[发明专利]模块化垂直轴风力发电机及其模块化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风力发电机，特别是提供一种模块化垂直轴风力发电机。本发明还提供一种该大功率模块化垂直轴风力发电机的设计方法。

背景技术

垂直轴风力发电机以其受力情况合理、噪声低、工作稳定、方便维修等优点在风力发电领域迅速推广，而发展大功率、超大功率风力发电机已经成为风力发电的趋势。垂直轴风力发电机包括塔柱、套设在塔柱上的风轮以及置于塔柱上位于塔柱和风轮之间的发电机，所述风轮包括支撑轮及叶片，支撑轮由若干支撑杆组成，叶片与该支撑杆连接，支撑杆与发电机的转动件连接。风轮转动带动固定在塔柱上的发电机的转子转动发电。增大垂直轴风力发电机的发电功率的常规措施是增大风轮直径和增加风轮高度即增大叶片的长度，这些做法都有较大的局限性。风轮的直径越大，连接叶片的支撑杆长度也就需要做得越长，由于带有叶片的支撑杆为悬臂梁，支撑杆长度越长，使得叶片位置越容易偏斜，为了避免叶片的过度倾斜，就要将支撑杆的截面尺寸做得越来越大，而这会影响到风轮的气动性能，增大风阻力，也使得风轮的制造成本和制造难度大大提高，并且单纯增大风轮半径会降低风场面积的有效利用率，降低风力发电机装机密度，不能充分利用垂直轴风力发电机在高度方向上可以任取截风面积的优势；而增加叶片的长度，由于自然风具有高处较低处更大的特点，叶片过长使得叶片上下承受的风扭矩差增大，这会导致叶片承受较大的扭矩，很容易损坏，并且对发电机的配置也会带来很大困难。

因此，通常垂直轴风力发电机的功率难以做大，做到兆瓦级已很困难，要想再提高功率，难度就更大。另一方面，不同的使用条件和用户，往往要求不同的功率，针对不同的功率要求去设计开发大功率垂直轴风机，不仅开发成本大，而且由于规格不一，生产制造成本也很高。为此，模块化、系列化的设计制造垂直轴风力发电机具有非常重要的科学和经济意义。

发明内容

本发明的目的是要克服大功率垂直轴风力发电机的设计制造困难，提供一种模块化垂直轴风力发电机，通过利用先期开发的一种或几种较小功率的风力发电机又称为模块，就可以方便地得到各种功率的特大功率垂直轴风力发电机，极大地降低特大功率垂直轴风力发电机的设计、生产制造成本。

本发明的另一个目的在于提供该模块化垂直轴风力发电机的设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种模块化垂直轴风力发电机，包括一塔柱，在该塔柱上，上下依次设置有至少两个垂直轴风力发电机模块，每个所述风力发电机模块包括一个风轮模块和与之连接的发电机，所述风轮模块包括至少一个支撑轮及若干叶片，所述叶片垂直设置，通过所述支撑轮与所述塔柱连接，其中至少一个所述支撑轮与塔柱之间连接所述发电机，所述发电机的定子固定在所述塔柱上，所述发电机的转子与所述支撑轮连接。

在一个风轮模块中，所述支撑轮是两个或两个以上，可以在每个支撑轮与塔柱之间都设置发电机，也可以只在其中一部分支撑轮与塔柱之间设发电机，而其它支撑轮与塔柱之间通过轴承连接在一起。

连接所述发电机的所述支撑轮包括若干支撑杆，该支撑杆的个数与所述叶片个数相同，各个所述支撑杆在周向均布地固定在一发电机外置转子上，所述叶片与所述支撑杆的外端固定连接。

在一个风机模块中，所述支撑轮是两个或两个以上，每个所述支撑轮中的所述支撑杆的数量相等；每个支撑轮中的各所述支撑杆在一个水平面上设置，各支撑轮中的所述支撑杆在上下层分别对正设置，每个所述叶片与每一个所述支撑轮中的一根所述支撑杆的外端固定连接，每个所述支撑轮中的所述支撑杆的内端在周向均布地固定在一风轮轮毂或一所述发电机外置转子上，在所有支撑轮中，至少一个所述支撑轮中的所述支撑杆固定在一所述发电机外置转子上，连接风力发电机。

各个所述风轮模块是相同规格，或者是规格不相同的风轮。

各个所述风轮模块的直径可以不同，其排列规律可以为：在上的所述风轮模块的直径最小；或者，各个所述风轮模块的直径相同。也可以是在上的风轮模块直径较大。还可以是，在上的所述风轮模块不是最大的，也不是最小的。

各个所述风轮模块的直径不同时，最上面的所述风轮模块之下的各个所述风轮模块的排列顺序可以为，直径由小到大顺序排列，或者由大到小顺序排列，或者直径大小参差排列。

在所述塔柱上，优选叠加设置2个或3个所述垂直轴风力发电机模块。

所述模块化垂直轴风力发电机的设计方法为：

首先制出规格相同或不同即发电功率相同或不同的两个或两个以上的所述垂直轴风力发电机模块，然后，将两个或两个以上的垂直轴风力发电机模块，上下依次排列地设置在一个塔柱上。