CN104595127A - 一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔及实施方法 - Google Patents
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Abstract
一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔及实施方法，属于风力发电技术领域的发明，由1塔架总成，2风机总成，3传动总成，4发电总成，5光伏总成构成立体三角垂轴共架构框架结构，所述的风机总成2构成三轴鼎立级联式风机阵列，一塔三机，与传动总成3构成大转盘大扭矩行星合力、同步传动机构驱动发电总成4将旋转的机械能转化为电能，实现风能→机械能→电能的转换，光伏总成5通过将光能转化为电能经过电气系统储能、逆变、控制转换，为塔架总成1、风机总成2、传动总成3、发电总成4及附属设施的电气设备提供风光互补电力，本发明特别适于构建具有标志性建筑及观光功能的100MW超大功率风力发电站。
Description
技术领域
属于风力发电技术领域的发明。
背景技术
现有的风力发电技术，尤其涉及到的垂直轴式风力发电装置，由于其结构缺陷很难实现类似水平轴式风力发电装置的大功率发电，更别说10MW乃至100 MW的超大功率风力发电了，而本发明的发电风塔技术单机风力发电功率可达100兆瓦已不是科幻，纵观现有技术涉及到的发电风塔，至今未见成功实施的案例，这给我们提出了一个疑问，究竟是建造的原因、还是成本的原因、还是技术的原因制约了现有技术的发展呢，经过检索专利发现，凡是涉及到风塔发电的技术都存在技术的缺陷、结构的缺陷、设计的缺陷、建造的缺陷以及方法的缺陷，这就导致了现有技术实施过程中的不确定性、不完整性、不可实施性，归根结底那就是现有技术存在不可逾越的技术瓶颈，而能够实现本发明所涉及的发电风塔，单机风力发电功率可达100MW的现有技术，目前还未见有，这是现有技术的空白。
发明内容
本发明的目的是利用三角形稳定结构原理作为风塔的主体框架，发明一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔来实现单机功率高达100MW的风力发电是本发明的首要目的，并通过创新方法加以实施，从而填补了现有技术的空白。
本发明包括1塔架总成，2风机总成，3传动总成，4发电总成，5光伏总成五大部分构成，其特征在于塔架总成1构成立体三角垂轴共架构框架，作为风机总成2的主轴框架及附属设施的框架，风机总成2构成三轴鼎立级联式风机阵列，一塔三机与传动总成3构成大转盘大扭矩三轴行星合力、同步传动机构，将风力转化为旋转的机械能驱动发电总成4，实现从风能→机械能→电能的转换，再通过光伏总成5将光能转化为电能，经过电气系统储能、逆变、控制转换，为塔架总成1、风机总成2、传动总成3、发电总成4及附属设施的电气设备提供独立的风光互补电力供应，从而构成本发明的主体特征。
所述的塔架总成1由地梁组件10、塔基部分11、外立管柱12、中立管柱组件13、斜支杆组件14、定轴杆组件15、横梁组件16、顶梁组件17、导流棚18、避雷组件19构成；其特征在于地梁组件10通过混凝土浇筑构成塔基部分11，并以此为基础分别与外立管柱12、中立管柱组件13对应连接构成有地下七个支点的六角形地梁网结构，由三个外立管柱12构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形主体框柱结构，由三个斜支杆组件14构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形支撑框柱结构，并通过横梁组件16连接这两个相错60°角的三角形框柱构成一体，在外立管柱12与中立管柱组件13之间，通过定轴杆组件15构成可回转支撑，在中立管柱组件13与塔基部分11之间搭建起导流棚18，由中立管柱组件13、横梁组件16构建起塔顶隔层平台，由中立管柱组件13、横梁组件16与顶梁组件17构成立体三角菱形塔顶结构，塔顶上装有避雷组件19并通过电气连接至地梁组件10构成，整个塔架总成1可以归结为由一个在塔基部分11内的六角形平面地梁框架，一个“△”立体三角柱形主体框架，一个内“Ү”星形支柱框架，一个外“Ү”星形斜拉支撑框架，一个“△”立体三角菱形塔顶框架构成，从而构成一体化主体框架；塔架的高宽比按照黄金分割法比例整定1:0.618，考虑到塔架管柱的阻力面积，确保净受风面积，实施时宽度可取0.7，因此根据不同的塔架高度可以在1:0.7、2:1.5，3:2、4:3的比例之间选择，比例常数可在30-80之间选择，即100米以下取1:0.7，100米之间取2:1.5，150米左右取3:2，200米以上取4:3，中立管柱组件13的管柱130与外立管柱12的直径比例可以按1:3、2:5、3:7、4:9来制定，主体结构如附图1、附图2所示。
