阅读说明：本技术 一种用于启动和制动的垂直轴风电机组辅助装置 (Vertical axis wind turbine auxiliary device for starting and braking ) 是由 崔逸南 崔新维 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了用于启动和制动的垂直轴风电机组辅助装置。垂直轴风电机组辅助装置由离心块,离心块移动轨道,连接构件,转动构件,阻力型叶片和阻力型叶片移动轨道构成。离心块在离心块移动轨道上可以沿远离或接近叶轮转轴的方向移动,转动构件与机组叶轮转轴同轴,且可以相对转动,离心块与转动构件通过连接件相连接,阻力型叶片受转动构件的驱动在阻力型叶片移动轨道中可以进行移动。本发明公开的垂直轴风电机组辅助装置可以有效的增加机组启动时的转矩,在机组启动后可以收拢阻力型叶片,减少对发电能力的影响,并且该装置在叶轮转速过高后可以成为空气动力制动装置以限制转速升高,提高了机组的安全性能。(The invention discloses a vertical axis wind turbine auxiliary device for starting and braking. The auxiliary device of the vertical axis wind turbine consists of a centrifugal block, a centrifugal block moving track, a connecting member, a rotating member, a resistance type blade and a resistance type blade moving track. The centrifugal block can move on the centrifugal block moving track along the direction far away from or close to the impeller rotating shaft, the rotating member is coaxial with the unit impeller rotating shaft and can rotate relatively, the centrifugal block is connected with the rotating member through a connecting piece, and the resistance type blade can move in the resistance type blade moving track under the driving of the rotating member. The auxiliary device of the vertical axis wind turbine can effectively increase the torque of the turbine during starting, can draw the resistance type blades after the turbine is started, reduces the influence on the power generation capacity, can be used as an aerodynamic braking device to limit the increase of the rotating speed after the rotating speed of the impeller is too high, and improves the safety performance of the turbine.)

一种用于启动和制动的垂直轴风电机组辅助装置

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种辅助垂直轴风电机组启动和制动的装置。

背景技术

一般商业化垂直轴风电机组多采用升力型叶片的设计，原因是升力型叶片具有较高的捕获风能的能力。但是采用升力型叶片的机组的一项劣势就是低风速下的自启动能力差。如果直接提高机组的切入风速，那么将会损失在低风速段的发电量，从而降低收益。因此，低风速下辅助垂直轴风电机组启动变得不可避免。

现代的垂直轴风电机组一般都配备有全功率变流器，这种机组可以通过变流器反向拖动发电机来驱动叶轮转动，当叶轮转速上升到一定之后再切换变流器工作模式进行正常并网发电。但是，这种方式不但增加了变流器的成本，而且在频繁的启动中容易增加机组的自耗电。另一种辅助自启动的方法是添加阻力型叶片，传统的升力-阻力型叶片混合式机组（达里厄-萨沃纽斯组合式机组）虽然自启动能力强，但是由于阻力型叶片最优尖速比非常低，当叶轮转速变高后，混合式机组的发电能力由于阻力型叶片的存在，与单纯采用升力型叶片的机组相比反而变低了。

CN 106321359 B提供了一种立轴离合式风力发电装置，它涉及一种发电装置，以解决现有大功率垂直轴风力发电机自启动困难等问题。该专利采用了升力型加阻力型叶片的方式，采用了超越离合器的方法，当叶轮转速超过设定值后切断阻力型叶片的作用。这种方法仍然没有解决了混合式叶片发电能力差的问题，同时由于离合器的存在，增加了机组的成本。

CN 105298743 B公开了一种达里厄-萨沃纽斯组合式垂直轴风力发电机，包括同轴设置的达里厄型风机叶片、萨沃纽斯型风机叶片以及驱动机构。发明当风机启动时，由阻力型的萨沃纽斯型风机叶片提供动力，当风机达到一定转速后，Φ形达里厄型风机叶片的离心力会导致主动活塞向下移动，并通过传动装置使萨沃纽斯型风机叶片合拢在风机筒上。

