一種根據(jù)風向應(yīng)變帆的迎風角度的風力直驅(qū)發(fā)電機的制作方法

本發(fā)明涉及風力發(fā)電機，特別涉及一種根據(jù)風向可自動響應(yīng)改變帆的迎風角度的風力直驅(qū)發(fā)電機。

背景技術(shù)：

風力發(fā)電機是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。雖然增速機確保了風力發(fā)電機可靠發(fā)電，但同時也帶來了：①發(fā)電機整體的體積大，②成本高，③可靠性低，④升速機構(gòu)噪音高，⑤因有多級升速，增加了機械傳送級數(shù)，故效率低，⑥安裝復(fù)雜。雖然后來研發(fā)出了多電機聯(lián)合發(fā)電，在提高發(fā)電功率的同時減少增速機的級數(shù)。但其也存在著負載不能進行調(diào)節(jié)，發(fā)電機設(shè)計成型后，不能根據(jù)當?shù)刈罡吆妥畹惋L速進行電機的任意組合。還有，風力利用率低下以及軸承等轉(zhuǎn)動部件壽命低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提出一種根據(jù)風向可自動響應(yīng)改變帆的迎風角度的風力直驅(qū)發(fā)電機。

為達到以上目的，通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種根據(jù)風向應(yīng)變帆的迎風角度的風力直驅(qū)發(fā)電機，包括：風帆和垂直軸直驅(qū)發(fā)電機；

其特征在于：

風帆包括：風帆軸，固定于風帆軸上且為徑向延伸的若干個風帆橫梁和與風帆橫梁數(shù)量對應(yīng)的自應(yīng)迎風槳葉；

自應(yīng)迎風槳葉通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動裝配于風帆橫梁上，且自應(yīng)迎風槳葉的轉(zhuǎn)軸中心軸線與風帆軸中心軸線平行或者成大于0°小于90°夾角；其中，每個自應(yīng)迎風槳葉均通過角度調(diào)整機構(gòu)保證迎合風向傳遞單向旋轉(zhuǎn)扭矩；

其中，垂直軸直驅(qū)發(fā)電機的動力輸入軸與風帆軸同步轉(zhuǎn)動裝配；

垂直軸直驅(qū)發(fā)電機為一個以上發(fā)電機單元組成的發(fā)電機單元集合，且每個發(fā)電機單元均包括電機轉(zhuǎn)子與置在電機轉(zhuǎn)子外側(cè)的電機定子，其中所有發(fā)電機單元的電機轉(zhuǎn)子固定于垂直軸直驅(qū)發(fā)電機的動力輸入軸上；

采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，風帆和垂直軸直驅(qū)發(fā)電機采用直驅(qū)式發(fā)電， 同時自應(yīng)迎風槳葉通過角度調(diào)整機構(gòu)保證實時迎合風向，最大限度的利用風能，又結(jié)合垂直軸直驅(qū)發(fā)電機采用多級同軸驅(qū)動發(fā)電的設(shè)計，實現(xiàn)發(fā)電負載可控，進而可實現(xiàn)在50轉(zhuǎn)以內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電。

進一步的，角度調(diào)整機構(gòu)包括，伺服電機、減速器及連在自應(yīng)迎風槳葉上的力臂桿，通過力臂力矩的大小，用于自動調(diào)整每個自應(yīng)迎風槳葉的角度，此技術(shù)方案伺服電機作為調(diào)控動力，風向的采集可通過在風帆結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器，或者結(jié)合當?shù)貧庀缶值臍庀箢A(yù)報中風向風力來進行分析并控制。

進一步的，以風帆軸為參照，風帆橫梁分為徑向延伸長度大的長橫梁和徑向延伸長度小的短橫梁，且每兩個長橫梁之間設(shè)置一個短橫梁，此結(jié)構(gòu)目的在于進一步的提高風能利用率。

