CN112555094A - 带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置，它包括由风叶和支架组成的风轮、蓄电池、逆变器和控制器，支架固定在垂直轴上，所述垂直轴下端的传动齿轮与驱动机构相连，在风轮外设置有圆形筒体，圆形筒体的侧面上间隔设置有工作风进风口，工作风进风口周侧的圆形筒体侧面上设置有导风构件，导风构件一端固定在圆形筒体侧面上，另一端呈悬臂状向工作进风口外伸展，相邻两导风构件之间形成为自然风进风口。本发明不仅可大幅提高风力发电输出功率，而且通过提高风速，对自然风速要求大幅降低，对于大型风力发电塔，通过导风构件调整出大量空间，有利于大幅降低基础设施的投资，增大结构侧向抗力，有利于风轮立轴工作稳定。

Description

带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置

技术领域

本发明技术涉及风力发电，尤其是涉及提高垂直轴（立轴）风力发电装置效率的带有工作进风口兼具抗水平侧力的圆筒及相应的辅助导风构件。

技术背景

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能储量约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能约2.0×10⁷MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

我国风能资源丰富，其中陆地上可开发利用的风能储量约2.53×10⁵MW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.50×10⁵MW，合计可开发利用的风能储量约1.0×10⁶MW。到2018年底，全国电力总装机容量1.899×10⁶MW，全年全口径发电量69940亿千瓦时。其中风电装机容量1.843×10⁵MW，占比9.70%，风电发电量3660亿千瓦时，占比5.23%。

风能具有巨大的开发优势，储量丰富、分布广泛、应用技术相对成熟、低廉的运行成本及低污染等特点，对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，具有广阔的前景。

发展风力发电对于调整能源结构、治理大气环境和改变经济发展模式具有重大意义。

风力发电机在将风能转变为机械能过程中，受风力作用而旋转的风轮是其主要的核心部件，根据风轮形式及其在气流中的相对位置，目前通常将风力发电机组分水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组两大类。

对于大型风力发电，目前水平轴风力发电机组相对垂直轴风力发电机组技术更为成熟，现有大型风力发电组更多采用水平轴风力发电机组。但因水平轴风力发电机组启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等不足，尤其是风叶叶尖在高速运转时，易产生失速颤震，是制约提高水平轴风力发电机组单机输出功率的重要因素。

分散式风电项目是指位于用电负荷中心附近，不以大规模远距离输送电力为目的，所产生的电力就近接入电网，并在当地消纳的风电项目。

2011年起，我国正式开始探索分散式风电的开发模式。随着多年来大规模风电的开发，集中的、大型的陆地风资源丰富区域日益减少，垂直轴风力发电机组用于分散式风电项目作为消纳便利的能源形式逐渐受到重视。

垂直轴风力发电机在风向改变时无需现有水平轴风机复杂的偏航系统，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，使结构设计简化。分散式垂直轴风力发电机虽然具有很多开发使用优势，同样由于垂直轴风力发电机受风力风速影响，功率输出波动性较大，发电输出平均功率不够高。

发明内容

根据现有风力发电技术所存在的问题，本发明提供了一种具备较大风轮受风面积及受风力矩，在中低风速下也可轻易形成较大的单体装机功率设计，更适用于分散式风电项目的垂直轴风力发电机。

本发明改进后的垂直轴风力发电机除取消上述在风向改变时无需水平轴风力发电机复杂的偏航系统，使结构设计简化，同时主要设备布置接近地面，便于日常检修维护。

本发明所述一种带有工作进风口的圆筒及辅助导风构件的垂直轴风力发电装置，它包括由风叶和支架组成的风轮、垂直轴、蓄电池、逆变器和控制器等组成，所述风轮固定在垂直轴上，所述垂直轴下端的传动齿轮与发电驱动机构相连，在风轮外侧设置兼有抗水平侧力的圆形筒体，所述工作风进风口周侧的圆形筒体外侧面上设置有导风构件，所述圆形筒体的筒壁上间隔设置有若干只工作风进风口。

