CN103956964A - 一种塔式环绕分布风光互补发电装置 - Google Patents

Abstract

一种塔式环绕分布风光互补发电装置，它涉及一种发电装置，以解决现有中心轴多层组合式风力发电装置由于高低空有风速差，各层风轮转速不一致，存在相互干涉，不能充分利用风能，以及边缘独立风轮式风力发电装置存在气流通透性差、结构复杂和使用安装不方便的问题，它包括塔身、中空塔柱、支架平台、攀爬装置、瞭望塔层、多个太阳能电池板、多台垂直轴风力发电机组和多层阳台；塔身上沿其周向设置有多层阳台，每相邻两层阳台之间的每个塔面上加工有一个窗口，每相对的塔面上的两个窗口正对设置，每个窗口相对应的台面上安装有至少一台垂直轴风力发电机组；支架平台上沿其周向铺装有多个太阳能电池板；中空塔柱内安装有攀爬装置。本发明用于发电。

Description

一种塔式环绕分布风光互补发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，具体涉及一种塔式环绕分布风光互补发电装置，属于风力发电装备技术领域。

背景技术

目前发电方式主要以火力发电和水利发电为主体，然而，水力资源是有限的，火力发电是以煤碳为原料，对环境造成一定的污染，煤也是不可再生能源，地下储量有限，应当加以保护。风能和太阳能是取之不尽的廉价洁净能源，应大力开发积极推广应用。

当今世界上利用风能的设备主要有水平轴和垂直轴风力机两种发电装置。无论那一种形式，在向大型风力发电设备发展时都遇到制造、运输、安装和维护等许多难题。解决的办法之一是设计多层组合结构，常见的塔式多层结构风力发电装置有两种结构形式，一种是中心轴多层组合，另一种是边缘独立风轮结构。前者的型式较多，主要特征是一根主轴在中间，不同层的风轮均与其连接，经文献检索，专利号为200810237303.X的中国发明专利，公开了一种塔式风力发电机组，采用一根主轴在中间，多层叶片环绕四周布置的塔架结构，存在的问题是高低空有风速差，各层风轮转速不一致，存在相互干涉，不能充分利用风能。后者型式较少，主要特征是，边缘设计独立风轮结构的塔式风力机，如公开号为102072087A的中国发明申请提出了一种多层多柱水平轴和垂直轴风力机组合装置。采用两根到多根直柱和横柱框架结构，类似书架的展柜，在框架中部未设置内部攀爬空间和楼梯，在塔顶部设置的风力机仍存在安装不便等问题，从原理上讲，这种多柱结构的安装布置方式，未计及空气动力学原理和水平轴风力机的对风问题，不宜选用水平轴风力机，也不宜选用水平轴和垂直轴混合组合风力机，既使选用垂直轴风力机也要考虑气流的通透性。此外，公开号为102953935A的中国发明申请公开了一种聚风塔式风力发电机系统，该系统利用一个升降装置，将几台水平轴风力机置于圆周的聚风装置中，另外需要对风调节，结构十分复杂，较难实施。

发明内容

本发明为解决现有中心轴多层组合式风力发电装置由于高低空有风速差，各层风轮转速不一致，存在相互干涉，不能充分利用风能，以及边缘独立风轮式风力发电装置存在气流通透性差、结构复杂和使用安装不方便的问题，进而提供一种塔式环绕分布风光互补发电装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种塔式环绕分布风光互补发电装置包括塔身、中空塔柱、支架平台、攀爬装置、瞭望塔层、多个太阳能电池板、多台垂直轴风力发电机组和多层阳台；

所述塔身为正棱台中空塔式结构，塔身的棱数n为偶数，且n≥6，塔身上沿其周向设置有多层阳台，每相邻两层阳台之间的每个塔面上加工有一个窗口，每相对的塔面上的两个窗口正对设置，每个窗口相对应的台面上安装有至少一台垂直轴风力发电机组，窗口的面积为塔部垂直轴风力发电机组的风轮扫风面积的一至三倍；

