CN105863958A - 一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，包括垂直设置的圆柱形的聚风塔，聚风塔内垂直设有多层平台，每层平台上均匀设有多组沿半径方向设置的渐扩风道；每组渐扩风道包括一条内侧总风道，内侧总风道与两条中间分支风道贯通，每条中间分支风道分别与两条外侧分支风道贯通；各风道内均设有风力发电机组，每级风力发电机组外周的风道均为环形；圆柱形聚风塔的外立面的迎风口通过喇叭口状风道与分支风道贯通。由于狭管效应，风从迎风口进入后，越向内风力越大，风道由一条扩张为两条再扩张为四条，装机容量也成数倍增加，最大限度地利用风能。本发明装机容量大，占地面积小，发电效率高，使用寿命长，具有广泛的应用前景。

Description

一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，属于风力发电技术领域。
背景技术
风力发电系统作为将风力转化为旋转力而生产电的技术，是将风能转化为机械能并驱动发电机而生产电的系统。中国国家电网统计全球清洁能源市场有50万亿美元的市场份额。
风力发电系统一般分为水平轴风力发电和垂直轴风力发电。水平轴风力发电效率高，但是受风向影响很大；垂直轴风力发电虽然受风向影响不大，但是与水平轴相比效率不高。因此，在垂直轴风力发电中，如何提高其发电效率，是急需解决的问题。
传统的垂直轴风力发电机机组为桅杆结构，通过一个长立杆将风力发电机举高到空中，为了保持长立杆在强风作用下还具有足够的强度，往往还需要在长立杆顶端和地面之间用数条与地面倾斜的钢缆加固。如果应用小型风力发电机来获取较高的发电功率时，就需要安装较多的小型风力发电机以增加总的风力发电机风轮扫风面积。为了减少风力发电机之间在风场中的互相干扰，还需要使他们之间具有适当的间隔，占地面积很大。
中国专利CN102953935A公开了一种聚风塔式风力发电系统，包括一个外形带有竖立的圆柱面的聚风塔，以及可以围绕聚风塔圆柱面轴线回转的回转车架，风力发电机安装在挂臂上，挂臂支承在回转车架上，回转车架可以带动风力发电机绕聚风塔圆柱面的外侧面回转。聚风塔塔体的外形可以将吹向它表面的风流导向位于其圆柱面外侧的各小型风力发电机，可提高风力发电机的发电能力和有效运行时间。
聚风塔式风力发电系统改变了一般小型风力发电机一台风力发电机用一条长立杆举高到空中的形式，可以提高风力发电机的发电效率，有更好的稳固性、安全性和与周围环境的协调性。但是其仅在聚风塔的两端挂臂上从上到下布置两列小型风力发电机，装机容量小，占地面积大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种装机容量大、占地面积小、发电效率高的垂直轴风力发电系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：包括垂直设置的圆柱形的聚风塔，聚风塔内垂直方向设有多层平台，每层平台上均匀设有多组沿半径方向设置的渐扩风道；
每组所述渐扩风道均由一条内侧总风道、两条中间分支风道、四条外侧分支风道组成，内侧总风道与两条中间分支风道贯通，每条中间分支风道分别与两条外侧分支风道贯通；内侧总风道、中间分支风道、外侧分支风道内均设有至少一级风力发电机组，每级风力发电机组外周的风道均形成环形结构；
圆柱形聚风塔的外立面设有迎风口，迎风口通过喇叭口状风道与所述分支风道贯通。
优选地，所述聚风塔的中心空置，同一直径方向的两组所述渐扩风道贯通。
优选地，沿圆周方向，相邻组所述渐扩风道之间通过墙体隔开；同一组渐扩风道内部的两条中间分支风道及四条外侧分支风道之间也分别通过墙体隔开。
优选地，所述喇叭口状风道为外大内小型，沿半径方向越向内侧延伸风道越窄。
优选地，所述喇叭口状风道内设有支撑立柱。
优选地，所述渐扩风道内，至少一条中间分支风道内侧端设有用于控制该中间支风道是否工作的可旋转的挡片。
优选地，所述渐扩风道内，至少一条外侧分支风道内侧端设有用于控制该外侧分支风道是否工作的可旋转的挡片。
优选地，所述聚风塔顶部设有雨水收集平台。
优选地，所述聚风塔顶部设有光伏发电系统。
