CN106870290B - 一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，包括多个竖直层叠搭建的发电单元，发电单元包括大空轴、风轮、导轨以及发电机。大空轴设置于发电单元的内侧；风轮由多个扇叶组成，并环设于大空轴外侧，风轮的上下两端设置内滚轮、外滚轮；导轨设置于风轮的上、下两端，并与滚轮相互配合；发电机设置于风轮下端的导轨与大空轴之间，发电机与导轨的内齿圈或摩擦轮啮合，由内齿圈或摩擦轮拖动发电；磁悬浮导轨平行设置于风轮下侧的内导轨和外导轨之间，用于减少导轨之间的摩擦。本发明的发电系统可有效提升垂直轴风力发电机的风能利用系数，增加发电量，同时对风机大型化和建筑发电一体化的构想作出了示范。

Description

一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统

技术领域

本发明涉及垂直轴风力发电领域，特别是涉及一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统。

背景技术

风能是清洁能源的重要来源之一。近些年来，随着风力发电机的高速发展，风能引起了越来越多的关注，风力发电量也逐年上升。许多国家和地区计划大力发展风力发电行业。

目前的风力发电机主要分为两种：(1)水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；(2)垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流的方向。

水平轴风力发电机需要设置偏航系统，工作过程中应力无法分散，抗破坏能力差，且轴承使用数量较多，致使结构复杂，造价高且易出现故障，另外，水平轴风力发电机在风速较小时难以启动，大多数时间处于静止状态，风能利用率很低。

垂直轴风力发电机分为阻力型和升力型两种，阻力型风机的优点是启动转矩较大，启动性能良好，但是它的转速较低，风能的利用率甚至还低于水平轴风力发电机；升力型风机转速较高，旋转惯性大，结构相对简单，成本较低，但此结构在垂直轴风力发电机开始运行时启动比较困难，尤其是在风速较小的情况下运转性能差。

相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机能够在不同风向下运行，因此这种风力发电机不需要偏航操纵系统。

然而，垂直轴风力发电机上部捕风叶片和连接部件的重量都由中央轴承承担，这导致了中央轴承的直径变得很大，而浪费了很多空间，并且在风力发电机长期运行过程中，较大的自重不仅会导致强度和疲劳问题，还会显著增加连接轴承的摩擦力，这两种原因显著降低垂直轴风力发电机的发电效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其结构简单合理、有效提高了垂直轴风力发电效率的可融合建筑。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，包括由多个竖直层叠搭建的发电单元构成，所述发电单元包括：

大空轴，其设置于所述发电单元的内侧中央位置；

风轮，其由多个扇叶组成，所述扇叶环设于所述大空轴外侧并包围所述大空轴，所述风轮在靠近所述大空轴侧上下两端设置内滚轮、远离所述大空轴侧的上下两端设外滚轮；

两条内导轨，其对称设置于所述大空轴外侧风轮的上下两端，并与所述风轮上的内滚轮相互配合，实现所述风轮在所述内导轨上的运动，其中位于风轮下端的内导轨的内侧壁设置有内齿圈或摩擦轮；

两条外导轨，其对称设置于所述大空轴外侧风轮的上下两端，并与所述风轮上的外滚轮相互配合，实现所述风轮在所述外导轨上的运动；

发电机，其设置于所述风轮下端的内导轨与所述大空轴之间，所述发电机与所述内导轨的内齿圈或摩擦轮相啮合，由所述内齿圈或摩擦轮拖动发电；

磁悬浮导轨，其平行设置于风轮下侧的内导轨和外导轨之间，用于减少对所述内导轨和所述外导轨之间的摩擦。

优选地，上述技术方案中，所述可融合建筑的大空轴风光互补发电系统还包括：设置于最上层风轮的上端的光伏板顶盖和设置于最下层风轮的下端的大空轴塔基，所述光伏板顶盖的中间设置有采光孔和避雷针。