位于最上层的阳台的上端面上布置有瞭望塔层，瞭望塔层的上部安装有固定平台，固定平台上安装有一台垂直轴风力发电机组；位于最下层的阳台的下部沿塔身的周向安装有支架平台，支架平台上沿其周向铺装有多个太阳能电池板；

塔身安装在中空塔柱上，中空塔柱内安装有攀爬装置，攀爬装置的顶部延伸至瞭望塔层，中空塔柱的侧壁上沿其周向加工有多个通道。

本发明的有益效果是：从原理上，将每层阳台上安装垂直轴风力发电机组对应的塔身开设窗口，窗口设计为对称通透结构，使空气流动顺畅，起到通风对流导向作用，可有效利用风能；从结构上，塔身为正棱台中空塔式结构，具有结构稳固，不用拉锁加固，占地面积小，成本低，使用寿命长，可靠性高的特点，成本降低了15％-20％，使用寿面延长了2-3倍，在塔柱上设计有适当尺寸的的通道，以便进入塔的内部，方便维修；从功能上，降低了单一大风力机的制造难度，改善了风力机的安装维护困难，采用风光互补增强了发电效果，风力发电装置将风能转化为电能，太阳能电池板将光能转化为电能，两者的电能可输送到供电系统的控制器，储存到蓄电池中，供给直流负载，或者经过逆变器供给交流负载。实现了分散发电，统一储存，单独输出，离网供电模式，能量利用率提高了55％以上；设置了瞭望塔层，有一定的观赏远处风景的作用；从使用上，在塔身内部设计攀爬装置，使垂直轴风力发电机组安装便利，维修容易。本发明可以降低风力发电机风轮的制造难度，便于运输、安装和维护。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图，图2为本发明的主剖视结构示意图，图3为具体实施方式四的垂直轴风力发电机组整体结构示意图，图4为具体实施方式五的垂直轴风力发电机组整体结构示意图，图5为具体实施方式五垂直轴风力发电机组整体结构示意图，图6为具体实施方式六的垂直轴风力发电机组整体结构示意图，图7为具体实施方式六的垂直轴风力发电机组整体结构示意图，图8为具体实施方式八的攀爬装置的整体结构示意图，图9为具体实施方式四的连接臂与主轴和塔身连接结构示意图，图10为每个塔面相对应的阳台的台面上安装有两台垂直轴风力发电机组的俯视结构示意图，图11为太阳能电池板安装在支架平台上的俯视结构示意图，图12为具体实施方式九的俯视结构示意图，图13为图10中安装两台垂直轴风力发电机组的风轮转向示意图(直箭头表示来风方向，弯曲箭头表示风轮旋转方向)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图13说明，本实施方式的一种塔式环绕分布风光互补发电装置包括塔身4、中空塔柱1、支架平台2、攀爬装置8、瞭望塔层9、多个太阳能电池板3、多台垂直轴风力发电机组5和多层阳台6；

所述塔身4为正棱台中空塔式结构，塔身4的棱数n为偶数，且n≥6，塔身4上沿其周向设置有多层阳台6，每相邻两层阳台6之间的每个塔面上加工有一个窗口7，每相对的塔面上的两个窗口7正对设置，每个窗口7相对应的台面上安装有至少一台垂直轴风力发电机组5，窗口7的面积为塔部垂直轴风力发电机组5的风轮扫风面积的一至三倍；

位于最上层的阳台6的上端面上布置有瞭望塔层9，瞭望塔层9的上部安装有固定平台10，固定平台10上安装有一台垂直轴风力发电机组5；位于最下层的阳台6的下部沿塔身4的周向安装有支架平台2，支架平台2上沿其周向铺装有多个太阳能电池板3；

