一种风力机转子叶片能量回收与释放装置及其运行方法与流程

1.本发明涉及一种垂直轴风力机领域，尤其涉及一种基于马格努斯(magnus)效应的轮轨式垂直轴风力机转子叶片转子叶片能量回收与释放装置及其运行方法。


背景技术：

2.风力机按其转动轴与地面的几何关系分为水平轴和垂直轴两大类，在风力发电技术中发展迅速的是水平轴风力机，占据了国内外风力发电的绝大部分市场。但是水平轴风力机技术的快速发展并没能显著减低运营成本，风电上网电价还是居高不下，多数风能企业需要靠国家的能源政策补贴才可以生存。为了与传统能源竞争，风力机组选择了向大型化方向的发展，通过提高风能转换效率来降低风电成本。但遗憾的是，大型化发展并没有使得水平轴风力机的成本显著降低，就目前来看，水平轴风力机的相对高效率还是以其高成本为代价的，原因是巨大结构尺寸几乎已经到了水平轴风力机的发展极限，叶片材料、制造安装的成本已经严重制约着水平轴风力机的进一步大型化，而大型化又是降低风力发电成本的最有效的途径——由此进入了一个悖论怪圈。从技术方面讲，水平轴风力机复杂的变桨和对风机构、庞大沉重的变速机构和发电机本体，高耸的安装结构以及巨大叶片旋转时重力和惯性力的交变载荷使得叶片根部加速疲劳、叶片对候鸟迁徙造成伤害及运行噪音等技术瓶颈都制约着水平轴风力机的结构进一步增大。
3.在风力发电技术的发展历史上，有资料记载过一种垂直轴风力机构想方案，该方案基于以下科学现象：在自然流场中，当流体绕过作旋转运动的圆柱或圆球形障碍物体时，旋转物体会受到一种侧向力的作用，该侧向力实际为流体在圆柱两侧流速差所造成的一种升力现象，称为马格努斯效应，所产生侧向力称为马格努斯效应力或马格努斯(升)力。例如球类比赛中的“弧旋球”和“香蕉球”就是由于球体在前进的过程中附加旋转，所产生的马格努斯效应力引起球体飞行路线偏离预定轨道的现象。
4.该技术方案是美国工程师julius d.madaras 1933年构想，具体方案是：能产生马格努斯效应力的动力叶片是装载在轨道小车上的旋转圆柱筒，小车被安放在圆周轨道上，当来风吹向圆柱筒时，在旋转圆柱筒上产生马格努斯效应，即在圆柱的一侧，风流动的方向与圆柱筒的运动方向相同，加速了流体在本侧流动的速度；另一侧圆柱筒运动方向与来流方向相反，阻碍了流体在本侧流动的速度，由此诱发的绕旋转圆柱筒的环流将产生垂直于风流动方向的升力(升力方向指向上述运动方向相同一侧)，其合力推动小车绕环形轨道运行，小车车轮驱动发电机。
5.该构想的风力发电装置并没有取得大规模发电的效果，原因在于其机械的复杂性：为了使圆柱筒转子上产生的升力能够持续驱动小车在环形轨道上往复运动，旋转圆柱必须在小车的环形轨道的每一个上风口圆弧与下风口圆弧的结合点改变一次旋转方向；为了获得大的升力，圆柱筒的直径和旋转速度都要求尽量取大值，造成的柱筒转动惯量大，驱动能量大。在当时(1933年)的技术条件下，改变转子圆柱筒的转速和转向还只能借助复杂的纯机械系统实现，机械损失过大；同样由于换向困难以及其它基础技术尚不发达的影响，
圆柱转速的提高受到很大限制，其转子的空气动力特性得不到充分发挥，致使该构想被放弃。
6.进一步分析上述技术方案，其中最核心的一个重要技术问题是，若要使风力机获得有利的空气动力特性，圆柱筒转子需要有足够大的旋转半径和旋转速度，所以圆柱筒转子的转动惯量一般较大，达到转速要求时需要消耗的能量也较大；而如此“笨重”的每一个转子即使获得了理想的气动升力，驱动着小车运行完迎风面的半圆弧，在进入背风面的下半圆弧后，为了继续获得驱动小车沿同一圆周方向的马格努斯力，则需要改变转子的转动方向(否则其在背风面所产生的马格努斯力将阻碍小车的圆周运动)。也就是说，每一个转子在途经圆形轨道一周范围内必须经过两次转动方向的变化，解决不好转动能量转换的问题就会在转子反向启动时耗费大量能量，使耗费的能量在风力机所能够发出的电能中占比过大，给该技术的实用性带来致命的影响。