所述的地梁组件10由地桩100，地梁101、地网102构成，其特征在于地桩100、地梁10、地网102采用钢筋、钢梁制成，地桩100连接地梁101连接地网102在塔基部分11内构成六角形平面框架结构与外立管柱12、中立管柱组件13及斜支杆组件14之间构成基准平台，并通过混凝土浇筑与地桩100构成一体而成。
所述的塔基部分11由基准平台110、环形浮槽111、地下室112、电梯通道113、入口通道114，电气设备115构成，其特征在于基准平台110是整个塔架的构建基础和基准，面上设有环形浮槽111及电气设备115，地下设有地下室112，在地下与地上的中立管柱组件13之间设有电梯通道113和入口通道114沟通整个塔基部分。
所述的外立管柱12既是塔架的主体支柱又是风机总成2的主轴，外立管柱12是一个通天柱管型结构，管柱中间不设固定支撑连接，仅由定轴杆组件14分层回转套接约束，可由无缝钢管柱结构、钢筋混凝土管柱结构两种基本方式构成，外立管柱12与地梁101横梁组件16构成立体三角形框柱整体，百米塔高的外立管柱12要求垂直度误差为毫米级，晃抖率不大于5mm。
所述的中立管柱组件13由管柱130、平撑梁131、斜撑杆132，内隔层133、内通道134、隔层135构成，其特征在于管柱130上设有平撑梁131、斜撑杆132构成以中心固定为基础的 三方“Ү”星形顶撑框架，也可以是六方顶撑框架，其管内还设有内隔层133及内通道134，基于管柱130与平撑梁131及横梁组件16之间构建的顶撑框架还可设置隔层135，从而构成整体支柱结构，中立管柱组件13的管柱130与外立管柱12的直径比例可以按1:3、2:5、3:7、4:9来制定。
所述的定轴杆组件14由轴套座140、滚珠141、内套管142、定轴杆143、汇接头144、斜撑杆145、中柱套管146构成，其特征在于轴套座140通过滚珠141与内套管142构成回转轴承连接、通过定轴杆143与中柱套管146连接固定，三个这样组合通过汇接头144与斜撑杆145连接到中柱套管146上固定构成“Ү”星形中心固定的支撑框架，所述的内套管142管壁上沿轴向设有多个过孔用于穿过风机总成2的连轴杆组件23中的连轴管230及连轴钢缆231构成，所述的中柱套管146可以与中立管柱组件13构为一体，定轴杆组件14还可以制成由中立管柱组件13固定支撑的“△”三角框架结构（如附图4的4-D所示），用于防止外立管柱12风振过度，消除风机总成2中的连轴杆组件23在旋转时产生的有害晃动（如附图3 的3-a、3-b、3-c所示）。
所述的斜支撑组件15由外斜撑管150，拉力绳151、内斜撑杆152、斜拉接头153、地锚154构成；其特征在于外斜撑管150内穿有拉力绳151构成整体，通过斜拉接头153连接内斜撑杆152与中立管柱组件13构成内斜支撑连接，一端与横梁组件16连接，另一端与地锚154连接构成外斜支撑，共有三套这样的支撑连接围绕主体框架与塔基部分11构成外“Ү”星形斜拉支撑框架，斜拉支撑的角度整定在∠12°-18°为宜，所述的外斜撑管150用于刚性支撑，拉力绳151用于拉力支撑，形成刚柔兼备的稳定支撑结构。
所述的风机总成2由风叶20、幅杆组件21、风机轮毂组件22、连轴杆组件23、磁悬浮轴承组件24构成，其特征在于风叶20安装在幅杆组件21上与风机轮毂组件22构成垂轴式风机单元，每个风机轮毂组件22上设两个也可以是三个幅杆组件21构成，多个垂轴式风机单元通过连轴杆组件23分层串联在外立管柱12上由磁悬浮轴承组件24构成垂直悬浮支撑实现多单元级联共轴合力旋转，将风能转换为旋转的机械能，三个外立管柱12上设有三组级联的垂轴式风机单元从而构成一个三轴鼎立的垂轴级联式风机阵列，每一个垂轴式风机单元为一层，每层高度设计在6-8米之间为宜，风轮直径不超过120米为宜，可由幅杆组件21的最大水平支撑跨度而定，风叶20在每个幅杆组件21上的设置数量由低层到高层顺序分层设置，第一层设一个叶片，第二层设二个叶片，第三层设三个叶片，每增加一层增加一个叶片，而风叶20的受风面积则根据塔高及塔层的数量来设置，从低到高逐渐减小受风面积，还可以由阻力型叶片逐步过渡到升力型叶片，通过调整风叶20的串联数量及风机单元级联的数量可以实现功率大小的调整，这样设置的好处在于可以实现多个级联风机充分利用不同高层的风力资源产生合力同步驱动、自动均衡调节的作用，所述的风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，这是本发明的独创，如果不这样设置的话，多个叶片一样的风机单元在级联连轴驱动时，由于底层与高层风力不同，其合力就会被削弱，效率就会降低，显然这不是本发明所希望的结果。
本发明的风塔扫风面积A可按下式求得：A=H*2.5-3L，H扫风面高度，L扫风面宽度，风机升力叶片功率P1的表达式为：P1=1/2ρV3 ACP10-3
P1功率kw，ρ空气密度，V风速m/s，CP 风轮功率系数；风机阻力叶片功率P2的表达式为：P2≈AS ，P2功率w，A 扫风面积m2，S风能利用率w/m2，S=S1+S2+S3+
