CN101061311A - 竖直轴型风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竖直轴型风力发电机，并被特别用于提供电力、泵送水或储存势能。更具体地说，本发明的风力涡轮机包括两个叶片，所述叶片通过各自的下端部与柱(4)上的旋转支撑台连接。特别地，利用支撑在该柱上并与该旋转支撑台连接的刚性杆，每个所述叶片还通过其上端部与所述旋转支撑台连接。

Description

竖直轴型风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种竖直轴型风力涡轮机，并被特别用于提供电力、泵送水或储存势能。

背景技术

现今，出现了用风力涡轮机代替传统能源的重要取代方法。和这些传统能源不同，风能可再生，无气体排放的污染，也不对大气或陆地造成废弃物的污染。

最近这种能源的发展加快。这种加快同时使得风力涡轮机的可靠性、规模和产量的提高，从而将生成千瓦小时的生产成本降低到相对其它能源具有竞争力的水平。

可将风力涡轮机一般分为两大类：竖直轴型风力涡轮机和水平轴型风力涡轮机。

水平轴型风力涡轮机的示例示于图1a中，该涡轮机或许是一种人们熟知且使用最广泛的风力涡轮机。这种风力涡轮机一般包括1、2、3三个叶片，分别通过它们的两个端部之一1a、2a、3a固定在竖直的柱或一个柱4上的同一单个点5处，这些叶片1、2、3驱动水平轴旋转，该水平轴和驱动装置12或舱室中的交流涡轮机、或涡轮机相连接。可以将这种风力涡轮机和看做是风车的更新产物，只是用机翼代替了原来的木头翼板。

因为高处的风大，所以柱4的高度H对功率是有影响的。同样，叶片1、2、3的长度对功率亦有影响，因为这些叶片决定了扫过的空气盘的面积S，而提供的功率和这个面积S成正比。

这类风力涡轮机的缺陷之一是因为舱室12位于柱4的顶部，因而对其维护复杂且危险。第二个主要缺陷就是风力涡轮机的水平轴是单向的。因而，它需要一个定向装置和一个发动机以随着风的方向调整这个方向。这个定向装置一般整合在舱室12中或者与舱室12相连，处在柱4的顶上。而且，这种风力涡轮机还生成噪音扰乱，这主要是和叶片打击空气盘的速度以及和同轴推动有关。

竖直轴型风力涡轮机的示例示于图1b中，直至今日很少使用。其运动原理类似于风速计的运动原理：使用一对发动机驱动发动机或如水泵之类的机械装置。

示于图1b中的示例较为知名，为“Darrieus”型风力涡轮机，包括两个(或三个)叶片1和2，所述叶片在其端部1a、2a和1b、2b分别固定在竖直的柱或柱4的同一低处单个点和同一高处单个点处。得到的旋转体是抛物线型的，但也可以是圆柱形或圆台形的(truncated)。

此处，因为高处的风大，所以柱4的高度H依然影响发电，并且叶片1、2的上端1b、2b不能高过柱4的顶部。对于恒定的高度H，叶片1、2的长度和曲率也对功率有影响，这是因为这些叶片限定了扫过空气柱的面积或扫过空气流的面积S，而其功率和这个面积S成正比。

这种类型风力涡轮机相比水平轴型风力涡轮机的优点特别在于其维修容易，因为它的所有的发动机都在地面或接近地面，处在驱动装置12中。除其它件之外，该驱动装置12中还包括能量生成器。而且，对于相同的功率，噪声也减少了。此外，这类风力涡轮机是全方向的，勿需用于定向的电子控制装置。

然而，这样的竖直轴型风力涡轮机有一定数目的重要缺陷，一定程度来说，这是其远不及水平轴型风力涡轮机普及的根本原因。特别地，因为要用其本身的作用来使叶片1、2转动，所以这种类型的风力涡轮机不能独立起动。因而，需要一个起动系统，但这样又使得这种风力涡轮机的安装、运行和维护都复杂了。

而且，这种风力涡轮机需要使用拉条或牵索6、7，所述拉条或牵索从柱的顶部开始，将该组件固定在地面上。对于大功率的风力涡轮机，其缆绳支撑在地上所占用的面积就相当大。事实上，各牵索6、7相当大地限制了赤道直径，因此限制了扫掠面积，从而限制了功率。现在，对于相同的柱高度H，为了取得和图1a中的水平轴型风力涡轮机基本相等的扫掠面积，就要增加叶片1、2的长度和曲率，来使赤道半径从D增大到D′。但这样做需要使缆绳支撑分得更开，如图中用牵索6′、7′所示出的，从而使得占地面积极为巨大。

同样，由于这种风力涡轮机的发动机接近地面安装，所以这里的风速自然小于高处的风速，并且所受的扰动和变化又更为频繁，这就使得捕捉能量的区域更小。这就显著降低了该装置的效用。

最后，如前所述，其扫掠面积受到限制，因而功率受到限制。然而，除了别的因素，这个面积还受到叶片高度的限制，而叶片的高度受到柱高度的限制，柱高度又受到管理规章的限制。

