[發明專利]一種兆瓦級垂直軸風力發電機結構

在審

• 申請號: 201310539544.0
• 申請日: 2013-11-04
• 公開（公告）號: CN104612901A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 張群
• 申請（專利權）人: 張群
• 主分類號: F03D9/00
• 分類號: F03D9/00;F03D3/06;F03D7/06
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 龔敏

技術領域

本發明涉及垂直軸風力發電機技術領域。

背景技術

為了更好的利用風能，人們設計了多種形式的風力發電系統，從結構形式上看主要有風力機旋轉軸在空間為水平方向的水平軸風力機和旋轉軸在空間為垂直方向的垂直軸風力機。

垂直軸風力發電機的風輪采用具有一定翼形的直葉片，葉片的軸線和回轉中心的軸線平行，這些葉片一般被固定在繞回轉中心旋轉的懸臂或環型支架上。當一定強度的風吹在這些具有一定翼形，并和旋轉軸的切線形成一定角度的直葉片上時，就在這些葉片上產生了升力L和阻力D，如圖2所示，當升力L₁大于阻力D₁時，就產生了繞垂直軸轉動的力矩使整個風輪轉動，但由于葉片在轉動過程中與風向的轉角始終都在變化，因此L₁與D₁的大小和方向也都在不斷的變化，即葉片在不同位置時產生力矩的大小和方向也是不斷變化的，在有些位置產生的力矩為正、而在有些位置產生的是阻力矩，其合力矩是相互抵消的，這就降低了垂直軸風力發電機的風能利用率。

因此人們設計了各種不同的方法，改變葉片在不同位置時葉片與風向的夾角，即改變葉片的“攻角”，使得葉片在不同位置時葉片產生的力矩方向保持一致，提高了垂直軸風力發電機的風能利用率，中國專利號200610023892.2，美國專利號第4,299,537和韓國專利號10-0490683也都提出了不同的裝置，使風輪在旋轉過程中，葉片在不同位置與風向的轉角發生變化，提高了風能利用率。

但無論現有的哪一種實現葉片轉角變化的方法，都存在不同的缺陷。

美國和韓國的專利都使用了偏心圓來控制葉片的轉角，不僅無法最大限度的提高風輪在旋轉過程中，葉片在不同位置時的同向力矩，而且利用偏心圓來控制葉片在不同位置時的轉角，只有在葉片處于方位角90°和270°位置時可以獲得最佳葉片轉角，葉片在其他位置都不能獲得最佳葉片轉角，因此無法最大限度提高在某一固定風速下垂直軸風力發電機的效率，限制了大型和超大型垂直軸風力發電機的應用。

中國專利號200610023892.2的方法雖然可以使風輪在轉動過程中，使葉片在某一固定風速時葉片在每一方位角都獲得最佳葉片轉角，但由于風輪在轉動過程中，葉片在不同方位角時的最佳葉片轉角不僅與葉片所處的位置有關，而且還和來流速度(風速)有關，即葉片在相同的位置、不同的風速下，葉片具有不同的最佳轉角，如圖3、4所示，因此無論上述哪種方法都不能使當風速發生較大變化后獲得最佳的葉片轉角。

發明內容

本發明的目的提供一種兆瓦級垂直軸風力發電機結構，不僅能夠在某一固定風速，使每個葉片在任何方位角時都能夠獲得最佳的葉片轉角，而且還能使當風速發生較大變化時，仍然使葉片在不同位置都獲得最佳的葉片轉角，使該系統能夠在任何風速下都能夠使葉片在任何位置保持最佳的葉片轉角，最大限度的提高垂直軸風力發電機在自然環境下的風能利用率，并且還可以不再使用中心軸，那樣使垂直軸風力發電機可以向大型和超大型方向發展。

本發明的具體技術方案是：一種兆瓦級垂直軸風力發電機結構，包括平行結構的支撐體、發電機、連接葉片和軸的支持翼、復數個葉片組成的風輪、集電環、伺服電機、齒輪、測風儀、編碼器、無線信號傳輸裝置、中央處理器；

上述由復數個葉片組成的風輪圍繞其回轉中心轉動，測風儀向中央處理器提供風速、風向參數，并通過編碼器向中央處理器提供每個葉片的方位，由中央處理器確定每個葉片在不同位置、不同風速、不同風向時的最佳葉片攻角，伺服電機通過測風儀和編碼器控制葉片在不同風向、不同風速時的葉片轉角；最大限度的提高垂直軸風力發電機在不同風速下的輸出功率，以達到提高大型垂直軸風力發電機的風能利用率。

本發明采用垂直葉片風力發電機攻角自動調節系統，該系統使得葉片在不同風速、不同位置時，使葉片始終取得最優的轉角。

葉片在不同位置時的方位角與葉片轉角的關系如下：

風輪啟動時：