CN102312783A - 螺旋结构风叶的垂直塔轴风力发电系统 - Google Patents

螺旋结构风叶的垂直塔轴风力发电系统 Download PDF

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CN102312783A
CN102312783A CN201010212297XA CN201010212297A CN102312783A CN 102312783 A CN102312783 A CN 102312783A CN 201010212297X A CN201010212297X A CN 201010212297XA CN 201010212297 A CN201010212297 A CN 201010212297A CN 102312783 A CN102312783 A CN 102312783A
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vertical
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伍康旺
黄丰年
张德仰
伍长序
戴固生
李明
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伍康旺
黄丰年
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Abstract

本发明公开了一种具有螺旋结构风叶阵列的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述发电系统的垂直塔轴的塔基内安装一套与风轮对接的增速齿轮副;该齿轮副由一个中央大齿轮与若干个水平围绕着它而且直接固定在发电机主轴上的小齿轮啮合而成。所述若干台发电机通过小齿轮被大齿轮拖动,所述若干台发电机通过通电和断电实现对大齿轮的加载和卸载;所述垂直塔轴上的风轮为多层一致倾斜的风叶构成的风叶盘叠加而成;所述风叶盘等距平行设置在垂直塔轴上;所述每层风叶盘上等距安装若干个风叶,各层风叶盘的风叶之间上下连续倾斜连接形成自下而上的螺旋流道。本发明效率强大,可有效利用3-40米风速条件下的风能,有效地解决了风力发电中的传统难题。

Description

螺旋结构风叶的垂直塔轴风力发电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风力发电装置,尤其涉及一种具有螺旋结构风叶阵列的垂直轴风力发电系统。
背景技术
[0002] 风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,但是由于风能存在能量密度低、不稳定等特点,这使对风能的利用一直存在着一些难题。
[0003] 目前,水平轴三叶式风力发电机是风力发电机的主流模式。该模式下的各种机型的风能利用系数只能达到30%,年平均满负荷发电小时一般只能达到2200小时左右。
[0004] 作为整体,水平轴三叶式风力发电机一般只有在风速5米以上时才能开始发电; 在风速12米以上时又需要调整桨距泻去风能;当风速25米时则只能刹车。在以上情况中无疑有大量宝贵风能被无奈地舍弃了。
[0005] 作为局部,功率较大的风力发电机一般都需要通过齿轮箱增速,但是齿轮箱在运行中的漏油和易磨损等传统问题一直严重困扰着风机的正常运行,这里出现的故障占系统总故障的30%以上。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对上述问题,提供了一种以螺旋状风叶阵列风轮通过增速齿轮副拖动多台发电机发电为特征的垂直轴风力发电系统,该机组效率强大,可有效利用3-40 米风速条件下的风能,有效地解决了风力发电中的那些传统难题。
[0007] 本发明的技术方案是:
