CN102128140B - 聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置包括风轮、支撑固定塔筒、垂直传动轴、增速机和发电机，垂直传动轴位于支撑固定塔筒中，支撑固定塔筒上套装一绕其转动的空心圆筒，风轮固定在空心圆筒上，空心圆筒通过垂直传动轴连接增速机，增速机连接发电机，风轮边缘装有流线型升力叶片，风轮进风半圆周的前方设置聚风罩，聚风罩的支撑杆通过轴承连接在支撑固定塔筒上，聚风罩靠近风轮一端沿风轮外边缘通过轴固定整流导风板，聚风罩上安装自动泄风装置。聚风罩依据空气动力学理论设计，能聚集风能、使风增速，提高了发电功率；整流导风板将风调整成给风轮加速的正向风，提高了风能利用率；自动泄风装置保证发电装置在强风中持续正常运转且不受强风损坏。

Description

聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，属于发电设备领域。

背景技术

风力发电机归纳起来可分为两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，虽然当前应用广泛的水平轴风力发电机能够利用高空风能，但利用率仍然偏低。根据贝兹极限理论，目前水平轴风力机对风能的理论最大利用率为59.3％，而实际应用中，风能的利用率远低于这个数值。例如德国产2.5兆瓦水平轴风力发电机，风轮直径为80m，扫风面积为5024m²，设计风速为15米/秒，风能利用效率仅为24.1％，当风速为9米/秒时其风能利用效率达到最大值也仅为43％。

当前应用广泛的水平轴风力发电机由于受叶片结构强度的限制，单机功率很难超过5兆瓦，而3兆瓦的风力发电机就已经是接近商业极限了，且造价昂贵，一般为1.0万元/kw以上。

水平轴风力发电机的增速机和发电机及其它设备等都要安装到几十米高度的塔架顶端的机舱内，受高空空间狭小的制约，上述设备的体积和重量及外形都要受到严格的限制，且结构复杂，故障率高，据统计平均开机率不到20％。日常检查维护和出现故障后的检修也十分不便。由于投资和故障率高导致开机不足等因素的影响，装备水平轴风力发电机的风电场经济效益较差，目前真正盈利的不多。这也严重地制约了风力发电这一绿色能源产业的健康发展。

垂直轴风力发电机较当前广泛应用的水平轴风力发电机有一个突出的优点，就是可以将增速齿轮箱和发电机(或其他工作机械)安放在地面上，安装和维修费用低且方便。但是，由于多种因素的限制，目前垂直轴风力发电机的功率不大，一般不超过300千瓦。

发明内容

根据上述现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种风能利用率更高、发电功率大、造价低且安装维修方便的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，包括风轮、支撑固定塔筒、垂直传动轴、增速机和发电机，垂直传动轴位于支撑固定塔筒中，支撑固定塔筒上套装一绕其转动的空心圆筒，风轮固定在空心圆筒上，空心圆筒通过垂直传动轴连接增速机，增速机与发电机连接，其特征在于：风轮的边缘装有流线型升力叶片，风轮进风半圆周的前方设置聚风罩，聚风罩的支撑杆通过承重定位轴承连接在支撑固定塔筒上，聚风罩靠近风轮一端沿风轮外边缘通过轴固定整流导风板，聚风罩上安装自动泄风装置。

风轮的前半圆周进风，后半圆周出风，风力在风轮内形成自前向后的贯流，因此风力先后两次推动流线型升力叶片并带动风轮绕支撑固定塔筒旋转(逆时针或顺时针均可)，风轮将高空的风能转换成巨大的动力后，可通过空心圆筒和垂直传动轴传递到设在地面上的增速机，增速机将转速提升后带动发电机发出电力。在聚风罩内设置整流导风板，可将与风轮旋转方向相反的逆方向的风调整成与风轮旋转方向相同的风并以最佳的攻角作用到风轮的流线型升力叶片上，最大限度地吸收风的能量，从而大大提高了风能利用效率。

所述聚风罩的进风口设置为喇叭口，沿进风方向聚风罩的口径递减。通过聚风罩能够将水平方向吹来的风聚拢和压缩，一方面聚集风能，另一方面对风提压加速。

所述聚风罩的进风口四周设置伸缩式聚风板。在低风速时，可以将伸缩式聚风板伸长，从而加大进风量以增加发电量。

为确保聚风罩进风口始终正对着来风方向，设置自动对风装置：

对于较大型风力机(10kw以上)可设置由对风减速电机驱动的自动对风装置，即在聚风罩的下方设有固定在地面上的与支撑固定塔筒同心的环形轨道，环形轨道上设置带动力的承载聚风罩重量的轮式行走自动对风装置，聚风罩与轮式行走自动对风装置固定连接。聚风罩的重量通过带驱动力的轮子压在环形轨道上，这样可使驱动装置的驱动力大且功率消耗低。所述的轮式行走自动对风装置为常规或者可以实现的装置，其控制信号来自于随机风向计和随机计算机控制系统。

