CN113250906B - 一种梁柱框架式风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种梁柱框架式风力发电系统，包括梁柱框架和至少一个发电结构单元，梁柱框架包括中心柱体以及设置于各个发电结构单元上方和下方的第一环形梁；发电结构单元包括设置于中心柱体上的风力发电机以及与风力发电机相连的至少一个叶片组；至少一个叶片组中的叶片上设置有第一磁性结构，位于该发电结构单元上方和/或下方的第一环形梁上设置有与第一磁性结构径向位置对应的第二磁性结构，第一磁性结构和第二磁性结构之间产生对叶片的向上的作用力，以抵消叶片的重力，有效减小叶片对中心柱体的压力和转动摩擦力。由于该磁性力可直接作用于叶片，能够对叶片形成很好的支撑，从而有效提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

Description

一种梁柱框架式风力发电系统

技术领域

本发明涉及建筑框架结构与风力发电交叉技术领域，尤其涉及一种梁柱框架式风力发电系统。

背景技术

随着煤、石油、天然气等化石能源的不断消耗，能源短缺是全球现在以及将来要面临的一个重要难题。这些不可再生能源的形成周期长且数量有限，而人类对各种资源的消耗却在与日俱增，因此很多国家都在开发一些新型能源。风能、太阳能、水能等可再生的清洁能源逐渐进入人们的视野之中，可再生能源得到了越来越广泛的开发和应用。

对于风力发电的装置，目前，应用最多的风塔，风塔是由三叶片风轮、单轴的塔架和水平轴的风力发电机等部分组成。其叶片受风面积有限，风能利用率低，输出功率小，需要有足够数量的风塔来保证发电量，占地面积大，而且风力要达到一定的强度才可发电。由于风向的不确定性，还需要安装偏航装置使风叶正对来风方向，因此有时会采用垂直轴式风力发电装置。垂直轴式风力发电塔受限于结构形式，发电的功率较低，不利于大规模修建。

针对上述问题，现有技术中提出了采用磁悬浮方式对叶片形成支撑的方案，但现有的结构对叶片形成的支撑能力有限，难以实现输出功率的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种对叶片形成很好的支撑效果、输出功率高的梁柱框架式风力发电系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种梁柱框架式风力发电系统，所述梁柱框架式风力发电系统包括梁柱框架和至少一个发电结构单元，

所述梁柱框架包括中心柱体以及设置于各个所述发电结构单元上方和下方的第一环形梁；

所述发电结构单元包括设置于所述中心柱体上的风力发电机以及与所述风力发电机相连的至少一个叶片组，每个所述叶片组包括围绕所述中心柱体设置的多个叶片；

在一个所述发电结构单元中，至少一个叶片组中的叶片上设置有第一磁性结构，位于该发电结构单元上方和/或下方的所述第一环形梁上设置有与所述第一磁性结构径向位置对应的第二磁性结构，所述第一磁性结构和所述第二磁性结构之间产生对所述叶片的向上的作用力。

优选地，所述梁柱框架还包括沿所述中心柱体的轴向间隔布置的多个第二环形梁，所述第二环形梁与所述第一环形梁一一对应设置，且所述第二环形梁的直径与所述第一环形梁的直径不同；

在一个所述发电结构单元中，至少一个叶片组中的叶片上设置有第三磁性结构，位于该发电结构单元上方和/或下方的所述第二环形梁上设置有多个与所述第三磁性结构径向位置对应的第四磁性结构和第五磁性结构，所述第四磁性结构和所述第五磁性结构沿所述第二环形梁的周向交错布置，且所述第四磁性结构与所述第五磁性结构的磁性能够交替变换。

优选地，所述第一磁性结构设置于所述叶片的径向中部区域，所述第三磁性结构设置于所述叶片的径向外端部。

优选地，一个所述发电结构单元包括沿所述中心柱体的轴向间隔布置的多个所述叶片组；

在一个所述发电结构单元中，所述叶片的底部设置所述第一磁性结构和所述第三磁性结构，位于该所述发电结构单元下方的所述第一环形梁上设置所述第二磁性结构，位于该所述发电结构单元下方的所述第二环形梁上设置所述第四磁性结构和所述第五磁性结构。