[0008] 一种具有螺旋结构风叶阵列的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述垂直塔轴风力发电系统的垂直塔轴的塔基内安装一套与风轮对接的增速齿轮副;该齿轮副由一个中央大齿轮与若干个水平围绕着它、而且直接固定在发电机主轴上的小齿轮啮合而成。所述若干台发电机通过小齿轮被大齿轮拖动,所述若干台发电机通过通电和断电实现对大齿轮的加载和卸载;当风弱时,可以卸载部分发电机;风强时可加载发电机,以实现对各级别风能的全面利用。
[0009] 所述垂直塔轴上安装风轮的风叶盘;所述风叶盘为多层,等距平行设置在垂直塔轴上;所述每层风叶盘等距安装若干个风叶,各层风叶盘的风叶之间上下连续倾斜连接形成自下而上的螺旋流道;所述各层风叶盘直径相同或自下而上逐渐加大以响应风切变;
[0010] 各层风叶盘直径相同的设计适合较小功率发电系统,而自下而上逐渐加大的设计可响应风切变适合较大功率发电系统。
[0011] 所述风轮的最下层风叶盘下部设有支架,该支架端部装有钢轮或永磁体,所述钢轮或永磁体同时行走在垂直塔轴底座的环形导轨或环形永磁体组合上,带动各层风叶盘整体绕垂直塔轴同时旋转。
[0012] 大齿轮与若干个小齿轮在一个平面上啮合;大齿轮带小齿轮以1 : 5〜1 : 30的速比增速。
[0013] 所述垂直塔轴为柱形或锥形塔管状,垂直塔轴外部设有多层塔轴筒。
[0014] 所述每层的风叶盘均通过一个环形结构与同层塔轴筒壁连接整体同步旋转。
[0015] 所述环形结构为珩架或网架结构,形成一个中部透空的整体结构。
[0016] 所述风叶盘的每个风叶均为折线状或半圆弧状,均沿水平方向一致倾斜3-65度。
[0017] 所述每层风叶盘包括3-12个风叶,风叶沿垂直轴塔轮的环形结构边缘等距分布, 垂直轴塔轮表面形成3-12条自下而上的螺旋流道。
[0018] 所述各层风叶盘的风叶与环形结构边缘焊接、螺栓、铆接或链接。
[0019] 所述垂直塔轴的顶部由3-36片水平分布的、以3-65度角倾斜安装的风叶所覆盖构成一个穹顶,该顶部风叶与最上层风叶盘风叶的环形结构固定连接。所述顶部风叶为辅助捕风装置,其倾斜方向与垂直安装于风轮外缘的风叶捕风方向相一致;所述叶片上可安装硅光电池。
[0020] 所述各层风叶的宽度与各层风轮直径的比例关系相一致。
[0021] 本发明的有益效果:
[0022] 在本发明中,除构成风轮穹顶的风叶为水平安装外,其它风叶的所在面都与风轮外缘所在水平面垂直分布,垂直轴风力发电机的风叶都在垂直面内向下一致倾斜安装于风轮外缘,因此即使风轮直径不变,风轮的转矩仍可随风叶长度的增加而增加。该结构特点可以使单个风轮以较小直径实现较大转矩,从而轻松逾越三叶式风力发电机所无法逾越的贝兹极限,即所谓风能利用系数的理论极值。
[0023] 本发明中的垂直轴风力发电机的风叶不仅数量多,每层可多达12叶,而且宽度大,作为在风中受力,这两个特点无疑具有优势。
[0024] 垂直轴风力发电机风轮的叶片都整体分布于风轮的最外缘,它们都均等地处于最佳受力状态。因此在可比的前提下,本发明中的风轮采集风能的能力是三叶式风轮的数倍。 这表明在发电能力相同时,垂直轴风力发电机的体积可以比三叶式风力发电机小许多,制作成本自然也要低的多。
[0025] 风速随垂直高度的增加而增加,所谓风切变。本发明中的垂直轴风力发电机的风轮优选直径上大下小的结构,外观形如巨型漏斗。由于这个处置响应了风切变的规律:在相同风速条件下,风轮直径与风轮转速呈反比。因此,即使风轮上部所处风速较高,但是由于风轮直径也比较大,因此风轮上部的转速也就比较低;风轮中下部所处风速较低,但是风轮直径较小,风轮的转速也就比较高,因此,即使在同一时间内风轮各层所经历风速不同,但是风轮由上而下各层都以大致相同的速度旋转,动态十分和谐,有效避免了能量损失和噪
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[0026] 垂直轴风力发电机的风轮不仅可以根据需要做的足够重,比如兆瓦的风轮已经重达几百吨,而且这些重量在风轮上的分布还可以充分考虑对转动惯量的利用。因此本发明中的垂直轴风轮实际是一个可以有效地克服风的不稳定性对风电品质恶化的储能飞轮,它为在根本上解决风电并网时的有关问题提供了前提。