進一步的，發(fā)電機單元輸出電能傳輸給AC-DC整流器；每個發(fā)電機單元的AC-DC整流器的輸出端都并聯(lián)到DC-AC逆變器的輸入端上，經(jīng)過DC-AC逆變器逆變后輸出，或經(jīng)工頻變壓器升至10KV或更高輸出，此技術(shù)方案為電路整合方案。

進一步的，在AC-DC整流器和DC-AC逆變器之間設(shè)有電源開關(guān)，此技術(shù)方案主要目的在于形成發(fā)電控制。

進一步的，發(fā)電機單元的電機定子固定在發(fā)電機殼體單元上，相鄰兩個發(fā)電機殼體單元(通常采用一樣的殼體單元便于裝配)通過銷和緊固螺釘進行固定連接，此技術(shù)方案，主要涉及發(fā)電機單元之間的同軸組合裝配形式，實現(xiàn)集成度高，裝配方便的裝配形態(tài)。

進一步的，垂直軸直驅(qū)發(fā)電機的動力輸入軸底端設(shè)置有支撐球。

進一步的，風帆橫梁位于自應(yīng)迎風槳葉安裝位置內(nèi)側(cè)設(shè)置有大于等于1個的與自應(yīng)迎風槳葉安裝結(jié)構(gòu)相同的副自應(yīng)迎風槳葉，此結(jié)構(gòu)同樣用于進一步利用風能。

進一步的，還包括，強臺風非接觸式自動鎖緊保護電路功能，實現(xiàn)方法為：自動短接三相輸出或增加制動電阻方式。

綜上，本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，采用直驅(qū)式?jīng)]有了升速機構(gòu)，即減少了能量損失的中間環(huán)節(jié)，這樣不但增加發(fā)電機的機械壽命，還提高了電機的可靠性，減小了體積，成本低，安裝簡易；同時，二外特殊設(shè)計風帆結(jié)構(gòu)，通過自應(yīng)迎風槳葉的實時調(diào)整角度來調(diào)整受風面積，以獲得最大的風力利用率，增加了風力發(fā)電機的風能利用率。另外，本發(fā)明采用的垂直軸直驅(qū)發(fā)電機為一個以上發(fā) 電機單元組合而成，進而可實現(xiàn)電機負載的任意調(diào)節(jié)，可根據(jù)當?shù)刈罡吆妥畹惋L速進行電機的任意組合，進而可在非常低的轉(zhuǎn)速內(nèi)即可穩(wěn)定發(fā)電，當發(fā)電機單元轉(zhuǎn)子極數(shù)達到170以上即可實現(xiàn)50轉(zhuǎn)以內(nèi)穩(wěn)定發(fā)電。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。

附圖說明

本發(fā)明共9幅附圖,其中：

圖1為本發(fā)明的發(fā)電機的立式發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的發(fā)電機的臥式發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的發(fā)電機電能輸出的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的垂直軸直驅(qū)發(fā)電機的放大圖；

圖6為本發(fā)明在北風演示時自應(yīng)迎風槳葉展開結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明在南風演示時自應(yīng)迎風槳葉展開結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明采用同一橫梁多自應(yīng)迎風槳葉時俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明自動短接三項輸出電路示意圖。

圖中：

1、風帆，1.1、風帆軸，1.2、風帆橫梁，1.3、自應(yīng)迎風槳葉，1.31、副自應(yīng)迎風槳葉，1.4、轉(zhuǎn)軸，1.5、角度調(diào)整機構(gòu)，1.6、支撐梁，1.7、風帆頂層軸承，2、垂直軸直驅(qū)發(fā)電機，3、軸承，4、電機殼體，5、電機定子，6、永磁體，7、轉(zhuǎn)子磁軛，8、轉(zhuǎn)子隔套，9、電機引線，10、發(fā)電機底座，11、發(fā)電機單元，12、AC-DC整流器，13、DC-AC逆變器，14、開關(guān)、15、動力輸入軸，21、軸承蓋，22、頂部發(fā)電機殼體單元，23、發(fā)電機頂端軸承，24、緊固螺釘Ⅰ，25、中部發(fā)電機殼體單元，26、底部發(fā)電機殼體單元，27、緊固螺釘Ⅱ，28、發(fā)電機終端軸承，29、風帆軸承，30、緊固螺釘Ⅲ，32、終端軸承支撐蓋，35、軸承壓蓋，36、定位銷，37、緊固螺釘Ⅳ，38、支撐球，39、緊固螺釘Ⅴ，40、底座，41、支撐球固定端。

