CN105452649A - 风力发电塔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电塔。根据本发明的一个实施方式的风力发电塔即使在低速风的情况下也能够对风速进行加速而实现风力发电，同时还能够提高用于旋转叶片的风的利用效率，由此提高整体的发电效率。另外，根据本发明的一个实施方式的风力发电塔通过文丘里效应能够增强风力，同时通过利用在圆柱形的风力发电塔的背面产生的涡流，使穿过风力发电塔的风的压降更大，由此进一步提高设置在风力发电塔内部的叶片的旋转。

Description

风力发电塔

技术领域

本发明涉及风力发电塔，更具体地，是涉及内部设置有风力涡轮机的风力发电塔的技术。

背景技术

一般地，风力发电系统涉及通过利用将风力转换为旋转力而进行发电的技术，是将风能转换为机械能并驱动发电机以发电的系统。

这种风力发电系统通常分为水平轴风力发电系统和垂直轴风力发电系统。水平轴风力发电系统的发电效率高，但是存在问题的是受风向影响较大，垂直轴风力发电系统虽然不会受到较大的风向影响，但是存在的问题是与水平轴风力发电系统相比效率低。由此，大部分的与风力发电相关的主要企业关注水平轴风力发电，对于垂直轴风力发电，针对提高效率的方法进行大量的研究。但是，目前还未找出用于提高垂直轴风力发电的效率的合理方法。另外，本发明是有关垂直轴风力发电的技术，基于这一点，以下，将以垂直轴风力发电为中心进行说明。

垂直轴风力发电具有的技术优点是能够利用从前方吹来的风，但是存在的问题是对于一般在大气中吹动的风，由于风向和风力不恒定，而难以有效地实现风力发电。因此，为了解决如上所述的问题尝试过多种方法。例如，提出的方案有在垂直轴风力涡轮机的周围附加地设置具有导向壁的集风管结构，从而能够使风沿预定方向流动，同时还能够增加风速。

韩国专利公开第2009-0035884号(加速型风力发电机)中公开了如下技术，即在加速型风力发电机的内部设置阻力型风力涡轮机，并在阻力型风力涡轮机的周围设置集风管结构，以使得风向恒定，同时能够增加风速，由此能够提高垂直轴风力涡轮机的效率。

另外，日本专利公开第2010-531594号(具有垂直轴的风力涡轮机)中公开了如下技术，即，在风力发电塔的内部设置有阻力型垂直轴风力涡轮机，所述阻力型垂直轴风力涡轮机的周围设置有集风管结构，以使得风向恒定，同时能够增加风速。

但是，上述专利中所公开的集风管设计成使得引导至集风管内的风与阻力型风力叶片直接接触而带动所述风力叶片的旋转，在这种结构下，根据风的变化使得所述阻力型叶片的运动也随之同样地发生变化，由此具有的问题是难以保持持续性地风力发电。另外，使经过所述导向壁的风直接与阻力型叶片接触，从而能够产生大的阻力，这种结构具有的优点是有利于阻力型叶片的初期启动，但在风速较快的情况下反而会起到阻碍作用，难以实现有效的风力发电。

由此，本发明的申请人为了解决如上所述的技术问题而研究出设置有垂直轴风力涡轮机的风力发电塔。

发明内容

技术问题

本发明的实施方式提供一种有关风力发电塔的技术，该风力发电塔形成为在低速情况下也能够实现风力发电，并且使风力发电效率最大化。

技术方法

根据本发明的一个实施方式的风力发电塔形成有多层用于风流入的风流入口，并且所述风力发电塔包括能够将所述流入的风经过风力发电塔的内部而排出至外部的集风部和能量转换部，其中，所述集风部包括通过多个风导向壁形成的多个风流入口和多个风流出口，多个风导向壁以相同角度倾斜并沿着所述风力发电塔的中心布置成放射状，以能够使通过所述风流入口流入的风经过风流出口而朝向所述能量转换部的一侧半径方向流动；所述能量转换部中，所述风力发电塔的各个层的中心所形成的空间内设置有具有垂直轴叶片的垂直轴风力涡轮机，并且在所述风导向壁与所述垂直轴叶片之间的空间内形成有具有至少1m间距的风流道；通过所述集风部的风流入口和所述风流出口流入的风沿着形成于所述能量转换部的一侧半径方向上的所述风流道流动，并排出至所述风力发电塔的外部。