[0027] 垂直轴风力发电机的每层风轮叶片由高度不超过10米的支架两端固定,而且上下层叶片首尾相连,这种整体刚性化处置不仅使风轮很难发生振动,同时还具有极强的抗破坏性风速的能力。[0028] 本发明中的垂直轴风力发电机风轮的叶片由上而下分若干层,每层12片风叶,最佳一致倾斜30度安装,而且安装时上下层叶片首尾相连,它有几层意义:
[0029] 可以使风轮的负面阻力受风变的很轻微,而且沿每片风叶背面倾斜向上方滑动的风最后还会以驱动力形式作用在前一片风叶的正面。
[0030] 各层风叶经倾斜安装后,便会在风轮表面形成自下而上的螺旋风道。这些风道主要有三个功能:使推动风轮旋转的阻力和升力组合于同一风轮;使风在风道内呈上下长程运动,延长风对风轮的作用时间;风道的倾斜会直接带来风轮受风时的连续性和平滑性,直接抑制风轮受风时的振动,从而有效改善风电品质和提升系统的安全性。
[0031] 风轮实际已被风道围成圆桶状,这样在风吹过时,这里除了 40%以上的风能被风轮作为动力直接吸收外,那些吹入圆桶内的风实际已经被风道圈禁。这些被圈禁的风必然还会因自身的运动而继续向风道释放能量,从而构成风轮对风能的二次利用和三次利用, 有效提升系统的风能利用系数。
[0032] 本发明中的垂直轴风轮不需要任何对风装置就可以在任何方向上自然受风。另外,垂直轴风轮安装在水泥塔管上,水泥塔管内的空间十分宽大,这使机电设备的设计、制造、安装、维护都能以最宽松的条件完成。
[0033] 本发明中的垂直轴发电机所拖动负载大范围可调,风力发电机的容量系数达80% 以上;有效发电小时数达6000小时以上。
[0034] 本发明中的垂直轴发电机的塔基的水泥塔管内空间很大,因此这里可以有若干发电机经前面所说的小齿轮被中央大齿轮所拖动。这些发电机可根据风速通过通电和断电与大齿轮进行数量不等的加载:在风速3米/秒以下时只加载少量发电机,由于少量发电机加给风轮的负载远小于风轮的总设计能力,因此即使风速3米/秒左右时,风轮仍可拖动这部分发电机正常发电。这之后可根据风速随机增加与风轮连接的发电机的台数。由于风轮所拖动负载大范围可调,因此本设计中的风力发电机可构成对风能全面利用,从而把风力发电机的容量系数由通常的30%提高至80%以上;把有效发电小时数由三叶式风力发电机的2000-3000小时提高至6000小时以上。
[0035] 本发明中的大功率垂直轴风力发电机的高大形体实际都是由比较小的部件,如风叶的宽和高都不过十几米,组装而成的,而且所有安装和维护过程都可依托塔基低难度完成,因此这里发生的前期和后期成本比三叶式风力发电机分别低40%和80%以上。
[0036] 本发明中的垂直轴风力发电机还有一些优势:比如它的风叶采用高防锈彩色钢板制作后可以美化周围环境;顶部经水平风叶采风后可以进一步作成旋转大厅或安装硅光电池板。由于它的优美而且可以水平安装的外型,因此它可安装于高层建筑顶部,轻松实现人们的建筑发电一体化构想;更重要的是本发明中的垂直轴风力发电机还能以单机形式通过钢架结构向高空层层组合叠加,有效加大了空间利用系数,例如在占地不足一平方公里的钢架结构上可安装100个以上发电1-3兆瓦的风轮。
附图说明
[0037] 图1为本发明结构示意图
[0038] 图2为本发明中的增速齿轮副结构示意图
[0039] 图3为本发明中的覆盖于风轮顶部的叶片俯视图[0040] 如图所示,1-垂直塔轴、2-风叶盘、3-风叶、4-塔轴筒、5-垂直塔轴底座、6_穹顶、 7-环形结构、8-增速齿轮副、9-大齿轮、10-小齿轮。
具体实施方式
[0041] 下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明。
[0042] 如图1至图3所示一种螺旋结构风叶的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述垂直塔轴风力发电系统的垂直塔轴1的塔基内安装一套与风轮对接的增速齿轮副8 ;该齿轮副8由一个中央大齿轮9与若干个水平围绕着它而且直接固定在发电机主轴上的小齿轮 10啮合而成,所述若干台发电机通过小齿轮被大齿轮拖动,所述若干台发电机通过通电和断电实现对大齿轮的加载和卸载;
[0043] 当风弱时,可以卸载部分发电机;风强时可加载发电机,以实现更好的利用风能。