发明内容

因而，提供一种可靠而简单的解决上述缺点的方案。本发明的目的在于基于“Darrieus”型的风力涡轮机提供一种竖直轴型风力涡轮机，该涡轮机是通过显著增加叶片的高度而不增加柱的高度使得效率大为提高，所用的安装地面的面积大为缩小，不需要电力起动，容易维护。

为此，本发明的竖直轴型风力涡轮机包括在同一个低处点上和柱相连的叶片。因而，对于高度相同的柱，其叶片的高度可以升高到比使用现有技术的风力涡轮机的叶片的高度高出许多，因此可以捕捉到更强的风并且扫掠面积大，因而效率更高。而且，其每个叶片的上端部也通过刚性杆连在柱的同一单个低处点上。这些刚性杆支撑在柱上，使得叶片顶部处由强风所施加的力向下传递，到达旋转支撑台上。这样降低了剪应力的作用，不需要使用拉条或牵索，并且由于风力涡轮机能够自己起动而省去了起动机构。

因而，本发明涉及一种竖直轴型风力涡轮机，其包括至少两个叶片，所述叶片通过各自的下端部与柱的旋转支撑台相连。

该风力涡轮机的特征在于，利用支撑在该柱上并和这个旋转支撑台连接的刚性杆，每个叶片通过其上端部和该柱的旋转支撑台连接。

在第一变型实施方式中，刚性杆和旋转支撑台之间的连接是通过旋转支撑台的上部来实现的。

在第二变型实施方式中，刚性杆和旋转支撑台之间的连接是通过旋转支撑台的下部来实现的。

在另一变型实施方式中，选择性地结合以上任一实施方式，所述叶片的长度大于所述杆的长度。

在又一变型实施方式中，选择性地结合以上任一实施方式，所述旋转支撑台和柱之间的距离小于所述柱的顶部和叶片的上端部在所述柱的竖直轴线上的投影之间的距离。

该距离优选比柱的顶部和叶片的上端部在柱的竖直轴线上的投影之间的距离的三分之一还小。

在还一变型实施方式中，选择性地结合以上任一实施方式，所述旋转支撑台和叶片的上端部在柱的竖直轴线上的投影之间的距离比柱的高度的两倍大。

可选地，赤道直径大于柱的高度。该赤道直径优选比柱的高度的3倍还大。

在另一变型实施方式中，选择性地结合以上任一实施方式，本发明的风力涡轮机包括：分别位于所述旋转支撑台上方和下方的第一和第二电磁元件；以及为这些电磁元件供电的极性和亮度都可调的电源装置。

特别地，本发明的竖直轴型风力涡轮机因为其扫掠面积和全方向特性而具有生产率高的优点。又因其叶片是两点固定，并可以在地面实施机械维修，因而极大地提高了安全性。本发明的风力涡轮机更为安静，因此减小了噪声干扰。

附图说明

通过阅读对这种装置的优选实施方式变型的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得非常明显，以下描述通过非限制性示例的方式并参考下列附图给出：

图1a、1b分别示意性地示出了现有技术的两种风力涡轮机；

图2a、2b分别用三维图形和二维投影图的两种视图方式示意性地示出了本发明的风力涡轮机的示例性实施方式；

图3示意性地示出了本发明的风力涡轮机的驱动装置的一部分。

具体实施方式

图1a和1b分别示意性地示出了现有技术的水平轴型风力涡轮机和现有技术的竖直轴型风力涡轮机，这在前面已经做了描述。

图2a和2b示意性地示出了本发明的风力涡轮机的示例性实施方式。

在图2a中，该风力涡轮机是用三维图形示出的。它包括高度为H的竖直柱或柱4以及旋转支撑台5。三个叶片1、2、3通过其各自的下端部1a、2a、3a与该旋转支撑台5相连。

该旋转支撑台5还支撑三个刚性杆8、9、10，其优选为金属制造的。所述刚性杆分别连接到三个叶片1、2、3的三个上端部1b、2b、3b。

杆8、9、10靠置在柱4上，因而使得在叶片顶部处由强风所施加的力传向下方。因而风力涡轮机可以独立起动。

在这个实施方式中，风力发电机包括三个叶片，但它可以只包括两个叶片或包括三个以上的叶片。当然，就双叶片风力涡轮机来说，这两个叶片布置在通过竖直旋转轴线的同一平面内。

在图2b中，以二维投影图示出了图2a中的风力涡轮机。为了简化视图和方便理解视图，未示出第三叶片3。

因而，除了叶片3及与叶片3相连的杆10以外，图2b示出的构件与2a中的构件相同。

在这个变型实施方式(图2a或图2b)中，每个杆8、9、10与旋转支撑台5在该旋转支撑台的顶部连接。或者，也可以从底部实施该连接。

在图2b中还示出了驱动装置12，参考图3将对它的一部分做更详细的说明。

图2b所示出的风力涡轮机，或者更确切地说是它的旋转体，具有一个赤道直径(equatorial diameter)D及扫掠面积S。

通过与图1a和图1b相比较，可以说，基于相同的柱高度H，该扫掠面积S要大得多。在一个实施方式中，基于相同的柱高度H，本发明的风力涡轮机所扫过的面积与现有技术(图1a与图1b)之一的风力涡轮机所扫过的面积之比至少为7。

