[发明专利]一种大型垂直轴风力发电机叶片转角调节和锁定装置

说明书

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电机技术领域，尤其针对大型垂直轴风力发电机叶片转角的调节装置。

背景技术

现有的垂直轴风力发电机的叶片安装角度一般都是固定的，对于此类叶片角度固定安装的垂直轴风力发电机而言，当由叶片组成的风轮在转动时，叶片所处的位置不同，叶片扭矩的大小以及叶片所受力的方向时刻都在变化着。在有些位置叶片扭矩大，在另一些位置叶片扭矩小；在有些位置叶片扭矩为正，在另一些位置叶片扭矩为负。对于大型的垂直轴风力发电机，随着风轮直径的增大和风轮转速的下降，上述叶片所处不同位置时的变化情况尤其明显。而风轮最终的输出扭矩是其组成的各叶片在不同位置时扭矩的合力矩，这样就产生了大型的垂直轴风力发电机的风轮气动效率较低的技术问题。

为了克服叶片安装角度固定的垂直轴风力发电机的风轮由于其组成的叶片在不同位置时扭矩方向相反，互相抵消降低了合力矩的数值，不能发挥有效扭矩的缺陷，中国专利申请号CN200610023892.2 和CN200610027384.2提出了实现叶片转动的的具体角度范围和实现方法。但在实际运用中，因为叶片离心力和风轮转速的平方成正比，叶片转动时除了叶片受离心力作用外，还受风吹在叶片上产生的叶片气动力矩的作用，而叶片气动力矩在叶片处于风轮不同位置时，有的位置力矩是正值、有的位置力矩是负值，不同位置时扭矩的合力矩，即气动力矩的绝对值差异极大。尤其是针对大型的垂直轴风力发电机，若不但要满足在低风速下叶片转动需要克服气动力矩和叶片离心力矩产生的扭矩合力矩的要求，而且还要满足在高风速下叶片转动需要克服气动力矩和离心力矩产生的扭矩合力矩的要求，由于组成风轮的叶片往往是复数多个，例如3片、4片、5片甚至更多片的叶片，而仅对应其中1片的叶片就需要至少一套输出庞大功率的驱动装置对叶片转角进行调节，因此对于大型的垂直轴风力发电机，要同时满足上述在低风速下的叶片气动力矩要求，又满足在高风速下的叶片气动力矩要求，必然会造成该驱动装置的功率、体积、成本都很高，难以工业化应用，缺乏实用性。

例如以风轮直径12米，叶片宽度2米，叶片长度9米，叶片重量320公斤 ，设计输出功率为50千瓦的大型垂直轴风力发电机为例，当风速在2米/秒时，风轮转速6.5转/分钟，每米叶片产生的离心力为890 牛；当风速为6米/秒时，风轮转速19转/分钟，每米叶片产生的离心力为7600 牛，当风速为设计额定风速13米/秒时，风轮转速40转/分钟，每米叶片产生的离心力为惊人的33700 牛。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是现有技术无法实现对大型垂直轴风力发电机对叶片转角进行调节，无法实现将叶片转角调节工业化应用的技术问题，提出一种既满足低风速下叶片转动驱动装置的要求，同时满足高风速下叶片保持固定角度以使得风轮能获得较高效率的要求，实现了工业化和商业化。

本发明的具体技术方案是：

一种大型垂直轴风力发电机叶片转角调节和锁定装置，在垂直轴风力发电机上设有固定叶片的支持翼，支持翼的一端和发电机的垂直轴固定，支持翼的另一端安装有该叶片转角调节和锁定装置；该叶片转角调节和锁定装置由底座、叶片柄、叶片转轴、叶片转角驱动机构、叶片刹车机构组成；叶片通过叶片柄和支持翼连接，在叶片的长度方向（而非叶片的曲面方向）和风轮轴平行。

进一步的，所述叶片柄平行于水平面。

进一步的，叶片回转中心设定在叶片的前缘和后缘之间以前缘为起点的1/3到1/2之间的位置。

进一步的，叶片柄以转轴为中心，一端和叶片固定，另一端为扇形状作为刹车制动盘。

进一步的，叶片转角驱动机构是带减速齿轮的伺服电机组成。

进一步的，叶片转角驱动机构是由液压摆动马达或带减速齿轮的液压摆动马达组成。

进一步的，叶片制动盘平行或垂直于水平面。

进一步的，叶片转轴垂直于水平面并由一组轴承支撑，其中下轴承为角向轴承。

进一步的，通过叶片前缘配重解决叶片质心和叶片气动中心不一致问题。

本发明提出一种叶片刹车控制方法，通过风速读取，判断是否需要刹车控制，若是，则进一步判断是否需顺浆及风轮控制，若是则顺浆及风轮控制，若否则叶片刹车控制；判断是否需要刹车控制，若否，则根据风况进行相应的叶片运动控制，进一步判断是否进行超风速运动控制；若是，则进一步判断是否需顺浆及风轮控制，若否，则返回根据风况进行相应的叶片运动控制。

附图说明

图1是垂直轴风力发电机总体结构示意图。

图2是垂直轴风力发电机总体局部结构示意图。