塔身4安装在中空塔柱1上，中空塔柱1内安装有攀爬装置8，攀爬装置8的顶部延伸至瞭望塔层9，中空塔柱1的侧壁上沿其周向加工有多个通道1-1。

本实施方式的每相邻两层阳台之间的距离相等也可不等。本实施方式每个窗口7相对应的台面是指阳台6的台面。本实施方式的中空塔柱1可安装在地面上或其它地基上。

本实施方式的每个窗口7上的风轮的直径为该窗口相对应的阳台6的台面长度的2/3，该风轮的高度为相邻两层阳台6之间距离的4/5。

本实施方式所述的太阳能电池板3为晶体硅材料(包括多晶硅和单晶硅)制作的长方形板片结构，安装在支架平台2的朝向阳台的平面上，四周环绕分布。所述的支架平台2是角钢焊接框架结构，每个塔面相对应的支架平台的台面可以是三角形，也可以是梯形。

具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的塔身4为钢筋混凝土材料制成或者钢质桁架铆焊而成，中空塔柱1为钢筋混凝土材料制成或者钢质桁架铆焊而成。如此设置，结构稳定，使用可靠，使用寿命长，使用寿命相比现有的发电装置延长3-5倍。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图7及图9说明，本实施方式的每个所述垂直轴风力发电机组5包括风轮5-5、主轴5-3和机箱5-4；所述机箱5-4包括增速机构和发电机，主轴5-3的下端与机箱5-4内的增速机构连接，主轴5-3上安装有风轮5-5，增速机构与发电机连接。如此设置，结构简单可靠，能满足实际风力发电的需要，本实施方式的增速机构可以是齿轮传动机构，或者是带传动机构，或者是链传动机构，或者是其中的两者组合传动机构。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图3说明，本实施方式所述风轮5-5为H型直叶片式风轮，直叶片5-1的数量为偶数，直叶片5-1的数量至少4个，直叶片5-1通过连接臂5-2与主轴5-3连接。如此设置，直叶片5-1与连接臂5-2构成风轮5-5，采用H型直叶片式风轮，可以降低叶片加工难度，启动后转速加快，风轮扫风面积大，能集聚更多的风能，并转化为电能，而且布置合理，利于风能的有效利用，节约空间，能量的利用率提高了15％-25％。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图4和图5说明，本实施方式所述风轮5-5为Φ型弯曲叶片式风轮或双S上下正交式风轮。如此设置，采用Φ型弯曲叶片式风轮，安装结构简单，风轮外形美观；采用双S上下正交式风轮自启动性能好，可在低风速下启动；该两种风轮扫风面积较大，布置合理，利于风能的有效利用，能量的利用率提高了15％-25％。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图6和图7说明，本实施方式所述风轮5-5为H型直叶片和双S上下正交组合式风轮或Φ型弯曲叶片和双S上下正交组合式风轮。如此布置，采用双S上下正交风轮分别与H型和Φ型组成组合式风轮，可以改善风轮的自起动性能，在低风速下起动，同时能有效利用风能，转化更多的电能，能量转化率提高了35％以上。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：结合图6和图7说明，本实施方式所述太阳能电池板3为晶体硅制成的长方形电池板，支架平台2为角钢焊接框架结构，瞭望塔层9为塑钢窗全封闭结构，所述通道1-1为矩形通道或者半圆形通道与矩形通道的组合。如此设置，晶体硅可为多晶硅和单晶硅，可有效的实现风光互补发电，能量利用率提高了60％-80％；支架平台为钢结构平台，强度大，稳定可靠；瞭望塔层为塑钢窗全封闭结构，并带有瞭望阳台，方便观赏，并实现应急需要；通道为矩形通道或者半圆形通道与矩形通道的组合，有利于操作者进入塔柱内实现相关装置或部件的布置、维修及拆装。其它与具体实施方式一、二、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1-图2及图8说明，本实施方式所述攀爬装置8包括支撑框架8-1、拉索8-5、多层楼梯8-2、多个过渡平台8-3和多个阳台连接桥8-3；支撑框架8-1为正方形或长方形框架结构，支撑框架8-1的底部与中空塔柱1连接，支撑框架8-1的顶部与固定平台10连接，支撑框架8-1内由下至上安装有多层楼梯8-2，每层楼梯8-2的顶部安装有一个过渡平台8-3及与该过渡平台8-3相连接的一个阳台连接桥8-3，阳台连接桥8-3延伸至窗口7，阳台连接桥8-3的中部通过固接在支撑框架8-1上的拉索8-5支撑。如此设置，支撑框架8-1设计为框架结构以便减小风阻，最大限度地通过进入塔身内部的空气流；楼梯分别通过过渡平台8-3与阳台连接桥8-4连接并延伸到窗口和阳台，所述的阳台连接桥8-4为平板结构，在中部设置拉索与支撑框架连接，以便加固其承重能力，方便操作者安全步入阳台，实现装置的维修和拆装；最后一个阳台连接桥通往瞭望塔层，同一层阳台是贯通的，便于行人方便行走，方便垂直轴风力发电机组安装使用，也便于通向瞭望塔层观察。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图12说明，本实施方式所述发电系统还包括集线器组件13；集线器组件13包括多个横集线管13-1和多个竖集线管13-3，每层阳台6上安装有偶数个横集线管13-1，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1均呈环状布置，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量为塔身4的棱数的一半，塔身4的侧棱上布置有偶数个竖集线管13-3，竖集线管13-3的数量与每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量相一致，每层阳台6上的发电机的输出导线13-4穿过偶数个横集线管13-1并汇总至竖集线管13-3。如此设置，便于将每台垂直轴风力发电机组发出的电能和太阳能电池板产生的电能通过输出导线13-4经横集线管13-1和竖集线管13-3汇集到控制器14-1中，进而输送给负载供电，实现电能的利用。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式十：结合图9说明，本实施方式所述发电系统还包括加固杆12，加固杆12的一端与主轴5-3上端转动安装在加固杆12的一端，加固杆12的另一端与塔身4连接，加固杆12为矩形或圆柱形金属杆。如此设置，便于加固每层阳台上布置的垂直轴风力发电机组，保证风力发电的稳定可靠。其它与具体实施方式三相同。