本发明提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，采用喇叭口状的风道，由于狭管效应，风从迎风口进入后，基本每向内100米长度，风力会增加3级左右，空气密度、风速也同步升级。风道由内侧一条扩张为中间两条再扩张为外侧四条，装机容量随风道增加也成数倍增加，风力在风道内的衰减是有限的，对风力的主要利用率还是在增加。风可以从一组渐扩风道进入同一直径方向的另一组渐扩风道，驱动其内的机组做功，可以最大限度地将大气环流在人工控制条件下形成聚能。在风力发电机组外周设置环形风道，可以使来风仅从环形的一侧穿过，另一侧没有风，因而不会产生反面旋翼涡流的牵扯反作用力，进而可以提高发电效率。
本发明提供的系统克服了现有技术的不足，装机容量大，占地面积小，发电效率高，且使用寿命长，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统示意图，所述的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统包括一垂直设置的圆柱形的聚风塔1，聚风塔1内垂直方向布置有多层平台，每层平台上均匀设有多组沿半径方向设置的渐扩风道3。每组渐扩风道3均由一条内侧总风道、两条中间分支风道、四条外侧分支风道组成，内侧总风道与两条中间分支风道贯通，每条中间分支风道分别与两条外侧分支风道贯通。内侧总风道、中间分支风道、外侧分支风道内均设有至少一级风力发电机组2，即可以从最内侧、次内侧……等任意一级风力发电机组2处开始扩张为两条风道，再根据具体工况扩张为四条风道。每级风力发电机组2外周的风道均形成环形结构。圆柱形聚风塔1的外立面设有巨大的迎风口，迎风口通过喇叭口状风道4与各分支风道贯通。
圆柱形聚风塔1的中心空置，每层平台上均匀分布有偶数组这样的渐扩风道3，同一直径方向的两组渐扩风道3贯通。沿圆周方向，相邻组渐扩风道3之间通过混凝土浇铸的墙体隔开。同一组渐扩风道3内部的两条外侧分支风道之间也通过混凝土浇铸的墙体隔开。
喇叭口状风道4内设有支撑立柱5，以保证建筑强度。
渐扩风道3内，至少一条中间分支风道内侧端(靠近内侧总风道处)设有用于控制该中间分支风道是否工作的可旋转的挡片6。当不需要该中间分支风道工作时，将挡片6旋转到将该中间分支风道封闭即可。
渐扩风道3内，至少一条外侧分支风道内侧端(靠近内侧总风道处)设有用于控制该外侧分支风道是否工作的可旋转的挡片6。当不需要该外侧分支风道工作时，将挡片6旋转到将该外侧分支风道封闭即可。
喇叭口状风道4为外大内小型，即越向内侧延伸风道越窄。则由于狭管效应，风从迎风口进入后，基本每向内100米长度，风力会增加3级左右，空气密度、风速也同步升级。当外界年均风力6级时，风道内的压力风速以5级机组计(由外向内依次为第一级、第二级……)，第一级机组受风风力9级(27m/s)，第二级机组受风风力11级以内(扣除机组阻力作用、风道摩擦、扰流系数等)，第三级机组受风风力大于12级，第四级机组受风第风力大于13级，五级机组受风风力大于14级(42m/s)。当一条风道达到极限值后，风道由内侧一条扩张为两条再扩张为4条，装机容量随风道增加也成倍增加，风力在风道内的衰减是有限的，对风力的主要利用率还是在增加。随后风会进入同一直径方向的另一组渐扩风道，驱动其内的机组做功。
本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统可以最大限度地将大气环流在人工控制条件下形成“聚能腔式”，所以风力发电机组装机容量也是逐渐向核心区域递增的。
在风力发电机组外周设置环形风道，可以使来风仅从环形的一侧穿过，另一侧没有风，因而不会产生反面旋翼涡流的牵扯反作用力，进而可以提高发电效率。
本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统能将来风动能的50％左右作用于风力涡轮机旋翼面积上，它没有反面旋翼涡流的牵扯反作用力(反向涡流)，有效发电率大于80％(此发电率指总装机容量技术发电比率，与年风期无关)。