7.随着现代科技的不断进步，以上方案中出现的技术问题已经可以通过新的技术手段和方法予以解决。因此在现代工业技术基础上创新设计一种风力机转子叶片能量回收与释放装置及其运行方法是提升此类风力机的风能利用效率，重新定义该类风力机实用价值的关键技术问题。
8.本专利提供了一种基于马格努斯效应的轮轨式垂直轴风力机转子叶片能量回收与释放装置及其运行方法，能够有效降低旋转圆柱筒转子转动及换向时的能量消耗，提高风力的发电效率。


技术实现要素：

9.技术问题：本发明提供了一种基于马格努斯效应的轮轨式垂直轴风力机转子叶片转子叶片能量回收与释放装置及其运行方法，应用电磁离合器不停车离合技术、飞轮及弹簧储能技术、电动机调频控制技术、超越离合器等技术组合，完成风力机运行时的能量合理调配，能够根据特定算法控制转子叶片以获得最佳机械驱动效益为目标，减低转子驱动时的能量消耗；当转子叶片为了获取驱动风力机连续运行的马格努斯效应力而需要改变转动方向时，能够把正转转子叶片的自由转动能量转换成弹簧的扭转势能，转换为转子反转的能量输送给转子叶片换向，并在弹簧蓄能全部释放后自动脱离，不影响转子叶片驱动，有效降低转子换向时的能量消耗，提高风力机的发电效率。
10.技术方案：本发明技术方案的实施需涉及到一种基于马格努斯效应的轮轨式垂直轴风力机转子叶片转子叶片能量回收与释放装置。结合上述技术背景中的说明，进一步对该种轮轨式垂直轴风力机与本发明技术方案协同工作后的工作过程叙述如下：环形钢轨铺设在水平地面上，首尾衔接形成一个完整的圆形轨道(为了获得较大风速，可做成高于地面的架空轨道)；轨道上布置有若干个轨道小车，由小车的转向架和限制器限制轨道小车的车轮只可沿轨道滚动，不能脱离轨道；轨道小车通过转向架与车轮平台联接，车轮平台上安装有沿轨道前进的车轮和受车轮轴驱动的小型发电机；
11.轨道小车的平台上安装有用于产生马格努斯效应力的圆筒形转子(由于其作用相当于风力机的叶片，又称为转子叶片)，以及由调速电动机驱动的转子叶片驱动系统；
12.转子叶片驱动系统的结构组成及工作过程是：驱动电动机输出轴通过一个专用超越离合器(以下称飞轮储能超越离合器)把动力传给一个单输入双输出的t形锥齿轮转向机
构，把电动机的动力一分为二，一条路线传递给储能飞轮，另一条路线传递进入风力机换向中心；
13.上述超越离合器的作用是当电动机转速高于所驱动的负载转速时，离合器工作在“合”的状态，负载受电动机真实驱动；当负载转速超越电动转速，或者说电动机转速低于负载转速时，离合器处于“离”的状态，此时负载不受电动机驱动控制，电动机与负载的转速互不形成约束，直至电动机转速等于并有高于负载转速的趋势，上述离合器又自动恢复到“合”，电动机重新对负载形成有效驱动；
14.上述换向中心内设置有3组电磁离合器、1组超越离合器和1组电磁制动器、1组用于正反转换向的齿轮组；
15.3组电磁离合器中，其中1组电磁离合器安装在电动机动力进入换向中心的输入轴上，负责“离、合”电动机和飞轮方面与换向中心的动力联系(以下称驱动电磁离合器)；另2组电磁离合器则与正反转换向齿轮组配合(以下称换向电磁离合器1和2)，通过在换向中心的两个传动轴a与b之间加入或减去一个外啮合中介齿轮的方法改变两轴之间的转动方向，即通过其中第1个电磁离合器的“合”(其上齿轮与传动轴通过离合器形成一体)和另1个电磁离合器的“离”(其上齿轮与传动轴形成空转关系)，把a轴的转动通过一对外啮合齿轮传递给b轴后驱动转子叶片，如此，换向中心a轴的正向转动经b轴传递给转子叶片后就变成了与a轴转向相反的转动；而通过第1个电磁离合器的“离”另1个电磁离合器的“合”，使得a轴的运动通过一对外啮合齿轮传递到c轴，再由c轴上的(中介)外啮合齿轮传递到b轴，换向中心a轴的正向转动通过两次外啮合齿轮改变传动方向，变换成转子叶片的正向转动，这样一来，通过控制换向中心的两个换向专用电磁离合器的择一使用，换向中心输入轴的单向驱动可以获得转子叶片的正、反两个方向的转动，同理，也能把转子叶片的正、反两个方向的转动逆向传递给换向中心的输入轴；