具體實施方式

如圖1、圖4、圖5和圖8所示的一種根據(jù)風向應(yīng)變帆的迎風角度的風力直 驅(qū)發(fā)電機，包括：風帆1和垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2；

風帆1包括：風帆軸1.1，固定于風帆軸1.1上且為徑向延伸的若干個風帆橫梁1.2和與風帆橫梁1.2數(shù)量對應(yīng)的自應(yīng)迎風槳葉1.3；

自應(yīng)迎風槳葉1.3通過轉(zhuǎn)軸1.4轉(zhuǎn)動裝配于風帆橫梁1.2上，且自應(yīng)迎風槳葉1.3的轉(zhuǎn)軸中心軸線與風帆軸1.1中心軸線平行或者成大于0°小于90°夾角；其中，每個自應(yīng)迎風槳葉1.3均通過角度調(diào)整機構(gòu)1.5保證迎合風向傳遞單向旋轉(zhuǎn)扭矩；

其中，垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2的動力輸入軸與風帆軸1.1同步轉(zhuǎn)動裝配；

垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2為一個以上發(fā)電機單元組成的發(fā)電機單元集合，且每個發(fā)電機單元均包括電機轉(zhuǎn)子與置在電機轉(zhuǎn)子外側(cè)的電機定子，其中所有發(fā)電機單元的電機轉(zhuǎn)子固定于垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2的動力輸入軸上；

采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，風帆1和垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2采用直驅(qū)式發(fā)電，可省去傳統(tǒng)風力發(fā)電機的增速器；同時自應(yīng)迎風槳葉1.3通過角度調(diào)整機構(gòu)1.5保證實時迎合風向，最大限度的利用風能，又結(jié)合垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2采用多級同軸驅(qū)動發(fā)電的設(shè)計，實現(xiàn)發(fā)電負載可控，進而可實現(xiàn)在低速(50轉(zhuǎn)以內(nèi))即可穩(wěn)定發(fā)電(此時發(fā)電機單元轉(zhuǎn)子極數(shù)達到170以上)。

實施例1：

如圖1和圖3所示，發(fā)電機單元的電機轉(zhuǎn)子包括：轉(zhuǎn)子磁軛7和永磁體6；所述轉(zhuǎn)子磁軛7固定在動力輸入軸15上，永磁體6固定在轉(zhuǎn)子磁軛7上。兩個相鄰發(fā)電機單元之間設(shè)有轉(zhuǎn)子隔套8，轉(zhuǎn)子隔套8設(shè)置在兩個相鄰發(fā)電機單元之間，固定在動力輸入軸15上。電機定子5連接有電機引線9，所述電機引線9通過電機殼體4上的通孔引出連接到AC-DC整流器12上。發(fā)電機單元輸出電能傳輸給AC-DC整流器12；每個發(fā)電機單元的AC-DC整流器12的輸出端都并聯(lián)到DC-AC逆變器13的輸入端上，經(jīng)過DC-AC逆變器13逆變后輸出，或經(jīng)工頻變壓器升至10KV或者更高值輸出。

實施例2：

如圖4示，風帆軸1.1同動力輸入軸15可以為分體設(shè)計使用時進行固定連接，或者為一體設(shè)置。該發(fā)電機還包括支撐梁1.6，所述支撐梁1.6用于支撐風帆軸1.1，所述支撐梁1.6通過風帆頂層軸承1.7與風帆軸1.1連接；

