一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组的制作方法

本实用新型属于风力发电领域，尤其涉及一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组。

背景技术：

风力发电作为清洁能源，具有显著的社会和环保效益，对于推动我国可再生能源发展有着重要意义，国家支持和鼓励对风电的开发。特别是海上风电，将是以后大力发展的方向。

目前的风力发电机组主要有两种形式，一种是水平轴风力发电机组，另一种是垂直轴风力发电机组。现阶段市场上的主流大功率风电机组是水平轴风力发电机组，技术相对比较成熟，但随着机组容量的增大，设计难度也随之增大，使大功率水平轴风力发电机组的进一步开发受到了抑制，截止目前，国内正式下线的水平轴风力发电机组最大单机容量为10mw。垂直轴风力发电机组相对于水平轴风力发电机具有机舱载荷小、塔筒不受弯矩、发电机可布置在塔筒底部等优点，但目前市场上的垂直轴风力发电机组无论是阻力型还是升力型均存在功率小且不可调节等缺点，无法做到大型化。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组，解决了阻力型垂直轴风力发电机组功率小且不可调节的问题，使单机最大功率理论上可以突破20mw。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组，包括：风轮和发电机，所述发电机用于将所述风轮旋转产生的机械能转换为电能，所述风轮包括叶片和轮毂，所述叶片包括叶柄和端头，所述叶柄一端固定在所述轮毂上并通过所述轮毂旋转，另一端与所述端头固定连接，所述端头为空心半球状结构，所述端头在沿所述叶片的直径方向上设有液压推杆，所述液压推杆连接有控制装置，所述液压推杆用于受所述控制装置控制伸长或收缩，进而推动所述端头改变所述端头的迎风面积。

优选地，所述端头为弹性材料。

优选地，所述液压推杆拉伸的最短长度为所述端头的直径，所述液压推杆拉伸的最长长度可使所述端头呈闭合状态。

本优选方案带来的优化效果是液压推杆通过拉伸可以使得端头完全打开和完全闭合。

优选地，所述控制装置连接有转速传感器，所述转速传感器用于检测所述风轮的实时转速并将实时转速数据传输至所述控制装置，所述控制装置判断实时转速与所述风力发电机组的额定转速的大小，在实时转速大于额定转速时，所述控制装置控制所述液压推杆伸长来减小所述端头的迎风面积；在实时转速小于额定转速时，所述控制装置控制所述液压推杆缩短来增大所述端头的迎风面积。

本优化方案所带来的优化效果是在风速超过额定风速时，液压推杆通过伸长来调整端头的迎风面积，从而改变叶片产生的力矩，以达到功率调节的目的。

更优选地，所述控制装置还连接有风向检测仪，所述风向检测仪用于检测实时风向并将风向数据传输至所述控制装置，所述控制装置用于在所述叶片转到与实时风向平行时，控制所述液压推杆伸缩使即将迎风的所述端头的迎风面呈正圆形，同时控制所述液压推杆伸缩使即将背风的所述端头的迎风面呈闭合状态。

本优化方案所带来的优化效果是可以大大减小背风叶片产生的阻力，降低阻力系数，提高风能利用系数，进而可以提高发电机的额定功率，还可以降低额定风速和启动风速，使发电机的效率得到显著提升。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组解决了阻力型垂直轴风力发电机组功率小且不可调节的问题，通过控制液压推杆伸长来调整端头的迎风面积，从而改变叶片产生的力矩，以达到功率调节的目的，同时可以控制所述液压推杆伸缩使即将迎风的所述端头的迎风面呈正圆形，同时控制所述液压推杆伸缩使即将背风的所述端头的迎风面呈闭合状态，以大大减小背风叶片产生的阻力，降低阻力系数，提高风能利用系数，进而可以提高发电机的额定功率，还可以降低额定风速和启动风速，使发电机的效率得到显著提升。

附图说明

图1是本实用新型所述的一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组的叶片结构示意图。

图2是本实用新型所述的端头呈闭合状态时结构示意图。

图3是实验一所述的一组叶片结构示意图。

图4是实验一所述的一组叶片的实验数据图。

图5是实验二所述的两组叶片结构示意图。

图6是实验二所述的两组叶片的实验数据图。

图7是实验三所述的六组叶片结构示意图。

图8是实验三所述的六组叶片的实验数据图。

其中，1、端头；2、叶柄；3、液压推杆；4、轮毂。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合附图和实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型不仅仅局限于下面的实施例。

实施例

如图1和图2所示，一种大功率可调节的垂直轴风力发电机组，包括：风轮和发电机，发电机用于将风轮旋转产生的机械能转换为电能，风轮包括叶片和轮毂4，叶片包括叶柄2和端头1，叶柄2一端固定在轮毂4上并通过轮毂4旋转，另一端与端头1固定连接，端头1为空心半球状结构，端头1在沿叶片的直径方向上设有液压推杆3，液压推杆3连接有控制装置，液压推杆3用于受控制装置控制伸长或收缩，进而推动端头1改变端头1的迎风面积。其中，端头1为弹性材料。