[0044] 所述垂直塔轴上安装风轮的风叶盘2 ;所述风叶盘2为多层,等距平行设置在垂直塔轴1上;所述每层风叶盘2等距安装若干个风叶3,各层风叶盘2的风叶3之间上下连续倾斜连接形成自下而上的螺旋流道;所述各层风叶盘直径相同或自下而上逐渐加大;所述最下层风叶盘2的每个风叶下面均设有滚轮,同时行走在垂直塔轴底座的环形导轨上,带动各层风叶盘2绕垂直塔轴1同时旋转。
[0045] 大齿轮9与若干个小齿轮10在一个平面上啮合;大齿轮9带小齿轮10以1 : 5〜 1 : 30的速比增速。
[0046] 所述垂直塔轴1为柱形或锥形塔管状,垂直塔轴外部设有多层塔轴筒。
[0047] 所述每层的风叶盘2均通过一个环形结构7与同层塔轴筒壁连接整体同步旋转。
[0048] 所述环形结构7为珩架或网架结构,形成一个中部透空的整体结构。
[0049] 所述风叶盘2的每个风叶均为折线状或半圆弧状,均沿水平方向一致倾斜3-65度。
[0050] 所述每层风叶盘2包括3-12个风叶3,风叶3沿垂直轴塔轮的环形结构7边缘等距分布,垂直轴塔轮表面形成3-12条自下而上的螺旋流道。
[0051] 所述各层风叶盘2的风叶3与环形结构7边缘焊接、螺栓、铆接或链接。
[0052] 所述垂直塔轴1的顶部由3-36片水平分布的、以3-65度角倾斜安装的风叶3所覆盖构成一个穹顶6,该顶部风叶3与最上层风叶盘风叶的环形结构7固定连接。所述顶部风叶为辅助捕风装置,其倾斜方向与垂直安装于风轮外缘的叶片捕风方向相一致;所述叶片上可安装硅光电池。
[0053] 所述各层风叶的宽度与各层风轮直径的比例关系相一致。
[0054] 本发明的设计理论如下:
[0055] 风轮捕风能力或者说风轮输出扭矩的能力主要来自两个方面:风叶的受力面积; 风叶平均受力点的位置距风轮轴承的距离。
[0056] 在忽略风叶的几何形状等一些因素后,风叶的面积越大,其受风能力也就越强,因此风叶受风面积的大小是风轮扭矩输出能力的初始因素,而风叶平均受力点的位置距风轮轴承的距离十分重要:
[0057] 所谓风叶的平均受力点,它指的是这样一类情况:不同直径的风轮在相同风速条件下的转速是不同的,风轮的直径越大,转速也就越低。但是对于三叶式风轮,即使直径相同,而且风速也相同,它们的转速仍可以有很大不同,这种情况主要来自风叶叶型的不同, 而叶型的不同就会带来风叶的平均受力点的不同。而什么是风叶的平均受力点?风叶从叶根到叶尖的总长度实际可分解为无数个长度单元,每个长度单元实际都代表着一个风轮半径,或者说代表着一种风轮转速。也就是说任何一个风轮转速实际是无数个“内部转速”集合后的平均值。由于三叶式风轮的实际转速来自平均值,这里就有两个问题:作为“内部转速”集合后的平均值,风轮转速所对应的风轮直径就不可能是叶根到叶尖的长度,作为风叶的平均受力点,这个点、或者说这个长度所对应的只能是风叶中部的某个位置。而这就表明在分析三叶式风轮动力臂长度时,这个长度必然小于风轮半径,这是问题一。由于三叶式风轮的转速是“内部转速”的平均值,这就表明三叶式风轮的转速是可调的,因为强化或弱化风轮中任何一个点的受力都会给风轮的最终转速带来影响,比如通过宽叶根、窄叶尖带来风轮较高转速的处置。
[0058] 三叶式风轮转速的可调性是优点也是缺点:风轮转速越高,对发电机的选型就越有利。但是在同等受风时,风轮转速越高,其动力臂必然就越短,其扭距输出也就越小。
[0059] 根据杠杆原理,在可比前提下,动力臂越长,系统受力越大,这就是风力发电机功率越大,风轮的直径也就越大原因。但是为了提高三叶式风轮的转速,人们就需要设法使风轮的平均受力点靠近风轮中心。也就是说,为了提高风轮转速,三叶式风力发电机就需要成比例降低风轮的扭距。
[0060] 在本发明中,除风轮顶部的风叶为水平安装外,其它风叶的所在面都与风轮外缘所在水平面垂直分布,这就是说,在本发明中杠杆原理得到了最好的运用。
[0061] 本发明中的垂直轴风力发电机的风叶都在垂直面内向下一致倾斜30度安装于风轮外缘,因此即使风轮直径不变,风轮的转矩仍可随风叶长度的增加而增加。该结构特点可以使单个风轮以较小直径实现较大转矩,从而轻松逾越三叶式风力发电机所无法逾越的贝兹极限,即所谓风能利用系数的理论极值。