所述导风构件横截面呈曲面状或类三角形空间结构，导风构件一端固定在圆形筒体筒壁外侧面，另一端呈悬臂状向工作风进风口外伸展，所述工作风进风口周侧相邻间导风构件向外伸展的外端之间构成为自然风进风口。

所述工作风进风口的面积与工作风进风口的风速乘积与自然进风口的面积与自然进风口的风速乘积相等。

所述工作风进风口周侧相邻间导风构件外端之间形成自然进风口，由圆形筒体和辅助导风构件引导风由自然进风口至工作风进风口，同时对流经两者组成之通道的空气进行大幅压缩，提高风速，并引导风向偏转，使风集中作用于风轮外缘以增大力臂，并结合风叶设计，使风叶与圆形筒体（非开孔部分）共同形成半封闭空间，增加风力做功时程，进而达到提高发电装置效率之目的。

当导风构件单一曲面状时，反弯点为抗风圆筒和导风构件的结合点。

当横截面采用类三角形空间结构时，类三角形空间结构由圆形筒体未开孔部分、曲面导风墙和直斜线刚性剪力墙构成。

质量守恒定律：在任何与周围隔绝的物质系统(孤立系统)中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变(百度描述)，或可描述为在稳定、封闭空间内，流体流经不同断面单位时间内的质量是相同的，即：

ρ₁*S₁*V₁=ρ₂*S₂*V₂ 公式(1)

ρ₁---截面一处介质密度

ρ₂---截面二处介质密度

S₁---截面一处截面面积(风力发电装置外围自然受风面积)

S₂---截面二处截面面积(或可认为风轮的工作受风面积)

V₁---截面一处介质流速(自然风速)

V₂---截面二处介质流速(工作风速)

常态下空气压缩值较小，假定空气密度近似相同，既：

ρ₁≈ρ₂ =ρ

公式(1)简化为：

S₁*V₁= S₂*V₂

V₂=V₁*S₁ /S₂ 公式(2)

风作用在受风面上的单位面积受力：

w=0.5ρV² 《建筑结构荷载规范》E.2.4-1(附录E P₁₀₀中国建筑工业出版社2012第一版)

w---受风面上的单位面积受力

ρ---空气密度

V---风速

风作用在截面一处（自然受风面）的总水平力：

F₁=w₁*S₁

=0.5ρ* V₁ ² S₁

风作用在截面二处（风轮工作面）的总水平力：

F₂=w₂*S₂

=0.5ρ*V₂ ²*S₂

=0.5ρ(V₁*S₁/S₂)²* S₂

=（0.5ρ* V₁ ² S₁）*(S₁/ S₂)

=F₁ (S₁/ S₂)

由此可见在相同的风力发电装置外围自然受风面积情况下，通过技术措施提高风速，可以提高风的作用效应，作用效应提高比例：

n=(S₁/ S₂)

本发明通过在现有垂直轴风力发电机组风轮外侧设置一个开有数个沿筒体外围均匀布置有工作风进风口兼有抗水平侧力的圆形筒体，并在工作风进风口周边布置有导风构件（水平及竖向），经两者作用将自然风加速偏转后，集中作用于风轮外缘，以增大风的作用效应及力臂，以及导风构件部分或全部遮挡逆风回转侧叶片受风，减小运行中回转逆向阻力，使风轮做功扭矩大幅增加，同时结合风叶平面设计，使风叶与圆形筒体（非开孔部分）共同形成短暂半封闭空间，增加风力做功时程，以实现大幅提高风能转换效率及输出功率，而且通过提高风速，可大幅降低对自然风速的要求，特别对于大型风力发电塔，通过导风构件调整出大量空间，便于结构选型及设备布置，有利于降低基础设施的投资，同时对结构选型及布置进行优选，可增大结构侧向抗力，控制塔顶变位，有利于风轮立轴工作稳定。