實施例3：

如圖4所示，角度調(diào)整機構(gòu)1.5包括，伺服電機、減速器及連在自應(yīng)迎風 槳葉1.3上的力臂桿，通過力臂力矩的大小，用于自動調(diào)整每個自應(yīng)迎風槳葉1.3的角度，此技術(shù)方案伺服電機作為調(diào)控動力，風向的采集可通過在風帆結(jié)構(gòu)上設(shè)置傳感器，或者結(jié)合當?shù)貧庀缶值臍庀箢A(yù)報中風向風力來進行分析并控制。

實施例4：

如圖6和7所示，以風帆軸1.1為參照，風帆橫梁1.2分為徑向延伸長度大的長橫梁和徑向延伸長度小的短橫梁，且每兩個長橫梁之間設(shè)置一個短橫梁，此結(jié)構(gòu)目的在于進一步的提高風能利用率。

實施例5：

如圖5所示，垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2的動力輸入軸底端設(shè)置有支撐球38。該支撐球38用于動力輸入軸15及風帆軸1.1，以實現(xiàn)動力輸入軸15和風帆軸1.1的自由旋轉(zhuǎn)。支撐球38通過支撐球固定端41進行固定，所述支撐球固定端41通過緊固螺釘Ⅴ39固定在發(fā)電機底座10上；所述動力輸入軸15通過風帆軸承29固定在發(fā)電機底座10上。所述風帆軸承29通過軸承壓蓋35固定在動力輸入軸15底部，所述軸承壓蓋35通過緊固螺釘Ⅳ37固定在動力輸入軸15上。

實施例6：

如圖1和圖5所示，發(fā)電機單元的電機定子固定在發(fā)電機殼體單元上，相鄰兩個發(fā)電機殼體單元通過銷和緊固螺釘進行固定連接，各發(fā)電機單元固定連接后構(gòu)成發(fā)電機組X(垂直軸直驅(qū)發(fā)電機2)，所述發(fā)電機單元之間設(shè)有定位銷。發(fā)電機單元的數(shù)量可以根據(jù)當?shù)仫L速情況進行設(shè)計，如圖5所示發(fā)電機單元的數(shù)量為N，N為大于等于2的自然數(shù)，頂部發(fā)電機殼體單元22和中部發(fā)電機殼體單元25之間通過緊固螺釘Ⅰ24進行固定，中部發(fā)電機殼體單元25和底部發(fā)電機殼體單元26之間通過緊固螺釘Ⅱ27進行固定，所述發(fā)電機單元之間可通過定位銷進行定位。發(fā)電機頂端軸承23和發(fā)電機終端軸承28分別固定在軸承蓋21和終端軸承支撐蓋32上用于固定動力輸入軸15，所述終端軸承支撐蓋32通過緊固螺釘Ⅲ30固定在發(fā)電機底座10上，且通過定位銷36進行定位。

實施例7：

如圖8所示，風帆橫梁1.2位于自應(yīng)迎風槳葉1.3安裝位置內(nèi)側(cè)設(shè)置有大于等于1個的與自應(yīng)迎風槳葉安裝結(jié)構(gòu)相同的副自應(yīng)迎風槳葉1.31；其中，副自應(yīng)迎風槳葉1.31的形狀以及轉(zhuǎn)動裝配形式均與應(yīng)迎風槳葉1.31相同，且副自應(yīng)迎風槳葉1.31迎風面位于應(yīng)迎風槳葉1.3的側(cè)邊的后部，即副自應(yīng)迎風槳 葉1.31的迎風面和自應(yīng)迎風槳葉1.3的迎風面部分重疊，副自應(yīng)迎風槳葉1.31的迎風面位于自應(yīng)迎風槳葉1.3的迎風面的后面，這樣能夠提高風帆1對風能的利用率。如果設(shè)置多個副風帆，這些副風帆的設(shè)置方式同上，迎風面互相重疊。