[0062] 为了提高转速,三叶式风力发电机的风叶不仅数量少,而且叶型也都比较狭窄。但是风机对风能的利用毕竟是风叶表面受力的结果,而这就直接表明风叶数量少,叶面窄对于捕风是有问题的。
[0063] 另外,三叶式风力发电机风轮的叶尖速度大都是风速的三倍以上,这表明叶尖作为风轮的最佳受力位置,这些位置事实上是运行于巨大的空气阻力中。这个情况不仅会造成严重噪音,更重要的是风轮的其它位置在受风中已经采集到的风能还会被来自叶尖的阻力大量抵消掉。
[0064] 本发明中的垂直轴风力发电机的风叶不仅数量多,每层可多达12叶,而且宽度大,作为在风中受力,这两个特点无疑具有优势。
[0065] 垂直轴风力发电机风轮的叶片都整体分布于风轮的最外缘,它们都均等地处于最佳受力状态。因此在可比的前提下,垂直轴风力发电机风轮采集风能的能力是三叶式风轮的数倍。这表明在发电能力相同时,垂直轴风力发电机的体积可以比三叶式风力发电机小许多,制作成本自然也要低的多。
[0066] 风速随垂直高度的增加而增加,所谓风切变。对于三叶式风轮,风切变是一个不利因素,因为三片风叶在运行中实际只有一片风叶运行在高速区,另外两片则运行于中速和低速区。对于运行于高速区的叶片来说,运行于中速和低速区的叶片最后给出的实际是阻力,这不仅会在系统这里引发噪音和振动,而且这里还会有相当部分得自高速区的风能被抵消掉。对三叶式风力发电机的这个问题,可以在该领域分析计算风轮的捕风性能与发电机整机的高度的关系时,并不是以发电机整机的实际高度、而是以轮毂中心的高度为出发点的情况中直接看出:风轮捕风时最有捕风意义的风叶无疑是运行于轮毂上方的那片风叶。对于风力发电机,这个高度无疑也是最有意义的高度。但是,在计算三叶式风力发电机的风能利用系数时,这个高度和与这个高度相关的风速实际被一刀砍去。该领域所以这样做,这虽与为凸显三叶式风力发电机的发电性能有关,但也与这里只能考虑三片风叶的平均值有关。
[0067] 本发明中的垂直轴风力发电机的风轮优选直径上大下小的结构,外观形如巨型漏斗。由于这个处置响应了风切变的规律:在相同风速条件下,风轮直径与风轮转速呈反比。 因此,即使风轮上部所处风速较高,但是由于风轮直径也比较大,因此风轮上部的转速也就比较低;风轮中下部所处风速较低,但是风轮直径较小,风轮的转速也就比较高,因此,即使在同一时间内风轮各层所经历风速不同,但是风轮由上而下各层都以大致相同的速度旋转,动态十分和谐,有效避免了能量损失和噪音。
[0068] 风的不稳定性是风力发电中最需应对的问题,而风轮的转动惯量可以有效克服这种不稳定性。但是三叶式风轮的风叶不可能做的足够重,因此三叶式风轮对转动惯量的利用十分有限。
[0069] 垂直轴风力发电机的风轮不仅可以根据需要做的足够重,比如兆瓦的风轮已经重达几百吨,而且这些重量在风轮上的分布还可以充分考虑对转动惯量的利用。因此本发明中的垂直轴风轮实际是一个可以有效地克服风的不稳定性对风电品质恶化的储能飞轮,它为在根本上解决风电并网时的有关问题提供了前提。
[0070] 三叶式风力发电机的风叶以一端固定在风轮上,在气流的作用下,它们很容易发生振动,从而引发整个系统的同频和倍频多阶共振,使系统面对危险。另外三叶式风轮的风叶固定方式使其结构天然缺乏刚性,因此必须专门投入相应的材料来保证叶片的抗破坏能力,而这就会加大制作成本。
[0071] 垂直轴风力发电机的风轮叶片由高度不超过10米的支架两端固定,而且上下层叶片首尾相连,这种整体刚性化处置不仅使风轮很难发生振动,同时还具有极强的抗破坏性风速的能力。
[0072] 当风以有效速度吹过三叶式风轮的叶片时,被风轮吸收的风能最多只占总量的 30%,而70%以上的风能流失了。
[0073] 本发明中的垂直轴风力发电机风轮的叶片由上而下分若干层,每层12片风叶,最佳一致倾斜30度安装,而且安装时上下层叶片首尾相连,它有几层意义:
[0074] 可以使风轮的负面阻力受风变的很轻微,而且沿每片风叶背面倾斜向上方滑动的风最后还会以驱动力形式作用在前一片风叶的正面。
