CN104373289B - 一种可控输出功率的垂直轴型风能机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可以根据电网负载需要控制风能机输出功率且具有稳定的交流频率的垂直轴型风能机，属风能发电技术领域，其特征在于：风能机叶片安装在与环形浮体刚性连接构建的立体构架上；风能机叶片为双面升力型；升力型叶片为飞机机翼形，其前缘正常为迎风向，后缘为顺风向；风能机叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力情况，由计算机根据需要通过特殊装置控制叶片的风力攻角与叶片升力方向，实现风能机以某相对稳定的角速度旋转，同时在最大可输出功率以内，根据电网负载需要，控制风能机输出功率；风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正做功或负做功；风能机刹车可以由计算机控制改变叶片风力攻角与升力方向实现。

Description

一种可控输出功率的垂直轴型风能机
本发明涉及一种可控输出功率的垂直轴型风能机，属风能发电技术领域。
背景技术
我国风能资源丰富，根据中国气象科学研究院的初步测算，我国陆地10m高度处可开发储量为2.53亿kw，如果使用本发明技术，开发我国地面边界层低空激流带的风力用于风力发电，我国可以开发出装机功率稳定供应的电能达到数百亿千瓦，足可替代我国目前使用的煤炭能源。
现代风能利用的主要方式是风力发电，风力发电的优越性：⑴建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；⑵风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题；⑶除常规保养外，没有煤电、油电与核电所需的任何其他燃料消耗，运行成本低；⑷风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源；⑸最重要的是，在地球的某些地方存在着地面边界层低空激流带，一年四季的分分秒秒皆存在着可以发电的优质风力，只要利用得当，那么，这些地方的风力发出的电能完全可以成为直接替代我们目前主流使用的化石能源的替代品。
随着全球气候变暖和能源危机，全世界各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球，但是目前世界上主流使用的风力发电装置发出的电能，因为其自身的电能质量问题而不适合成为各国的主电网的供电主力，所以本发明更显得尤为重要。
风力发电的核心是风轮机，风轮机为风力聚能装置，分为水平轴和垂直轴两大类，目前使用的规模风力发电系统主要是水平轴式风力聚能装置。但是水平轴式风能机必须迎风聚能，风能利用空间基本只能在地表以上100米以下的数十米空间，且不能提供连续稳定的电力输出，单机装机功率与风力发电的总装机功率皆非常有限。如，丹麦现安装的风力发电机3000多座年发电仅100亿度，单台风力发电机的平均有效发电功率仅380kw。尽管如此，据粗略估计，仅在这个层面上，近期可利用的风能总功率约为10～100亿kw，这个数值已经比全世界可以利用的水力资源大10倍。如果可以利用数百米甚至千米以上高空范围的风力，尤其是利用地球的某些地方存在着地面边界层低空激流带的优质风力资源，那么风能甚至可以直接提供给我们全世界使用的电力。
目前非主流使用的垂直轴型风能机，与当前主流使用的水平轴型风能机一样存在聚能功率小、效率低且电力输出不稳定等问题。本发明的垂直轴型可控功率风能机不存在迎风面问题，可同时聚集不同水平面上的不同风向的能量，最重要的是，安装于风能机上的叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，可根据电网需要，由计算机通过特殊装置自动控制叶片的风力攻角与升力方向，风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功，极大地提高了风能机的发电效率。
本发明的目的是克服现有风力发电技术存在聚能功率小、效率低、且电力输出不稳定等缺点，提供一种可控输出功率的垂直轴型风能机，主要利用在地球的某些地方存在的地面边界层低空激流带的一年四季分分秒秒皆存在着可以发电的优质风力资源的特征，利用安装于风能机上的叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机自动控制叶片的风力攻角与升力方向，风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功的独特设计，聚集半径数百米甚至数千米，高度在地表上达数百米甚至千米以上范围的风能，实现单台风能机可根据电网负荷需要，稳定提供数十万至数百万千瓦的与当前火力发电机组一样提供的具有稳定交流频率且自动控制输出功率的优质电能。