16.上述换向中心的1组超越离合器用于弹簧蓄能器的单向蓄能传输(以下称弹簧蓄能超越离合器，详见下述)；1组电磁制动器用于叶片转子的制动停车；
17.上述电磁离合器为摩擦式传动，可在运动中完成离合动作；
18.换向中心共有3个与外界有转动能量传递的输入输出通道，通道1是上述电动机和蓄能飞轮的转动输入通道；通道2是换向中心与圆筒转子联结通道，用于把输入进换向中心的动力输出，驱动圆筒转子转动，还用于把转子叶片停车前的剩余转动能量反向传回换向中心；
19.换向中心第3个通道与储能弹簧联结，是在装有驱动电磁离合器的输入轴上，安装了与储能弹簧有运动联接的弹簧蓄能超越离合器，用于把转子叶片的剩余转动能量传回并存储在扭转蓄能弹簧中，以及当转子叶片反向启动时释放弹簧的储能，通过上述2组换向电磁离合器的不同组合状态，给圆筒转子传递转动方向改变后的初始启动能量；
20.电动机的转动传递进入换向中心后，风力机自动控制系统通过控制预定序列的电磁离合器组合，把电动机的单向转动变成圆筒转子的预定方向转动，并带动转子叶片按预定的加速度变频调速，目标是使转子叶片获得最佳的马格努斯效应，以产生在特定风速条件下的最大马格努斯升力；
21.上述转子叶片获得的马格努斯升力将通过支撑该转子的小车平台驱动小车沿轨道前进。
22.前进的小车车轮在轨道上滚动，车轮把运动传递给车载发电机转子，发电机发电。
23.小车的圆环形轨道在风力场中有迎风半圆弧(圆弧凸的方向正对迎风方向的半个圆周)和背风半圆弧(圆弧凸的方向正对背风方向的半个圆周)两部分组成。当轨道小车带动圆筒转子在迎风半圆弧轨道上运行结束后，需要进入背风半圆弧轨道继续环形运行。同理，小车完成在背风半圆弧轨道上运行后将进入下一个运行周期的迎风半圆弧继续运行，如此周而复始，车轮带动发电机连续旋转发电。
24.上述小车在被转子叶片驱动，完成由迎风半圆弧进入背风半圆弧轨道后，在转子叶片上产生的马格努斯升力作用方向需要发生反向变化才能促其继续推动轨道小车进行连续圆周运动，因此所运载的圆筒转子必须改变原有旋转方向，以改变其上的马格努斯升力方向，才能使小车获得沿上述固定环形方向连续运行的驱动力。
25.为此，在环形轨道一周范围内，迎风半圆弧和背风半圆弧的两个交界点，圆筒转子需要各变换一次转动方向。
26.由于转子叶片驱动系统具有一定质量和转动惯量，圆筒转子换向需要在上述两圆弧轨道交界点(转子换向点)前后附近的一个指定范围(换向区)内完成。
27.安装在车轮边的发电机为分布式发电布局，可以根据风场实时风速以及转子叶片实际获得的马格努斯力适时调整参与实际发电的发电机工作台数，以利于风力机的启动和风能的最大化利用。
28.有益效果：轮轨式垂直轴风力机可以借助轨道半径大的技术特征，车轮可以获得直接驱动发电机发电圆周速度，省去了一般由中心轴驱动的风力机需要升速齿轮箱把风力机转速升速后才能驱动发电机发电的成本；发电小车车轮均可独立驱动分布式小型发电机，运行时可根据现场风速选择参与发电的发电机个数，扩大风力发电的适用风速范围及风力转换效率；根据现场实际风速，变速驱动风力机转子叶片转速，使其获得最大风力效益。但该类风力机转子叶片在环形轨道上运行一周的范围内必须两次改变转动方向，解决好换向时的能量高效转换问题是提高风力机发电效率的关键技术。
附图说明
29.图1轮轨式垂直轴风力机总体结构示意图；
30.图2风力机转子叶片能量回收与释放装置示意图；
31.图3风力机转子叶片驱动与发电小车结构图；
32.图4圆筒转子叶片上马格努斯升力及驱动发电小车前进的示意图。
33.图中：1
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环形轨道，2
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发电小车，3