[0075] 各层风叶经倾斜安装后,便会在风轮表面形成自下而上的螺旋风道。这些风道主要有三个功能:使推动风轮旋转的阻力和升力组合于同一风轮;使风在风道内呈上下长程运动,延长风对风轮的作用时间;风道的倾斜会直接带来风轮受风时的连续性和平滑性,直接抑制风轮受风时的振动,从而有效改善风电品质和提升系统的安全性。
[0076] 风轮实际已被风道围成圆桶状,这样在风吹过时,这里除了 40%以上的风能被风轮作为动力直接吸收外,那些吹入圆桶内的风实际已经被风道圈禁。这些被圈禁的风必然还会因自身的运动而继续向风道释放能量,从而构成风轮对风能的二次利用和三次利用, 有效提升系统的风能利用系数。
[0077] 三叶式风力发电机必须用各种对风装置来保证风叶正面受风,这些对风装置都联系于发电机的制作成本。另外三叶式风力发电机的传动装置和发电机都安装于风轮后部的机舱内,由于机舱内空间十分有限而且又处于高空,这就会给有关机电设备的设计、制造、 安装、维护等所有环节带来一系列严重问题。
[0078] 本发明中的垂直轴风轮不需要任何对风装置就可以在任何方向上自然受风。另外,垂直轴风轮安装在水泥塔管上,水泥塔管内的空间十分宽大,这使机电设备的设计、制造、安装、维护都能以最宽松的条件完成。
[0079] 三叶式风力发电机相对窄小的机舱只能装一台发电机。作为一台发电机,它的工作范围必然有限:3米/秒风速只能使它切入或者说启动;风速12米/秒以上时,为保证发电机不会因转速过高而过热毁损,风轮又要开始调整桨距角泻掉风能;风速每秒25米以上时,发电机还需刹车切出。在以上情况中无疑有大量宝贵风能被无奈地舍弃了,以至三叶式风力发电机的有效发电小时数通常都不会超过3000小时。
[0080] 本发明中的垂直轴发电机所拖动负载大范围可调,风力发电机的容量系数达80% 以上;有效发电小时数达6000小时以上。
[0081] 本发明中的垂直轴发电机的塔基的水泥塔管内空间很大,因此这里可以有若干发电机经前面所说的小齿轮被中央大齿轮所拖动。这些发电机可根据风速通过通电和断电与大齿轮进行数量不等的加载:在风速3米/秒以下时只加载少量发电机,由于少量发电机加给风轮的负载远小于风轮的总设计能力,因此即使风速3米/秒左右时,风轮仍可拖动这部分发电机正常发电。这之后可根据风速随机增加与风轮连接的发电机的台数。由于风轮所拖动负载大范围可调,因此本设计中的风力发电机可构成对风能全面利用,从而把风力发电机的容量系数由通常的30%提高至80%以上;把有效发电小时数由三叶式风力发电机的2000-3000小时提高至6000小时以上。
[0082] 大功率三叶式风力发电机的主要部件的尺寸都比较大,如风叶长达几十米,这些部件运输艰难,安装需要用吊车吊上高空进行,故障维修也十分复杂,这些过程的成本十分巨大。
[0083] 本发明中的大功率垂直轴风力发电机的高大形体实际都是由比较小的部件,如风叶的宽和高都不过十几米,组装而成的,而且所有安装和维护过程都可依托塔基低难度完成,因此这里发生的前期和后期成本比三叶式风力发电机分别低40%和80%以上。
[0084] 本发明中的垂直轴风力发电机还有一些优势:比如它的风叶采用高防锈彩色钢板制作后可以美化周围环境;顶部经水平风叶采风后可以进一步作成旋转大厅或安装硅光电池板。由于它的优美而且可以水平安装的外型,因此它可安装于高层建筑顶部,轻松实现人们的建筑发电一体化构想;更重要的是本发明中的垂直轴风力发电机还能以单机形式通过钢架结构向高空层层组合叠加,有效加大了空间利用系数,例如在占地不足一平方公里的钢架结构上可安装100个以上发电1-3兆瓦的风轮。
[0085] 若干年来一直有人在研究垂直轴风力发电机,而且这里有些成果已经产品化。但本发明中的垂直轴风力发电机与以往的垂直轴风力发电机之间存在着根本不同:以往的垂直轴风力发电机的基本设计思想是:作为捕风装置,这个装置对风的响应应该越灵敏越好。 而灵敏好象就意味着有关装置在受风时其重量越轻越好。循着这个看起来十分合理的思路,人们一直在为自己的垂直轴风轮做着这样两件事:风叶的数量尽量少而重量尽量轻,因此这里的垂直轴风轮基本都是即稀疏又轻飘,这个特点便构成了与本发明中的垂直轴风力发电机的根本区别,而且这里的思路存在着本质上的误区:
[0086] 风的不稳定性是风力发电的头号大敌,作为对风的响应,风轮对风的过分灵敏实际就是对风的不稳定性的过分灵敏,这里无疑大有问题。这是其一。
