[发明专利]一种大型海上垂直轴风力发电机组

说明书

技术领域

本发明属于发电机技术领域，特别涉及一种大型海上垂直轴风力发电机组。

背景技术

随着化石能源的消耗，全球气候不断地恶化，人类必须重视起对生存环境的保护，风力发电作为一种清洁的可再生的清洁能源，目前越来越受到全世界的关注。风力发电机组发展一个多世纪以来，根据风力发电机组主轴的旋转方向形成了两大结构型式，即水平轴和垂直轴风力发电机组。

水平轴机组是目前比较成熟的技术，目前市场上多数的风力发电机组都是水平轴，水平轴风力发电机组主要由风轮、发电机、机舱、塔筒等组成，这样的结构优点是保证风轮可以安装在距离地面几十米的高度，显著的提高了风力发电机组的捕获风能的能力。但是随着风力发电机组容量的不断增大，尤其是安装在海上的风力发电机组，风力发电机组的单机容量达到了10MW以上，为了捕获更多的风能和克服不断增大的载荷，叶片、轮毂、主轴、机舱等部件的尺寸不断增大，塔筒顶部机头的质量已经超出了塔架所能承受的范围，因此限制了水平轴单机容量的增加。

垂直轴风力发电机组相对水平轴风力发电机组也有明显的优劣势。劣势是垂直轴的风能利用系数低，风轮距离地面高度低。但垂直轴风力发电机组也有其优势，首先垂直轴风力发电机组不用偏航系统，不用制作塔筒等支撑件，制造成本降低；其次垂直轴的发电机、齿轮箱、变流器等设备都安装子近地面位置，不用担心由于单机容量的增大导致支撑结构问题，由于大部分部件处于近地面位置，吊装和后期更换、维护成本低。因此随着风力发电机组的单机容量增加，尤其是安装在海上丰富的风资源下，垂直轴风力发电机组显示出了明显的竞争优势。

垂直轴风力发电机组目前主要流行的有Darrieus升力型风力发电机组和Savonius阻力型风力发电机组，Darrieus升力型风力发电机组基本型式有直叶片H型结构和弯叶片Φ型两种，国内外的垂直轴风力发电机组多数都是升力型。H型的风力发电机组可以将风轮安装在一定高度，好处是发电量增加，但是发电机、齿轮箱、变流器等设备安装在高空中，安装和维护成本高。Φ型风力发电机组其优点是叶片近似采用Troposkien曲线，叶片绕轴旋转时叶片只受气动和重力载荷，不受弯曲应力，但是这种型式的风力发电机组也需要很长的轴去支撑叶片，不适合作为大型风力发电机组的结构型式。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型大型垂直轴风力发电机组，具有V型结构型式，包括风轮、动轴、定轴、发电机、直升机平台、轴承、海上基础和辅助设备；风轮由多组叶片组成；动轴分别和发电机转子、底部轴承连接，负责把叶片产生的旋转动能传递给发电机；定轴分别和发电机定子、海上基础连接，用于支撑整个风轮、发电机及直升机平台；直升机平台底部和发电机定子连接，用于停靠安装和运维用的直升机；轴承包含顶部轴承和底部轴承，顶部轴承内圈连接发电机定子，外圈连接发电机转子和动轴上段，底部轴承连接动轴和定轴，用于风力发电机组动静联接；海上基础固定于地面或者海底，用于支撑整个风力发电机组的重量；辅助设备包含齿轮箱、变流器、控制系统、电气系统、消防系统、照明系统和逃生系统；发电机、轴承和辅助设备安装于风力发电机组的底部；

所述多组叶片中的每组叶片沿垂直轴向有一层或多层，每组叶片沿水平径向由一层叶片或者由包括内部上层叶片和内部下层叶片的内层和外层叶片组成，所述多组叶片沿水平圆周向由相对圆心呈对称结构的两组叶片或者沿圆周均匀分布的两组以上叶片组成；

内层叶片沿展向采用直线或者曲线形状，内层叶片由叶根处向上翘起，形成V形或者多V形结构，内层叶片的横截面采用翼型形状，能吸收风能提高机组风能利用率；

外层叶片采用直叶片，安装角度垂直于地面或者海面，或与地面或者海面呈现一定夹角；当内层叶片为内部上层叶片和内部下层叶片时，外层叶片两端分别与内部上层叶片和内部下层叶片连接固定；

外层叶片采用整体设计或分段设计，当采用分段设计时，外层叶片由静止部分和变桨部分组成，变桨叶片通过电机或者液压驱动的变桨系统调节桨距角，进而调节风力发电机组的功率输出；

叶片的材料是玻璃纤维或碳纤维加增强环氧树脂，或采用内部钢桁架结构外部蒙皮技术。

风电机组的定轴和动轴材料是球墨铸铁或钢材。

发电机是内转子或外转子发电机，是永磁低速直驱电机、电励磁低速直驱电机、带齿轮箱的半直驱中速电机或带齿轮箱的高速电机；发电机冷却形式为空冷、空空冷或空水冷，发电机位于定轴上部或者下部。

所述定轴和动轴采用双轴承或多轴承支撑。

海上基础是桩基式、重力式、负压筒式或者漂浮式。