一种可变径垂直轴风力发电装置

技术领域

本发明涉及新能源风力发电领域，具体为一种可变径垂直轴风力发电装置。

背景技术

风力发电装置依据主轴与水平面的相对位置关系，可分为水平轴和垂直轴风力发电装置。水平轴风力发电装置具有风能利用率高的优点，但其占用空间较大、控制调节系统复杂，环境适应性相对较差。目前，垂直轴风力发电机已经广泛应用于小型发电系统，其主要分为阻力型和升力型。传统垂直轴风力发电装置不易避免恶劣天气对发电装置带来的损害，环境适应能力差，风叶启动性能不佳，风能利用系数偏低，使用寿命普遍较短，导致不能较好地推广普及。针对以上问题点，本发明提出了一种可变径垂直轴风力发电装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提出一种可变径垂直轴风力发电装置。通过变径执行机构实现叶片重叠比和直径的改变，进而提高风力发电装置的启动性能、功率系数、环境适应性和使用寿命。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可变径垂直轴风力发电装置，包括风能吸收机构与变径执行机构；

风能吸收机构包括交错分布于两级支撑架内的四片半圆筒形风叶、上下两级支撑架及中间连接机构；上级的支撑架内两片半圆筒形风叶上端的阶梯轴与转动座两端连接，转动座中间伸出的阶梯轴通过轴承安装在上级支撑架的顶板上的轴承座内，上级的支撑架的底板和下级的支撑架的顶板固定，两级支撑架中的半圆筒形风叶通过中间连接机构连接；

中间连接机构包括齿轮轴一、齿轮一、齿圈、轴承一、轴承座一和轴承二；轴承座一安装在下级的支撑架的顶板上，轴承一安装在轴承座一中，轴承二安装在下级的支撑架顶板内的轴承座里，轴承一和轴承二是上下位置关系，齿圈其外侧的固定环夹固在轴承一和轴承二的内圈之间；齿轮轴一与上级的支撑架内半圆筒形风叶底端伸出的安装轴通过联轴器连接，齿轮一与下级的支撑架内半圆筒形风叶顶端伸出的阶梯轴连接，并且齿轮轴一与齿轮一均与齿圈啮合；

变径执行机构包括筒体、上盖板、上盖和底板，筒体内部中间还设置有隔板，隔板中部设置有轴承八、轴承九，轴承八和轴承九同轴线且轴承八位于轴承九的上方，隔板的左右两端分别设置有轴承十；齿轮轴四的底部安装在轴承八上，左右两个齿轮轴三通过轴承七安装在齿轮轴四顶部的左右两侧，下级的支撑架内的半圆筒形风叶底端伸出的两根安装轴与两根齿轮轴三通过联轴器连接，齿轮轴四的顶部和上盖底部连接，上盖和上盖板之间配套有轴承六，齿轮轴四的中部还与左右两侧的齿轮二啮合，齿轮二与齿轮轴五的顶端通过平键固定连接，齿轮轴五的底端安装在底板上的轴承十三中，左侧的齿轮轴五的上方安装在隔板左侧的轴承十上，右侧的齿轮轴五的上方安装在隔板右侧的轴承十上，齿轮轴五的下方与齿轮轴六啮合，底端端部伸出筒体后与外部的发电机连接；锥齿轮轴二安装在齿轮轴六上，且分别与锥齿轮轴一和锥齿轮轴三啮合，锥齿轮轴一的顶部安装在轴承九上，锥齿轮轴三安装在底板上的轴承十一上，锥齿轮轴一和锥齿轮轴三的中心轴线重合，并且与锥齿轮轴二的中心轴线保持空间垂直关系，锥齿轮轴三的底端端部伸出筒体后与下端的调整电机连接；齿轮轴二的顶端安装在上盖中的轴承四中，齿轮轴二的上方两侧还与左右两侧的齿轮轴三啮合，在齿轮轴二的下方加工有外花键，齿轮轴二穿过齿轮轴四后与锥齿轮轴一的内花键配合连接，齿轮轴四内部还设置有轴承三与齿轮轴二配合。

