同步带相连，把动力传递给内圈的另外的同步带轮，内圈的带轮再通过同步带分别传递动力给中圈的同步带轮，同样的方式再传递到外圈的同步带轮；发电机输出的低压交流电经逆变器整流后输出直流电充入蓄电池组；叶片转动装置以蓄电池组为电源；风向仪联接控制器，控制器控制叶片转动装置。
本发明还可以包括这样一些特征：
1、主轴与上、下套筒之间设置有角接触球轴承和深沟球轴承，发电机带轮安装在发电机轴上，套筒带轮固定在下套筒上，发电机带轮与套筒带轮通过V带相连接。
2、叶片转轴设定在叶片的中心处。
3、每一个叶轮采用两个叶片，并且内叶片大、外叶片小。
4、包括四个叶轮，四个叶轮垂直连接为一个大叶轮。
套筒和悬臂支架固连在一起，可通过角接触球轴承和深沟球轴承绕主轴旋转。
风速风向仪可测得风向，可把该风向信号转化为电信号，并传递给控制器，控制叶片转动装置的驱动电机。
本发明在工作过程中，可根据风向仪测得的风向信号与光电编码器测得的叶轮位置信号通过控制系统有效地调节叶片攻角，使垂直轴风力发电机达到如图3的效果。
叶片相对于其连接的悬臂支架可做水平转动，为使叶片在旋转过程中能耗最低，叶片转轴设定在叶片的中心处，即叶片相对于转轴在形状和重量上都对称。本发明的叶片转动装置在调节叶片转动的过程中，需消耗一些能量，但由于叶片的对称结构，风力相对于叶片转轴产生的力矩为0，所以电机只克服摩擦做功，电机损耗的能量很小。
本发明采用阻力型与升力型混合利用的垂直轴风车形式，可根据风向仪测得的风向和光电编码器测得的叶轮位置信号自动调节叶片的角度，使风机始终处于可产生最大力矩的状态，有效地降低了启动风速。所以，本发明不必像传统风机那样必须架起10多米高，以获得足够的启动风速。这种启动风速较低的优势使得本发明便于隐藏，例如，隐藏在山区树丛中，或者作为水面浮漂物，以提供部队用电，运用于国防军事。
(四)附图说明
图1是本发明的三维整体效果图。
图2是本发明的主视图(局部剖视图)。
图3是本发明的叶轮套筒、发电机部位(局部视图)。
图4是叶片转动装置的机构局部剖面图。
图5是叶轮0°时，叶片状态简图。
图6是叶轮45°时，叶片状态简图。
图7是单叶片旋转一周的攻角变化关系图，其中A为叶轮、B为叶片。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1、图2、图3，本发明的主轴7与基座8相连并与地面固定，风向标1根据实际风向带动绝对式光电编码器17和磁铁19相对于大叶轮转动，由上下悬臂支架20与22、叶片2、加强钢管21以及其它附属件构成的大叶轮在风力作用下相对于主轴7转动，套筒12与大叶轮固定在一起，其上的大皮带轮11通过V带传动6带动小皮带轮4，将大叶轮的动能传递给发电机5，由发电机将动能转化为电能。结合图3、图4、图5，叶片转动装置描述如下：直流电机4-6固定在下悬臂支架22上，同步带轮4-4、4-5通过电机轴4-8与电机连接，并采用键连接来传递动力；4个悬臂支架上与同步带轮4-5位置相同的四个带轮(即圈I上的四个带轮)通过同步带连接为一体，并相互传递动力；带轮4-4通过同步带4-9传递动力给圈II(中圈)上的带轮4-3，而后带轮4-2通过同步带4-11传递动力给圈III(外圈)上的带轮4-1；圈II、圈III上的带轮分别与叶片轴4-10、4-12采用键连接传递动力。
结合图5与图6，叶片攻角变化机理描述如下：
起始状态风向如风向标1所示，叶轮位置为0°，悬挂支架A上的叶片攻角为90°从而产生最大的阻力矩，方向为右手法则的正向；悬挂支架B上的叶片攻角为45°从而产生有效的升力矩，方向为正向；悬挂支架C上的叶片攻角为0°从而不产生阻碍力矩；悬挂支架B上的叶片攻角为-45°从而产生有效的升力矩，方向为正向。
由图5和图6可以看出，以地面为参考系，叶片的转动角度与叶轮(或悬臂支架)的转动角度是1∶2的关系。这就是叶片的攻角变化方式。
叶轮转过45°后到达图6所示的状态，此时：悬挂支架A上的叶片攻角为77.5°从而有效的产生了阻力矩和升力矩，方向为右手法则的正向；悬挂支架B上的叶片攻角为22.5°从而有效的产生了升力矩，方向为右手法则的正向；悬挂支架C上的叶片攻角为-22.5°从而有效的产生了升力矩，方向为右手法则的正向；悬挂支架D上的叶片攻角为-77.5°从而有效的产生了阻力矩和升力矩，方向为右手法则的正向。
叶轮再转过45°后，重新到达图5所示状态，完成一个以90°为周期的循环。图7详细的表述了360°范围叶片攻角的具体变化。
本发明在叶轮开始转动时叶片是不动的，叶轮转动到图5所示状态，悬挂支架B顶部的霍尔器件18与风向仪上的磁铁19位置重合时，霍尔器件发给控制器一个启动信号，系统正式进入工作状态。在每一个采用周期内，控制器采集编码器14和绝对式光电编码器17的脉冲个数从而得到叶轮相对于风向的偏转角度，并以“叶片攻角＝叶轮偏角/2”的关系，驱动直流电机4-6，控制叶片转角。与直流电机4-6相连接的编码器4-7可以构成电机驱动的速度环和位置环，从而精确控制攻角变化。当悬挂支架B顶部的霍尔器件与风向仪上的磁铁再次重合时，校对一次，目的是确保系统稳定性。
风车驱动发电机5输出的低压交流电整流成直流电，充入蓄电池组，蓄电池输出的直流电接直流负载，一部分电能通过滑环9连接到大叶轮上的电刷10给系统供电，直流电也可经逆变器转换为交流电供交流负载使用并且并入电网。这样一方面满足自我用电需求，另一方面在满足自我用电需求的情况下还可以向外界输出能源，积少成多必将为社会创造极大的价值。