CN111622902A - 一种新型垂直轴风力发电设备的整体建造方法 - Google Patents

Abstract

一种新型垂直轴风力发电设备的整体建造方法：由以下几个主要部分组成，半球机机房，顶部预留主轴主轴承安装孔，中层设置安装平台，平台中央留主轴副轴承安装孔，地面设发电机安装平台，发电设备：低速垂直轴发电机安装在机房内地面平台上，发电机输入轴与主轴下端由联轴器承接，多功能主轴：主轴垂直贯穿安装在机房顶部轴承安装孔和中层平台副轴承安装孔内，由轴承承接，多功能立柱：垂直安装在主轴上端，由发兰盘连接，立柱上段预留水平贯穿的风叶轴孔，风叶轴：均匀水平贯穿安地安装在立柱上，风叶轴与立柱两侧分别由两个轴承承接，两个平板型活动风叶分别固定在同一条风叶轴的两端，端视夹角90度，所有风叶同样安装。

Description

一种新型垂直轴风力发电设备的整体建造方法

技术领域

本发明涉及风力发电设备技术领域，具体来说是一种垂直轴活动风叶大功率风力发电设备的建造方法

背景技术

随着人类社会文明进步，科技不断发展，对人居环境要求越来越高，对能源要求不断提高，化石类(石油、煤、天然气)有污染且不可再生的资源日渐枯竭，新型清洁持续再生能源(风力、水力、太阳能)被人们越来越观注、开发、利用。在风力发电领域更是发展的如火如荼，目前风力发电设备大体分为两种型式，一种是水平轴发电设备，一种是垂直轴发电设备，水平轴发电设备技术发展较早，相对成熟，大功率发电站大多选择这类设备，但是重要设备安装位置太高，维修保养不便；重心太高，影响设备稳定性和抵抗风灾的能力，设备的偏航系统和对塔筒的强度要求增加了设备造价成本；于是垂直轴风力发电设备成了人们观注和研究的方向，现有的垂直轴风力发电技术风力利用率低、起动困难、易失速、输出功率低。以目前的技术，垂直轴风力发电向大功率方向发展，遇到了瓶颈。

发明内容

有鉴于以上问题，本发明提出来一种新型垂直轴活动风叶风力发电设备，能有效解决现有水平轴风力发电设备重心高、抗风能力差的问题；发电机、变速箱等重要设备安装位置太高，维修保养困难的问题；设备过于复杂，投资大的问题；垂直轴风力发电设备风力利用率低的问题；收受风力不可控、启动困难、易失速、输出功率低且不稳定的问题；为垂直轴风力发电设备向大功率方向发展，提供理论和方法。

附图说明

附图1 新型垂直轴风力发电设备整体设计图：图中所标示数字所示部件名字：01半球形机房简称立柱；02多功能立柱简称立柱；03多功能主轴简称主轴；04平板型活动风叶简称风叶；05安装风叶的活动轴简称风叶轴；06低速垂直轴风力发电设备主机简称发电机；07 机房中层主轴副轴承及其它设备安装平台简称中层安装平台；08立柱与主轴衔接的发兰盘简称发兰盘；09机房顶部安装孔位置、主轴承座、主轴承位置综合表示、合成主轴主轴承；10 中层安装平台安装孔位置及主轴副轴承、轴承座的综合表示，合称主轴副轴承；11衔接主轴下端与发电机输入轴的联轴器；12承接风叶轴与立柱的风叶轴承及轴承座位置，合称风叶轴承；13限制风叶轴横向移位和风叶过度旋转限制卡简称限位卡；14半球形发电机房的门简称门；15垂直轴发电机机房内地面安装平台及安装螺丝。16伞形保护罩。

附图2是 附图1的局部放大，示意立柱、风叶轴、风叶轴承、风叶限位卡的安装连接方法。

附图3 根据本发明理论制作的简易发电设备实物照片：三角架代替机房，三角横梁代替中层安装平台，风轮做两层设计，风叶轴承用轴管代替，立柱为正方管型，发电设备为高速发电机，加装了增速箱。

附图4 一种风轮的实物照片，仰视。

附图5 另一种风叶限位卡实物照片。

附图6 额定功率用弹簧的一种安装方法，实物照片，

附图7 另一种风叶轴在与立柱同心的圆盘上安装的方法，实物照片。

附图8 一种发电机，增速箱和主轴的安装方法，实物照片供参考。

附图9 一种碟刹系统在主轴上的安装方法，实物照片供参考。

附图10 一组新型风轮在风中运转状态下，抓拍的实物照片，示意同轴两风叶的风中运转姿势。

具体实施方式

由鉴于此，本发明提出来一种新型垂直轴活动风叶风力发电设备的建造方法，各组成部分的特征及作用：

1半球形机房01(三角架附图3，三角锥形或金字塔形)：利于抗风，保护设备，半球形机房01顶部中心位置留主轴安装孔09，安装孔09上设主轴承座安装位置，机房内设中层安装平台07，安装平台07建造在半球形机房壁的承重骨架上，平台中心留安装孔10，安装孔10上设主轴副轴承座。机房内地面中央预设垂直轴发电机安装平台15，半球形机房留门14、窗。

