CN101749179B - 一种用于垂直轴风力发电机的整流增速塔 - Google Patents

一种用于垂直轴风力发电机的整流增速塔 Download PDF

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Abstract

一种用于垂直轴风力发电机的整流增速装置。其外形为一层或多层塔状结构，由塔座(1)、整流罩(2)、塔檐(3)、塔顶(4)组成，塔的中心呈现中空的柱状空心室，室内用于安放垂直轴风力发电机组。本发明具有降低增速器的增速比、改善垂直轴风力机的受力状况、改善风力机工况、提高风力机稳定性和使用寿命、降低风力机的设计难度、降低风力机制造和运输成本、保护生态环境、外形美观等优点。

Description

一种用于垂直轴风力发电机的整流增速塔
技术领域
本发明涉及一种用于垂直轴风力发电机的整流增速装置，属于新能源和机械工程领域。
技术背景
风力机是一种将风能转换为机械能的能量转换装置，根据风轮的旋转方向、风轮结构及其在气流中的位置不同，风力机可以分为水平轴风力机(HAWT)和垂直轴风力机(VAWT)。水平轴风力机的启动风速低、风能利用效率高，是目前风力发电机系统的主流设备，应用非常广泛，但是水平轴风力发电机也具有如下缺点：(1)叶片设计及制造难度较大；(2)叶片根部所受弯曲应力大；(3)需要安装迎风调节装置，并且风轮盘面不可能始终正对风向，研究表明，风向偏离40°会减少50％能量利用率；(4)机械系统复杂，制造成本高，实现高可靠性的难度大；(5)水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，机组重心高、不稳定、结构复杂而且安装维护不便；(6)叶片切割气流将产生很大的气动噪音，同时，很多鸟类在这样的高速叶片下很难幸免于难，对生态环境造成很大的影响。
由于以上特点，水平轴发电机一般安装在野外风力强且人口稀疏地区，不适宜应用在电力需求最大的人口密集地区，因而也不适用于家庭、边防哨所等小型发电需求的场所。
随着科技的发展及研究的深入，人们发现垂直轴发电机在很多方面具有优势，而且它的缺点都可以通过新的技术手段克服。相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机还有如下优点：(1)垂直轴风力发电机组的发电机安装，齿轮箱放置在底部，重心低、稳定、安装维护方便且成本低；(2)水平轴风力发电机的叶片受到正面风载荷力、离心力，叶片结构相似悬臂梁，受力结构不合理，影响风力机寿命；而垂直轴风力机叶片可以采用双端支撑结构，受力状态合理，不易折断，寿命长；(3)垂直轴风力机噪音小，可应用于人口密集地区(如城市公共设施，民宅等)；(4)垂直轴风力机结构简单、制造成本远远低于水平轴风力机。
鉴于垂直轴风力机比水平轴风力机具有更广阔的应用前景，本发明提供一种用于垂直轴风力发电机的整流增速装置。该装置既可调节风流方向使之更有利于驱动风力机转子运动，又可提高风流速度，从而简化或取消风力机的增速器、提高风力机工作效率，同时它还可以缩小风力机转子的结构尺寸、提高风力机的支撑能力和运行稳定性，大大降低了风力机的制造成本、延长了风力机的使用寿命，既可以安装在野外风力强且人口系数地区，又可以建设在人口密集地区、甚至楼顶上，因而也适用于家庭、边防哨所等用电需求的场所，也可用于在海面上建设浮艇式风力发电机。
发明内容
所述的用于垂直轴风力发电机的整流增速塔，其外形如图1所示，为1层或多层的多边形或圆形塔状结构，由塔座1、整流罩2、塔檐3(对于单层塔，可以没有塔檐3)、塔顶4组成，塔的中心呈现中空的柱状空心室，室内用于安放垂直轴风力发电机组。所述的塔座1为整流增速塔的基座，主要起支撑作用，也是安装风力机控制系统和输变电、储能设备的场所；所述的整流罩2由一组导流板阵列组成，主要起气流整流和增速的作用，使之更有利于风能的利用，同时也是塔身的支撑构件；所述的塔檐3是在塔身周向连接各导流板的结构件，起到增强导流板的支撑能力、改善受力状态、修饰塔的外观造型的作用，同时也是风力机安装、维修的工作平台；所述的塔顶4是整流增速塔的顶盖，用于风力机定子的上端支撑、封闭风力发电机以改善风力发电机的工作环境，同时用于塔的造型设计和安装避雷针。
所述的导流板阵列，如图2、图3所示，由一组(4块以上)平板或弧形板组成，其上端与塔檐3或塔顶4相连接、其下端与塔座1或塔檐3相连接，导流板组分布于以塔心为圆心的圆周方向并与半径方向成一定角度α(如图3所示)，α的取值范围为0～30°。导流板分为固定式和活动式两种结构形式，固定式导流板的结构如图2、图3所示。所述的活动式导流板结构如图4、图5所示。在图5中，每块导流板由固定部分和活动部分组成，其中固定部分的上端与塔檐3或塔顶4相连接、下端与塔座1或塔檐3相连接，活动部分通过活页、转动轴或者滑道与固定导流板或者塔身其它固定部分相连接，导流板的活动部分在风力或者驱动机构作用下，处于迎风面(风流入口通道)的导流板可以展开，起到增加风速的作用，还可以根据风力机叶片最佳攻角要求改善导流板的角度，改善风力机的工况，而处于背风面(风流出口通道)的活动导流板可以折叠起来，起到减小排风阻力的作用。