本实施例的风道设计是针对“垂直轴”风电模式设计。由于垂直轴是垂直度左旋(右旋)的，所以并不需要常规“水平轴”式的160m-257m直径空间，本实施例中风力涡轮机组只需要几十米直径就够了。设相邻机组之间横向间隔为20m左右，纵向间隔不超过100m，一台装机5万千瓦(50兆瓦级/台)风力发电系统，本实施例中风力涡轮机组直径仅需60m左右，大大减小了占地面积。
本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统除了可以在较小的占地面积上高密度布局风电机组外，它的寿命周期也非常长，平均寿命周期大于三十年，而且单台装机功率大，最小可达8兆瓦级/台，最大可采用100兆瓦级/台。
本实施例提供了一种占地面积小、向空间(高空)发展的全新的空气动力概念发电模式。这种风电模式可在屋型风电建筑中使用。当聚风塔直径25km左右、高度680m左右(十层～十二层平台)时，占地面积4.9km2左右，装机容量可达1.6亿千瓦左右，有效发电率88％。丹麦学者测得中高宽区域风力、风期均优于低空，年风期达6500小时左右。即使在东南沿海台湾海峡优质风源地福建泉州海上风电场，测得年风期3800小时左右。本实施例以年风期3800h计算，则年发电量达到5350亿千瓦时，由此带来的经济效益极为可观。
此外，聚风塔顶部还可以作为雨水收集平台，或者放置光伏电池板进行光伏发电。
同时，本风力发电系统在上层建造的同时下层就可以运行发电，属于一种边建边发电的优势风电模式，而不需要一次性建成后发电。这样，当整个系统全部建成之时，已发电相当可观了。

Claims (9)

1.一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：包括垂直设置的圆柱形的聚风塔(1)，聚风塔(1)内垂直方向设有多层平台，每层平台上均匀设有多组沿半径方向设置的渐扩风道(3)；
每组所述渐扩风道(3)均由一条内侧总风道、两条中间分支风道、四条外侧分支风道组成，内侧总风道与两条中间分支风道贯通，每条中间分支风道分别与两条外侧分支风道贯通；内侧总风道、中间分支风道、外侧分支风道内均设有至少一级风力发电机组(2)，每级风力发电机组(2)外周的风道均形成环形结构；
圆柱形聚风塔(1)的外立面设有迎风口，迎风口通过喇叭口状风道(4)与所述外侧分支风道贯通。
2.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述聚风塔(1)的中心空置，同一直径方向的两组所述渐扩风道(3)贯通。
3.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：沿圆周方向，相邻组所述渐扩风道(3)之间通过墙体隔开；同一组渐扩风道(3)内部的两条中间分支风道及四条外侧分支风道之间也分别通过墙体隔开。
4.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述喇叭口状风道(4)为外大内小型，沿半径方向越向内侧延伸风道越窄。
5.如权利要求1或4所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述喇叭口状风道(4)内设有支撑立柱(5)。
6.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述渐扩风道(3)内，至少一条中间分支风道内侧端设有用于控制该中间分支风道是否工作的可旋转的挡片(6)。
7.如权利要求1或6所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述渐扩风道(3)内，至少一条外侧分支风道内侧端设有用于控制该外侧分支风道是否工作的可旋转的挡片(6)。
8.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述聚风塔(1)顶部设有雨水收集平台。
9.如权利要求1或8所述的一种三维空间密集布局垂直轴四倍风道风力发电系统，其特征在于：所述聚风塔(1)顶部设有光伏发电系统。
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