2垂直轴发电机06：垂直轴发电机06及附属等设备均在机房内安装，建议选择垂直轴低速发电机06，安装在地面平台15上，发电机15输入轴向上，由联轴器11与主轴03下端连接。如果选择了较高速垂直轴发电机时，如图8所示意，发电机06输入轴向上，与增速箱输出轴连接，增速箱选择垂直输入输出轴型，增速箱输入轴由联轴器与主轴03下端连接，如图 7所示意，增速箱固定安装在所述中层安装平台07的底下。

3多功能主轴03：主轴垂直贯穿安装在机房顶部安装孔和中层安装平台的安装孔里，由上部主轴承09和下部10副轴承承接，机房顶部安装孔09固定安装主轴承座，中层平台07中央安装孔10固定安装主轴副轴承座。主轴03下端由联轴器11与低速发电机06输入轴连接或者与增速箱输入轴连接，主轴03上端由发兰盘08与立柱02连接；建议选择性安装的碟型刹车系统，如图9所示意刹车盘可以安装在主轴上的发兰盘08上，刹车抱紧装置可以固定安装在机房顶部安装孔的对应位置，刹车泵和控制器安装在机房内易操作的地方，就这样各种重要设备位置下移到机房内，便于维修保养，重心的下移增加了设备的稳定性，降低了设备对立柱(代替塔筒)强度的要求，降低投资成本。

4立柱02：可选择六棱管，八棱管，四方管或圆管，材质选择抗扭曲，直线性好的，耐老化，耐风化，较轻的材质，兼传动轴功能。立柱02垂直安装，立柱02下部带有与主轴配套的发兰08，主轴发兰与立柱的发兰08由螺丝连接。在立柱02的全段或上段均匀水平贯穿设多层风叶轴05安装孔，安装孔上下错位，以便风叶轴05互不影响的水平贯穿立柱02，可分层也可呈螺旋状均匀设置。在立柱02上的风叶轴孔两侧安装轴承座及轴承12，(也可以用轴管、铜套等不同承接方式)用来贯穿承接风叶轴，立柱02上所有的风叶轴孔同样的方法安装风叶轴05。立柱02下部接近发兰盘08处，可以选择性的固定安装伞形防护罩16，随立柱 02运转，注意大小和与机房的间隙，用以覆盖机房顶部安装孔，保护主轴承09及刹车系统不受风吹、日晒、雨淋。

5风叶轴05：水平贯穿安装在立柱02上的风叶轴孔内，由风叶轴孔两侧轴承12衔接立柱02，风叶轴05在穿出轴承12的两边留等长，轴承可选择轴承内圆加长并加装顶丝类型，用以固定风叶轴05，或者安装如图5所示意的风叶旋转限制卡13，防止风叶轴05横向移位，所有的风叶轴05同样安装。

6平板风叶04：平板风叶可以选择长方形，顺长方形平板风叶04的一个长边固定一根管状材料，将风叶轴05的一端插入平板风叶04长边上的管内并固定，风叶轴05的两端同样安装平板风叶04，(其他形状的风叶，风叶轴固定在风叶的平板位置)，安装要求：从风叶轴05 的一个端面看，两个平板风叶04呈90度夹角安装，注意：从风叶轴05的正面平视，左边风叶04朝近我倾斜，右边风叶04朝远我倾斜的话，立柱02顺时针运转，反之立柱02则逆时针运转，立柱02上的所有风叶轴05以同样的方法安装风叶04。所有的风叶04加上所有的风叶轴05再加上立柱02，组成一个新型的风力转化用动力轮(简称风轮)。

7额定功率用弹簧如图6中弹簧所示意(简称弹簧)：(选择性安装，在虽然风力资源丰富，但是风速不稳定，有灾害性强风的地区，建议必要安装)，安装方式：如图6所示意，把风叶轴05的正中间裁断，并在风叶轴05裁断端横向开弹簧安装槽、纵向打销钉孔，中间加装弹簧，弹簧两端分别插在风叶轴05裁断处的弹簧安装槽内，用销钉固定；外面可以用轴管包裹，注意留活动间隙，轴管长度控制在两个风叶轴轴承12之间，轴管内也可以选择性安装薄壁轴承，额定功率弹簧只有在风速过高，超过发电设备额定功率所需风速时，才会受风力压迫扭曲，同时使风叶轴05两端扭曲，减小同风叶轴端视两风叶夹角角度，改变风叶04收受风力方向的角度，减少收受风力的面积，用以接收设备额定功率所需的风力；当灾害性强风侵袭时，风叶轴05中间的弹簧能在强风压迫下进一步回缩扭曲，使同轴两端风叶04端视夹角由90度向0度靠近，将风叶迎风面积极度缩小，将收受的风力降低到设备可承受的范围之内，躲避风灾。这种额定功率用弹簧的安装，能有效的解决垂直轴风力发电设备的受强风失速问题，也可以替代现有水平轴风力发电设备偏航系统的作用，降低设备投资成本，还能提高设备整体抗风能力。