变径执行机构能实现同步转速功能，可以保证齿轮轴三绕中间齿轮轴二的公转速度与齿轮轴二的自转速度相同，即实现同步转速功能。当调整电机不动作，变径执行机构不进行变径操作时，齿轮轴三无自转，半圆筒形风叶在气流的作用下转动，带动齿轮轴三围绕齿轮轴二公转，从而带动齿轮轴四和上盖一起转动。此时，假设齿轮轴二的自转转速为n，则齿轮轴四的转速为n；齿轮轴四与齿轮二啮合处分度圆半径相同，故齿轮轴五的转速也为n；齿轮轴五与齿轮轴六啮合处分度圆直径比为1：2，故齿轮轴六转速为0.5n；由于调整电机不转动，锥齿轮轴三也不转动，故锥齿轮轴一转速为n，与齿轮轴二的转速n一致，齿轮轴三与齿轮轴二无相对转动。在调整电机动作时，变径执行机构执行变径操作，驱动锥齿轮轴三转动，驱动锥齿轮轴二和锥齿轮轴一的转动。锥齿轮轴一带动齿轮轴二与齿轮轴三产生相对转动，带动半圆筒形风叶转动，实现风能吸收机构叶片重叠比和直径的连续变化。本发明能够显著提高垂直轴风力发电装置的启动性能，增加对环境的适应性和工作的平稳性；同时，可更好的与电机特性进行匹配，提高发电装置的风能利用系数。

上述的一种可变径垂直轴风力发电装置，半圆筒形风叶截面形状为具有一定厚度的半圆形，半圆筒形风叶两端的端板内侧轮廓线为S形，在闭合状态下两片半圆筒形风叶能够组成封闭的圆柱筒体。

上述的一种可变径垂直轴风力发电装置，齿轮轴五的顶端安装有通过螺栓固定的挡板，可防止齿轮二轴向运动。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明整体结构紧凑、制造简单、维修方便、工作噪音低，采用齿轮传动，传动精度高，利于成本控制，易于推广应用。

2.本发明可实现风叶在转动的同时进行风叶开度的调整，进而实现风能吸收机构的变径(风叶重叠比和直径的改变)，提高了装置风能利用系数、启动性能、环境适应性和使用寿命。

附图说明

图1为一种可变径垂直轴风力发电装置示意图。

图2为风能吸收机构示意图。

图3为叶片形状尺寸示意图。

图4为中间连接机构示意图。

图5为变径执行机构示意图。

图6为变径执行机构局部放大图。

图7为风叶变径过程效果示意图。

图8为四种试验工况车速变化曲线。

图9为叶片直径随风速变化图。

图10为四种工况下叶片吸风功率变化曲线。

图11为四种工况下发电机的角速度变化图。

图中标注说明：

Ⅰ风能吸收机构、Ⅱ变径执行机构。

1-顶板、2-转动座、3-半圆筒形风叶、4-支撑架、5-底板、6-齿轮轴一、7-齿轮一、8-齿圈、9-轴承一、10-轴承座一、11-轴承二、12-筒体、13-上盖板、14-上盖、15-轴承三、16-齿轮轴二、17-轴承四、18-联轴器、19-轴承五、20-齿轮轴三、21-轴承六、22-轴承七、23-齿轮轴四、24-螺栓、25-齿轮二、26-轴承八、27-轴承九、28-轴承十、29-锥齿轮轴一、30-齿轮轴五、31-锥齿轮轴二、32-齿轮轴六、33-轴承十一、34-轴承十二、35-挡板、36-轴承十三、37-轴承座二、38-底板、39-锥齿轮轴三。

具体实施方式

下面结合本发明的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。同时，以该风力发电装置在新能源汽车上应用为例，进行风能回收功率分析。显然，所描述的实例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种可变径垂直轴风力发电装置，包括风能吸收机构Ⅰ与变径执行机构Ⅱ。其中，风能吸收机构如图2所示，风能吸收机构Ⅰ安装在装置的上部，用于吸收风能，将风能转化为机械能，采用两叶片两级结构。主要包括交错分布于上下两级支撑架内的四片半圆筒形风叶3、两级支撑架4及中间连接机构。上级的支撑架4内两片半圆筒形风叶3上端的阶梯轴与转动座2两端连接，转动座2中间伸出的阶梯轴通过轴承安装在上级支撑架的顶板1上的轴承座内。下级的支撑架的结构与上级的支撑架的结构相似，都包括顶板、底板和连接顶板与底板的连接杆，上级的支撑架的底板和下级的支撑架的顶板固定，两层支撑架中的半圆筒形风叶3通过中间连接机构连接。其中，半圆筒形风叶3截面形状为具有一定厚度的半圆形，半圆筒形风叶3两端的端板内侧轮廓线为“S”形，在闭合状态下两片半圆筒形风叶3能够组成封闭的圆柱筒体。如图3所示为半圆筒形风叶3的主要形状。