对于小型风力机(10kw以下)可设置自动对风尾舵，即在承重定位轴承上固定自动对风尾舵，自动对风尾舵和聚风罩对称设置在支撑固定塔筒的两侧。

所述的自动泄风装置包括自动泄风门和自动挡风板，自动泄风门安装在聚风罩左右两侧的泄风口上，自动挡风板安装在聚风罩进风口内中心的两侧，自动泄风门和自动挡风板均通过轴与聚风罩连接。通过自动泄风装置可将超过发电机额定功率的多余风力自动漏泄掉，能方便快速地进行调速和安全保护，使风轮既能保持正常旋转又不会因大风而造成损坏。

当自动泄风装置泄风以后仍然不能降低风力发电机的功率时，对于小型风力机可启动电磁刹车使风机停止运转，对于较大型风力机可启动轮式行走自动对风装置使聚风罩偏转一定的角度以进一步减少进入风轮的风量，从而保证风力发电装置在强风中持续正常运转且不受强风损坏。

本装置中依据空气动力学和流体力学理论设计的双击式风轮结构简单，风轮的叶片采用两端及中部多点固定，牢固可靠，风能利用率高。启动风速低(2米/秒)且转动惯量大，能有效地平衡不均匀风速带来的转速波动。根据风轮直径为0.8米功率为500瓦的风力发电机的验证：在风速为7米/秒时风能利用效率为47.1％。在设计风速(15米/秒)时其风能利用效率为29.5％，比水平轴风力发电机同风速的风能利用效率增加了5.4％。4-11米/秒风速范围内平均风能利用效率达41.4％(德国产N80型2500千瓦大型水平轴风力发电机相同风速范围内的风能利用效率仅为39.2％)。如果继续加大该型风力发电机的功率，其风能利用效率还将会进一步提高。因为有结构上的优势，风轮的直径和高度以及聚风罩的尺寸可以在较大范围内加大，从而为该型风力发电机的大型化甚至超大型化创造了有利的条件，单机功率可达10Mw甚至更高。

垂直轴结构的风轮将高空的风能转换成巨大的动力后，可通过垂直传动轴传递到设在地面上的增速机、发电机或其它工作机械，高空没有较大的部件和设备，使安装和检修费用低，巡查维护方便，大大节省了运行成本，而且对增速机和发电机等运转机械设备的重量和外形尺寸没有任何限制，可按通用设备的标准进行设计和制造；风轮以及叶片可以用普通材料加工制造，从而大大降低了设备的造价，初步估算单位造价不超过5000元/千瓦。

该机风轮的叶尖速比很低(一般小于1.0)，使该风力发电机的噪音较低，不存在水平轴风力发电机噪声扰民的问题。整机结构简单紧凑，没有明显和大幅运动的部件，因此视觉效果好，可以在聚风罩上涂上各种色彩或将聚风罩作广告牌使用，在产生绿色能源的同时形成了亮丽的风景。

由于本风力装置的输出功率和输出扭矩大，因此可以方便地带动大型的高效水泵抽水蓄能，这样可由多台这种风力抽水机组并联成一巨型的动力链条，汇集起来的高能量水流经母管分别与水轮发电机和高位水库联通，水轮发电机可以均衡地发电，高位水库起到蓄能和平衡的作用，从而避免了由于风力发电不稳定对电网冲击大的老大难问题，这样就使不稳定的风能转变为稳定可控的清洁调峰电能，其经济效益和节能减排效益将更加突出。

本装置的重心很低，更适合在海上安装使用，可以在岸边船坞内很方便地组装在海上浮动平台上，然后用拖船拖到较深的海域用缆绳固定后发电。由于海面上的风能资源更加丰富，所以可获得比陆地上多70％的电能，本结构的发电装置比海上水平轴风力发电机的基础和安装费用要降低60％，总造价不超过1.2万元/千瓦。

本发明的有益效果是：

聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置的聚风罩依据空气动力学理论设计，具有聚集风能和使风增速的双重作用，提高了发电功率和效率；聚风罩中的整流导风板能够将与风轮旋转方向相反的风调整成给风轮加速的正方向的风，进一步提高了风能利用率；自动对风装置使聚风罩的进风口始终正对着来风方向，通过自动泄风装置能方便快速地进行调速和安全保护，保证风力发电装置在强风中持续正常运转且不受强风损坏；叶尖速比很低(一般小于1.0)，噪音小，不会对附近居民产生影响；重心低，适合在海上安装使用，以挖掘更丰富的风能资源；整机造价低，使风电场的投资大幅度降低，经济效益突出；运转设备均安置在地面上，外形和重量不受限制，安全系数可大大提高，运转更加可靠，故障率低，安装、维护和检修均十分方便，使运行成本大幅度下降，适于大规模推广应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的结构示意图之二。