另外，所述集风部的风流入口与风流出口的截面积比可以形成为至少2.5:1。

另外，所述垂直轴风力涡轮机形成为具有升力叶片，所述垂直轴风力涡轮机可以形成为垂直轴升力型风力涡轮机。另外，所述风流道的间距可以形成为1.5m。

发明效果

根据本发明的一个实施方式的风力发电塔在低速风的情况下也能够对风速进行加速而实现风力发电，同时提高用于旋转叶片的风的利用效率，从而能够提高整体的发电效率。

另外，根据本发明的一个实施方式的风力发电塔利用文丘里效应增强风力，同时利用在圆柱形的风力发电塔的背面产生的涡流，使得穿过风力发电塔的风的压降更大，由此能够更快地提高设置在风力发电塔内部的叶片的旋转。

附图说明

图1为示出根据本发明的一个实施方式的风力发电塔的图；

图2为示出图1中所示的风力发电塔的截面图；

图3为示出图2中所示的风流入口和风流出口的截面积比所对应的发电输出功率的图；

图4为示出根据本发明的一个实施方式的设置在风力发电塔内部的Gyromill型风力涡轮机的一个实施方式；

图5为示出图2中所示的集风部和能量转换部的放大图；

图6a至图6d示出在根据本发明的风力发电塔中，根据风流道的间距变化，从风流出口排出的风的速度变化的结果。

具体实施方式

以下，参照附图对，将对根据本发明的风力发电塔进行更详细的说明。

本发明的申请人提供一种风力发电塔，作为用于能够更有效地集中大气中的风的方向并进一步增强风力的方法，该风力发电塔形成有多层集风部以能够控制风向并增强风力。对此，图1中有图示，如图中所示地，根据本发明的风力发电塔100制造成形成有多层集风部110，该集风部110包括使风流入的多个风流入口111。另外，吹向所述风力发电塔100的风会经过所述风力发电塔100的风流入口111，或者如所述图1中所示地沿着风力发电塔100的两侧面和上部而流动。在此情况下，会在所述风力发电塔100的背面产生涡流。在所述风力发电塔100的背面产生的涡流与所述风力发电塔100的形状无关，只要具有预定高度和体积就能够产生，在所述风力发电塔100的截面大致形成为圆形时，会在与风流向所述风力发电塔的的一侧相反的侧面上产生涡流。由此，根据本发明的风力发电塔100可以形成为圆柱形。

图2中示出根据本发明的风力发电塔100的一个层的截面，参照图2，根据本发明的风力发电塔100可以形成有集风部110和能量转换部150。如上所述，集风部110可以通过如下方式形成，即，将多个风导向壁120以所述风力发电塔100的中心为基准布置成放射状，以使得风流入口111和风流出口112之间的截面积存在大于预定程度的差，从而能够控制从外部流向风流入口111的风向并增强风力。在此，所述风流入口111和风流出口112之间的截面积之差形成为在5m/s以下的低风速下能够因文丘里效应而增加风速。

图3中示出所述集风部110的风流入口111和和风流出口112的截面积比所对应的发电输出功率。图3中示出了本发明的申请人通过设置在济州岛上的实验塔得出的实验结果，其中，将额定输出功率为6Kw的风力发电机作为对象进行了实验，并且在所述风流入口111和风流出口112的截面积比变为1:1以上的情况下，通过测出从设置在实验塔上的风力发电机测定出的输出功率，从而找出能够带来文丘里效应的截面积比。观察所述实验结果，在所述风力发电机中，公认的常用电力的范围为大约5Kw，基于这一点，能够确认的是在所述风流入口111和风流出口112的截面积比约为2.5:1时会产生公认为额定功率的5Kw以上的输出功率。因此，通过将根据本发明的风力发电塔100上所设置的集风部110的风流入口111和风流出口112的截面积比形成为至少约2.5:1，就能够在所述风力发电塔100的集风部110上获得风速增加的效果。