… Sn/n S1-n为不同高层的风能利用率w/m2，n层数，总功率Po= （P1 + P2 ））*3n 。
所述的风机轮毂组件22由轮毂圈220、滚珠221、套环222构成，其特征在于轮毂圈220内设有滚珠221并与套环222构成回转连接，所述的轮毂圈220的轮圈上沿轴向设有多个过孔，其孔径根据连轴管230的外径整定，所述的套环222套在外立管柱12上构成，当外立管柱12采用无缝钢管柱结构时套环222可以省去直接由管壁代替，当外立管柱12采用钢筋混凝土管柱结构时，套环222被预置在外立管柱12上构筑成一体（如附图4的4-A所示）。
所述的连轴杆组件23由包含风机轮毂组件22的轮毂圈220、连轴管230、连轴钢缆231、连轴座232、钢球233、悬浮环234构成（如附图4 的4-B、4-C所示），其特征在于风机轮毂组件22的轮毂圈220套在外立管柱12上通过轮圈上沿轴向设置的过孔串接多个连轴管230，连轴钢缆231贯穿轮毂圈220及连轴管230与连轴座232连接构成级联垂轴结构，钢球233由悬浮环234支撑与连轴座232构成连轴回转支撑结构，连轴管230可以是无缝钢管构成，从而具备刚性联轴传动及刚性支撑的特性，也可以是揉性弹簧管构成，从而构成柔性连轴传动及半刚性支撑的特性，可以合理选用。
所述的磁悬浮轴承组件24由磁悬浮永磁体240、恒磁驱动器241构成，其特征在于磁悬浮永磁体240以塔基部分11的基准平台110为基础，以外立管柱12为中心设置，内设有恒磁驱动器241，通过电气连接构成获得电流实现恒磁工作，受控于发电总成4的主控单元45，维持磁悬浮永磁体240磁力不变。
所述的传动总成3由摩擦传动组件30、转盘轮组件31、从动轮组件32、增速传动组件33、电控离合装置34、辅助摩擦传动组件35构成，其特征在于摩擦传动组件30与转盘轮组件31连接实现一级主动摩擦传动系，转盘轮组件31与从动轮组件32构成二级齿轮传动系，从动轮组件32与增速传动组件33构成三级增速齿轮传动系，电控离合装置34实现摩擦传动组件30与转盘轮组件31之间的传动耦合与离合，辅助摩擦传动组件35与转盘轮组件31构成一级辅助摩擦传动系实现电动发电的双向传动，一级传动系的转速比50-100:1.25-2.5，二级传动系的转速比1.25-2.5:300-100，三级增速传动系增速比1:10-20，通过二级传动系可以获得250-350转的转速直接驱动永磁直驱发电机，通过三级增速传动系可以获得2500-3000转的转速驱动双馈异步交流发电机，通过一级辅助摩擦传动系可以实现电动—发电双向驱动，通过摩擦传动组件30还可以直接驱动外置主发电机40，传动总成3构成大转盘大扭矩三轴行星合力、同步传动机构，将风力转化为旋转的机械能驱动发电总成4发电。
所述的摩擦传动组件30由主动摩擦轮300、摩擦靠轮组件301、离合组件302、基座303构成，其特征在于主动摩擦轮300采用超越机构设计，嵌套在连轴杆组件23的连轴座232上构成，与摩擦靠轮组件301配合构成传动比为1:1-1:10摩擦传动轮系，由离合组件302上的电控离合装置34操纵摩擦靠轮组件301实现契紧与离合，受控于发电总成4的主控单元45，摩擦靠轮组件301与离合组件302固定在基座303上构成整体机构，基座303固定在塔基部分11上，在风机低转速下可以通过改变主动摩擦轮300与摩擦靠轮组件301的摩擦传动比来提高驱动转速，从而满足一级主动摩擦传动系所需的转速。
所述的转盘轮组件31由摩擦轮310、轮幅杆组件311、环形浮筒312、轮毂313、变径轮314、限位组件315构成，其特征在于摩擦轮310通过轮幅杆组件311与轮毂313连接构成圆盘型整体结构、环形浮筒312设置在轮幅杆组件311上与环形浮槽配合构成浮力支撑起整体重量、轮毂313套在中立管柱组件13上与变径轮314连接构成联动回转机构、限位组件315构成整个转盘轮与中立管柱组件13之间的同心定位，转盘轮组件31通过与摩擦传动组件30的配合构成一级主动摩擦传动系，同时通过轮毂313上的变径轮314与从动轮组件32配合构成齿轮传动系。
所述的发电总成4由主发电机40、变流单元41、磁电调控单元42、辅助电动发电机43、双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47、传感监控单元48、执行终端49构成，其特征在于发电总成4的主发电机40由多台并联构成，围绕传动总成3的转盘轮组件31对称布置，由传动总成3驱动发电，并与变流单元41、磁电调控单元42、主控单元45、变电单元46、并网系统47构成电气连接，经变流单元41将电力输送给变电单元46进行变电处理，最后经并网系统47实现电力并网输出，磁电调控单元42与主控单元45控制主发电机40的工作模式选择，辅助电动发电机43与双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47实现电气连接，通过主控单元45的控制决定辅助电动发电机43的电动-发电之间实现控工作模式转换、主控单元45与传感监控单元48、执行终端49构成电气连接，通过传感监控单元48采集风速、电压、电流、转速、频率、温度等关键参数进行数据分析处理，最后由执行终端49执行动作指令去操控诸如电控离合装置34、辅助电动发电机43等维持发电系统的正常工作。
