[发明专利]垂直轴风力发电装置

说明书

技术领域：

本发明专利涉及风力发电，特别是一种启动风速低，发电效率高的垂直轴风力发电装置。

背景技术：

众所周知，风力机是一种将风能转换成机械能、电能或热能的能量转换装置，按风轮轴的位置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(Horizontal Axis Wind Turbine，HAWT)。能量驱动链成垂直方向的称之为垂直轴风力机(Verticaol Axis Wind Turbine，VAWT)。

水平轴风力机是目前国内外研制最多，最常见的一种风力机，也是技术最成熟的一种风力机，其风轮叶轮数一般为2～3叶，叶轮形状一般为翼形，该风轮启动力矩较大，风能利用系数高，为使扫风面随时对着风向，需装有调向装置。

垂直轴风力机很早就被应用于人类的生活领域中，但是由于人们普遍认为垂直轴风轮的启动力矩小、风能利用率低，因而导致垂直轴风力机长期得不到重视。随着科技的发展和人类认识水平的不断提高，研究证明垂直轴风力发电机风能利用率并不低于水平轴风力发电机，目前许多国家的机构和个人正在研究各种垂直轴风力发电机。垂直轴风力机可分为两个主要类型：一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S型风力机；另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄(Darrieus)型风力机，达里厄风力机有多种形式如：Φ型、H型、Y型和菱形，基本上是直叶轮和弯叶轮两种，以H型、Φ型风轮为典型。

上述现有风力发电技术存在如下缺陷：

1.水平轴风力发电机结构复杂、安装调试维护困难、制造成本高，抗损能力差，并且有一定的噪声污染，表现为：(1)从叶轮受力分析来看，水平轴浆叶上受到正面风载荷力、离心力作用，随机风载荷达几十吨，而叶轮结构类似悬臂梁，叶轮根部受到的弯矩应力很大，大量事故都是叶轮根部折断；(2)当风速变化时，为了调节转速，安装有液压闭环调节控制系统来调节浆距，即在风载荷下转动浆叶一个角度，该系统精度高、价格贵、维护难；(3)为实现转速的合理匹配，设计有重达50～100吨的多级行星齿轮变速箱，其运输和安装起重的难度很大，成本很高；(4)水平轴机组机舱放置在高塔的顶部，是一个可旋转360°的活动联接系统。其重心高，结构不稳定，导致安装和维护不便。

2.垂直轴风力电机拥有比水平轴风力电机噪音低、安全性高等特点。一般垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360°方位中任何方向来风，并始终向着设计的方向转动；风机不需要闭环液压调距系统、不需要叶轮迎风调节系统、不需要任何自动控制调速系统或特殊设计的变速恒频发电机。在整个可发电风速范围内向电网输出同频率，同电压的电；不需要发电机的过载、过流保护系统及复杂昂贵的监控系统；发电机的齿轮箱放在底部，重心低，不仅稳定，而且维护方便；风机塔架可以用钢索进行固定，因而制造成本大大减小，但垂直轴风力发电机普遍存在启动性能差，运行效率低等缺点，这在全球风力发电设计领域来说都是一个比较难以跨越的课题。如S型风机(风阻型)由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是启动转矩大，缺点是(1)风机转速低，其尖速比小于1，故风能利用率低，转化效率系数Cp在0.3左右；(2)由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，由于受偏转与极限应力的限制，采用这种结构形式是比较困难的。而升力型风机如达里厄风力机在高转速时(一般尖速比在4～5)其风能利用率高，可达0.45～0.55。但缺点是(1)启动力矩小，不能自启动(2)调速、限速困难。

发明内容

本发明专利的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种启动力矩大、发电效率高、使用寿命长的垂直轴风力发电装置。

本发明专利可以通过如下措施达到：

一种垂直轴风力发电装置，包括支架、发电机、叶轮，叶轮由叶片、轮辐、轮毂和主轴组成，叶片连接在轮辐上，轮辐连接于轮毂上，轮毂可绕主轴旋转，其特征在于叶轮呈H型并垂直安装，发电机和主轴相连接，主轴为垂直轴，主轴上装有自动偏航刹车调速装置。

本发明自动偏航刹车调速装置安装在主轴的顶部，随风向及转速调节控制垂直安装的叶轮的迎风攻角；叶轮在风力驱动下旋转而带动发电机转动从而达到发电的目的。