8风叶旋转限制卡13：(按需要选择安装)，本发明所述风轮的设计，正常输出功率跟风速、风叶面积、风叶重量均成正比；相同风力和风叶面积条件下，风叶重量越大输出功率就越高，所需启动风速也越大；风叶重量越小，所需启动风速就越低，而输出功率就越小；如果风叶选择材质较轻，就有必要增设风叶旋转限制卡13，用来限制风叶04在逆风随立柱02运转时向上旋转超过水平状态(超过水平方向或者风力方向时，会接受逆运转方向的风力作用，干扰风轮运转，降低风力利用率)；风叶04的选择：轻质、平板、抗扭曲性能好的条件是关健，轻质的风叶04加上额定功率用弹簧，再加上风叶旋转限制卡13，使按照本发明方法设计建造的风力发电设备，对风速的使用要求更加宽泛，风力利用率更高，(代替现有发电设备塔筒) 立柱02的全段都能安装风叶轴05和风叶04，使能够收受可利用风力的风叶总面积大幅度增加，接受更大的风力，使设备启动变得更容易，也为垂直轴风力发电设备向大功率方向发展提供理论基础。

9立柱02上部稳定系统：此系统为选择性安装，在要求建造大功率垂直轴发电设备时候，所述风轮部分总体积就要增加，当风轮过大，主轴03及轴承不足以支撑风轮稳定性和抗风性时需要加装此系统。由地面固定桩、钢缆绳、三角架、三角架中心轴、轴承、管状轴承座组成。安装方式：在立柱02上端加装发兰盘，三角架中心轴下端安装发兰盘与立柱发兰08连接，中心轴外安装上下两个轴承，两个轴承固定安装在三角架中心轴承管状轴承座的上下两端，管状轴承座圆周外均匀牢固安装三角架臂，三角架臂长要超过风叶轮，三角架要求尽量轻，三角架臂远端系钢缆，钢缆的另一端系在地面的固定桩上，系结要求牢固，钢缆拉力均衡，固定桩位置均匀设置，根基稳固。稳定系统的另一种安装方式，当风电设备选址较低，可利用风资源较高，需要加长立柱，且在立柱02上段安装风轮，立柱02下部还有较高的空间，可在贴近风轮位置，立柱02外围加装一个轴承，立柱02垂直贯穿轴承内，轴承内圆在立柱 02上固定，轴承外圆嵌入轴承座内，轴承座选择中间空心的(内贯穿立柱02)，轴承座外围均匀设置三个钢缆穿孔，(轴承及轴承座代替上面所述三角架)，钢缆一端系在轴承座外钢缆孔上，另一端系在地面固定桩上，要求同上。

各重要组成部分的相互连接关系如下：半球形机房01顶部留主轴承09安装孔，中层设制安装平台07，平台07固定在机房01壁的骨架上，中央留主轴副轴承安装孔10，内部地面设制发电机安装平台15，机房01建造在深入地面的基础桩上；发电机06安装在地面平台15 上，机房留房门14、窗；发电机06输入轴由联轴器11与主轴03下端联结，主轴03垂直贯穿机房顶部主轴承09和中层平台的副轴承10，主轴承安装在半球形机房顶部中央安装孔 09上，副轴承安装在中层安装平台中央安装孔10上。主轴03上端由发兰盘08与立柱02连接(发兰盘上可选择安装刹车系统)。立柱02上均匀水平贯穿安装风叶轴05。风叶轴05与立柱02的联结可以由轴管或者轴承12联结，在风叶轴05上，立柱02两侧安装限制风叶轴 05横向活动的风叶活动限位卡13，或其它限制方式(比如用内圆带有顶丝的轴承固定等)，限位卡13同时具有限制风叶轴05旋转过度的功能，限位卡13拐柄的一端固定在限位卡13 上，另一端卡在立柱02上或者固定在立柱02上的其它固定设置，如图5所示意，能卡能分离；选择性的安装额定功率用弹簧如图6所示，风叶轴05中间裁断，由额定功率弹簧连接，断面纵向开槽插入弹簧，并在相应位置横向打孔，孔内用销钉固定弹簧；风叶轴05两端分别固定安装平板风叶04，立柱下部安装保护罩16，立柱02上端选择性安装稳定系统。