所述的整流罩2的整流增速原理如图6所示，在圆周方向分布的一组导流板构成一组增速风洞，从某方向吹来的气流经过整流罩周向分布的风洞进入整流罩内室，驱动塔内的垂直轴风力机转子旋转，整流罩内室的气流在完成驱动叶轮做功之后，经过整流罩另一侧的风洞排出。在导流板的作用下，可以使阵风、湍流等不稳定气流较稳定地进入整流室内室，并使气流按照设计的方向流动，从而起到整流作用。由于迎风面的风洞入口面积大，而出口面积小，从而使整流罩室内的风速提高，起到增速的作用。增速效果可由下式计算：
v i = S o S i v o
式中vi——整流罩迎风面入流风风速，m/s；
    vo——增速风洞中的出流风速，即整流罩室内入流风风速，m/s；
So——整流罩迎风面风洞入口面积，m2；
Si——增速风洞中的出口面积，即整流罩内室入口面积，m2。
本发明具有如下优点：
1)整流罩可使气流按照预定路线进入导流罩内室进行做功，提高入流风速，使得叶轮转速提高，从而降低增速器的增速比，降低了制造成本；
2)塔身起到支撑整个风力机构架的作用，使得垂直轴风力机可以实现两端支撑，改善垂直轴风力机的受力状况，提高风力机稳定性和使用寿命；
3)导流板的活动部分可以保证风向对着风力机叶片的最佳迎风角度，导流板的活动部分在风力或者驱动机构作用下，处于塔的迎风面的导流板可以展开，起到增加风速的作用，而处于背风面的活动导流板可以折叠起来，起到减少排风阻力的作用，从而改善风力机的工况，提高风能利用率；
4)由于整流罩的增速作用，可大大减小风力机的结构参数，从而降低风力机的设计难度以及制造和运输成本；
5)塔形结构简单、坚固，便于制造，易于维护，可降低风力机的制造成本；
6)采用塔形结构，将风力机与东方文化有机结合，外形美观，有助于风电场的景观设计；
7)由于整流增速塔的存在，可以避免鸟类受到伤害，保护生态环境；
8)可以避免风力机日晒、雨雪浇淋和减少风沙伤害，改善风力机工况、延长风力机寿命。
附图说明
图1整流增速塔的正视图；
图2固定导流板式整流增速塔的立式剖面图；
图3固定导流板式整流增速塔的横截面图；
图4可调导流板式整流增速塔的立式剖面图；
图5可调导流板式整流增速塔的横截面图；
图6整流流场图；
图7(a)～(b)是导流板回转式调节方式的实现方案；
图8(a)～(c)导流板推拉式调节方式的实现方案；
图9(a)～(c)导流板平移式调节方式的实现方案；
图10(a)～(b)阻力型风力发电塔的实现方案；
图11(a)～(b)升力型风力发电塔的实现方案；
图12电机简化结构剖视图。
具体实施方法
通过下面给出的本发明的具体实施例可以更清楚的了解本发明，但不是对本发明的限定。
具体实施实例1：(固定导流板式整流增速塔)
固定导流板式整流增速塔如图2、图3所示，导流罩由一组(4块以上)平板或弧形板组成，其上端与塔檐3或塔顶4相连接、其下端与塔座1或塔檐3相连接，导流板组分布于以塔心为圆心的圆周方向并与半径方向成一定角度α(如图3所示)，α的取值范围为0～23°。塔的中心呈现中空的柱状空心室，室内用于安放垂直轴风力发电机组。
具体实施实例2：(导流板回转式调节方式的实现方案)
如图7(a)所示，每块导流板2由固定部分21和活动部分组成22，其中固定部分21的上端与塔顶4相连接、下端与塔座1相连接，活动部分22通过转动轴23与固定部分21相连接，导流板的活动部分22在外力驱动下，可以绕转动轴23旋转。导流板活动部分调节方式如图7(b)所示，电机27通过联轴器26与减速器25连接，减速器连接转动轴23，通过电机控制转动轴23转动，从而带动活动部分22旋转。
假设风向至左向右，则图7(a)所示左边风洞为迎风向，右侧风洞为背风向，左侧迎风向导流板的活动部分根据风力机叶片所需求的角度转动打开，而右侧背风向导流板的活动部分则转动至与固定部分完全贴合，使排风口面积达到最大，减小排风阻力，从而提高了风力机效率。
具体实施实例3：(导流板推拉式调节方式的实现方案)
如图8(a)所示，导流板2由固定部分21和活动部分22组成，其中固定部分21下部与底座1相连接，上部与塔顶4相连接，固定部分21和活动部分22之间由活页23连接，活动部分22在外力驱动下可以转动。导流板活动部分调节方式如图8(b)所示，电机27通过联轴器与丝杠28连接，丝杠上装有滑动导轨29，导轨29通过连杆24和活动部分22相连接，工作台29可在导杆25上滑动。电机27驱动丝杠28转动而带动活动工作台29沿导杆25直线运动，工作台29推动连杆24运动，从而驱动导流板活动部分22转动。导流板调节也可以采用气缸驱动，如图8(c)所示。