所述风导向壁120优选设计成具有适当数量的风流入口111，从而将流入所述风力发电塔100的风有效地排出至外部。由此，在根据本发明的风力发电塔100中，通过设置至少五至九个风导向壁110，能够将流入所述风力发电塔100内部的风有效地排出至外部。

在所述风力发电塔100的各个层的中心空间所形成的能量转换部150上设置垂直轴风力涡轮机。根据本发明的风力发电塔100上设置的垂直轴风力涡轮机可以设置阻力型风力涡轮机或升力型风力涡轮机等。另外，在本发明的一个实施方式中，作为所述垂直轴风力涡轮机可以设置升力型风力涡轮机，并且以设置有Gyromill型风力涡轮机130 的实施方式作为基础进行说明。图4中示出了Gyromill型风力涡轮机130的一个实施方式，所述Gyromill型风力涡轮机可以包括中心轴131、形成为流线型并通过升力旋转的Gyromill型风力叶片133以及连接所述中心轴131和所述Gyromill型风力叶片133的支撑轴132。

经过所述集风部110的风在流经能量转换部150的过程中，所述能量转换部150作为将风能转化为机械能的空间，所述能量转换部150以所述Gyromill型风力涡轮机130的Gyromill型风力叶片133为基准，可以包括风流道151和内部流道152，其中，风流道151定义为所述Gyromill型风力叶片133与所述风导向壁120的末端部之间的空间，内部流道152定义为所述Gyromill型风力涡轮机130的中心轴131与所述Gyromill型风力叶片133之间的空间。

Gyromill型风力涡轮机130与达里厄型风力涡轮机相比，二者都通过升力驱动，基于这一点可见二者在技术上相似，但是Gyromill型风力涡轮机130的Gyromill型风力叶片133形成为流线型并具有有限长度，由于这一点，与里厄型风力涡轮机相比，Gyromill型风力涡轮机130形成为密实度(solidity)大，且叶尖速比(TSR，TipSpeedRatio)小。在此，密实度是指在叶片的任意半径位置上，叶片的弦长相对于叶片的旋转半径所占的比，TSR是指风速与叶片端部的速度之比。即，当风速与叶片端部的速度相同时，TSR为1。

另外，与达里厄型风力涡轮机的密实度不同地，根据本发明的一个实施方式的Gyromill型风力涡轮机130由于密实度非常大，因此具有的问题是随着TSR的增大，Gyromill型风力叶片133之间相互产生干涉并减小流向位于下游的叶片的流速，导致升力大幅度减小。

由此，本发明的申请人改善了根据本发明的风力发电塔100的结构，以发挥所述Gyromill型风力涡轮机130的技术优点，并最大限度地克服缺点。更详细地，如图2和图5所示，沿所述风力发电塔100的中心放射状地设置多个风导向壁120，并且该多个风导向壁120形成为相互之间具有预定角度，从而使通过所述风流入口111流入的风朝向所述能量转换部150的一侧半径方向流动。由此，如图所示，经过集风部110的风沿着能量转换部150的一侧半径方向流经风流道151。另外，根据本发明的一个实施方式的风力发电塔100的能量转换部150设计成具有空间充分的风流道151，这一点尤为重要，是为了实现所述Gyromill型风力叶片133顺畅地旋转。

与现有的阻力型垂直轴风力涡轮机不同地，Gyromill型风力叶片133通过升力进行旋转，基于这一点，需要以所述Gyromill型风力叶片133的前后端为基础使风充分流动的空间。由此，本发明的技术特征在于：在能量转换部150中，将Gyromill型风力涡轮机130的中心轴131与所述Gyromill型风力叶片133之间所形成的空间定为内部流道152，将所述Gyromill型风力叶片133与所述集风部110的风导向壁120之间的空间定为风流道151，通过所述风流道151，使能量转换部150具有风充分流动的空间。