风回转叶片受风，可使风叶设计简单化，或可采用简单的母亲阻力型风叶。

风场中风功率为：

P=0.5ρ*S*V³ 公式(3)

ρ---空气密度，标准状况下取1.29kg/m³

S---风力发电装置受风面积

V---风速

风轮从空气中吸取能量，存在转换效率，不可能达到100%，因此风轮的输出功率：

P=0.5C_p*ρ*S*V³

=0.645C_p* S*V³ 公式(4)

P---风轮输出功率

C_p ---风能转换效率系数

通过技术措施提高风速，可以以几何级数提高风的作用效应，作用效应提高比例：N=(S₁/ S₂) ²，同时增加导风墙后对风向有所改变，增加了力臂，导风墙部分遮挡逆风回转侧叶片受风，减小了运行回转逆向阻力，籍此均可大幅提高风力发电输出功率，提高发电效益。

本发明通过在现有垂直轴风力发电机的外腔设置有导风构件，通过导风构件将自然风加速后作用在风轮上，使风轮旋转速度成几何级数地增加，不仅可大幅提高风力发电输出功率，而且通过提高风速，对自然风速要求大幅降低，特别对于大型风力发电塔，通过导风构件调整出大量空间，便于结构选型及布置，有利于大幅降低基础设施的投资，同时对结构选型及布置进行优选，可增大结构侧向抗力，控制塔顶变位，有利于风轮立轴工作稳定。同时由于辅助导风构件的遮挡逆风回转叶片受风，可使风叶设计简单化，或可采用简单的母亲阻力型风叶。

附图说明

图1是本发明导风构件呈S曲面形时的剖视结构示意图，

图2是图1的A-A剖视结构示意图，

图3是本发明导风构件呈三角形时的俯视局部结构示意图，

图4是风流动的工作原理示意图。

在图中，1、圆形筒体 2、垂直轴 3、自然风进风口 4、风叶 5、支架 6、曲面形板 7、工作风进风口 8、基座 9、短斜边板 10、上支座 11、轴承 12、传动齿轮 13、下支座。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4中，带有工作进风口的圆筒及导风构件的垂直轴风力发电装置，它包括由风叶4和支架5组成风轮、蓄电池、逆变器和控制器，所述支架固定在垂直轴2上，支架随垂直轴旋转，所述垂直轴下端上的传动齿轮12与驱动机构相连，在风轮外设置有圆形筒体1，垂直轴上、下两端分别通过上支座10、下支座13和轴承11与圆形筒体相连。整个装置支撑在由基座8形成的机架上，所述圆形筒体的侧面上间隔设置有十六只工作风进风口（即窗口），工作风进风口最好是直立的长方形，工作风进风口也可是其它多只，但不少于四只，在每一只工作风进风口一侧的圆形筒体侧面上设置有导风构件（图中未标出），所述导风构件横截面为曲面形时，导风构件由曲面形板6制成，曲面形板一端固定圆形筒体侧壁上、另一端呈悬臂状向工作进风口外伸展：所述导风构件横截面为钝角三角形时，所述导风构件由短斜边板9、曲面形板6和圆形筒体构成，所述曲面形板一端固定圆形筒体侧壁上、另一端与短斜边板一端固定相连，短斜边板另一端固定圆形筒体侧壁上。所述相邻两导风构件向工作进风口外伸展的外端之间形成为自然风进风口3，所述工作风进风口的面积与工作风进风口的风速乘积等于自然风进风口的面积与自然风进风口的曲率半径相同。所述风轮外侧布置有数个均匀布置工作风进风口7兼有抗水平侧力的圆形筒体1，所述圆形筒体即可是单一圆形筒体，也可是由所有导风构件围合组成。导风构件横截面为有利于空气平稳过渡的曲面形或直线形。所述导风构件横截面为抗风圆筒、短斜边板和曲面形板共同形成即能抗侧力又能导风的类三角形空间结构。