实施例1

如图1-图4及图11-图12所示，本实施例中的塔身为正八棱锥台中空塔式钢筋混凝土结构，塔身的中空腔为圆周形，设置14层阳台6和1层瞭望塔层9，瞭望塔层9的顶部布置一个50kw-500kw中型垂直轴风力发电机组5，每个塔面相对应的台面上安装1台功率为2kw-10kw以下的垂直轴风力发电机组5，阳台上的垂直轴风力发电机组5正对窗口7的中部布置，窗口7为矩形窗口，每个塔面相对应的阳台的台面为等腰梯形，14层一共安装112台垂直轴风力发电机组5，所述的垂直轴风力发电机组的风轮均为H型直叶片式风轮，或Φ型弯曲叶片式风轮，或双S上下正交型风轮，或双S上下正交与H型和Φ型组合风轮。瞭望塔层9设计在第15层，每个塔面相对应的支架平台的台面上安装有5块太阳能电池板，支架平台2上共安装40块太阳能电池板。

集线器组件13包括多个横集线管13-1和多个竖集线管13-3，每层阳台6上安装有偶数个横集线管13-1，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1均呈环状布置，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量为塔身4的棱数的一半，塔身4的侧棱上布置有偶数个竖集线管13-3，竖集线管13-3的数量与每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量相一致，每层阳台6上的发电机的输出导线穿过偶数个横集线管13-1汇总至竖集线管13-3内引出。

本实施例中的塔身结构稳定，占地面积小，使用寿命长，塔层设计为14层，每层阳台布置8台垂直轴风力发电机组，由于相对的两个窗口空气流通顺畅，能充分利用风能，风能的利用率相比现有的发电装置提高了45％，各层风轮不受高低空产生的风速差影响，即使各层风轮转速不一致，也不存在相互干涉的问题，能充分满足设计要求和实际工作的需要。