液压推杆3拉伸的最短长度为端头1的直径，液压推杆3拉伸的最长长度可使端头1呈闭合状态。控制装置连接有转速传感器，转速传感器用于检测风轮的实时转速并将实时转速数据传输至控制装置，控制装置判断实时转速与风力发电机组的额定转速的大小，在实时转速大于额定转速时，控制装置控制液压推杆3伸长来减小端头1的迎风面积；在实时转速小于额定转速时，控制装置控制液压推杆3缩短来增大端头1的迎风面积；当实时转速始终没有达到额定转速时，端头1将始终处于完全打开状态。通过改变端头1的迎风面积从而改变叶片产生的力矩，以达到功率调节的目的。

控制装置还连接有风向检测仪，风向检测仪用于检测实时风向并将风向数据传输至控制装置，控制装置用于在叶片转到与实时风向平行时，控制液压推杆3伸缩使即将迎风的端头1的迎风面呈正圆形，同时控制液压推杆3伸缩使即将背风的端头1的迎风面呈闭合状态，如此可以大大减小背风叶片产生的阻力，降低阻力系数，提高风能利用系数，进而可以提高发电机的额定功率，还可以降低额定风速和启动风速，使发电机的效率得到显著提升。

为验证本实用新型的可行性，通过一套简易的测试装置，测试装置可以通过施加设定速度的风来测量在该风速下的风力发电机组的扭矩、转速和功率。现分别采集安装一组叶片、两组叶片和六组叶片时的数据进行验证，每一组叶片包括两个叶柄2和两个端头1。

其中，选用的端头1的直径d为10cm，叶柄2l为10cm，施加风速v为11m/s，空气密度ρ取标准状态下1.293kg/m³，具体过程如下：

实验一：

如图3所示，安装一组叶片进行测试，测试装置测得数据如图4所示。

按照图4中测量数据，根据功率计算公式：

证实所测数据准确。

下面通过理论计算与实际测得的参数对比得出风能利用系数。

风吹到物体表面所产生的作用力计算公式f＝ρsv²

式中：ρ-空气密度，v-风速，s-物体有效面积。

代入数据计算得：

f＝ρsv²＝1.293×2×π×0.05²×11²＝2.46n，则m1＝fl＝2.46×0.1＝0.246，而实际测得的扭矩m＝0.12(n.m)，由此可以计算出风能利用系数

将图3装置中的端头1直径d改为10m，叶柄2l改为40m，则：

m1＝fl＝ρsv²l＝1.293×2×π×5²×11²×40＝983023(n.m)，乘以风能利用系数c得出实际做功力矩m＝cm1＝0.49×983023＝481681(n.m)，如果设风机的额定转速n分别为20和30转/分，代入功率计算公式得：

实验二：

如图5所示，安装两组叶片进行测试，测试装置测得数据如图6所示。

在所有参数不变，将叶片增加为两组。根据一组叶片理论上产生的作用力f1＝2.46n，则两组叶片产生的作用力为f2＝2f1＝2×2.46＝4.92n，计算m1＝f2l＝4.92×0.1＝0.492n.m。

由图6可知测试装置的实测扭矩值m＝0.35n.m，则风能利用系数由此可见，两组叶片情况下风能利用率要比一组叶片高。

同理将叶片直径d改为10m，力臂l改为40m，则：

m1＝2fl＝ρsv²l＝2×1.293×2×π×5²×11²×40＝1966046(n.m)，乘以风能利用系数c得出实际做功力矩m＝cm1＝0.71×1966046＝1395893(n.m)，如果设风机的额定转速n分别为20和30转/分，代入功率计算公式得：

实验三：

如图7所示，安装六组叶片进行测试，测试装置测得数据如图8所示。

根据图8中数据，将六组叶片转速为200转/分时，测试装置的扭矩为0.46n.m,按实验一和实验二计算方法计算结果如下(计算过程略)：

风能利用系数c＝0.31，

m1＝5898139n.m，m＝cm1＝0.31×5898139＝1828423n.m，

由上述计算结果可以看出，实际中的发电机若端头1直径设计为10米，叶柄2设计为40米，转速为30转/分时，发电机的功率能够超过5mw。按此原理再进一步将端头1直径设计为15米，叶柄2设计为50米，风速为11米/秒不变，转速为20转/分时，代入上述公式计算得出发电机的最大输出功率为21540kw，即大于20mw。当然，这只是初步的理论计算，至于实际制造加工中每组叶片自身重量及在运行中产生的载荷具体能达到多少，还需在实践中进一步去验证。但本实用新型的方向应该是正确、可行的。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。