未设置工作进风口的圆形筒体及导风构件状态下，垂直轴风力发电机风轮输出功率：

P₀=0.645C_p *S₁*V₁ ³

S₁=D*H=α*d*H

P₀---自然受风面对比虚拟风轮输出功率

S₁---自然受风面积

D---受风面宽度（对比虚拟风轮水平直径）

H---风轮高度

d---风轮直径

α=D/d---受风面宽与工作风轮直径比

P₀=0.645C_p *α*d*H *V₁ ³

本发明垂直轴风力发电机组假定筒体开孔无限且均匀布置，风轮结构形式相同，改进后垂直风力发电机组风轮输出功率仍参照公式(4) 计算，并取相同风能转换效率系数C_p。

S₂=d*H

S_w =β*S₂=β*d*H

S₂---开孔圆筒迎风面积

S_w---风轮工作受风面积

β---风筒开孔率

计算风轮输出功率时还应考虑风轮直径减小带来力臂的相应减小：

γ=d/D=α^-1

V₂=V₁*S₁ /S_w

= V₁*(α*d*H)/(β*d*H)

= V₁*(α/β)

风通过工作风进风口至风叶还有一段行程，风叶随空气会产生偏转和扩散，即风速有所下降，假定平均降低20%，风作用于风叶的实际工作风速为：

V_w=(1-20%)V₂

= 0.8V₁*(α/β)

风轮工作的输出功率：

P_w=0.645C_p *S_w*V_w ³ *γ

=0.645C_p *(β*d*H ) [ 0.8V₁*(α/β)]³ (α^-1)

=0.512*0.645C_p *d*H * V₁ ³*(α/β) ²

=0.512(0.645C_p *α*d*H *V₁ ³)(α/β²)

=0.512 P₀(α/β²)

由此可见在受风面积相同情况下，通过本发明技术措施，可以提高风的作用效应，当：

α=1.5 β=2/3

作用效应提高幅度比：

η=0.512α/β²=1.728

即在相同受风面积情况下，通过本发明技术措施，可以提高风力发电效率72.8%。

当建设超大型或对垂直轴变位要求更高要求时，将曲面导风构件前移，并在导风构件前端及筒体非开孔部分末端之间增设一道短斜边板形成的刚性剪力墙，以提高圆筒抗水平侧向变形能力。所述圆形筒体、导风构件以及刚性剪力墙共同形成即能抗水平侧力又能导风的类三角形空间结构。

Claims (4)

1.带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置，它包括由风叶（4）和支架（5）组成的风轮、蓄电池、逆变器和控制器，所述支架固定在垂直轴（2）上，所述垂直轴下端的传动齿轮（12）与驱动机构相连，其特征是：在风轮外侧设置兼有抗水平侧力的圆形筒体（1），所述圆形筒体的筒壁上间隔均匀设置有若干只工作风进风口（7），所述工作风进风口周侧的圆形筒体侧面上设置有导风构件。

2.根据权利要求1所述的带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置，其特征是：所述导风构件横截面为曲面形或钝角三角形，导风构件一端固定在圆形筒体侧面上，另一端呈悬臂状向工作进风口外伸展，所述相邻两导风构件向工作风进风口外伸展的外端之间形成为自然风进风口（3），所述工作风进风口的面积与工作风进风口的风速乘积等于自然风进风口的面积与自然风进风口的风速乘积。

3.根据权利要求2所述的带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置，其特征是：所述导风构件横截面为曲面形时，导风构件由曲面形板（6）制成，曲面形板一端固定圆形筒体侧壁上、另一端呈悬臂状。

4.根据权利要求2所述的带有工作进风口的圆筒及导风构件的立轴风力发电装置，其特征是：所述导风构件横截面为钝角三角形时，所述导风构件由短斜边板（9）、曲面形板（6）和圆形筒体构成，所述曲面形板一端固定圆形筒体侧壁上、另一端与短斜边板一端固定相连，短斜边板另一端固定圆形筒体侧壁上。

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