CN111219290A - 可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔 - Google Patents

可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，包括叶片、风轮连接装置、桨片旋转装置、旋转装置、太阳能发电板、塔架、塔架底撑、潮汐能发电机装置、多摆球调谐减振装置、输出能源用电缆、潮汐能发电机、风能传动装置、变速箱、风力发电机、变压器、扇叶、潮汐能传动装置、并网控制器、塔架连接装置、多摆球、弹簧、太阳能发电机箱、导线。本发明其功能在于双面风轮可以增大风力受力面积，有效利用风能，并且内部设有电机可以控制上部风轮进行旋转，使得风力发电机根据实际环境的主风向设置风轮迎风向，从而最大效率地采集风能，发电效率高。

Description

可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔
技术领域
本发明涉及一种可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，属于新型双风轮风力发电机发电、太阳能发电、潮汐能发电以及结构抗风抗震领域。
背景技术
随着经济的发展，对能源的需求日益突出。电能对人们的日常生活与工作起着重要的作用，是使用需求最高的能源。目前通常通过燃烧煤炭和天然气等非可再生资源来进行电能转换。这些资源虽然使用较为成熟，但是这些非可再生资源的剩余量日益减少，因此寻求其他方式进行产电是当今重要的问题。随着科技的进步，人们开始不断研究和开发各种可再生资源来进行电能转换，在这些可再生资源中，风能、太阳能、潮汐能都是人们研究的重点，这些资源或能源不仅是可再生的，同时还具有清洁无污染的特点，因此广泛受到科学家和研究人员的关注。其中风能的特点是清洁环保、可再生，且极易获得，因此利用风力发电机等装置进行发电已比较成熟。目前的风力发电机种类繁多，但市面上存在的风力发电机都功能单一，多为单风轮发电机。然而，自然风方向多变且风力大小不定，传统风力发电机的桨片基本是单片且方向固定，导致风能利用效率较低，发电量较低。此外，风力发电塔的塔身较高，塔身有效面积较大，可以通过布置太阳能板采集太阳能。如果风力发电塔在海滩或海内建造，还可以采集潮汐能。因此风能利用率以及综合能源采集和利用是亟需开展的一项工作。另外，在海上建造的发电塔在海面上受到海风的不断冲击，且有地震致损的风险，因此风力发电塔的抗震措施需要进一步提高，而传统发电机塔多数没有考虑抗震问题，抗震性能较差，塔身很容易发生较严重的水平变形和倾斜。
针对以上问题，本发明提出一种可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔。该风力发电机塔提供对称两个方向的桨片，增加了风力发电机的受力面积，同时内部设有电机可以控制上部风轮进行旋转，使得风力发电机不受任何风向限制，发电效率高。在风力发电机塔的塔外壁一部分安装太阳能发电板，发电板连接电机箱，进行光电转换产生电能。在塔架的底部放置潮汐能发电机，可以高效的利用海水潮起潮落，进行潮汐能发电，最大效率的将各种可再生能源转化为电能。
为提高发电塔的抗震性能，本发明在塔身内部安置多个多摆球调谐减振装置，摆球受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，可以对风力发电机塔的水平方向减振。
发明内容
为了提高风力发电塔的发电效率问题以及风力发电机塔的抗震性能，本发明设计了一种可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，该风力发电机塔能够有效地提高风能利用率，提高发电量，并能够增强发电塔的抗震性能，使发电塔保持平衡不失稳。本发明为一种可建造于风力资源丰富的海边地区，具有双风轮多风向旋转且具有抗震功能的集风力发电、太阳能发电、潮汐能发电为一体的风力发电机塔，其功能在于双面风轮可以增大风力受力面积，有效利用风能，并且内部设有电机可以控制上部风轮进行旋转，使得风力发电机根据实际环境的主风向设置风轮迎风向，从而最大效率地采集风能，发电效率高。塔架外壁部分附着太阳能发电板，可以同时吸收太阳能，进行太阳能发电。该发电机适用于海上，放置于海中，塔架底端内部放置潮汐能发电机，可以高效的利用潮汐能发电。最终最大效率地将各种可再生能源转化为电能。此外，塔身内部安置多个多摆调谐减振装置，摆球受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，进行风力发电机塔水平方向减振。