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小车联接架，4
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圆筒转子叶片，5
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转子叶片驱动电机，6
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飞轮储能超越离合器，7
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t形锥齿轮转向器1，8
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飞轮，9
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主传动链轮，10
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换向中心输入轴，11
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驱动电磁离合器，12
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弹簧储能超越离合器，13
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轴间传动链轮，14
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电磁离合器与换向齿轮1，15
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电磁离合器与换向齿轮2，16
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换向中介齿轮，17
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换向中心输出轴，18
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t形锥齿轮转向器2，19
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圆筒转子叶片，20
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电磁制动器，21
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储能弹簧，22
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储能传动链轮，23
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小车转向架，24
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车轮发电装置。
具体实施方式
34.本发明实施例中提供了一种轮轨式垂直轴风力机转子叶片能量回收与释放装置
及其运行方法，由环形轨道、发电小车、小车联接架、圆筒转子叶片、转子叶片驱动电机、飞轮储能超越离合器、t形锥齿轮转向器1、飞轮、主传动链轮、换向中心输入轴、驱动专用电磁离合器、弹簧储能用超越离合器、轴间传动链轮、电磁离合器与换向齿轮1、电磁离合器与换向齿轮2、换向中介齿轮、换向中心输出轴、t形锥齿轮转向器2、电磁制动器、储能弹簧、储能传动链轮、小车转向架、车轮发电装置等组成。