假设风向至左向右，则图8(a)左边风洞为迎风向，右侧风洞为背风向，左侧迎风向导流板的活动部分根据风力机叶片所需求的角度打开，而右侧背风向导流板的的活动部分则转动至与固定板完全贴合，使排风口面积达到最大，减小排风阻力，从而提高了风力机效率。
具体实施实例4：(导流板平移式调节方式的实现方案)
如图9(a)所示，导流板2由固定部分21和活动部分22组成，其中固定部分21下部与底座1相连接，上部与塔顶4相连接，活动部分22下部装有滑轮，底座1上装有滑道23(如图9(b)虚线所示)，活动部分22在外力驱动下可以沿滑道23滑动。导流板活动部分调节方式如图9(b)所示，电机27通过联轴器26与丝杠28连接，丝杠上装有滑动导轨29并通过杆24与活动部分22相连接，导轨29可在导杆25上滑动。通过电机27控制丝杠28转动来驱动导轨29沿导杆25直线运动，推动固定杆24，从而带动活动部分22沿滑道23运动。导流板调节也可以采用气缸驱动，如图9(c)所示。
假设风向至左向右，则图9(a)左边风洞为迎风向，右侧风洞为背风向，，左侧迎风向导流板的活动部分滑动至如图9(a)所示位置，虽然角度不可以调节，但仍然减小了风洞出口的面积，这样就增加了风洞出口风速，使叶轮所受风速增大，而右侧背风向导流板的活动部分则滑动至与固定部分完全贴合，使排风口面积达到最大，减小排风阻力，从而提高了风力机效率。
具体实施实例5：(阻力型风力发电塔的实现方案)
本实例是将整流增速塔应用于阻力型风力发电机。如图10所示，将一种S型风力机安装于整流增速塔的中心。其中风力发电机的电机7采用外转子结构，如图12所示，其定子绕组73与固定轴8固定连接，转子绕组74与电机的外壳75固定连接，S型叶片5的上下两端分别与电机的两个轴承端盖6连接固定，轴承端盖6与电机外壳(外转子)75相连接。轴8立于塔的中心位置，风经过增速塔进入，吹动叶片，产生旋转力矩，该力矩通过叶片5传递给电机外壳75，从而推动电机外转子旋转。
本例中整流增速塔的导流板活动部分采用回转轴式调节形式，每块导流板2由固定部分21和活动部分组成22，其中固定部分21的上端与塔顶4相连接、下端与塔座1相连接，活动部分22通过转动轴23与固定部分21相连接，导流板的活动部分22在外力驱动下，可以绕转动轴23旋转。
假设风向由左至右，则图10(a)左边风洞为迎风向，右侧风洞为背风向。根据风向先调节各导流板活动部分位置，左侧迎风向导流板的活动部分根据S型风力机叶片位置转动一定角度，使由左侧风洞进入的风向正对于S型叶片的凹面，而右侧背风向导流板的活动部分则转动至与固定部分完全贴合。
风流由左边风洞进入，经过风洞整流增速后吹向S型叶片，推动叶轮旋转，风流随叶轮流至背风向，由于背风向导流板的活动部分完全收了起来，排风面积增大，使到达背风向的风流更容易流出，这样减小了内部风轮阻力，提高了风轮转速，相对于没有加整流增速塔的S型风力机，可以获得更高的风能利用率。
具体实施实例6：(升力型风力发电塔的实现方案)
本实例是将整流增速塔应用于升力型风力发电机。如图11所示，将一种升力型风力机安装于整流增速塔的中心。其中风力发电机的电机7采用外转子结构，如图12所示，其定子绕组73与固定轴8固定连接，转子绕组74与电机的外壳75固定连接，翼型叶片5的上下两端分别与电机的两个轴承端盖6连接固定，轴承端盖6与电机外壳(外转子)75相连接。轴8立于塔的中心位置，风经过增速塔进入，吹动叶片，产生旋转力矩，该力矩通过叶片5传递给电机外壳75，从而推动电机外转子旋转。
本例中整流增速塔的导流板活动部分采用回转轴式调节形式，每块导流板2由固定部分21和活动部分组成22，其中固定部分21的上端与塔顶4相连接、下端与塔座1相连接，活动部分22通过转动轴23与固定导流板21相连接，导流板的活动部分21在外力驱动下，可以绕转动轴23旋转。
假设风向由左至右，则图11(a)左边风洞为迎风向，右侧风洞为背风向。根据风向先调节各导流板活动部分位置，左侧迎风向导流板的活动部分根据风力机翼型最佳迎风角度进行转动调节，使风流由左侧风洞进入后的风向与翼型最佳迎风角度一致，而右侧背风向导流板的活动部分则转动至与固定部分完全贴合。
风流由左边风洞进入，经过风洞整流增速后吹向叶片，推动叶轮旋转，风流随叶轮流至背风向，由于背风向导流板的活动部分完全收了起来，排风面积增大，使到达背风向的风流更容易流出，这样减小了内部风轮阻力，提高了风轮转速，相对于没有加整流增速塔的升力型风力机，可以获得更高的风能利用率。