图4为中间连接机构示意图。中间连接机构主要作用是固定连接两级半圆筒形风叶3，进行动力的传递。包括齿轮轴一6、齿轮一7、齿圈8、轴承一9、轴承座一10、轴承二11。轴承座一10安装在下级的支撑架4的顶板上，轴承一9安装在轴承座一10中，轴承二11安装在下级的支撑架4顶板内的轴承座里，轴承一9和轴承二11是上下位置关系，齿圈8其外侧的固定环夹固在轴承一9和轴承二11的内圈之间。齿轮轴一6与上级的支撑架内半圆筒形风叶3底端伸出的安装轴通过联轴器连接，齿轮一7与下级的支撑架内半圆筒形风叶3顶端伸出的阶梯轴连接，并且齿轮轴一6与齿轮一7均与齿圈8啮合。

如图5为变径执行机构，其安装于装置底部，主要作用是实现风叶在转动的同时进行风叶开度的调整，进而实现风能吸收机构的变径，能实现同步转速功能和风叶调整功能。

变径执行机构包括筒体12、上盖板13、上盖14和底板38，筒体12内部中间还设置有隔板，隔板中部设置有轴承八26、轴承九27，隔板的左右两端分别设置有轴承十28。齿轮轴四23的底部安装在轴承八26上，左右两个齿轮轴三20通过轴承七22安装在齿轮轴四23顶部的左右两侧，下级的支撑架4内的半圆筒形风叶3底端伸出的两根安装轴与两根齿轮轴三20通过联轴器18连接，如图6变径执行机构局部放大图所示。齿轮轴四23的顶部和上盖14底部连接，上盖14和上盖板13之间配套有轴承六21，齿轮轴四23的中部还与左右两侧的齿轮二25啮合，齿轮二25与齿轮轴五30的顶端通过平键固定连接，并且轴端安装有通过螺栓固定的挡板，可防止齿轮二25轴向运动，齿轮轴五30的底端安装在底板38上的轴承十三36中，左侧的齿轮轴五30的上方安装在隔板左侧的轴承十28上，右侧的齿轮轴五30的上方安装在隔板右侧的轴承十28上，齿轮轴五30的下方与中间的齿轮轴六32啮合，底端端部伸出筒体后与外部的发电机连接。

中间的锥齿轮轴二31安装在齿轮轴六32上，且分别与锥齿轮轴一29和锥齿轮轴三39啮合，锥齿轮轴一29的顶部安装在轴承九27上，锥齿轮轴三39安装在底板38上的轴承十一33上，锥齿轮轴一29和锥齿轮轴三39的中心轴线重合，并且与锥齿轮轴二31的中心轴线保持空间垂直关系，锥齿轮轴三39的底端端部伸出筒体后与下端的调整电机连接。

齿轮轴二16的顶端安装在上盖14中的轴承四17中，齿轮轴二16的上方两侧还与左右两侧的齿轮轴三20啮合，在齿轮轴二16的下方加工有外花键，齿轮轴二16穿过齿轮轴四23后与锥齿轮轴一29的内花键配合连接，齿轮轴四23内部还设置有轴承三15与齿轮轴二16配合。

其中，同步转速功能是保证齿轮轴三20绕中间齿轮轴二16的公转速度与齿轮轴二16的自转速度相同，即实现了同步转速功能。风叶调整功能是通过调整使齿轮轴二16与齿轮轴三20产生相对转速，进而带动半圆筒形风叶3转动，实现风能吸收机构叶片重叠比和直径的连续变化，风叶变径过程效果如图7所示。具体如下：