[0087] 风轮对风能的捕捉归根到底需要靠风轮的受风面积来实现,数量稀疏的风叶,其受风面积也必然有限,这不仅会使风轮捕风性能低下,自启动性能差,而且还会因气流对风轮的结构性颠簸而引发系统的谐振,对于系统,这是一种危险。这是其二。
[0088] 风叶较多,风轮的重量也必然较大。但是根据力学原理,旋转系统旋转时,其重量在一定限度内在不仅不会沿旋转轴构成阻力,相反它还会直接生成转动惯量从而有效克服系统的不稳定性。也就是说,视风轮的重量为大敌是个误会。由于这个误会,以往的垂直轴风力发电机根本无力去考虑大型化的问题,因此它们与本发明中的垂直轴风力发电机有本质的不同。这是其三。
[0089] 而本发明通过设计以螺旋状风叶阵列风轮通过增速齿轮副拖动多台发电机发电为特征的垂直轴风力发电系统,有效利用3-40米风速条件下的风能,解决了风力发电中的那些传统难题。

Claims (10)

1. 一种具有螺旋结构风叶阵列的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述垂直塔轴风力发电系统的垂直塔轴的塔基内安装一套与风轮对接的增速齿轮副;该齿轮副由一个中央大齿轮与若干个水平围绕着中央大齿轮而且直接固定在发电机主轴上的小齿轮啮合而成,所述若干台发电机通过小齿轮被大齿轮拖动,所述若干台发电机通过通电和断电实现对大齿轮的加载和卸载;所述垂直塔轴上安装风轮的风叶盘;所述风叶盘为多层,等距平行设置在垂直塔轴上; 所述每层风叶盘上等距安装若干个风叶,各层风叶盘的风叶之间上下连续倾斜连接形成自下而上的螺旋流道;所述各层风叶盘直径相同或自下而上逐渐加大;所述风轮的最下层风叶盘下部设有支架,该支架端部装有钢轮或永磁体,所述钢轮或永磁体同时行走在垂直塔轴底座的环形导轨或环形永磁体组合上,带动各层风叶盘整体绕垂直塔轴同时旋转。
2.如权利要求1所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述中央大齿轮与若干个小齿轮在一个平面上啮合;该大齿轮带小齿轮以1 : 5〜1 : 30的速比增速。
3.如权利要求1所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述垂直塔轴为柱形或锥形塔管状,垂直塔轴外部设有多层塔轴筒。
4.如权利要求1或3所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述每层的风叶盘均通过一个环形结构与同层塔轴筒壁连接成整体同步旋转。
5.如权利要求4所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述环形结构为珩架或网架结构,形成一个中部透空的整体结构。
6.如权利要求1所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述风叶盘的每个风叶均为折线状或半圆弧状,均沿水平方向一致倾斜3-65度。
7.如权利要求1或6所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述每层风叶盘包括3-12个风叶,风叶沿垂直轴塔轮的环形结构边缘等距分布,垂直轴塔轮表面形成3-12条自下而上的螺旋流道。
8.如权利要求7所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述各层风叶盘的风叶与环形结构边缘焊接、螺栓、铆接或链接。
9.如权利要求1所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述垂直塔轴的顶部由 3-36片水平分布的、以3-65度角倾斜安装的风叶所覆盖,该顶部风叶与最上层风叶盘风叶的环形结构固定连接。
10.如权利要求1或9所述的垂直塔轴风力发电系统,其特征在于:所述顶部风叶的倾斜方向与垂直安装于风轮外缘的风叶捕风方向相一致;所述各层风叶的宽度与各层风轮直径的比例关系相一致。
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