Claims (4)

1.一种用于垂直轴风力发电机的整流增速塔，由塔座(1)、整流罩(2)、塔檐(3)、塔顶(4)组成，其特征在于：所述塔的中心为中空的柱状空心室，室内用于安放垂直轴风力发电机组，所述的塔座(1)为整流增速塔的支撑基座，其内安装风力机控制系统和输变电、储能设备，所述的整流罩(2)由一组导流板阵列组成，所述的塔檐(3)在塔身周向连接各导流板，所述的塔顶(4)是整流增速塔的顶盖。
2.如权利要求1所述的整流增速塔，其特征在于：所述整流罩(2)的导流板阵列布置，导流板阵列包含4块以上的一组平板或弧形板，为固定式结构，其上端与塔檐(3)或塔顶(4)相连接，其下端与塔座(1)或塔檐(3)相连接，导流板组分布于以塔心为圆心的圆周方向，并与半径方向成角度α，起到气流整流和增速的作用，其中角度α为0～30°。
3.如权利要求1所述的整流增速塔，其特征在于：每块导流板由固定部分和活动部分组成，其固定部分的上端与塔檐(3)或塔顶(4)相连接、下端与塔座(1)或塔檐(3)相连接，活动部分通过活页、转动轴或者滑道与导流板固定部分或者塔身其它固定部分相连接，导流板的活动部分在风力或者驱动机构作用下，处于迎风面的活动部分可以展开，起到增加风速的作用，处于背风面的活动部分折叠起来，起到减小排风阻力的作用。
4.如权利要求1所述的整流增速塔，其特征在于：在圆周方向分布的一组导流板构成一组增速风洞，气流经过整流罩周向分布的风洞进入整流罩内室，驱动塔内的垂直轴风力机转子旋转，整流罩内室的气流在完成驱动做功之后，经过整流罩另一侧的风洞排出，具有规整气流流场、增加气流速度的作用。
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