如图2和图5中示出了有关于此的技术特征，根据所述图2和图5，经过集风部110的风能够沿着风流道151流动，其中，风流道151沿能量转换部150的一侧半径方向形成。另外，根据本发明的风力发电塔100的能量转换部150在所述另一侧半径方向上几乎不会发生风的流动，基于这一点，能够将以往的叶片速度降低的效果最小化，该叶片速度降低的效果是由于Gyromill型风力涡轮机130中流动的下游部分产生的阻力而导致。

另外，根据本发明的风力发电塔100为了有效地提高设置于能量转换部150的Gyromill型风力涡轮机130的旋转效率，设定合理的所述风流道151的间距最为重要。另外，为了设定所述风流道151的合理的间距，在经过所述集风部110的风流出口112的风与所述Gyromill型风力叶片133接触时，监测了经过风流出口112的风速变化，其结果示出在图6a至图6d中。图6a、图6b、图6c和图6d中分别示出了在风流道151的间距为0.3m、0.7m、1m、1.5m时测定的值。参考上述图，可知随着上述风流道151的间距变化，经过所述风流出口112的风速会变化。更详细地，可知所述风流道151的间距越增大，通道的阻力减小，从而通过所述风流出口112排出的风速会发生变化。根据上述实验结果，当风流道151的间距变大到约1.0m以上时，可以确认通道的阻力显著减小，并且可以确认当约1.5m的间距时，经过上述风流出口112排出的风的速度达到最高。由此，根据如上所述的结果，可以将根据本发明的风力发电塔100的能量转换部150内所形成的风流道151设计成形成有至少1.0m的间距。

如上所述，当合理设定风流道151的间距时，通过使所述集风部110的风流出口112排出的风的阻力最小化，设置在所述能量转换部150内的Gyromill型风力涡轮机130能够进行旋转，另外，基于具有能够使所述升力叶片产生旋转力所需的充分的风流动空间，在根据本发明的风力发电塔100中，设定合理的风流道151的间距最为重要。

另外，根据本发明的风力发电塔100的能量转换部150内形成风流道151的目的是如上所述地能够在Gyromill型风力涡轮机130的风力叶片133上产生顺畅的升力而形成风的流动，除此之外，为了实现如下目的，风流道151是必要的，即，该目的为通过由风力发电塔100所产生的风的流动，从而在风力发电塔100的能量转换部150内进一步增强风力。例如，图1中示出了在根据本发明的风力发电塔100中的风的流动，其中，经过风力发电塔100的风中，除了经过与风流入口111连通的集风部110而流经所述风力发电塔100的内部的风之外，还具有经过所述风力发电塔100的两侧面和上表面的风。在此情况下，如图2所示，在与风力发电塔100的风流入的一侧相反的侧面上产生形成有压力非常低的涡流。由此，经过所述风力发电塔100的内部而排出至外部的风因所述涡流而具有更大的压降，由此，沿着所述风力发电塔100的内部的风流道151流动的风能够更加快地排出至风力发电塔100的外部。

更详细地，风由所述能量转换部150内的风流道151而向风力发电塔100的相反方向排出，所述风力发电塔100的相反方向上的风排出空间内形成有涡流，排出的风因上述涡流而使得所述能量转换部150与形成有所述涡流的风排出空间之间产生的压力差很大，由此获得使经过所述能量转换部150的风流道151的风力增强的效果。由此，沿着所述能量转换部150的风流道151流动的风受到如上所述的涡流产生的压力差的影响，这种效果也对形成于能量转换部150的Gyromill型风力叶片133的旋转力产生很大的影响。