所述的主发电机40包括外置、内置、中置发电机三种基本结构形式，又可分永磁直驱直流发电机，双馈异步交流发电、分体式永磁多极发电机构成。
所述的光伏总成5由太阳能电池板50、汇流单元51、控制单元52、储能单元53、光伏逆变单元54、供电单元55、恒磁单元56构成，其特征在于太阳能电池板50置于塔顶构成阵列，将太阳的光能转换为电能并与汇流单元51构成电气连接，一路经控制单元52连接到储能单元53进行储能，一路经光伏逆变单元54进行DC-AC转换，最后连接到供电单元55上向用电设备输电；光伏总成5设置在塔顶上，包含汇流单元51、控制单元52、储能单元53、光伏逆变单元54、供电单元55的电气设备被设置在隔层135中通过电气连接到发电总成4上，恒磁单元56连接到磁悬浮轴承组件24上的恒磁驱动器241，受主控单元45实施调控。
本发明所述的电气系统包括发电总成4及光伏总成5的电气系统构成（如附图9所示）；其特征在于太阳能电池板50将太阳的光能转换为电能并与汇流单元51构成电气连接，一路经控制单元52连接到储能单元53进行储能，一路经光伏逆变单元54进行DC-AC转换，最后连接到供电单元55上一方面向附属用电设备供电，一方面向发电总成4供电，恒磁单元56连接到磁悬浮轴承组件24上的恒磁驱动器241受主控单元45调控，发电总成4的主发电机40由多台并联构成，由传动总成3驱动发电，主发电机40与变流单元41、磁电调控单元42、主控单元45、变电单元46、并网系统47构成电气连接，经变流单元41将电力输送给变电单元46进行变电处理，最后经并网系统47实现电力并网输出，磁电调控单元42由主控单元45控制选择主发电机40的工作模式，以便匹配直流发电机或交流发电机，辅助电动发电机43与双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47实现电气连接，通过主控单元45的控制决定辅助电动发电机43的电动-发电之间实现工作模式转换及助力调控；所述的主控单元45与传感监控单元48、执行终端49构成电气连接，通过传感监控单元48采集整个风塔的风速、发电总成4的电压、电流、转速、频率、温度等关键参数进行数据分析处理，最后由执行终端49执行动作指令去操控电控设备维持发电系统的正常工作。
本发明的实施方法包括钢管塔柱结构实施与钢筋混凝土塔柱结构实施两种方法，两种实施方法包括塔基实施，由开挖地基、定位打桩、铺设地梁、整体浇筑四大工序完成塔基部分11的构建，然后开始外立管柱12、中立管柱组件13及横梁组件16的同步构建，当采用钢管塔柱结构实施时，管柱采用内外三位一体锯齿波形焊接法实施，确保同轴定位精确，当采用钢筋混凝土塔柱结构实施时，管柱采用通天柱内外同步滑模连续浇筑设备实施，实施方法包括分段构建、分层套装、升序定装、降序安装、总体验装五大方法按顺序实施，所述的分段构建是在塔基上同步分段构建外立管柱12、中立管柱组件13的管柱，构建一段提升一段直至塔柱封顶；所述的分层套装是在同步构建完外立管柱12、中立管柱组件13的第一段管柱后，先拆除构建设备，然后分别在中立管柱组件13、外立管柱12的管柱上套装所有分层的包括定轴杆组件14、风机轮毂组件23、连轴杆组件24等，然后再重新安装校准构建设备开始第二段的构建；所述的升序定装是当分段构建完成第二段构建工序后转入第三段构建工序时进行全部套装构件的吊升及第一层的导流棚18、定轴杆组件14、中柱套环146、风机轮毂组件23、连轴杆组件24的固定与组装；所述的降序安装是在整个塔架框架构建完成后从上而下开始安装斜撑杆组件15、风机总成2的构件及附属设施的工序；所述的总体验装是在降序安装完成后进行的检验与安装调试工序，根据本发明的实施方法，可以构建高达1000米的发电风塔和高塔建筑。
显而易见，本发明的塔架总成1采用立体三角形主体框架构建，风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机构成，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，实现了一塔三机功率倍增的效果，并且采用创新的实施方法，解决了现有塔架式垂直轴式风力发电机支撑结构缺陷问题，解决了现有垂直轴式风力发电机无法实现大功率及超大功率发电的技术瓶颈。解决了发电风塔建造实施的方法问题，解决了垂轴共架构级联风机不同高层风力驱动组合同步发电的技术难题，克服了现有水平轴式风力发电的技术缺陷及对环境影响，本发明的实施是风电中的核电，堪比核电更具可实施优势，没有核废料、无二次危害、不污染环境，安全可靠，必将彻底取代水平轴式风电成为陆地风力发电的主流。