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，主要包括：叶片(1)、风轮连接装置(2)、桨片旋转装置(3)、旋转装置(4)、太阳能发电板(5)、塔架(6)、塔架底撑(7)、潮汐能发电机装置(8)、多摆球调谐减振装置(9)、输出能源用电缆(10)、潮汐能发电机(11)、风能传动装置(12)、变速箱(13)、风力发电机(14)、变压器(15)、扇叶(16)、潮汐能传动装置(17)、并网控制器(18)、塔架连接装置(19)、多摆球(20)、弹簧(21)、太阳能发电机箱(22)、导线(23)。塔架(6)与塔架底撑(7)、旋转装置(4)、风轮连接装置(2)相连，塔架(6)顶部连接风轮连接装置(2)，风轮连接装置(2)与风轮悬臂相连，两个风轮悬臂都与桨片旋转装置(3)相连，每一个桨片旋转装置(3)都连接三个叶片(1)，各风轮分别采集水平正交方向的能量。太阳能发电板(5)安装在塔架(6)任意高度处，四面环绕，充分吸收太阳能。塔架底撑(7)内放有潮汐能发电装置(8)。可以高效的利用海水潮起潮落，进行潮汐能发电。此发电塔最大效率的将各种可再生能源转化为电能。在塔内壁安装多摆球调谐减振装置(9)，多摆球调谐减振装置(9)由多摆球(20)和弹簧(21)相连构成，摆球受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，可以对风力发电机塔的水平方向减振。
风轮叶片(1)长度与塔架(6)高度的比例范围为1:2～1:3，具体根据塔架(6)高度来定，塔架(6)高度与叶片(1)长度的比例约为1.5:1。叶片(1)的长度为风轮悬臂长度的2～2.5倍。风轮连接装置(2)与风轮悬臂宽度比例为1.5:1。
风轮连接装置(2)与两个风轮悬臂相连构成一个机舱，对称布置的两个风轮悬臂中都含有一个风能传动装置(12)，一个变速箱(13)，一个风力发电机(14)，风轮连接装置(2)正中央放置一个大型变压器(15)对两侧发电机产生的电流进行变压。风力发电机(14)产生的电能通过输出能源用电缆(10)输送给电网将电能传输出去。
在距离风轮连接装置(2)1m左右设置旋转装置(4)。旋转装置可以通过人为控制，使上部结构360度旋转，对于风向多变的情况，通过旋转装置(4)可使风轮尽可能的朝向风向，增加风轮的受风面积，使风轮充分吸收风能，不浪费风力资源，大大提高风能转换效率。
太阳能发电板(5)安装在塔架(6)任意高度处，四面环绕，充分吸收太阳能。当阳光照射太阳能发电板时(5)，太阳能发电板(5) 会将太阳能转化为电能通过导线(23)传递到太阳能发电机箱(22) 中进行蓄电。太阳能发电板(5)的材料为硅电池片。
塔架底撑(7)高度与塔架(6)高度的比例范围为1:3～1:4。塔架底撑(7)内放有潮汐能发电装置(8)。潮汐能发电装置(8)包括四个均匀布置的扇叶(16)，扇叶(16)的直径为3m～5m,一个潮汐能发电机(11)，一个并网控制器(18)。扇叶(16)在海水涌过时会进行高速旋转，将潮汐能通过潮汐能传动装置(17)传递到潮汐能发电机(11)中，完成潮汐能发电过程。
在塔内壁选择若干横截面(至少5个)安装多摆球调谐减振装置 (9)。多摆球(20)和弹簧(21)相连构成多摆球调谐减振装置(9)，共设6～8个弹簧，防止扭转效应，多摆球(20)位于中轴线上。为消除偏心荷载与重力带来的影响，每一个多摆球之间由绳索连接，绳索的两端分别连接塔架旋转装置下部非旋转区域与塔架底撑。多摆球 (20)直径为1m～1.5m，与多摆球紧密相连。当塔架(6)受到强风侵袭时，塔架内部的多摆球(9)受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，其摆动周期与塔整体结构的水平第一阶周期相同或接近。
本发明的功能如下：
二风轮旋转设计可以在风向不明确的时候更加高效的收集风能，上部可以通过旋转装置旋转，使得风轮始终朝向风向一侧，使风轮充分吸收风能，不浪费风力资源，二风轮的设计，可以达到风能的二次利用，更加高效的进行风能转换。
除风力发电机之外，塔身安装太阳能发电板，可以进行辅助发电，在上部结构充分吸收风力进行风力发电的同时，塔身充分吸收太阳能，进行太阳能发电。塔底安装潮汐能发电装置，可将塔架底撑放置于海中，利用海水的涨潮与退潮，使潮汐能发电装置的扇叶高速旋转，达到潮汐能发电的作用。两种额外的发电机制，可以使得发电塔整体充分利用三种可再生资源进行发电，大大提高了发电效率，真正做到高效、洁能、环保。
塔架内部安装若干多摆球调谐减振装置，塔架在风荷载或地震作用下发生晃动，塔架内部的多摆球因此受惯性作用力，该作用力与塔架受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，从而对发电塔水平方向进行高效减振。
