[发明专利]风力机

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力机，更具体地，涉及一种能展示出高输出功率并能够降低构造和维护费用的水平轴风力机。 

背景技术

如本领域中所熟知的，风力机是将风能转化为有用的电能的装置。当风转动桨叶时产生运动，这样风力机利用桨叶的转动力产生电。因此风力机使用风能作为动力源，而风能是一种无限的清洁能源，故此进行无污染发电，用它代替化石燃料所取得良好的效果。此外，通过在不发达区域、沿海区域、山区安装风力机，能够使国土利用合理化并提供有竞争力。此外，当在一个特定区域(例如岛)上建造大规模风力发电厂综合设施时，风力机还能充当旅游景点。因此，风力机正吸引更多的注意。 

自丹麦物理学家Poul la Cour于1891年以“转子桨叶型”(所谓螺旋桨型)风力机的形式构造了风力机以来，风力机处于公众注意的中心且其尺寸不断增加。此外，在风力发电中，风力机的输出功率的变化取决于其构造。例如，风力强度和风力机尺寸是非常重要的因素，因为当风更快且风力机更大时，能产生更多的风能。此外，风力机设置得越高越好，比设置得较低的风力机产生更多的电能，因为风力随着高度增加而更强。为了使用风力来产生电力，需要有以4m/s或更大的平均速度吹动的风。这里的风速指风力机桨叶所在的高度处的风速而不是人们所站的地面上的风速。 

根据桨叶的转动轴的方向将这样的风力机分为竖直轴风力机(其中转动轴垂直于地表设置)和水平轴风力机(其中转动轴平行于地表设置)。水平轴风力机因结构简单而易于构造。然而水平轴风力机受风力影响很大。虽然竖直轴风 力机能构造在沙漠或平原中而不管风向如何，但是其效率不佳，低于水平轴风力机的效率。 

图1A和图1B示出了具有典型水平轴结构的转子桨叶型风力机实例。如图1A和1B所示，转子桨叶型风力机包括：转子10(其将风能转化为机械转动能)、短舱(nacelle)组件20(其包括将转动能转化为电能的构件)以及塔30(其支撑短舱组件20)。通过将在塔30下方起支撑作用的基础插件40埋入地下，风力机定位的基础工作就稳固的完成了，随后在基础插件40上方依次装配塔30、短舱组件20和转子10来完成风力机的安装。转子10包括毂鼻锥体组件14，毂鼻锥体组件14包括多个桨叶12(例如以相等的间隔径向地排列的三个桨叶)。毂鼻锥体组件14连接到主轴22，主轴22支撑在短舱组件20内的基架24上。加速齿轮箱26、圆盘制动器28和发电机50依次装配在主轴22上。在主轴22的正交方向上安置有桨叶12，因而当风吹动桨叶时，毂锥体组件14转动。该转动力传递给主轴22，且通过加速齿轮箱26，主轴22的转数增大，从而驱动发电机50发电。 

在风力发电中，因为当桨叶转动面(即，桨叶的转动面)以直角与风向相交时，风能的利用率高，所以最优选地是实现所谓的无偏航状态。然而，由于风向不停地改变，其中桨叶的转动面不再与风向以直角相交而有所偏离，这就存在偏航误差。随着偏航误差的变大，风力的利用率下降。 

为了防止上述问题，风力机还包括设置在短舱组件20中的主动偏航系统60，具体如图2所示。主动偏航系统60包括：齿轮62，其安装在塔的上端部形成的法兰的顶部上；以及风向控制马达64，其与齿轮62联锁。当风向改变时，操作与齿轮62联锁的风向控制马达64以转动短舱组件20，进而实现主动偏航控制。相应地，操作桨叶12以便持续地面向风。在图中，附图标记66表示风向仪。 

图3示出了具有典型的水平结构的转子桨叶型风力机，其中发电机安装在地面上或塔下。如图3所示，短舱组件20通过轴承组件82支撑在塔30的上部。在该状态下，主轴22的转动力通过主动锥齿轮72a传递给与主动锥齿轮72a啮 合的从动锥齿轮74a的竖直塔轴76，然后通过从动锥齿轮72b经由转动轴78传递给加速齿轮箱26。加速齿轮箱26用于驱动发电机50。在这种配置时，发电机50可设置在地面上或距地面上方不远的预定高度处。然而，该情况下，当转子10的桨叶12的转动力通过主动锥齿轮74b(与竖直塔轴76的下端相耦合)以及通过转动轴78的从动锥齿轮72b传递时，塔轴76受到由从动锥齿轮72b施加给主动锥齿轮74b的排斥力矩(repulsive torque)(显示为虚线)。该排斥力矩引起短舱组件20转动。因此，为了排除该排斥力矩，必须向主动偏航系统的内部添加强有力的止转功能。因此，风力机通常设置在短舱组件内而不设置在地面上或地面附近的位置处，这样使成本增加。