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰地描述，显然，描述的实施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，普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
36.图1所示为环形轨道1上均布着由三辆发电小车2通过小车联接架3组成的轮轨式垂直轴风力机的一种总体结构布局，圆筒转子叶片4为风力机沿轨道做旋转运动的风力机动力叶片。
37.本风力机结构原理及在运行中的控制方法及过程详述如下：
38.平面环形轨道1上均布了3个载有圆柱筒形转子的轨道发电小车2，这些小车通过小车联接架3相互连接，组成轮轨式垂直轴风力机的整体架构，风力机电气控制与电力传输部件安装在风力机整体构架中心部位(图中未画出)；
39.图1、图4所示，设风力场中的风速稳定，达到风力机正常运行的要求，组成风力机的某一辆小车2正运行在迎风(或背风)半圆弧轨道上，其上的圆筒转子4正在其驱动电动机5的驱动下按预定转向和转速转动；
40.图4所示，转子叶片4在风场中的自转获得了足够的马格努斯升力，升力的方向与风力垂直并遵守流体力学原理，推动着小车沿其轨道前进，车轮滚动带动发电机发电，输出的电能通过电力传输部件输出。
41.当小车2运载着圆筒转子4运行到接近迎风半圆弧和背风半圆弧交点附近(上述换向区)指定范围，风力机控制中心发出指令，换向中心的驱动电磁离合器11“离”，切断电动机与圆筒转子的驱动联系，圆筒转子4在惯性的作用下自由转动；
42.随后，风力机控制系统判定圆筒转子的当前转动方向，向电磁离合器与换向齿轮14(根据转子当前转向也或选择向电磁离合器与换向齿轮15)发出通电工作信号，把圆筒转子4的正向(或反向)的自由转动统一转换成换向中心输入轴10的与电动机输入转动方向相反的转动；
43.如上述，此时安装在输入轴10上的驱动电磁离合器11处于“离”的状态，转子叶片与电动机5和飞轮蓄能器8没有运动联系，而与电动机输入转动方向相反的输入轴的反向转动则通过弹簧储能超越离合器12的“合”，并进而通过储能传动链轮22带动蓄能弹簧21扭转蓄能(普通自行车飞轮轴和脚蹬轴有与此类似的“超越离合器”运动关系，当自行车飞轮轴(后轮)向自行车后退方向转动时，必带动脚踏板轴一起反向转动，此时的自行车飞轮轴相当于上述输入轴，脚踏板轴相当于此处的蓄能弹簧转轴，因此输入轴10的反转必将带动蓄能弹簧21扭转)，把圆筒转子剩余的惯性能转换成弹性势能存储；
44.圆筒转子4在其惯性能逐渐转换成弹性势能后减速直至停转，控制中心检测到转子4的停车信号后，控制电磁制动器20制动，转子刹车，锁存弹簧储存的弹性势能；
45.另一方面，电动机5在被上述驱动电磁离合器11切断与输入轴10的运动联系后，整
体负载降低，为了发挥电动机的驱动能力，此时启动电动机变频加速，飞轮蓄能超越离合器6“合”，带动飞轮8加速转动以储存能量；
46.当上述电动机5带动飞轮8加速到指定转速(理论上是能达到的转速越高越好，但实际受各种条件限制，可根据计算和现场试验确定)后，电动机5随后降频减速到n1(解释见后续)，此时飞轮8转速高于电动机5转速，超越离合器处于“离”的状态，飞轮8在惯性的作用下自由转动，不受电动机5转速减低影响；
47.另一方面，轨道小车2运载着已经停转的圆筒转子4到达并通过指定转向点，电磁制动器20指令撤销，被锁存的弹簧转轴通过其超越离合器12，向换向中心输入轴10输出与电动机5和飞轮转向相同的正向驱动力矩(类似于自行车脚踏板轴正向转动必然带动处于静止的后轮向前进方向转动)，弹性势能通过换向电磁离合器15(根据转子叶片需要的转向需求在15或14中择一选用)，按预定的方向把转矩传递给圆筒转子4作为变向的启动力矩，直至弹簧能量全部释放，弹簧转轴停止转动；