CN 203476602 U提供了一种混合型垂直轴风力发电机装置，主要包括达里厄风轮、达里厄风轮连杆、S 型风轮、转轴、S型风轮自动闭合系统和发电机。其中螺旋型的S 型风轮仅在部分攻角具有启动能力，提升了启动性能。该专利未提及怎么回收启动所用的S型风轮，也未对S型风轮自动闭合系统做更多的说明，当风机正常运行时启动所用的S型风轮应该是一直存在。

CN 102352818 B提供了一种智能变径自启动垂直轴风力发电装置，采用垂直轴风力机中的直线翼型结构；通过伺服电机和齿轮齿条的组合结构实现了风轮回转半径大小的控制与调整，风速低于切入速度时风力发电装置自启动运行与自动切换功能。该专利声称当低风速启动时，叶轮的半径被调整到最大，提高自启动能力，当进入正常发电状态时，叶轮半径被调回正常值。

CN 204003265 U所述的垂直轴风力发电机由H型风轮和V型风轮组合而成，避免了支撑杆阻力的负荷影响，有效改善了垂直轴风力发电机的气动性能和自启动能力，降低了风轮转子轴承的载荷和摩擦阻力。该专利声称不利用拖动或者阻力型叶片的方式，单纯从气动方面解决了升力型机组启动难的问题。

CN 205135899 U提供了一种H型垂直轴风力发电机组，包括塔筒、永磁发电机、支撑臂、两根支撑杆以及四片叶片。该装置声称通过调节叶片与支撑杆的角度来实现在低风速时的自启动过程。

CN 206707917 U提供一种利用叶片升力和阻力混合型的风力发电机。所述风机包括两部分，第一部分是由外层的升力型三叶片构成，主要负责在风机运行时提供电机转矩，对风机能量利用率起主要贡献；与市面上常见的上下错层螺旋形启动装置不同，该专利内层叶片由曲面萨沃纽斯构成，优势在于增加了转子的迎风面积提高了轮机的自启动性能。该专利未对启动所用的内层叶片进行回收。

CN 109356787 A提供了低风速自启动垂直轴升阻复合型风力发电机新型风轮结构，其具有凹型开口的升力型叶片按一定规则排列形成具有一定挡风能力的阻力型叶片组。叶片通过其自身结构凹型开口部位和形成的阻力型叶片组启动，具有阻力型叶片易启动的特点，不需要外界提供启动力矩。

CN 208633978 U提供了一种垂直轴风轮，包括叶片、轮毂、连接杆。该专利提供的垂直轴风轮和风力发电机的叶片前缘设置有凹凸结构，所述叶片的整个前缘部分都设置有凹凸结构，当流体流经该凹凸结构时会产生很多小漩涡，这些小漩涡会改变流体在叶片表面的气动分布，使流体湍流度增加，进而使流体不易从叶片表面分离，在更大的攻角范围内仍然附着在叶片表面，提高叶片失速的零界攻角值，最终增加叶片产生较大升力的攻角范围，使叶片在一个旋转周期内产生升力的时间增多，叶片在一个旋转周期内产生的净力矩将变大，从而强化该风力发电机的自启动能力。该专利声称不利用拖动或者阻力型叶片的方式，单纯从气动方面解决了升力型机组启动难的问题。

发明内容

针对升力型垂直轴风力发电机组低风速时启动能力低下以及高速运转时的超速转动问题，本发明提供了一种垂直轴风电机组辅助启动与制动装置，该装置在辅助机组实现自启动后收拢阻力型叶片，减少对机组发电能力的影响；并且该装置在叶轮转速过高后可以将阻力型叶片展开成为空气动力制动装置以限制转速升高，提高了机组的安全性能。