實施例8：

如圖1所示，電機底座10固定在底座40上，可通過調(diào)整底座40和發(fā)電機底座10的高度，調(diào)整風帆1的高度。本實施例風帆1底部距離地面為穩(wěn)定風速區(qū)高度，這樣可避開地表面風場的擾動，確保發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)電。

實施例9：

如圖9所示，還包括，強臺風非接觸式自動鎖緊保護電路功能，實現(xiàn)方法為自動短接三項輸出實現(xiàn)。

具體實現(xiàn)過程如下：

如圖1和圖2所示風帆1和發(fā)電機底座10上固定有軸承3，所述軸承3用于固定動力輸入軸15，風帆或槳葉1帶動動力輸入軸15進行轉(zhuǎn)動，動力輸入軸15轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機單元11的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，即動力輸入軸15轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子磁軛7和永磁體6轉(zhuǎn)動，電機定子5切割磁力線產(chǎn)生電能，電機定子5產(chǎn)生的電能通過電機引線9傳輸給AC-DC整流器12。

如圖3所示，所述每個發(fā)電機單元11的AC-DC整流器的輸出端都并聯(lián)到DC-AC逆變器13的輸入端上，經(jīng)過DC-AC逆變器13逆變后輸出，為實現(xiàn)電機負載可調(diào)節(jié)，在AC-DC整流器12和DC-AC逆變器13之間設(shè)有開關(guān)14。根據(jù)需要控制開關(guān)閉合或打開，來控制DC-AC逆變器13接入AC-DC整流器的個數(shù)，已實現(xiàn)DC-AC逆變器13輸出功率的大小，例如：每個發(fā)電機單元為10兆瓦，在風力足夠大的情況下開啟全部發(fā)電機單元(設(shè)該發(fā)電機包括8個發(fā)電機單元)，這樣便可輸出80兆瓦的功率的電能，當風力不足以帶動全部負載的情況下，減少接入的發(fā)電機單元，假設(shè)傳感單元檢測到風力只夠帶動發(fā)電機30兆瓦的電能，則電機控制單元控制3個AC-DC整流器并聯(lián)到DC-AC逆變器13上，這時參與發(fā)電工作的發(fā)電機單元為3個，輸出的功率為30兆瓦。

本發(fā)明設(shè)有風速傳感器、風向傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，用于感應(yīng)風速和風向以及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，給發(fā)電機控制單元，發(fā)電機控制單元根據(jù)各傳感器傳回的數(shù)據(jù)進行風帆角度調(diào)整以及調(diào)整接入發(fā)電機單元的數(shù)量，已實現(xiàn)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速， 目的是控制發(fā)電機發(fā)電的頻率，例如：發(fā)電機發(fā)出的電為工頻50HZ。根據(jù)風速傳感器和風向傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)后，發(fā)電機控制單元控制每個自應(yīng)迎風槳葉(如設(shè)置有副自應(yīng)迎風槳葉包含其中)的角度，即自應(yīng)迎風槳葉0°～180°根據(jù)風向自動調(diào)節(jié)角度，以獲取最大的風能。如圖6和圖7所示，通過風向傳感器獲取風向A的方向，調(diào)整自應(yīng)迎風槳葉的角度，使得受風面的風帆的迎風面垂直風向A，相對的非受風面的自應(yīng)迎風槳葉此時收起，理想狀態(tài)是非受風面的自應(yīng)迎風槳葉平行風向A，此時非受風面產(chǎn)生的風阻最小，風力發(fā)電機整體獲取風能最大，能最大的克服現(xiàn)有風帆式發(fā)電機不能及時調(diào)整風帆角度，導致處于同一平面的兩個風帆同時承受風能而發(fā)生能量抵消，導致發(fā)電機不能有效的利用風能的情況發(fā)生。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。