实施例2

如图1-图4及图10-图13所示，在本实施例中的塔身为正八棱锥台中空塔式钢筋混凝土结构或钢质桁架铆焊结构，塔身的中空腔为圆周形或方形，设置14层阳台6和1层瞭望塔层9，瞭望塔层9的顶部布置一个50kw至500kw中型垂直轴风力发电机组5，从第1层到第5层，每个窗口相对应的台面上安装两台功率为2kw至10kw小型垂直轴风力发电机组5，从第6层到第14层，每层安装1台2kw至10kw小型垂直轴风力发电机组5。窗口7为矩形窗口，当安装一台垂直轴风力发电机组时，阳台上的垂直轴风力发电机组5正对窗口7的中部布置；当安装两台垂直轴风力发电机组时，将两台垂直轴风力发电机组5隔开至少0.5～1倍的风轮直径距离，并且使两个风轮的转动方向相反，改变两个风轮中叶片的安装方式，可以使两个风轮转向相反，以便有效利用风能，而不产生气流干涉；每个塔面相对应的阳台的台面为等腰梯形，14层一共安装162台垂直轴风力发电机组5，所述的垂直轴风力发电机组5的风轮均为H型直叶片式风轮，或Φ型弯曲叶片式风轮，或双S上下正交型风轮，或双S上下正交与H型和Φ型组合风轮。瞭望塔层9设计在第15层，每个塔面相对应的支架平台2的台面上安装有3块太阳能电池板，支架平台2上共安装24块太阳能电池板，每个塔面相对应的支架平台2为角钢焊接框架结构，可以是三角形，也可以是梯形。

集线器组件13包括多个横集线管13-1和多个竖集线管13-3，每层阳台6上安装有偶数个横集线管13-1，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1均呈环状布置，每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量为塔身4的棱数的一半，塔身4的侧棱上布置有偶数个竖集线管13-3，竖集线管13-3的数量与与每层阳台6上的偶数个横集线管13-1的数量相一致，每层阳台6上的发电机的输出导线穿过偶数个横集线管13-1汇总至竖集线管13-3内引出。

本实施例中的塔身结构稳定，占地面积小，使用寿命长，塔层设计为14层，从第1到第5层，每层阳台布置16台垂直轴风力发电机组，可以提高风能利用率，利用率相比现有的发电装置提高了55％，改变两个风轮中叶片的安装方式，可以使两个风轮转向相反，以便有效利用风能，而不产生气流干涉，能充分满足设计要求和实际工作的需要。

工作过程

地面设置电源单元，电源单元包括控制器、蓄电池和逆变器，控制器的输出端与蓄电池的输入端连接，蓄电池的输出端与逆变器的输入端连接，横集线管13-1在每一层阳台内均匀环绕分布，相邻的一台或多台垂直轴风力发电机组5的发电机输出导线由横集线管13-1封闭包裹，再汇合到竖集线管13-3中，由竖集线管13-3导到地面的控制器中，瞭望塔层9顶部设置的垂直轴风力发电机组的输出导线汇入到任意一个竖集线管中，导到地面的控制器中，每一台垂直轴风力发电机组5发出的电能和太阳能电池板3产生的电能通过输出导线13-4汇集到控制器中，控制器控制给蓄电池充电，再控制逆变器变电，蓄电池通过逆变器给交流负载供电，或直接给直流负载供电。

Claims (10)

1.一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：它包括塔身(4)、中空塔柱(1)、支架平台(2)、攀爬装置(8)、瞭望塔层(9)、多个太阳能电池板(3)、多台垂直轴风力发电机组(5)和多层阳台(6)；

所述塔身(4)为正棱台中空塔式结构，塔身(4)的棱数n为偶数，且n≥6，塔身(4)上沿其周向设置有多层阳台(6)，每相邻两层阳台(6)之间的每个塔面上加工有一个窗口(7)，每相对的塔面上的两个窗口(7)正对设置，每个窗口(7)相对应的台面上安装有至少一台垂直轴风力发电机组(5)，窗口(7)的面积为塔部垂直轴风力发电机组(5)的风轮扫风面积的一至三倍；

