CN108612623A - 一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统 - Google Patents

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Abstract

一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，该系统含有浮动式叶片装置、发电机组、轮毂、机组底座以及底座支撑部件。浮动式叶片装置含有升力型叶片、支撑桁架以及浮艇，支撑桁架的两端通过铰接接头分别与轮毂和叶片铰接；升力型叶片通过连接轴与支撑桁架铰接；升力型叶片的下端固定于浮艇之上，使得叶片漂浮在水面上；机组底座可以采用固定式底座或浮动式底座。所提供的叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统完全改变了垂直轴风力发电机的结构形式及受力状态，具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。

Description

一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统
技术领域
本发明涉及海上风力发电机系统，属于风力发电设备技术领域。
背景技术
随着世界能源问题的加剧和环境保护的迫切要求，风能作为一种清洁无污染的可再生能源受到日益重视。现代风机根据旋转轴与地面的相对位置关系可分为水平轴风机和垂直轴风机。目前风电行业中水平轴风机是主流机型，占有绝大部分市场份额。而垂直轴风机转速低、无需对风、噪音小、制造成本低等特点，在小型分布式风力发电系统、特殊用途风机等领域也占有一席之地。随着风机单机容量的不断增大和海上风电的快速发展，垂直轴风机在未来的超大型风机应用领域开始展现出很大的发展潜力。
垂直轴风机与水平轴风机的结构不同，具有一定的比较优势。垂直轴风机无需对风，不需要偏航机构及控制，其发电及控制系统安装在地面，安装和维护成本低，叶片容易加工制造，制造成本较低，运行转速低、噪音小，具有较高的景观价值。垂直轴风机根据工作原理的不同可分为阻力型风机和升力型风机。常见的阻力型风机有Savonius型风机和风杯式风机等，主要依靠多个叶片在气流中受到的阻力即推力差驱动风机旋转。阻力型风机的叶尖速比(叶片最大旋转半径处的线速度与自由来流风速的比值)限制在1以下，风能利用率较低，一般用在微型风力发电系统、景观设计等领域中。升力型风机又被称为Darrieus风机，主要包括Φ型风机、H型风机、螺旋形风机等，升力型风机是依靠叶片翼型在气流中受到的升力作用驱动风机旋转，风能利用率较高。美国Sandia国家实验室在20世纪70年代到90年代针对Φ型垂直轴风机进行了大量研究，设计并建造了直径分别为5m(1976年)、17m(1977年)、34m(1988年)等的风机样机，其中最大的风机被称为“Test Bed”，其直径34m，高径比为1.25，扫掠面积955m2，在风速12.5m/s、转速37.5rpm的额定工况下功率可达500kW。其功率系数最大可达0.409。世界上最大的Φ型垂直轴风机是加拿大的Eole，于1998年建成，风机高96m，直径64m，额定功率达4MW，Eole以2.5MW的输出功率稳定运行了5年。在美国Sandia国家实验室等研究机构的支持下，FloWind公司在20世纪80年代投入到垂直轴风机行业中，设计开发了多种双叶片Φ型风机机型推向市场，包括FloWind17和FloWind19两种主要机型，额定功率分别为142kW和250kW。FloWind公司获得了快速的发展。然而，该风机的制造缺陷导致风机在一定运行时长后发生大规模损坏，这也使得当时不断升温的垂直轴风机行业发展受挫。现有的技术表明，传统的垂直轴风力发电机为叶片悬臂支撑形式，具有一些明显的不足，如：整体装备的主结构为悬臂支撑，垂直叶片的支撑及受力状态比较复杂；特别是当风机大型化后，该类问题尤为突出。另外，对于垂直轴风机来说，实现叶片的变桨则非常困难和复杂。
海上风电具有高风速、低风切变、低湍流、高产出的特点，海上年平均风速显著大于陆地，由于海面的粗糙度较低，在离岸10km处的海上风速要比陆地高25％以上。但海上风电也对风机装备提出更高的要求，首先是桩基及塔架，其次是风机的抗风载的能力，然后就是抗海上盐雾的腐蚀性，最后是风机装备的安装以及维护方面的要求很高。
发明内容
本发明针对垂直轴风力发电机中垂直叶片支撑这一关键技术，提出一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，使其不仅具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，而且适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。
本发明的技术方案如下：
一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，含有浮动式叶片装置、发电机组、轮毂、机组底座以及机组底座支撑部件，其特征在于：所述浮动式叶片装置包含升力型叶片、支撑桁架以及浮艇；所述支撑桁架的一端通过根部铰接接头与轮毂铰接，另一端通过端部铰接接头与叶片的下端部铰接；升力型叶片与支撑桁架之间设有连接轴，该连接轴分别通过叶片铰接接头和桁架铰接接头与升力型叶片的上端部和支撑桁架铰接；升力型叶片的下端固定于浮艇之上。
上述技术方案中，所述的机组底座支撑部件采用海上桩腿，该海上桩腿的上端与机组底座固定连接，形成固定式机组底座。
所述的机组底座支撑部件也可采用由浮筒、拉索和索锚组成，所述机组底座设置在浮筒的上面；所述拉索的一端与浮筒连接，拉索另一端与索锚连接，形成浮动式底座。优选地，所述拉索至少采用三根，且呈对称分布，每根拉索的一端分别与浮筒连接，每根拉索的另一端分别与各自的索锚连接。
本发明所述的浮艇采用充气式结构。
本发明与现有的技术相比，具有以下特点及突出效果：①采用浮动式叶片装置，将升力型叶片的下端位于浮艇之上，使之完全由浮力支撑；②升力型叶片与轮毂之间采用支撑桁架进行铰接，轮毂仅受到用于驱动发电机的传动力矩，使得轮毂的受力状态变得比较简单；③若采用浮筒来支撑机组底座、以及相应的索锚装置，就可以成为浮动式底座的海上垂直轴风力发电机机组。因此，本发明所述的装置具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。
附图说明
图1为本发明提供的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统(机组固定底座)的三维结构示意图。
图2为本发明提供的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统(机组浮动底座)的三维结构示意图。
图中：1-浮动式叶片装置；2-发电机组；3-轮毂；4-机组底座；5-海上桩腿；6-升力型叶片；7-支撑桁架；8-连接轴；8a-叶片铰接接头；8b-桁架铰接接头；9-浮艇；10-主铰接接头；11-铰接接头；12-旋转轴；13-水面；14-浮筒；15-拉索；16-索锚。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及具体实施方式作进一步的说明：
图1为本发明提供的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统(机组固定底座)的三维结构示意图，该系统含有浮动式叶片装置1、发电机组2、轮毂3、机组底座4以及机组底座支撑部件；所述浮动式叶片装置1包含升力型叶片6、支撑桁架7以及浮艇9。所述支撑桁架7的一端通过根部铰接接头10与轮毂3铰接，另一端通过端部铰接接头11与叶片的下端部铰接；升力型叶片6与支撑桁架7之间设有连接轴8，该连接轴分别通过叶片铰接接头8a和桁架铰接接头8b与升力型叶片6的上端部和支撑桁架7铰接；升力型叶片6的下端固定于浮艇9之上。升力型叶片6及其所连接的支撑桁架7与轮毂3之间的连接是铰接转动的，而沿风机的旋转轴12将传动力矩；升力型叶片6及其所连接的支撑桁架7的重量由浮艇9支撑，该浮艇9采用充气式结构。机组底座支撑部件采用海上桩腿5，将机组底座4固定在海上桩腿5的上端，形成固定式机组底座。
图2为本发明提供的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统(机组浮动底座)三维结构示意图。与图1不同的是，机组底座支撑部件采用浮筒14来支撑机组底座4，即机组底座支撑部件是由浮筒14、拉索15和索锚16组成；将机组底座4固定在浮筒14的上面，拉索15的一端与浮筒连接，拉索另一端与索锚连接，这样就可以成为浮动式底座的海上垂直轴风力发电机机组。优化的方案是拉索15至少为三根，且应呈对称分布，每根拉索的一端分别与浮筒连接，每根拉索的另一端分别与各自的索锚16连接。
当将本发明提供的发电机系统安装在有较大风力的海平面上时，风力吹动垂直轴风力发电机的叶片，叶片的气动力将绕旋转轴12产生力矩，通过轮毂3带动发电机组2旋转而发出电力，升力型叶片与轮毂之间采用支撑桁架进行铰接，轮毂仅受到用于驱动发电机的传动力矩，升力型叶片的重量将由浮艇的浮力支撑，这使得该装置具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。