48.此时圆筒转子4已经启动，其转速超越弹簧转轴后，弹簧储能超越离合器12由“合”变为“离”的状态，弹簧转轴的停止转动已不再能影响输入轴10的正向转动(类似于自行车前进时一旦后轮的转速超越了脚踏板的驱动转速，脚踏板轴的停转不影响自行车的前进)，弹簧蓄能系统自动脱离转子叶片的驱动；
49.控制中心接到弹簧转轴转速传感器(图中未标出)传来的停转信号后，指令驱动电磁离合器11接通，由于此时电动机的转速远低于蓄能飞轮8的转速，在飞轮储能超越离合器6的作用下，飞轮处于自由转动状态，因此离合器11的接通使得圆筒转子4只吸收飞轮8的转动能量，转子转速提高，飞轮的转速降低，最终转速趋同于一个与系统惯性以及与蓄能弹簧和飞轮特性等相关的转子初始转速n0；
50.上述转子初始转速n0对一个已经建好的(如转子转速、转动惯量、弹性蓄能参数等一定)系统为一个相对稳定的值，可以通过计算或试验大致确定；
51.上述电动机降频减速到n1应小于或等于n0，即确保圆筒转子4反转启动阶段，在获取从蓄能弹簧21和飞轮8释放的能量后，转子的实时初速度仍“超越”电动机5的实时转速，由于在此前提下超越离合器处于“离”状态，电动机5此时不参与圆筒转子4的实际驱动。
52.上述做法的原因在于：为提高效能，用于圆筒转子叶片驱动的为永磁同步电动机，在转子换向时期，转子启动时的有效力矩受弹簧蓄能反送、飞轮蓄能反送等多方因素交叉影响，难以精确确定其实际加速度数值，此时电机参与驱动容易造成“堵转”或转子带动电动机的“超转”等同步电动机运行中不允许出现的现象。而当所有蓄能反送完成后，圆柱筒转子系统变为由电动机独立驱动，此时可计算或试验出负载的真实大小，才可为电动机有效驱动提供依据。
53.电动机5转速由n1加速接近并有超越n0的趋势后，电动机负载变大，其驱动时预定的调频加速度需要根据驱动电动机额定容量和机械系统实际参数通过计算和试验结合的方式确定，在避免电动机超载的情况下发挥其最合理驱动能力，即可结合实际圆筒转子驱动系统的转动惯量和电动机额定输出转矩等综合参数，计算出可保证电动机正常运行的最大转速加速度，以此作为电动机变频加速控制的理论依据，以预定的加速度控制电动机变频加速，驱动圆筒转子向能够获得最大马格努斯升力的目标加速转动。
54.最新研究表明，圆筒转子上所产生的马格努斯效应力，取决于来流风速和转筒半
径与其角速度乘积，同等风速下，圆筒线速度越大马格努斯力越大，并在转筒角速度与其半径乘积等于来流风速4倍时达到其最大值，即转子叶片的马格努斯效应达到顶峰，此后转筒转速的增加不再能使转子叶片上的升力增加；另一方面，风速越大所能产生的马格努斯力也越大；图4所示，转子叶片4上的马格努斯力对推动发电小车运行的效益也受圆筒转子在环形轨道上位置随时变化的影响，即在转子由换向区驰向迎风(或背风)半圆弧中点过程中，马格努斯力的方向与小车运行的轨道切线方向夹角(压力角)逐渐变小，机械效益逐渐变大，在继续运行到下一个换向区过程中，压力角逐渐变大，机械效益逐渐变小；综合上述因素，风力机转子从某一换向点启动后，按正弦加速曲线加速到转筒角速度与其半径乘积等于来流风速4倍运行时，可以获得好的综合效益。
55.因此，风力机实际运行中，其控制中心须对风力机工作现场风向和风速进行实时测量，首先需要根据风向在轨道1上确定转子叶片的两个换向点及换向区；再者根据风速，使用设计的控制算法计算出实时风速下转子叶片能够获得最佳马格努斯力的转子理想转速n2，并参照转子在轨道上所处的方位，结合电动机驱动能力及实际机械系统惯性参数，综合给出电动机在上述条件下的合理调频加速度，即在充分发挥驱动电动机最大许可输出转矩的前提下，以此理想转速为目标持续加速，直至达到n2后转为恒速运行；
56.轨道小车2在上述马格努斯力的驱动下，运载着圆筒转子4沿着轨道1连续运行，直至进入下一个转子换向区，进行下一个循环。
57.以上对本发明所提供的一种轮轨式垂直轴风力机结构及其运行方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。