图中：1、聚风罩；2、整流导风板；3、空心圆筒；4、风轮；5、流线型升力叶片；6、承重定位轴承；7、垂直传动轴；8、支撑杆；9、支撑固定塔筒；10、轮式行走自动对风装置；11、环形轨道；12、发电机；13、增速机；14、自动泄风门；15、自动挡风板；16、自动对风尾舵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1～3所示，聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置主要包括聚风罩1、风轮4、支撑固定塔筒9、垂直传动轴7、增速机13和发电机12，风轮4固定在套装于支撑固定塔筒上并绕支撑固定塔筒转动的空心圆筒3上，风轮4的边缘装有数个流线型升力叶片5，风轮4通过垂直传动轴7连接增速机13，增速机13与发电机12连接，风轮进风半圆周的前方设置聚风罩1，聚风罩1的进风口设置为喇叭口，聚风罩1的支撑杆8通过承重定位轴承6连接在支撑固定塔筒9上，聚风罩1靠近风轮一端沿风轮外边缘通过轴固定整流导风板2，聚风罩1上安装自动泄风装置，即自动泄风门14和自动挡风板15，自动泄风门14安装在聚风罩1左右两侧的泄风口上，自动挡风板15安装在聚风罩1进风口内中心的两侧，自动泄风门14和自动挡风板15均通过轴与聚风罩1连接。

为确保聚风罩进风口始终正对着来风方向，设置自动对风装置：

对于较大型风力机(10kw以上)可设置由电机驱动的轮式行走自动对风装置10，即在聚风罩1的下方设有固定在地面上的与支撑固定塔筒9同心的环形轨道11，环形轨道11上设置带动力的承载聚风罩重量的轮式行走自动对风装置10，聚风罩1与轮式行走自动对风装置10固定连接，如图1、2所示。轮式行走自动对风装置为常规装置，其控制信号来自于风向计和随机计算机系统，通过轮式行走自动对风装置可以使聚风罩1围绕支撑固定塔筒8转动的驱动力大且功率消耗低。

对于小型风力机(10kw以下)可选用自动对风尾舵16来达到自动对风的目的，即在承重定位轴承6上固定自动对风尾舵16，自动对风尾舵16和聚风罩1对称设置在支撑固定塔筒9的两侧，如图3所示。

所述的聚风罩的进风口四周设置伸缩式聚风板。在低风速时，可以将伸缩式聚风板伸长以增大进风面积，从而加大进风量以增加发电量。

工作过程：

水平方向的风吹来时，轮式行走自动对风装置11自动启动或者自动对风尾舵16在风力的作用下自动调整聚风罩1的方向，驱使聚风罩1的进风口正对来风方向，使风聚拢和压缩，聚风罩中的整流导风板2将与风轮4旋转方向相反的风调整成给风轮加速的正方向的风并以最佳的攻角作用到风轮的流线型升力叶片5上，由于风轮4的前半圆周进风，后半圆周出风，风力在风轮4内形成自前向后的贯流，因此风力先后两次推动流线型升力叶片5并带动风轮4绕支撑固定塔筒9旋转(逆时针或顺时针均可)。风轮4将高空的风能转换成的巨大动力通过空心圆筒3和垂直传动轴7传递到设在地面上的增速机13，增速机13将转速提升后带动发电机12发出电力。风力超过发电机的额定负载时，自动泄风门14和自动挡风板15适度打开一定的角度，将多余的风力自动漏泄掉以保证发电机安全运行。

当自动泄风门14和自动挡风板15开到最大角度仍然不能降低发电机的负荷时，对于较大型发电机可启动对风减速电机使聚风罩偏转一定的角度以减少进入风轮的风量从而降低发电机的负荷，从而保证风力发电装置在强风中持续正常运转且不受强风损坏；对于小型发电机可启动电磁刹车使风机停止运转，以确保安全。

Claims (6)

1.一种聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，包括风轮、支撑固定塔筒、垂直传动轴、增速机和发电机，垂直传动轴位于支撑固定塔筒中，支撑固定塔筒上套装一绕其转动的空心圆筒，风轮固定在空心圆筒上，空心圆筒通过垂直传动轴连接增速机，增速机与发电机连接，其特征在于：风轮的边缘装有流线型升力叶片，风轮进风半圆周的前方设置聚风罩，聚风罩的支撑杆通过承重定位轴承连接在支撑固定塔筒上，聚风罩靠近风轮一端沿风轮外边缘通过轴固定整流导风板，聚风罩上安装自动泄风装置。

2.根据权利要求1所述的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述聚风罩的进风口设置为喇叭口，沿进风方向聚风罩的口径递减。

3.根据权利要求1所述的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的自动泄风装置包括自动泄风门和自动挡风板，自动泄风门安装在聚风罩左右两侧的泄风口上，自动挡风板安装在聚风罩进风口内中心的两侧，自动泄风门和自动挡风板均通过轴与聚风罩连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述聚风罩的进风口四周设置伸缩式聚风板。

5.根据权利要求1所述的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，其特征在于：所述的承重定位轴承上固定自动对风尾舵，自动对风尾舵和聚风罩对称设置在支撑固定塔筒的两侧。

6.根据权利要求1所述的聚风双击式风轮垂直轴风力发电装置，其特征在于：聚风罩的下方设有固定在地面上的与固定垂直轴同心的环形轨道，环形轨道上设置带动力的承载聚风罩重量的轮式行走自动对风装置，聚风罩与轮式行走自动对风装置固定连接。

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