优选地，上述技术方案中，所述可融合建筑的大空轴风光互补发电系统还包括：防护网，其环设于每一风轮的外侧。

优选地，上述技术方案中，所述扇叶包括多个风叶和用于固定所述风叶的支架，多个风叶之间通过连杆和扭杆实现活动连接。

优选地，上述技术方案中，所述风轮的数量为3-50，每一风轮与相邻风轮之间的运动方向为相同或相反，所述风轮的运动轨道为上下对称设置。

优选地，上述技术方案中，每一风轮均包括3-12个扇叶，每一扇叶包括2-120片风叶，所述风叶为折角型或者圆弧形。

优选地，上述技术方案中，所述风叶在支架上能够自动旋转，当风叶运行于受风时段时，全程自动处于最佳受风角度。

优选地，上述技术方案中，所述大空轴为按通用建筑空间布置的中空结构，所述内导轨、所述外导轨与所述大空轴之间通过三角支撑架连接。

优选地，上述技术方案中，所述发电机的数量为一台或多台，当所述发电机为多台时，其功率按照由小到大的顺序顺时针或逆时针方向依次设置。

本发明上述技术方案，具有如下有益效果：

首先，本发明的发电系统，通过内齿圈或摩擦轮在大空轴外部设置导轨上运动，带动布置于大空轴外的发电机进行发电，又将风力发电与光能发电结合在一起，有效的增加了发电效率。

其次，该发电系统将发电系统与建筑相融合，合理利用了空间，而且本系统的发电不仅可供本系统中的建筑的使用，还可以向外持续输送电量。

再者，该发电系统中的内齿圈为简单的结构部件，更换简单，拆装方便，连续分段设置的摩擦轮更可以实现单独停止一层发电单元即可完成更换的目的。

综合而言，本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统可有效提升垂直轴风力发电机的风能利用系数，增加发电量，同时对现今提出的风机大型化和建筑发电一体化的构想作出了示范。

附图说明

图1是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的立体图。

图2是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的剖视图。

图3是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的立体图。

图4是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的俯视图。

图5是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的示意图。

图6是图5的发电单元的A-A方向剖视图。

图7是图5的发电单元的B-B方向剖视图。

图8是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的主视图。

图9是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的俯视图。

图10是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的示意图。

1-发电单元；11-大空轴；12-风轮；121-风叶；122-支架；123-连杆；124-扭杆；125-电动推杆；13-内导轨；14-外导轨；15-发电机；16-磁悬浮导轨；2-光伏板顶盖；21-采光孔；22-避雷针；3-大空轴塔基；4-防护网。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细描述，以便于进一步理解本发明。

实施例1

图1是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的立体图。图2是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的剖视图。图3是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的立体图。图4是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的俯视图。图5是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电单元的剖视图。图6是图5的发电单元的A-A方向剖视图。图7是图5的发电单元的B-B方向剖视图。图8是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的主视图。图9是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的俯视图。图10是根据本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的扇叶的示意图。

如图所示：

一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，包括多个层叠搭建的发电单元1、光伏板顶盖2、大空轴塔基3以及防护网4。

详细来说：

一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，包括：多个层叠搭建的发电单元1，每一发电单元1均包括：大空轴11、风轮12、内导轨13、外导轨14、磁悬浮轨道16以及发电机15。具体的：

发电单元1的数量为3-50，每一发电单元1均能在其对应的轨道内实现运动，每一发电单元1与相邻发电单元1之间的运动方向为相同或相反。

大空轴11设置于发电单元1的中央，优选为中空的长圆柱型或者长立方体结构。大空轴1的中空结构可按通用建筑空间布置。

风轮12为方形结构，该风轮由多个扇叶组成，该扇叶等距离或不等距离的环设于大空轴11外侧并将大空轴11包围。在风轮12的上、下两端设置有滚轮，其中，扇叶在靠近大空轴11一侧上下两端设置的滚轮为内滚轮，远离大空轴11侧的上下两端设置的滚轮为外滚轮。

优选的，每一风轮12均包括3-12个扇叶，每一扇叶包括2-120片风叶121，该风叶121优选为为折角型或者圆弧形。当然，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要选择合适的形状。扇叶12包括多个风叶121和用于固定风叶121的支架122，多个风叶121之间通过连杆123和扭杆124实现连接。风叶121在支架122上能够自动的旋转，当风叶121运行于受风时段时全程自动处于最佳的受风角度。

风叶121在支架122上为可活动的连接，并通过连杆123、扭杆124以及电动推杆125控制风叶121的方向。当风叶121运行于受风时段时全程自动处于最佳的受风角度。扇叶12的风叶121在支架122上能够旋转，以供风叶在受风时段全程处于最佳受风角度。

内导轨13，其优选为两条，对称设置于风轮1的上、下两端，并与内滚轮相互配合，实现风轮1在内导轨13上的运动。

外导轨14，其优选为两条，对称设置于风轮1的上、下两端，并与外滚轮相互配合，实现风轮在外导轨14上的运动。

内外滚轮与内外导轨道相互配合，从而实现风轮12的旋转运动。优选地，内导轨道设置为2条，外导轨道也设置成2条，然而，本发明并不以此为限，本领域技术人员可根据需要进行相应的数量和位置的调整。上述调整，均落入本发明的保护范围内。