很显然，叶片1、2的长度远远大于杆8、9的长度。因而所得到的叶片的曲率对于赤道直径来说达到很高的值，而不需增加柱的高度H。

该赤道直径D优选大于柱4的高度。

在一个变型实施方式中，赤道直径D比柱4的高度大3倍以上。

更优选地，为了使这个旋转体达到一个相当高的高度而在高处捕捉到更强的风，旋转支撑台5可位于接近柱4的顶部处。这样，叶片1、2的下端部1a、2a也可位于接近柱4的顶部处，并且叶片1、2的上端部1b、2b可以上升到一个相当高的高度。

在一变型实施方式中，旋转支撑台5和柱4的顶部之间的距离小于柱4的顶部和叶片1、2的上端部1b、2b在柱4的竖直轴线(或旋转轴线)上的投影之间的距离。

在另一变型实施方式中，旋转支撑台5和柱4的顶部之间的距离比柱4的顶部和叶片1、2的上端部1b、2b在柱4的竖直轴线(或旋转轴)上的投影之间的距离的三分之一还小。

在又一变型实施方式中，选择性地与前述多个实施方式中的一个结合，旋转支撑台5和叶片1、2的上端1b、2b在柱4的竖直轴线或旋转轴上的投影之间的距离大于柱4的高度的2倍。

因而，在一个实施方式中，在柱高度H不变时，旋转体达到的高度至少比现有技术(图1a和1b)的风力发电机的任意一个旋转体达到的高度的三倍还高。

图3示意性地示出了本发明的风力涡轮机的驱动装置12的一部分。

按照传统的方法，旋转支撑台5绕柱4旋转，其通过轴承15和柱连接，并通过初级轴19和倍增器16连接。这个倍增器(multiplier)16再通过次级轴20和涡轮机或交流涡轮机17连接。在倍增器16与涡轮机17之间布置有制动器18。

对驱动装置12的不同构件的分个描述纯粹是功能性的并通过示例方式给出。例如，完全可以将倍增器16整合在涡轮机或交流电机17内，就像已知的某些类型的驱动装置一样。

特别地，两个电磁元件13、14布置在柱4的周围，分别在旋转支撑台5的上方和下方。这些元件可以为电磁线圈，起到调节慢速轴的旋转速度的调节器的作用并起到为了更安全的补偿制动器的作用。

使用一个极性和亮度大小都可调的电源装置11对这些电磁元件13、14供电。适当的调节和/或控制使得电磁元件13、14中的一个或另一个逐渐向旋转支撑台5吸引。

这些元件13、14设有制动盘，能够电磁制动，如以上所述，可以作为在次级轴20上的传统制动器的补充。因而这些元件能够使附加的安全机构运行。

上面的全部描述仅作为示例给出，并非对本发明构成限制。

Claims (10)

1.一种竖直轴型风力涡轮机，其包括至少两个叶片(1，2)，这两个叶片(1，2)通过其各自的下端部(1a，2a)与柱(4)的旋转支撑台(5)相连，其特征在于，利用支撑在所述柱(4)上并与所述旋转支撑台(5)连接的刚性杆(8，9)，每个所述叶片(1，2)还通过其上端部(1b，2b)与所述柱(4)的所述旋转支撑台(5)连接。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，在所述刚性杆(8，9)和所述旋转支撑台(5)之间的连接是在所述旋转支撑台(5)的上方实现的。

3.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述刚性杆(8，9)和所述旋转支撑台(5)之间的连接是在所述旋转支撑台(5)的下方实现的。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述叶片(1，2)的长度大于所述杆(8，9)的长度。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述旋转支撑台(5)与柱(4)的顶部之间的距离小于所述柱(4)的顶部与所述叶片(1，2)的上端部(1b，2b)在所述柱(4)的竖直轴线上的投影之间的距离。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，其特征在于，所述旋转支撑台(5)与所述柱(4)的顶部之间的距离小于所述柱(4)的顶部和所述叶片(1，2)的所述上端部(1b，2b)在所述柱(4)的竖直轴线上的投影之间的距离的三分之一。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，所述旋转支撑台(5)与所述叶片(1，2)的所述上端部(1b，2b)在所述柱(4)的竖直轴线上的投影之间的距离大于所述柱(4)的高度的2倍。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，其赤道直径大于所述柱(4)的高度。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其特征在于，其赤道直径大于所述柱(4)的高度的3倍。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的风力涡轮机，其特征在于，它包括驱动装置(12)，而所述驱动装置又包括：分别位于所述旋转支撑台(5)上方和下方的第一和第二电磁元件(13，14)；以及为所述电磁元件(13，14)供电的、极性和亮度都可调的电源装置(11)。

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