由此，如上所述，在风力发电塔100中产生的风的流动而产生有涡流，为了通过该涡流而获得设置于能量转换部150内的垂直轴风力涡轮机的效率提高的效果，需要在能量转换部150内设置风流道151。如果在所述能量转换部150内未设置合理的风流道151时，如上所述地，通过在风力发电塔100上产生的风的流动引起的压力差而产生能量转换部内流动的风的风力增强效果，该增强效果不会对设置于所述能量转换部150内的垂直轴风力涡轮机的旋转力产生大的影响。

由此，如上所述，通过根据本发明的风力发电塔100的能量转换部150内形成的风流道151，能够带来Gyromill型风力涡轮机130的顺畅的旋转力，同时，通过沿着风力发电塔100流的风的流动所产生的涡流而产生的压降，能够带来风的加速效果。

在根据本发明的设置有Gyromill型风力涡轮机的风力发电塔100中，内部设置有作为垂直轴风力涡轮机的Gyromill型风力涡轮机130，根据本发明能够确认的是，这比现有的垂直轴风力涡轮机在大气状态下旋转的效率提高约50％以上的效率。通过集风部110的文丘里效应而实现风力增强，同时，通过形成所述集风部110和能量转换部150的结构，使经过所述能量转换部150的风量和风力沿预定方向增大，从而能够达到施加于所述Gyromill型风力涡轮机130上的能量变大。另外，通过由风力发电塔100自身所产生的风的流动产生的涡流，由此产生的压力差能够使所述能量转换部150内的风流动地更快，由此能够达到如上所述的效果。

另外，本发明以将垂直轴升力型风力涡轮机130作为设置在风力发电塔100内的垂直轴风力涡轮机进行设置的内容为中心进行了说明，但是本发明的技术特征并不限定于所述Gyromill型风力涡轮机130，在所述风力发电塔100内也可以设置多种垂直轴风力涡轮机。

以上说明了本发明的一个实施方式，但是对于在本领域中具有通常知识的人员可以在不超出权利要求范围所记载的本发明的思想范围内，可以通过结构要素的添加、变更、删除或附加等对本发明进行多种修改及变更，这均属于本发明的权利要求范围。

Claims (8)

1.一种风力发电塔，其特征在于，该风力发电塔形成有多层用于流入风的风流入口，并且所述风力发电塔包括能够将流入的风经过所述风力发电塔的内部而排出至外部的集风部和能量转换部，其中，

所述集风部包括多个风流出口和通过多个风导向壁形成的多个风流入口，多个所述风导向壁沿所述风力发电塔的中心布置成放射状，以能够使通过所述风流入口流入的风经过所述风流出口而朝向所述能量转换部的一侧半径方向流动，

所述能量转换部中，在形成于所述风力发电塔的各个层的中心的空间内设置有具有垂直轴叶片的垂直轴风力涡轮机，并且在所述风导向壁与所述垂直轴叶片之间的空间内形成有具有至少1m间距的风流道，

通过所述集风部的所述风流入口和所述风流出口流入的风沿着形成于所述能量转换部的一侧半径方向上的所述风流道流动，并排出至所述风力发电塔的外部。

2.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，

所述集风部的所述风流入口与所述风流出口的截面积比形成为至少2.5:1。

3.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述集风部的多个所述风导向壁以相同角度倾斜并沿着所述风力发电塔的中心布置成放射状，以能够使通过所述风流入口流入的风朝向所述能量转换部的一侧半径方向流动。

4.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述风力发电塔通过流入风的所述集风部的所述风流入口与所述风流出口的截面积比产生的压降使风速增加，

并且经过所述风力发电塔的内部的风通过在所述风力发电塔的外部排出空间的周围所形成的涡流和所述风排出的集风部之间的压力差，以能够增加风速。

5.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述风力发电塔形成为圆柱形。

6.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述垂直轴风力涡轮机形成为具有升力叶片。

7.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述垂直轴风力涡轮机为垂直轴升力型风力涡轮机。

8.根据权利要求1所述的风力发电塔，其特征在于，所述风流道的间距为1.5m。