本发明运行程序和工作原理：正常无风时，在重力作用下，所有风叶04均与水平方向呈45 度角倾斜，从风叶轴05端视同轴两风叶04呈人字形夹角90度自然下垂，起风时随风摆动，例如：当我们面对所述风轮，正面迎风观察，风轮是顺时针运转设计的话，随着风速的增加，右边的风叶04在风力作用下，向下摆动逐渐换成垂直姿势接受风力，并将收到的风力由风叶轴05换成扭力向左端传递，同轴左边的风叶04受来自右端风叶轴扭力和自己接收的风力共同作用下向上摆动，逐渐换成水平姿势应对风力，当风力达到启动风速时，右边风叶04以立柱为圆心，顺风顺时针旋转，并将收到的风力由风叶轴05传递到立柱02上，带动立柱02顺时针旋转，立柱02带动所有的风叶04旋转起来，左边的风叶04在立柱的带动下，呈水平姿势逆风顺时针旋转，当同风叶轴05的风叶04旋转到轴向与风向一致时，风叶的端面迎风，失去了风力作用，受重力作用恢复原位，由立柱02右边风叶04驱动立柱02，同轴风叶04 在立柱02带动下继续旋转，旋转到可以接受到风力的位置时，以上动作继续，所有风叶04 及风叶轴05都如此循环运行，在风力持续的推动下，风轮持续的旋转，，立柱02将转换成的动能向下传递到由发兰盘08连接的主轴03上，主轴03再将动能向下传递到由联轴器11连接的发电机06上，驱动发电机06运转，产生电能，并由发电机辅助设备向外传输，如此设计的风力发电设备，只要有风，就会源源不断的输出电能。

Claims (7)

1.风叶能够活动变换姿势应对风力的方法；风叶平板状设计的方法；风叶的外型可以有方型、圆型、树叶型、仿生型等多种设计的方法；同轴的两个风叶分别固定安装在风叶轴的两端，端视夹角为90度的安装方法。其他的安装方法只要在本发明原理同等效果之内均受此专利保护。

2.多功能风叶轴的设计方法；风叶轴两端可固定安装风叶的方法；风叶轴贯穿、活动、均匀、同心安装在立柱上的方法；或是风叶轴安装在与立柱同心的圆盘等其它设置上的安装方法；风叶轴水平及其它角度倾斜安装的方法；风叶轴两端的风叶受风力作用能够相互影响带动的方法；用本发明的理论安装的其它方法，具有同等效果的，均受此专利保护。

3.多功能立柱的设计方法；兼用传动轴功能的方法；下部安装发兰盘连接主轴的方法；立柱的垂直安装，立柱全段或是部分段均匀安装风叶轴或者是风叶支架，风叶轴分层或呈螺旋状均匀安装等方法；立柱上不承载发电机、变速箱、偏航系统、刹车系统等重要设备，代替塔筒，减轻载荷，降低立柱对材质强度、质量的要求，降低设备投资成本的方法；立柱下部安装伞形或其它形状的保护罩，覆盖机房顶部安装孔和刹车系统，不受日晒、雨淋、风吹的方法；效果等同的其它方法，均受此专利保护。

4.多功能主轴的设计方法；上端带发兰盘能衔接立柱或者锻造的T型能连接立柱的设计方法；主轴的垂直安装方法；由上部主轴承和下部副轴承承接，贯穿安装在上安装孔和下安装孔内的方法；主轴下端可以安装连接发电机或增速箱的联轴器的方法，均受此专利保护。

5.半球形机房、三角锥形(包括三角架)、金字塔形等，有稳定性和保护重要设备的方法；顶部预留主轴承安装孔，中层设安装平台并在中央留安装孔的方法；机房地面中央设发电机安装平台，发电机及其附属设备安装在机房室内，便于维修保养的方法；设备整体重心下移，提高设备稳定性的方法；其它效果等同的方法，均受此专利保护。

6.额定功率用弹簧：安装在风叶轴上，风叶轴裁断由额定功率用弹簧衔接的方法；额定功率用弹簧能改变风叶接收风力角度和迎风面积，以接收设备额定功率所需风速，使设备保持额定功率运行的方法；其它有同等作用的弹性材料的安装方法；能代替水平轴偏航系统的作用，有效降低设备投资成本的方法，均受此专利保护。

7.风叶轴旋转限位卡：用限位卡提高设备额定功率的方法；限位卡贯穿固定安装在风叶轴上，贴近风叶轴承，具有固定风叶轴横向移位和风叶过度旋转的作用，固定在限位卡上的拐柄，拐柄另一端能卡在立柱的一侧，或者立柱上的其它装置，能卡能分离，包括其它具有等同效果的安装方法，均受此专利保护。

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