内导轨13和外导轨14对称设置于所述风轮12的上下两端，其中，位于风轮12下端的内导轨13的内侧壁设置有内齿圈或摩擦轮，所述内齿圈或摩擦轮上啮合有发电机15，发电机由内齿圈或摩擦轮拖动发电。当然，其他与本发明的内齿圈或摩擦轮具有相同功能的产品均可替换，本发明并不局限于此。

发电机15的数量为1台或多台，等距布置于大空轴11的外侧，按照功率由小到大顺时针或逆时针方向依次设置。在风小时，自启动一台，风大时，自启动下一台，以此类推。也就是说，上述的发电机15既可以是一台发电机，也可以是多个发电机形成的发电机组。

本发明的发电机15的设计，采用单独的发电单元，这样保证了单独的发电单元可以单独运动，互相之间不受限制。这样设计最大的好处在于，当弧形内齿圈或摩擦轮出现磨损，必然需要更换，在更换的过程中，只需停止需要更换的一层风轮12的转动即可，其余层风轮12仍可继续完成发电工作。也就是说停止其中任意一层将不会对其他层的操作产生影响。

光伏板顶盖2，其设置于最上层风轮1的上端，光伏板顶盖2的中间设置有采光孔21和避雷针22。

大空轴塔基3，其设置于最下层风轮1的下端，该大空轴塔基3内设置有电梯入口等。

防护网4，其环设于每一风轮12的外侧，用于防范发生系统零部件意外脱落伤人事故。

实施例2

一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其基本结构与本发明的实施例与上述实施例1技术方案基本相同，唯一不同之处在于：在本实施例中未设置磁悬浮结构。也就是说，本发明的方案中磁悬浮的设置减少了机械轨道的摩擦，然而，在实际使用中，出于成本的考虑，也可以不设置磁悬浮。这并不影响本发明的整体构思。

本发明的基本原理如下：

本发明的大空轴的中空结构为通用建筑空间，通过设置可拆卸的内齿圈或摩擦轮，发电机啮合于内齿圈或摩擦轮上，由内齿圈或摩擦轮拖动发电。

在风力发电机长期运行过程中，较大的自重不仅会导致强度和疲劳问题，还会显著增加连接轴承的摩擦力，该转动摩擦力必将显著降低垂直轴风力发电机的发电效率，而内齿圈和摩擦轮均为简单的结构部件，更换简单，摩擦轮和内齿圈均为连续布置，其中一个出现磨损，可以单独更换，操作更加方便。本发明并不局限于内齿圈或摩擦轮，任何具有相同功能的元件均可替换本发明的内齿圈或摩擦轮。

本发明的大空轴的直径可设置很大，内部可设置各种建筑设施，例如办公区、娱乐场所等，将建筑融于发电系统，提高空间利用率，而本申请的一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的发电量，可以满足大空轴内所有建筑的使用需求，且有大量剩余电量可以输出用于其他具有用电需求的地方。本发明通过在大空轴最下端设置大空轴塔基结构，在大空轴塔基结构的内部可设置电梯等建筑常用结构，因此，本发明既保证了正常的风力发电，有保证了正常的建筑的使用。

本发明的大空轴内还设置有检修装置、机房装置等各种配套设置，这充分保证了本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统的正常使用以及日常常规的检修工作。

本发明的每一风轮可单独旋转，不会受到上下层风轮旋转的影响，这样的情况下，即使其中任一层的风轮出现故障无法工作，也不会影响其他层风轮的正常工作。

导轨可选用上下两窄、中间宽的结构的导轨，有效防止了尘土垃圾等对导轨的影响，导轨可设置成多段连接模式，方便拆卸与更换，在没有上下窄、中间宽的导轨可以使用时，同样可以使用一般导轨，例如，形状为凹槽的导轨。

此外，本发明通过摩擦轮或内齿圈带动发电机进行发电，又将风力发电与光能发电结合在一起，同时又可融合与建筑，合理利用了空间，有效的增加了发电效率；再者，通过将风叶设置为自动化控制的活动风叶，使风叶在受风时段全程处于最佳受风角度，进一步的增大了该发电系统的发电效率。实现了利益最大化。

