CN106523271A - 一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统 - 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大功率风力发电系统，包括垂直设置的圆柱形的聚风塔，聚风塔内垂直方向设有多层平台，每层平台上沿半径方向由内到外布置有多级风力发电机组，每级风力发电机组外周均设有风道，同一半径方向的风道贯通连接；圆柱形聚风塔的外立面设有迎风口，迎风口通过渐缩的喇叭口状的风道与内部的风道贯通，形成沿半径方向的一组贯通的风道，聚风塔中心设有一核心机组。由于狭管效应，风从迎风口进入后，越向内风力越大，风可以从一组风道进入同一直径方向的另一组风道，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
技术领域
本发明涉及一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，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。
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大功率风力发电系统。
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大功率风力发电系统，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，每层平台上沿半径方向由内到外布置有多级风力发电机组，每级风力发电机组外周均设有风道，同一半径方向的风道贯通连接；圆柱形聚风塔的外立面设有迎风口，迎风口通过渐缩的喇叭口状的风道与内部的风道贯通，形成沿半径方向的一组贯通的风道；聚风塔中心设有一核心机组。
优选地，沿半径方向由内向外风道依次增大。
优选地，沿圆周方向，相邻组风道之间通过墙体隔开。
优选地，所述喇叭口状的风道为外大内小型，沿半径方向越向内侧延伸风道越窄。
优选地，所述喇叭口状的风道内设有支撑立柱。
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大功率风力发电系统，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。风可以从一组风道进入同一直径方向的另一组风道，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，另一侧风较弱，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大功率风力发电系统俯视图；
图2为本实施例提供的三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统主视图。
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大功率风力发电系统示意图，所述的三维空间密集布局垂直轴大功率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，每层平台上沿半径方向由内到外布置有多级风力发电机组2，每级风力发电机组2外周均设有风道，同一半径方向的风道贯通连接，且沿半径方向由内向外风道依次增大；圆柱形聚风塔1的外立面开有巨大的迎风口，迎风口通过渐缩的喇叭口状的风道4与最外侧的风道贯通，形成沿半径方向的一组贯通的风道(每层平台上均匀分布有偶数组这样的风道)。
圆柱形聚风塔1的中心空置，同一直径方向的两组风道贯通。沿圆周方向，相邻组风道之间通过混凝土浇铸的墙体隔开。
喇叭口状的风道4内设有支撑立柱，以保证建筑强度。
喇叭口状的风道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)。随后风会进入同一直径方向的另一组风道，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大功率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，另一侧的风较弱，不会对风力涡轮机产生较大的逆势作用，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大功率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大功率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1.1km左右、高度680m左右(十二层～十六层平台)时，占地面积0.949km2左右，装机容量可达2500万千瓦左右，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836亿千瓦时，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5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。
下面以某一具体的设计实例进行详细明。
设聚风塔高1000m、直径1166m，占地面积1.067km2，装置整体发电率88.88％，在年均6级风力时风6000小时的优质风源地，计算如下：
中心核心机组每台装机容量10万千瓦，装机30台/座(54m)，则其年发电量为：10万千瓦*30台*5000小时＝150亿千瓦时；
风道内机组每平层设72台三功能一体化机组，每台装机容量1.6万千瓦，则其年发电量为：1.6万千瓦*72台*30层，3456万千瓦*0.8888*5000小时＝1535.8464亿千瓦时；
中心核心机组+风道内机组的装机总量为：300万千瓦+3456万千瓦＝3756万千瓦；
中心核心机组+风道内机组的年发电总量为：150亿千瓦时+1535.8464亿千瓦时＝1685.8464亿千瓦时；
此外，屋顶百余万平方米面积的太阳能光伏发电还会产生额外效益，同时屋顶百余万平方米面积所收集的雨水净化利用也会产生额外效益。
在实际使用中，还可以选择年风期大于6000小时的优质风源地，这样可以获得更高的收益。
垂直轴大功率机组是集承重部分、风力涡轮机转动部分、发电部分三功能一体化(模块化设计)。这种设计的优点是免去数十吨～数百吨重的长达数十米、直径达数米～数百米以上巨型风力涡轮机钢轴。由于采用三位一体化设计，钢轴的功能被弱化了，仅起到稳定转动部分作用。由于跨距过大，它又必须承担起承重作用，这种作用就与电动自行车后轮原理相仿，电动自行车后轮轴是不转的，它的功能是集放电、承重一体化设计的，有的电动自行车同时具有发电、充电功能。所以本申请采用模块化设计，可使垂直轴机组大功率化(最大可达装机容量20万千瓦/台以上)，同时又解决了钢轴过大、过重、造价昂贵、不利批量化市场化的问题，也解决了大跨度(数十米～数百米)承重问题。关键是这种事物是前所未有的新事物、新东西。从技术上来讲并不复杂，中国和西方工业发达国家应该有这个能力造出这种简单、实用、经济、优化的三位一体化设计的多功能、可智能化运转的发电组合体。该模式的另一优势是可集成化输变电，巡护、管理、监控方便，利用本聚风塔高度优势，直接向高压线塔输电。
原先设计680m高度时，采用12-16层设计，改为1000米高度，30层大平层发电平台设计，依旧采用聚能风道任意组合模式设计，装机功率风道机组可以数兆千瓦级～3万千瓦级/台，核心机组可以3万千瓦级/台～三十万千瓦级/台(核心机组暂时只设一台布局)，左右机组之间依然采用承重隔离墙(风道)布局，这种超高设计的优势是最大化将300m-1000m高度的强气流、6500小时以上的长年风期被聚风塔有效利用产生电能，以获得更大经济效益。
Claims (7)
1.一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，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，每层平台上沿半径方向由内到外布置有多级风力发电机组(2)，每级风力发电机组(2)外周均设有风道，同一半径方向的风道贯通连接；圆柱形聚风塔(1)的外立面设有迎风口，迎风口通过渐缩的喇叭口状的风道(4)与内部的风道贯通，形成沿半径方向的一组贯通的风道；聚风塔(1)中心设有一核心机组(3)。
2.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，其特征在于：沿半径方向由内向外风道依次增大。
3.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，其特征在于：沿圆周方向，相邻组风道之间通过墙体隔开。
4.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，其特征在于：所述喇叭口状的风道(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大功率风力发电系统，其特征在于：所述喇叭口状的风道(4)内设有支撑立柱。
6.如权利要求1所述的一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，其特征在于：所述聚风塔(1)顶部设有雨水收集平台。
7.如权利要求1或7所述的一种三维空间密集布局垂直轴大功率风力发电系统，其特征在于：所述聚风塔(1)顶部设有光伏发电系统(5)。
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