垂直轴风电机组辅助装置采用的技术方案是：

垂直轴风电机组辅助装置包含离心块（1），离心块移动轨道（2），离心块与转动构件的连接构件（3），转动构件（4），阻力型叶片（5），阻力型叶片移动轨道（6）。

垂直轴风电机组辅助装置，其特征在于装置适用于所有采用升力型叶片的机组。

离心块（1）在离心块移动轨道（2）上可以沿远离或接近叶轮转轴的方向移动。转动构件（3）与机组叶轮转轴同轴，且可以相对转动。离心块（1）与转动构件（4）通过连接件（3）相连接。阻力型叶片（5）受转动构件（4）的驱动在阻力型叶片移动轨道（6）中可以进行移动。

本发明的有益效果是：为传统的垂直轴机组提供了启动的辅助动力，可以有效的增加启动时的转矩；在传统的垂直轴机组正常发电时，可以有效的收拢辅助装置，保证了发电能力；在传统的垂直轴机组运行中出现转速过高的情况时具有制动能力，增加了机组的安全性。

附图说明

现在按照附图以举例的方式描述具体的实施方案，其中：

图1是垂直轴风电机组辅助装置示意图，

1-离心块，2-离心块移动轨道，3-连接构件，4-转动构件，5-阻力型叶片，6-阻力型叶片移动轨道。

值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域（风力发电）的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的垂直轴机组可以包括更多的部件。

具体实施方式

本发明采用的具体实施方案是：

在垂直轴风电机组停机待风时，阻力型叶片（5）将处于初始展开状态。离心块（1）和转动构件（4）处于初始状态。当风速达到切入风速，阻力型叶片（5）提供的启动转矩使得叶轮转速逐步提升，当达到转速设定值1（收拢转速）以后，离心块（1）在离心力的作用下沿着离心块移动轨道（2）移动。转动构件（4）在离心块（1）和连接构件（3）带动下发生转动，在转动构件（4）的驱动下，阻力型叶片（5）沿着阻力型叶片移动轨道（6）进行移动。当叶轮转速足够高后，阻力型叶片（5）会在收拢位置停驻，这样就实现了辅助装置的收拢，降低了阻力型叶片（5）对机组正常发电的影响。阻力型叶片（5）收拢后，离心块（1）由于离心块限位装置的存在不会继续沿离心块移动轨道（2）移动，因此阻力型叶片（5）也不会继续移动而离开收拢位置。

叶轮转速在到达转速设定值2（反向展开转速）附近后，离心块限位装置继续使离心块（1）保持位置不变。当叶轮的转速超过转速设定值2时，离心块（1）受到的离心力将会克服离心块限位装置的阻力。离心块（1）会继续移动。在连接构件（3）的带动下，阻力型叶片（5）也会离开收拢位置沿着阻力型叶片移动轨道（6）进行移动。当叶轮转速足够快时，离心块会到达离心块移动轨道（2）的末端，不能继续移动。而阻力型叶片（5）也完全反向展开，产生了与叶轮转速反方向的气动制动转矩，起到限制叶轮转速继续提升的作用。

当叶轮转速回到转速设定值2附近时，离心块（1）受到的离心力降低，阻力型叶片（5）在重力的作用下进行回程移动。如果叶轮转速继续降低，阻力型叶片（5）将会回到机组发电时的收拢位置。当叶轮转速再继续降低后，离心块（1）离心力不足，阻力型叶片（5）会在重力作用下离开收拢位置进行回程移动。上述回程移动中，转动构件（4）也会发生反向转动，带动连接构件（3）及离心块（1）进行回程移动。如果叶轮转速降为0，离心块（1）和转动构件（4）回到了初始状态，阻力型叶片（5）也将会回归到初始展开状态。

按照上述原理，阻力型叶片可以完成展开，收拢和反向展开的连续变化，从而对应的实现了启动时展开，发电时收拢，限制转速时再反向展开三种功能的切换。