附图说明
附图1是本发明的俯视图。
附图2是本发明的主视图。
附图3是本发明定轴杆组件的结构图。
附图4是本发明组件元件结构图。
附图5是本发明光伏总成布局图。
附图6是本发明转盘轮组件结构图。
附图7是本发明实施例结构图。
附图8是本发明的分层实施例结构图。
附图9是本发明的电气原理图。
实施例说明
由附图1、附图2所示的视图进一步描述本发明，其塔架总成1采用立体三角形主体框架构建，风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机构成，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，传动总成3采用摩擦传动系与齿轮传动系的二级传动模式，直接驱动发电总成4的永磁直流发电机发电，至少不低于三个以上的主发电机40围绕传动总成3的转盘轮组件31卧式对称布置，光伏总成5设置在塔架的三个塔顶面上，本实施例塔高按比例常数100设计，其高宽比按1:0.7的比例整定，中立管柱130与外立管柱12的直径比例按1:3来制定，则塔高100米，面宽70米，其迎风面积可折算为100*70*3=21000平方米，扫风面积按10%计算约为81000平方米，折合发电功率可获得40MW以上，辅助光伏发电功率达100KW以上。
由附图7所示的视图进一步描述本发明，其塔架总成1采用立体三角形主体框架构建，设有顶层附属隔层135，具有旅游观光功能，风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机构成，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，传动总成3采用摩擦传动系构成二级传动模式，直接驱动发电总成4的永磁直流发电机发电，至少不低于三个以上的内置主发电机40围绕传动总成3的转盘轮组件31卧式对称布置，同时还设有至少不低于三台靠摩擦传动的外置主发电机40与传动总成3的摩擦传动组件30配合发电，其发电功率更大，光伏总成5设置在塔架的三个塔顶面上，本实施例塔高按比例常数80设计，其高宽比按2:1.5的比例整定，中立管柱130与外立管柱12的直径比例按2:5来制定，则塔高160米，宽120米，其迎风面积可折算为160*120*3=57600平方米，扫风面积按10%计算约为324000平方米，折合发电功率可获得162MW以上，辅助光伏发电功率达300KW以上。
由附图8所示的视图进一步描述本发明，其塔架总成1采用立体三角形主体框架构建，采用了塔架中段增加隔层135的稳定结构，风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机构成，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，传动总成3将转盘轮组件31中的变径轮314改成了中置发电机的永磁转子，而在塔基部分11设有分体式发电机的定制电枢并与永磁转子配合构成中置发电机发电，同时在塔间还设有相同的传动总成3及发电总成4构成，其塔高可以构建的更高，发电功率可以扩展的更大，光伏总成5设置在塔架的三个塔顶面上，本实施例塔高同样可参考附图2、附图7的是实施例按比例常数80设计，其高宽比按2:1.5的比例整定，中立管柱130与外立管柱12的直径比例按2:5来制定，则塔高160米，宽120米，其迎风面积可折算为160*120*3=57600平方米，扫风面积按10%计算约为324000平方米，折合发电功率可获得162MW以上，辅助光伏发电功率达300KW以上。
由附图9所示的电气原理图实例进一步描述本发明，包括发电总成4及光伏总成5的电气系统构成；光伏总成5为独立的发电储能系统，其特征在于太阳能电池板50构成阵列将太阳的光能转换为电能，并与汇流单元51构成电气连接，一路经控制单元52连接到储能单元53进行储能，一路经光伏逆变单元54进行DC-AC转换，最后连接到供电单元55上一方面向附属用电设备供电，一方面向发电总成4供电，恒磁单元56连接到磁悬浮轴承组件24上的恒磁驱动器241受主控单元45调控，发电总成4的主发电机40由多台并联构成，由传动总成3驱动发电，主发电机40与变流单元41、磁电调控单元42、主控单元45、变电单元46、并网系统47构成电气连接，经变流单元41将电力输送给变电单元46进行变电处理，最后经并网系统47实现电力并网输出，磁电调控单元42由主控单元45控制选择主发电机40的工作模式，以便匹配直流发电机或交流发电机，辅助电动发电机43与双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47实现电气连接，通过主控单元45的控制决定辅助电动发电机43的电动-发电之间实现工作模式转换及助力调控；所述的主控单元45与传感监控单元48、执行终端49构成电气连接，通过传感监控单元48采集整个风塔的风速、发电总成4的电压、电流、转速、频率、温度等关键参数进行数据分析处理，最后由执行终端49执行动作指令去操控电控设备维持发电系统的正常工作。