本发明相对于现有技术存在以下优点：

首先，本发明的发电系统，通过内齿圈或摩擦轮在大空轴外部设置导轨上运动，带动发电机进行发电，又将风力发电与光能发电结合在一起，有效的增加了发电效率。

其次，该发电系统又真正的将发电系统与建筑相融合，合理利用了空间，而且，本系统的发电不仅可供本系统中的建筑的使用，还可以向外持续输送电量。

再者，该发电系统中的内齿圈或摩擦轮为简单的结构部件，更换简单，拆装方便，连续分段设置的摩擦轮更可以实现单独停止一层发电单元即可完成更换的目的。

综合而言，本发明的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统可有效提升垂直轴风力发电机的风能利用系数，增加发电量，同时对现今提出的风机大型化和建筑发电一体化的构想作出了示范。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种不同的选择和修改，因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，包括多个竖直层叠搭建的发电单元（1），所述发电单元（1）包括：

大空轴（11），其设置于所述发电单元（1）的内侧中央位置；

风轮（12），其由多个扇叶组成，所述扇叶包括多个风叶（121）和用于固定风叶（121）的支架（122），多个风叶（121）之间通过连杆（123）和扭杆（124）实现连接；所述风叶（121）在支架（122）上能够自动的旋转；

所述风叶（121）在支架（122）上为可活动的连接，并通过连杆（123）、扭杆（124）以及电动推杆（125）控制风叶（121）的方向；所述扇叶的风叶（121）在支架（122）上能够旋转，以供所述风叶在受风时段全程处于最佳受风角度；

所述扇叶环设于所述大空轴（11）外侧并包围所述大空轴（11），所述风轮（12）在靠近所述大空轴（11）一侧的上下两端设置内滚轮、远离所述大空轴（11）一侧的上下两端设外滚轮；

两条内导轨（13），其对称设置于所述大空轴（11）外侧所述风轮（12）的上、下两端，并与所述风轮（12）上的内滚轮相互配合，实现所述风轮（12）在所述内导轨（13）上的运动，其中，位于所述风轮（12）下端的内导轨（13）的内侧壁设置有内齿圈或摩擦轮；

两条外导轨（14），其对称设置于所述大空轴（11）外侧所述风轮（12）的上、下两端，并与所述风轮（12）上的外滚轮相互配合，实现所述风轮（12）在所述外导轨（14）上的运动；

发电机（15），其设置于所述风轮（12）下端的内导轨（13）与所述大空轴（11）之间，所述发电机（15）与所述内导轨（13）的内齿圈或摩擦轮啮合，由所述内齿圈或摩擦轮拖动发电；

磁悬浮导轨（16），其平行设置于所述风轮（12）下侧的所述内导轨（13）和所述外导轨（14）之间，用于减少所述内导轨（13）和所述外导轨（14）之间的摩擦。

2.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述可融合建筑的大空轴风光互补发电系统还包括：光伏板顶盖（2），其设置于最上层风轮（12）的上端，所述光伏板顶盖（2）的中间设置有采光孔（21）和避雷针（22）。

3.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述可融合建筑的大空轴风光互补发电系统还包括：大空轴塔基（3），设置于最下层风轮（12）的下端。

4.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述可融合建筑的大空轴风光互补发电系统还包括：防护网（4），其环设于每一风轮（12）的外侧。

5.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述扇叶包括多个风叶（121）和用于固定所述风叶（121）的支架（122），多个风叶（121）之间通过连杆（123）和扭杆（124）实现活动连接。

6.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述风轮（12）的数量为3-50，每一风轮（12）与相邻风轮（12）之间的运动方向为相同或相反，所述风轮（12）的运动轨道为上下对称设置。

7.根据权利要求5所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，每一风轮（12）均包括3-12个扇叶，每一扇叶包括2-120片风叶（121），所述风叶（121）为折角型或者圆弧形。

8.根据权利要求5所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述风叶（121）在支架（122）上能够自动旋转，当风叶（121）运行于受风时段时，全程自动处于最佳受风角度。

9.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述大空轴（11）为按通用建筑空间布置的中空结构，所述内导轨（13）、所述外导轨（14）与所述大空轴（11）之间通过三角支撑架连接。

10.根据权利要求1所述的可融合建筑的大空轴风光互补发电系统，其特征在于，所述发电机（15）的数量为一台或多台，当所述发电机（15）为多台时，其功率按照由小到大的顺序顺时针或逆时针方向依次设置。