Claims (5)

1.一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，该系统含有浮动式叶片装置(1)、发电机组(2)、轮毂(3)、机组底座(4)以及机组底座支撑部件，其特征在于：所述浮动式叶片装置(1)包含升力型叶片(6)、支撑桁架(7)以及浮艇(9)；所述支撑桁架(7)的一端通过根部铰接接头(10)与轮毂(3)铰接，另一端通过端部铰接接头(11)与叶片的下端部铰接；升力型叶片(6)与支撑桁架(7)之间设有连接轴(8)，该连接轴分别通过叶片铰接接头(8a)和桁架铰接接头(8b)与升力型叶片(6)的上端部和支撑桁架(7)铰接；升力型叶片(6)的下端固定于浮艇(9)之上。
2.按照权利要求1所述的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，其特征在于：所述的机组底座支撑部件采用海上桩腿(5)，该海上桩腿的上端与机组底座(4)固定连接，形成固定式机组底座。
3.按照权利要求1所述的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，其特征在于：所述机组底座支撑部件由浮筒(14)、拉索(15)和索锚(16)组成，所述机组底座(4)设置在浮筒(14)的上面；所述拉索(15)的一端与浮筒(14)连接，拉索另一端与索锚(16)连接，形成浮动式底座。
4.按照权利要求3所述的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，其特征在于：所述拉索至少采用三根，且呈对称分布，每根拉索的一端分别与浮筒连接，每根拉索的另一端分别与各自的索锚连接。
5.按照权利要求1-4任一权利要求所述的一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，其特征在于：所述的浮艇(9)采用充气式结构。
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