发明内容
为了达到上述目的，采用的技术方案是：一种可控输出功率的垂直轴型风能机，包括风能机底座，与环形浮体刚性连接构建的支撑叶片的立体构架，叶片安装于立体构架上，其特征在于：风能机底座上置一有水的环形凹槽；刚性连接立体构架的环形浮体为风能机旋转体的底部结构，其形状与所述环形凹槽内腔动配合吻合一致；风能机叶片为双面升力型叶片，形状为飞机机翼形，其前缘正常为迎风向，后缘为顺风向；所述底座的环形凹槽内置有水，所述旋转体的下部深入水中，所述旋转体的上部置于水面之上浮动；安装于风能机上的叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机通过特殊装置自动控制叶片的风力攻角与升力方向，风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功；将这种可控输出功率的垂直轴型风能机合理部署在地球中高纬度某些地面边界层低空激流带地区，可实现单台风能机驱动的发电机组可根据电网负荷需要，稳定提供数十万至数百万千瓦的与当前火力发电机组一样提供的具有稳定交流频率且自动控制输出功率的优质电能。
本发明的积极效果是：环形旋转体在底座凹槽内半浮动结构设计，旋转体的运动阻力与摩擦阻力皆非常小，减少了无功损耗；风能机叶片为升力型叶片，形状为飞机机翼形，其前缘正常为迎风向，后缘为顺风向；安装于风能机上的叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机通过特殊装置自动控制叶片的风力攻角与升力方向，风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功；将这种可控输出功率的垂直轴型风能机部署在地球中高纬度地区的地面附近低空激流带区域，聚集地面上半径数百米甚至数千米，高度在地面上达数百米甚至千米以上范围的风能，可实现单台风能机驱动的发电机组可根据电网负荷需要，稳定提供数十万至数百万千瓦的与当前火力发电机组一样提供的具有稳定交流频率且自动控制输出功率的优质电能。
附图说明
以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明以a～g位置为例，各例示点的自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成的实际综合相对风力在风能机不同位置与由计算机控制的风能机叶片相配置示意图。
图1中，1—自然风例示意图部分；2—以a、b两点处为例，风能机例示点处自然风；3—以e、d两点处为例，风能机例示点处风能机转动形成的切向相对风力；4—以e、f两点处为例，风能机例示点处自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成的实际综合相对风力；5—以c、d两点处为例，风能机例示点处风能机叶片状态示意图部分，其中位置c处叶片升力方向为叶片迎风方向右侧，位置d处叶片升力方向为叶片迎风方向左侧；A、B两点为自然风在风能机旋转体的切点位置，AB连线的上风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向左侧，AB连线的下风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向右侧。
图2为本发明以a～g位置为例，各例示点的实际综合相对风力作用于叶片形成升力与其在风能机旋转体相应位置的切向分力与法向分力示意图。
图2中，1—自然风例图；2—以c、d两点处为例，风能机例示点处自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成的实际综合相对风力；3—以d、e两点处为例，风能机例示点处风能机叶片状态示意图，叶片升力方向为叶片迎风方向左侧；4—以f、g两点处为例，风能机例示点处自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成的实际综合相对风力作用于风能机叶片形成的升力，叶片升力方向为叶片迎风方向左侧示意图；5—以a、b两点处为例，风能机例示点处自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成形成的实际综合相对风力作用于风能机叶片形成升力的切向分力示意图；6—以a、b两点处为例，风能机例示点处自然风力与风能机转动形成的切向相对风力合成形成的实际综合相对风力作用于风能机叶片形成升力的法向分力示意图；A、B两点为自然风在风能机旋转体的切点位置，AB连线的上风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向左侧，AB连线的下风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向右侧。