综上所述，本发明的立体三角垂轴共架构级联式发电风塔具有结构简单、稳定可靠、一塔三机、共架发电的技术优势，可与现有塔高100米，单机功率高达6MW的水平轴式风力发电机三台总功率18MW相比，同等高度的本发明的发电风塔，总功率高达28MW以上，发电功率提高60%左右，但其技术成本、发电成本、建造成本、维护成本均减小30%以上、而抗风能力则提高100%，不会出现倒塔的现象，本发明的塔架结构较为复杂，这是其与众不同之处，但加工工艺、建造工艺独特、安装调试简单、调运施工方便又是其明显的优势，必将彻底取代水平轴式风电成为陆地风力发电的主流，本发明推广实施将是风电中的核电，堪比核电更具可实施优势，没有核废料、不产生二次危害、不污染环境，发电功率大，建造成本低、安全可靠。
本发明适于在陆地上构建100KW-10MW-100MW中大型风塔式风力发电站，特别适于构建具有标志性建筑及观光功能的100MW超大功率风力发电站。
Claims (9)
1. 一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔及实施方法，属于风力发电技术领域的发明，包括1塔架总成，2风机总成，3传动总成，4发电总成，5光伏总成五大部分构成，其特征在于塔架总成1构成立体三角垂轴共架构框架，作为风机总成2的主轴框架及附属设施塔架，风机总成2以塔架总成为支撑构成三轴鼎立级联式风机阵列，一塔三机与传动总成3构成大转盘大扭矩三轴行星合力、同步传动机构，将风力转化为旋转的机械能驱动发电总成4，实现风能→机械能→电能的转换，再通过光伏总成5将光能转化为电能经过电气系统储能、逆变、控制转换，为塔架总成1、风机总成2、传动总成3、发电总成4及附属设施的电气设备提供独立的风光互补电力供应，从而构成本发明的独立权利要求1。
2.本发明的实施方法包括钢管塔柱结构实施与钢筋混凝土塔柱结构实施两种方法，两种实施方法包含塔基实施，由开挖地基、定位打桩、铺设地梁、整体浇筑四大工序完成塔基部分11的基准平台110的构建，然后是塔架的外立管柱12、中立管柱组件13及横梁组件15的同步构建，当采用钢管塔柱结构实施时，管柱采用内外三位一体锯齿波形焊接法实施，确保同轴定位精确，当采用钢筋混凝土塔柱结构实施时，管柱采用通天柱内外同步滑模连续浇筑设备实施；实施方法包括分段构建、分层套装、升序定装、降序安装、总体验装五大方法按顺序实施，所述的分段构建是在塔基上同步分段构建外立管柱12、中立管柱组件13的管柱，构建一段提升一段直至塔柱封顶；所述的分层套装是在同步构建完外立管柱12、中立管柱组件13的第一段管柱后，先拆除构建设备，然后分别在中立管柱组件13、外立管柱12的管柱上套装所有分层的包括定轴杆组件14、风机轮毂组件23、连轴杆组件24在内的构件，然后再重新安装校准构建设备开始第二段的构建；所述的升序定装是当分段构建完成第二段构建工序后转入第三段构建工序时进行全部套装构件的吊升及第一层的导流棚18、定轴杆组件14、中柱套环145、风机轮毂组件23、连轴杆组件24的固定与组装；所述的降序安装是在整个塔架框架构建完成后从上而下开始安装斜撑杆组件15、风机总成2的构件及附属设施的工序；所述的总体验装是在降序安装完成后进行的检验与安装调试工序，根据本发明的实施方法，可以构建高达1000米的发电风塔和高塔建筑，从而构成本发明的独立权利要求2。
3.根据权利要求1所述的塔架总成1由地梁组件10、塔基部分11、外立管柱12、中立管柱组件13、定轴杆组件14、斜支撑组件15、横梁组件16、顶梁组件17、导流棚18、避雷组件19构成；其特征在于地梁组件10通过混凝土浇筑构成塔基部分11，并以此为基础分别与外立管柱12、中立管柱组件13对应连接构成有地下七个支点的六角形地梁网结构，由三个外立管柱12构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形主体框柱结构，由三个斜支杆组件14构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形支撑框柱结构，并通过横梁组件16连接这两个相错60°角的三角形框柱构成一体，在外立管柱12与中立管柱组件13之间，通过定轴杆组件14构成可回转支撑，在中立管柱组件13与塔基部分11之间搭建起导流棚18，由中立管柱组件13、横梁组件16构建起塔顶隔层平台，由中立管柱组件13、横梁组件16与顶梁组件17构成立体三角菱形塔顶结构，塔顶上装有避雷组件19并通过电气连接至地梁组件10构成，整个塔架总成1可以归结为由一个在塔基部分11内的六角形平面地梁框架，一个“△”立体三角柱形主体框架，一个内“Ү”星形顶撑支柱框架，一个外“Ү”星形斜拉支撑框架，一个“△