位于最上层的阳台(6)的上端面上布置有瞭望塔层(9)，瞭望塔层(9)的上部安装有固定平台(10)，固定平台(10)上安装有一台垂直轴风力发电机组(5)；位于最下层的阳台(6)的下部沿塔身(4)的周向安装有支架平台(2)，支架平台(2)上沿其周向铺装有多个太阳能电池板(3)；

塔身(4)安装在中空塔柱(1)上，中空塔柱(1)内安装有攀爬装置(8)，攀爬装置(8)的顶部延伸至瞭望塔层(9)，中空塔柱(1)的侧壁上沿其周向加工有多个通道(1-1)。

2.根据权利要求1所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：塔身(4)为钢筋混凝土材料制成或者钢质桁架铆焊而成，中空塔柱(1)为钢筋混凝土材料制成或者钢质桁架铆焊而成。

3.根据权利要求1或2所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：每个所述垂直轴风力发电机组(5)包括风轮(5-5)、主轴(5-3)和机箱(5-4)；机箱(5-4)安装在固定平台(10)或阳台(6)上，所述机箱(5-4)包括增速机构和发电机，增速机构与发电机连接，主轴(5-3)的下端与机箱(5-4)内的增速机构连接，主轴(5-3)上安装有风轮(5-5)。

4.根据权利要求3所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述风轮(5-5)为H型直叶片式风轮，直叶片(5-1)的数量为偶数，直叶片(5-1)的数量至少4个，直叶片(5-1)通过连接臂(5-2)与主轴(5-3)连接。

5.根据权利要求3所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述风轮(5-5)为Φ型弯曲叶片式风轮或双S上下正交式风轮，弯曲叶片的数量为三个。

6.根据权利要求3所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述风轮(5-5)为H型直叶片和双S上下正交组合式风轮或Φ型弯曲叶片和双S上下正交组合式风轮。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述太阳能电池板(3)为晶体硅制成的长方形电池板，支架平台(2)为角钢焊接框架结构，瞭望塔层(9)为塑钢窗全封闭结构，所述通道(1-1)为矩形通道或者半圆形通道与矩形通道的组合。

8.根据权利要求7所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述攀爬装置(8)包括支撑框架(8-1)、拉索(8-5)、多层楼梯(8-2)、多个过渡平台8-3和多个阳台连接桥(8-4)；支撑框架(8-1)为正方形或长方形框架结构，支撑框架(8-1)的底部与中空塔柱(1)连接，支撑框架(8-1)的顶部与固定平台(10)连接，支撑框架(8-1)内由下至上安装有多层楼梯(8-2)，每层楼梯(8-2)的顶部安装有一个过渡平台(8-3)及与该过渡平台(8-3)相连接的一个阳台连接桥(8-4)，阳台连接桥(8-4)延伸至窗口(7)，阳台连接桥(8-4)的中部通过固接在支撑框架(8-1)上的拉索(8-5)支撑。

9.根据权利要求3所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述发电装置还包括集线器组件(13)；集线器组件(13)包括多个横集线管(13-1)和多个竖集线管(13-3)，每层阳台(6)上安装有偶数个横集线管(13-1)，每层阳台(6)上的偶数个横集线管(13-1)呈环状布置，每层阳台(6)上的偶数个横集线管(13-1)的数量为塔身(4)的棱数的一半，塔身(4)的侧棱上布置有偶数个竖集线管(13-3)，竖集线管(13-3)的数量与每层阳台(6)上的偶数个横集线管(13-1)的数量相一致，每层阳台(6)上的发电机的输出导线(13-4)穿过偶数个横集线管(13-1)并汇总至竖集线管(13-3)内。

10.根据权利要求3所述的一种塔式环绕分布风光互补发电装置，其特征在于：所述发电装置还包括加固杆(12)，主轴(5-3)上端转动安装在加固杆(12)的一端，加固杆(12)的另一端与塔身(4)连接，加固杆(12)为矩形或圆柱形金属杆。