图3为本发明部分实体示意图。其中1—例示为安装的风能机叶片示意图；2—例示为安装叶片的支架结构示意图；3—例示为浮体截面示意图。
具体实施方式
本发明结构原理部分示于图1、图2、图3，由图示可见，一种可控输出功率的垂直轴型风能机，包括风能机底座，与环形浮体刚性连接构建的支撑叶片的立体构架一层以上，部分实体示意图如图3所示，叶片安装于立体构架上图3风叶支架部分所示，其特征在于：风能机底座上置一有水的环形凹槽；刚性连接立体构架的环形浮体，图3浮体截面部分所示，为风能机旋转体的底部浮体结构示意图，其形状与所述底座环形有水凹槽内腔动配合吻合一致；风能机叶片为双面升力型叶片，安装于与环形浮体刚性连接立体构架上，叶片形状为飞机机翼形，其前缘正常为迎风向，后缘为顺风向，图1与图2上A、B两点皆为自然风在风能机旋转体的切点位置，AB连线的上风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向左侧，AB连线的下风半圆处叶片升力方向为叶片迎风方向右侧，叶片动态根据需要由计算机通过特殊装置自动控制，见图1、图2所示；所述底座的环形凹槽内置有水，所述旋转体的下部，图3浮体截面部分所示，深入水中，所述旋转体的上部置于水面之上浮动；安装于风能机上的叶片，图3风叶示意图部分所示仅为单根叶片示意图，实际情况是根据风能机半径大小安装多层多根叶片，每根叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机通过特殊装置自动控制叶片的风力攻角与升力方向，风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功；将这种可控输出功率的垂直轴型风能机合理部署在地球中高纬度某些地面边界层低空激流带地区，可实现单台风能机驱动的发电机组可根据电网负荷需要，稳定提供数十万至数百万千瓦的与当前火力发电机组一样提供的具有稳定交流频率且自动控制输出功率的优质电能。
实施例，一套可控输出功率的垂直轴型风能机，可以稳定聚集半径数百米甚至数千米，高度在地表上达数百米甚至千米以上范围的风能，安装于风能机上的叶片为双面升力型，图3风叶示意图部分以一根叶片代表为例所示，安装于风能机上的多层多根叶片，任一根叶片皆可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机通过特殊装置自动控制叶片的风力攻角与升力方向。风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功；将这种可控输出功率的垂直轴型风能机合理部署在地球中高纬度某些地面边界层低空激流带地区，可实现单台风能机驱动的发电机组可根据电网负荷需要，稳定提供数十万至数百万千瓦的与当前火力发电机组一样提供的具有稳定交流频率且自动控制输出功率的优质电能。

Claims (5)

1.一种可控输出功率的垂直轴型风能机，包括风能机底座，与环形浮体刚性连接构建的无轴圆环形立体结构的叶片支架，叶片安装于该无轴圆环形立体结构的叶片支架上，叶片的风力攻角由计算机控制，其特征在于：风能机底座上置一有水的环形凹槽；刚性连接支撑该无轴圆环形立体结构的叶片支架的环形浮体为风能机旋转体的底部结构，其形状与所述环形凹槽内腔动配合吻合一致；安装于风能机上的叶片可根据叶片所处位置的瞬时风力，由计算机根据需要自动控制叶片的风力攻角与升力方向；风能机叶片为双面升力型；升力型叶片为机翼形，其前缘正常为迎风向，后缘为顺风向。
2.根据权利要求1所述一种可控输出功率的垂直轴型风能机，其特征在于：所述旋转体置于凹槽水面上浮动旋转，旋转体外缘作为风能输出承载体。
3.根据权利要求1所述一种可控输出功率的垂直轴型风能机，其特征在于：风能机所有叶片仅在风向与圆环切线相一致的一或两点位置始终负做功，其余的任意位置的叶片皆可根据需要对风能机正或负做功。
4.根据权利要求1所述一种可控输出功率的垂直轴型风能机，其特征在于：风能机可以由计算机自动控制叶片的风力攻角与升力方向，实现以某相对稳定的角速度旋转，同时在最大可输出功率以内，根据电网负载需要控制风能机输出功率。
5.根据权利要求1所述一种可控输出功率的垂直轴型风能机，其特征在于：风能机刹车可以由计算机通过控制装置控制改变叶片风力攻角与升力方向实现。
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