与现有技术，本发明优点如下：
1)本发明中增加风轮数量，同时上部结构可360度旋转，增大风轮的受风面积，不受风向限制，可以更大程度的增加风能利用率，二风轮对称布置可以达到风能的二次利用，充分利用风力进行发电，提高风力发电效率。每一个风轮都连接一台发电机，使得风能转换为电能的效率大大提高。
2)本发明中增加太阳能发电装置与潮汐能发电装置，在塔身体积有限的前提下充分利用可再生能源为发电塔发电，风能、太阳能、潮汐能集于一体，真正达到高效、洁能、环保。
3)本发明采用多摆球调谐减振装置，可以减轻风荷载以及地震作用下对发电塔的水平动力响应，起到抗风抗震作用。
4)本发明可以安置于风力较大地区，也可以安置于阳光常年充足地区，最佳的地方为近海。至少可以利用风能与太阳能进行发电，若置于海中，则可以同时利用风能、太阳能、潮汐能，实现真正的可再生资源高效利用，对能源的环保问题、高效发电问题做出贡献。
附图说明
图1为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的三维效果图。
图2为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的正截面示意图。
图3为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的侧截面示意图。
图4为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的风力发电机内部剖面图。
图5为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的潮汐能发电装置的内部剖面图。
图6为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的多摆球调谐减振装置内部结构图。
图7为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的多摆球调谐减振装置俯视图。
图8为本发明可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔的太阳能发电装置的内部结构图。
图中：1－叶片、2－风轮连接装置、3－桨片旋转装置、4－旋转装置(4)、5－太阳能发电板(5)、6－塔架(6)、7－塔架底撑、8 －潮汐能发电机装置、9－多摆球调谐减振装置、10－输出能源用电缆、11－潮汐能发电机、12－风能传动装置、13－变速箱、14－风力发电机、15－变压器、16－扇叶、17－潮汐能传动装置、18－并网控制器、19－塔架连接装置、20－多摆球、21－弹簧、22－太阳能发电机箱、23－导线。
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，是本发明一种风能、太阳能、潮汐能组合式双风轮旋转抗震风力发电塔的实施例，其主要包括：叶片1、风轮连接装置2、桨片旋转装置3、旋转装置4、太阳能发电板5、塔架6、塔架底撑7、潮汐能发电机装置8、多摆球调谐减振装置9、输出能源用电缆10。具体实施步骤如下：
1)选定塔架高度90m，直径为5m。三个叶片与桨片旋转装置构成一个风轮，风轮直径70m，共设有两个。
2)塔架顶部安装二风轮连接装置，两个风轮对称布置，叶片的长度为风轮悬臂长度的2.5倍。
3)风轮连接装置与两个风轮悬臂构成机舱，风轮连接装置的宽度约为3m，其中风轮连接装置与风轮悬臂宽度比例为1.5:1。如图4，每一个风轮悬臂内部都设有一个传动系统、一个变速箱、一个发电机，在风轮连接装置中央设有大型变压器，同时为设在两个方向的发电机产生的电进行变压，产生的电能通过输出能源用电缆输送给电网将电能传输出去。维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱进行检修安装仪器。两个风轮悬臂分别与两个风轮相连接。构成一套完整的风力发电机。风轮处的桨片旋转装置可以实现三叶片在风力的作用下进行 360度的转动。该发明比普通风力发电机平均每天多采集28.6％的电能。
4)在风轮连接装置下面1m左右设置旋转装置。旋转装置内部连有控制装置可以通过人为控制，使上部结构360度旋转。
5)太阳能发电板安装在塔架高度2/3处，四面环绕。当阳光照射太阳能发电板时，太阳能发电板会将太阳能转化为电能通过导线传递到太阳能发电机箱中进行蓄电。其中太阳能发电板的材料为硅电池片。