”立体三角菱形塔顶框架构成，从而构成一体化主体框架；塔架的高宽比按照黄金分割法比例整定1:0.618，实施时可以在1:0.7、2:1.5，3:2、4:3的比例之间选择，比例常数取30-80，中立管柱130与外立管柱12的直径比例可以按1:3、2:5、3:7、4:9来制定；所述的地梁组件10由地桩100，地梁101、地网102构成，其特征在于地桩100连接地梁101连接地网102在塔基部分11内构成六角形平面框架结构与外立管柱12、中立管柱组件13及斜支撑组件15之间构成基础连接，并通过混凝土浇筑与地桩100构成一体而成；所述的塔基部分11由基准平台110、环形浮槽111、地下室112、电梯通道113、入口通道114，电气设备115构成，其特征在于基准平台110是整个塔架的构建基础和基准，面上设有环形浮槽111及电气设备115，地下设有地下室112，在地下与地上的中立管柱组件13之间设有电梯通道113和入口通道114沟通整个塔基部分；所述的外立管柱12既是塔架的主体支柱又是风机总成2的主轴，外立管柱12是一个通天柱管型结构，管柱中间不设固定支撑连接，仅由定轴杆组件14分层回转套接约束，外立管柱12与地梁101横梁组件16构成立体三角形框柱整体，所述的中立管柱组件13由管柱130、平撑梁131、斜撑杆132，内隔层133、内通道134、隔层135构成，其特征在于管柱130上设有平撑梁131、斜撑杆132构成以中心固定为基础的 三方“Ү”星形顶撑框架，也可以是六方顶撑框架，其管内还设有内隔层133及内通道134，基于管柱130与平撑梁131及横梁组件16之间构建的顶撑框架还可设置隔层135，从而构成整体支柱结构，所述的定轴杆组件14由轴套座140、滚珠141、内套管142、定轴杆143、汇接头144、斜撑杆145、中柱套管146构成，其特征在于轴套座140通过滚珠141与内套管142构成回转轴承连接、通过定轴杆143与中柱套管146连接固定，三个这样组合通过汇接头144与斜撑杆145连接到中柱套管146上固定构成“Ү”星形中心固定的支撑框架，所述的内套管142管壁上沿轴向设有多个过孔用于穿过风机总成2的连轴杆组件23中的连轴管230及连轴钢缆231构成，所述的中柱套管146可以与中立管柱组件13构为一体，定轴杆组件14还可以制成由中立管柱组件13固定支撑的“△”三角框架结构；所述的斜支撑组件15由外斜撑管150，拉力绳151、内斜撑杆152、斜拉接头153、地锚154构成；其特征在于外斜撑管150内穿有拉力绳151构成整体，通过斜拉接头153连接内斜撑杆152与中立管柱组件13构成内斜支撑连接，一端与横梁组件16连接，另一端与地锚154连接构成外斜支撑，共有三套这样的支撑连接围绕主体框架与塔基部分11构成外“Ү”星形斜拉支撑框架，斜拉支撑的角度整定在∠12°-18°为宜，所述的外斜撑管150用于刚性支撑，拉力绳151用于拉力支撑，形成刚柔兼备的稳定支撑结构。
4.根据权利要求1所述的风机总成2由风叶20、幅杆组件21、风机轮毂组件22、连轴杆组件23、磁悬浮轴承组件24构成，其特征在于风叶20安装在幅杆组件21上与风机轮毂组件22构成垂轴式风机单元，每个风机轮毂组件22上设两个也可以是三个幅杆组件21构成，多个垂轴式风机单元通过连轴杆组件23分层串联在外立管柱12上由磁悬浮轴承组件24构成垂直悬浮支撑，实现多单元级联共轴合力将风能转换为旋转的机械能，三个外立管柱12上设有三组级联的垂轴式风机单元从而构成三轴鼎立的垂轴级联式风机阵列，一塔三机，每一个垂轴式风机单元为一层，每层高度设计在6-8米之间为宜，风轮直径不超过120米为宜，可由幅杆组件21的最大水平支撑跨度而定，风叶20在每个幅杆组件21上的设置数量由低层到高层顺序分层设置，第一层设一个叶片，第二层设二个叶片，第三层设三个叶片，每增加一层增加一个叶片，而风叶20的受风面积则根据层高及串联的数量来设置，从低到高逐渐减小受风面积，还可以由阻力型叶片逐步过渡到升力型叶片，通过调整风叶20的串联数量及风机单元级联的数量可以实现功率大小的调整；所述的风机轮毂组件22由轮毂圈220、滚珠221、套环222构成，其特征在于轮毂圈220内设有滚珠221并与套环222构成回转连接，所述的轮毂圈220的轮圈上沿轴向设有多个过孔，其孔径根据连轴管230的外径整定；所述的连轴杆组件23由包含风机轮毂组件22的轮毂圈220、连轴管230、连轴钢缆231、连轴座232、钢球233、悬浮环234构成，其特征在于风机轮毂组件22的轮毂圈220套在外立管柱12上通过轮圈上沿轴向设置的过孔串接多个连轴管230，连轴钢缆231贯穿轮毂圈220及连轴管230与连轴座232连接构成级联垂轴结构，钢球233由悬浮环234支撑与连轴座232构成连轴回转支撑结构，连轴管230可以是无缝钢管构成，具备刚性联轴传动及刚性支撑的特性，也可以是揉性弹簧管构成，具备柔性连轴传动及半刚性支撑的特性；所述的磁悬浮轴承组件24由磁悬浮永磁体240、恒磁驱动器241构成，其特征在于磁悬浮永磁体240以塔基部分11的基准平台110为基础，以外立管柱12为中心设置，内设有恒磁驱动器241，通过电气连接构成获得电流实现恒磁工作，受发电总成4的主控单元45调控。