当变径执行机构不进行变径操作时，齿轮轴三20无自转，半圆筒形风叶3在气流的作用下转动，带动齿轮轴三20围绕齿轮轴二16公转，从而带动齿轮轴四23和上盖14一起转动。此时，假设齿轮轴二16的自转转速为n，则齿轮轴四23的转速为n；齿轮轴四23与齿轮二25啮合处分度圆半径相同，故齿轮轴五30的转速也为n；齿轮轴五30与齿轮轴六32啮合处分度圆直径比为1：2，故齿轮轴六32转速为0.5n；由于调整电机不转动，锥齿轮轴三39也不转动，故锥齿轮轴一29转速为n，与齿轮轴二16的转速n一致，齿轮轴三20与齿轮轴二16无相对转动。

当变径执行机构进行变径操作时，调整电机驱动锥齿轮轴三39转动，进而驱动锥齿轮轴二31和锥齿轮轴一29的转动。锥齿轮轴一29带动齿轮轴二16与齿轮轴三20产生相对转动，进而带动半圆筒形风叶3转动，实现风能吸收机构叶片重叠比和直径的连续变化。

应用实例：本发明提出的可变径垂直轴风力发电装置，具有占用空间小，维修保养简单，风能利用系数高，启动性能优异和环境适应性强等优点。故将本发明应用于新能源汽车上，安装在车辆前格栅前部，实现对风能的有效回收，进而提高整车对能量的利用率。具体分析过程如下：

1风能吸收机构模型

如图3所示，H为叶片高度，d为叶片直径，e

E

m＝ρA(t)·v(t)(2)

其中，ρ为空气密度，A为叶片扫过的面积，v为风速(风速近似等于车速)，m为扫过面积的风质量，E

E

风经过叶片后，风速不能减小到零。换言之，叶片扫过的空气无法将全部能量传递给叶片。因此，叶片只能接收风的部分能量。

P为叶片获得的功率，c

根据贝茨定律，c

风能吸收机构吸收的风能，主要用于两部分：一部分能量用于部件转动(E

1.1结构件的转动能

利用能量法，得到各构件的转动能量，具体如下：

其中，J

表1齿轮和锥齿轮参数

1.2装置阻尼力能量

齿轮轴五和齿轮二之间的啮合阻尼如下式：

式中：阻尼比ξ为0.03～0.17，本发明取其值为0.1；k

直流发电机电气阻尼引起的阻性转矩T

其中k

因此，可以计算阻尼力功率如下式：

C

进而得到阻尼力消耗的能量如下式所示：

E

本实例采用直流发电机，根据牛顿第二定律，表示发电机的运动方程为：

T

发电机主要参数值见表2。

1.3可变径垂直轴风力发电装置效率分析

可变径垂直轴风力发电装置效率可以表示为：

2.结果分析

结合上述内容，以某款新能源电动汽车作为研究对象。基于其在市区行驶时的四组实际工况数据为基础，分析了安装在车辆上的可变径垂直轴风力发电装置的能量回收效果。可变径垂直轴风力发电装置安装在汽车前部，紧邻前格栅，汽车行驶速度可近似为风速。如图8为车辆四种试验工况车速变化曲线。分析过程中，为了提高风能利用系数，变径执行机构根据风速进行风叶直径的调节。

叶片直径随风速变化曲线如图9所示。当风速(车速)在0～12m/s之间时，调整电机处于运行停止状态，叶片直径不变，保持120mm。当风速在12m/s到20m/s之间时，调整电机运行，叶片直径从120mm到60mm成比例减小。当风速超过20m/s时，调整电机调整至叶片闭合，避免叶片在强风作用下运行，影响装置使用寿命。依据式(3)和(4)，得到四种工况下叶片吸风功率变化曲线，如图10所示。

对比图8和图10可以发现，功率的变化趋势与风速一致，随着风速的增大而增大。四种工况下叶片功率均方根值(RMS)分别为7.0W、7.1W、3.9W、5.1W。结合式(1)、(5)和(9)，可以得出发电机角速度变化曲线，如图11所示。

对比图8和图11发现，当风速为零时，发电机角速度先逐渐减小后逐渐增大。产生这种现象的原因是当车辆从行驶状态进入停车状态时，发电机角速度在叶片惯性的作用下缓慢下降。当车辆从停车状态进入行驶状态时，在叶片惯量的作用下，电机的角速度也缓慢增加。