6)塔架底撑高度为30m，直径为6m，内装有潮汐能发电装置。潮汐能发电装置包括四个均匀布置的扇叶，扇叶的直径为4m,一个潮汐能发电机，一个并网控制器。扇叶在海水涌过时会进行高速旋转，将潮汐能转通过潮汐能传动装置传递到潮汐能发电机中，完成潮汐能发电过程，所有部件设为合金材料。
7)在塔内壁选择8个横截面安装多摆球调谐减振装置。如图6、图7，多摆球和弹簧相连构成多摆球调谐减振装置，多摆球位于中轴线上，一个多摆球调谐减振装置用8个弹簧与多摆球相连，减小扭转效应。为消除偏心荷载与重力带来的影响，每一个多摆球之间由绳索连接，绳索的两端分别连接塔架旋转装置下部非旋转区域与塔架底撑。多摆球直径为1.2m。当塔架受到强风侵袭时，塔架内部的多摆球受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，对发电塔水平方向的减振效果有很大提升，水平位移减振率达到 24.3％。多摆球调谐减振装置可以让工人进入到塔架内壁进行安装。
以上为本发明的一个典型实施例，但本发明的实施不限于此。

Claims (7)

1.可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：塔架(6)与塔架底撑(7)、旋转装置(4)、风轮连接装置(2)相连，塔架(6)顶部连接风轮连接装置(2)，风轮连接装置(2)与风轮悬臂相连，两个风轮悬臂都与桨片旋转装置(3)相连，每一个桨片旋转装置(3)都连接三个叶片(1)，各风轮分别采集水平正交方向的能量；太阳能发电板(5)安装在塔架(6)任意高度处，四面环绕，充分吸收太阳能；塔架底撑(7)内放有潮汐能发电装置(8)；在塔架(6)内壁安装多摆球调谐减振装置(9)，多摆球调谐减振装置(9)由多摆球(20)和弹簧(21)相连构成，多摆球(20)受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，对风力发电机塔的水平方向减振。
2.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：风轮叶片(1)长度与塔架(6)高度的比例范围为1:2～1:3，具体根据塔架(6)高度来定，塔架(6)高度与叶片(1)长度的比例约为1.5:1；叶片(1)的长度为风轮悬臂长度的2～2.5倍；风轮连接装置(2)与风轮悬臂宽度比例为1.5:1。
3.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：风轮连接装置(2)与两个风轮悬臂相连构成一个机舱，对称布置的两个风轮悬臂中都含有一个风能传动装置(12)、一个变速箱(13)、一个风力发电机(14)、风轮连接装置(2)正中央放置一个大型变压器(15)对两侧发电机产生的电流进行变压；风力发电机(14)产生的电能通过输出能源用电缆(10)输送给电网将电能传输出去。
4.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：在风轮连接装置(2)下部设置旋转装置(4)；旋转装置(4)通过人为控制，使风轮连接装置(2)能够360度旋转，对于风向多变的情况，通过旋转装置(4)增加风轮的受风面积。
5.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：太阳能发电板(5)安装在塔架(6)上；当阳光照射太阳能发电板时(5)，太阳能发电板(5)将太阳能转化为电能通过导线(23)传递到太阳能发电机箱(22)中进行蓄电；太阳能发电板(5)的材料为硅电池片。
6.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：塔架底撑(7)高度与塔架(6)高度的比例范围为1:3～1:4；塔架底撑(7)内放有潮汐能发电装置(8)；潮汐能发电装置(8)包括四个均匀布置的扇叶(16)、一个潮汐能发电机(11)和一个并网控制器(18)；扇叶(16)的直径为3m～5m，；扇叶(16)在海水涌过时会进行高速旋转，将潮汐能通过潮汐能传动装置(17)传递到潮汐能发电机(11)中，完成潮汐能发电过程。
7.根据权利要求1所述的可采集多种能源并减振耗能的双风轮自旋转风力发电塔，其特征在于：在塔内壁选择若干横截面安装多摆球调谐减振装置(9)，共设六～八个弹簧，多摆球(20)位于中轴线上；每一个多摆球之间由绳索连接，绳索的两端分别连接塔架旋转装置下部非旋转区域与塔架底撑；多摆球(20)直径为1m～1.5m；当塔架(6)受到强风侵袭时，塔架内部的多摆球(9)受惯性作用力与塔筒受振动的方向相反，形成多方向钟摆式调谐阻尼结构，摆动周期与塔整体结构的水平第一阶周期相同或接近。
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