5.本发明的风塔扫风面积A可按下式求得：A=H*2.5-3L，H扫风面高度，L扫风面宽度，风机升力叶片功率P1的表达式为：P1=1/2ρV3 ACP10-3
P1功率kw，ρ空气密度，V风速m/s，CP 风轮功率系数；风机阻力叶片功率P2的表达式为：P2≈AS ，P2功率w，A 扫风面积m2，S风能利用率w/m2，S=S1+S2+S3+ … Sn/n S1-n为不同高层的风能利用率w/m2，n层数；整机功率Po=（P1 +
P2 ）*3n 。
6.根据权利要求1所述的传动总成3由摩擦传动组件30、转盘轮组件31、从动轮组件32、增速传动组件33、电控离合装置34、辅助摩擦传动组件35构成，其特征在于摩擦传动组件30与转盘轮组件31连接实现一级主动摩擦传动系，转盘轮组件31与从动轮组件32构成二级齿轮传动系，从动轮组件32与增速传动组件33构成三级增速齿轮传动系，电控离合装置34实现摩擦传动组件30与转盘轮组件31之间的传动耦合与离合，辅助摩擦传动组件35与转盘轮组件31构成一级辅助摩擦传动系实现电动发电的双向传动，一级传动系的转速比50-100:1.25-2.5，二级传动系的转速比1.25-2.5:300-100，三级增速传动系增速比1:10-20；所述的摩擦传动组件30由主动摩擦轮300、摩擦靠轮组件301、离合组件302、基座303构成，其特征在于主动摩擦轮300嵌套在连轴杆组件23的连轴座232上构成，与摩擦靠轮组件301配合构成传动比为1:1-1:10摩擦传动轮系，由离合组件302上的电控离合装置34操纵摩擦靠轮组件301实现契紧与离合，受控于发电总成4的主控单元45，摩擦靠轮组件301与离合组件302固定在基座303上，基座303固定在塔基部分11的基准平台110上构成整体机构；所述的转盘轮组件31由摩擦轮310、轮幅杆组件311、环形浮筒312、轮毂313、变径轮314、限位组件315构成，其特征在于摩擦轮310通过轮幅杆组件311与轮毂313连接构成圆盘型整体结构、环形浮筒312设置在轮幅杆组件311上与环形浮槽配合配合构成浮力支撑、轮毂313套在中立管柱组件13上与变径轮314连接构成联动回转机构、限位组件315构成整个转盘轮与中立管柱组件13之间的同心定位，转盘轮组件31通过与摩擦传动组件30的配合构成一级主动摩擦传动系，同时通过轮毂313上的变径轮314与从动轮组件32配合构成齿轮传动系。
7.根据权利要求1所述的发电总成4由主发电机40、变流单元41、磁电调控单元42、辅助电动发电机43、双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47、传感监控单元48、执行终端49构成，其特征在于发电总成4的主发电机40由多台并联构成，有外置、内置、中置发电机三种基本结构，围绕传动总成3的转盘轮组件31对称布置，由传动总成3驱动发电，并与变流单元41、磁电调控单元42、主控单元45、变电单元46、并网系统47构成电气连接，经变流单元41将电力输送给变电单元46进行变电处理，最后经并网系统47实现电力并网输出，磁电调控单元42与主控单元45控制主发电机40的工作模式选择，辅助电动发电机43与双向逆变驱动单元44、主控单元45、变电单元46、并网系统47实现电气连接，通过主控单元45的控制决定辅助电动发电机43的电动-发电之间实现控工作模式转换、主控单元45与传感监控单元48、执行终端49构成电气连接，通过传感监控单元48采集风速、电压、电流、转速、频率、温度等关键参数进行数据分析处理，最后由执行终端49执行动作指令去操控诸如电控离合装置34、辅助电动发电机43等维持发电系统的正常工作。
8.根据权利要求1所述的光伏总成5由太阳能电池板50、汇流单元51、控制单元52、储能单元53、光伏逆变单元54、供电单元55、恒磁单元56构成，其特征在于太阳能电池板50置于塔顶构成阵列，将太阳的光能转换为电能并与汇流单元51构成电气连接，一路经控制单元52连接到储能单元53进行储能，一路经光伏逆变单元54进行DC-AC转换，最后连接到供电单元55上向用电设备输电；包含汇流单元51、控制单元52、储能单元53、光伏逆变单元54、供电单元55的电气设备被设置在隔层135中通过电气连接到发电总成4上，恒磁单元56连接到磁悬浮轴承组件24上的恒磁驱动器241，受主控单元45实施调控。
9.根据权利要求1、3、4、6、7、8所述的特征包含组件及构件之间所构成的必然关联，共同构成了本发明不可或缺，不可孤立的整体特征，在满足整体特征条件下任何通过其他可达成方式都在本发明的权益保护的范围之内。
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