优选地，所述梁柱框架还包括设置于所述中心柱体径向外侧的外围支架以及连接所述外围支架和所述中心柱体的第一连接支架，所述第一环形梁与所述连接支架相连。

优选地，所述外围支架包括多个三肢格构柱和多个四肢格构柱，所述三肢格构柱和所述四肢格构柱沿周向交错布置，相邻所述三肢格构柱和所述四肢格构柱之间通过第二连接支架连接。

优选地，所述中心柱体呈中空结构，所述叶片连接于所述中心柱体的外侧面，所述风力发电机和所述风力发电机的线缆设置于所述中空结构中。

优选地，所述叶片上设置有太阳能电池片。

优选地，所述叶片包括轴心杆，所述轴心杆上设置多个相互独立的所述太阳能电池片，所述轴心杆设置于所述中心柱体上并能够绕所述中心柱体转动。

优选地，所述梁柱框架式风力发电系统还包括蓄电池，所述风力发电机与所述蓄电池电连接。

本发明提供的梁柱框架式风力发电系统中，在梁柱框架上设置有第一环形梁，利用第一环形梁上的第二磁性结构与叶片上的第一磁性结构之间形成对叶片的向上的磁力，以抵消叶片的重力，有效减小叶片对中心柱体的压力和转动摩擦力。由于该磁性力可直接作用于叶片，能够对叶片形成很好的支撑，从而有效提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统的主视图；

图2示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统的俯视图；

图3示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的叶片、中心柱体以及风力发电机的配合结构示意图；

图4示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的中心柱体、第一环形梁、第二环形梁的结构示意图；

图5示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的叶片的结构示意图；

图6示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的中心柱体、第一连接支架、外围支架的结构示意图；

图7示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的梁柱框架的结构示意图。

图中：

10、梁柱框架；

11、中心柱体；12、第一环形梁；13、第二环形梁；14、外围支架；141、三肢格构柱；142、四肢格构柱；143、第二连接支架；15、第一连接支架；

20、发电结构单元；

21、风力发电机；22、叶片组；221、叶片；221a、轴心杆；221b、太阳能电池片；222、第一磁性结构；223、第三磁性结构；

30、蓄电池。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请所述的“上”“下”“顶”“底”等方位为梁柱框架式风力发电系统使用时的方位，仅用于方便描述，并不构成对其结构的限定。

在相关技术中，立式的风塔包括转轴和设置于转轴上的风叶板，转轴的下端扭矩输出端用于连接能源转换装置，转轴可转动地支撑于梁柱框架，为了实现对风塔中的叶片的支撑，在叶片的转轴与支架之间设置磁性元件来形成磁悬浮，这种结构对叶片形成的支撑能力有限，因此难以进一步扩大风塔的输出功率。

针对上述问题，本申请提供了一种梁柱框架式风力发电系统，图1是本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统的主视图，图2是本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统的俯视图，如图1和图2所示，梁柱框架式风力发电系统包括梁柱框架10和至少一个发电结构单元20，梁柱框架10包括中心柱体11以及设置于各个发电结构单元20上方和下方的第一环形梁12，如此，多个第一环形梁12沿中心柱体11的轴向间隔布置。图3是本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的叶片、中心柱体以及风力发电机的配合结构示意图，如图1和图3所示，发电结构单元20包括设置于中心柱体11上的风力发电机21以及与风力发电机21相连的至少一个叶片组22，每个叶片组22包括围绕中心柱体11设置的多个叶片221。在一个发电结构单元20中，至少一个叶片组22中的叶片221上设置有第一磁性结构222，位于该发电结构单元20上方和/或下方的第一环形梁12上设置有与第一磁性结构222径向位置对应的第二磁性结构（图中未示出），第一磁性结构222和第二磁性结构之间产生对叶片221的向上的作用力。

此处所述的径向位置对应指的是在径向上，第一磁性结构222和第二磁性结构在径向上位置相同或者至少部分结构重叠，以使得第一磁性结构222与第二磁性结构之间产生相互作用力。优选地，第二磁性结构沿第一环形梁12的整圈设置，从而使得在叶片221的转动过程中能够持续受到作用力。当第二磁性结构设置在发电结构单元20上方的第一环形梁12上时，第二磁性结构与第一磁性结构222相对侧的磁性相反，以形成相互吸引力，当第二磁性结构设置在发电结构单元20下方的第一环形梁12上时，第二磁性结构与第一磁性结构222相对侧的磁性相同，以形成排斥力。当然，第二磁性结构也可以既设置在发电结构单元20上方的第一环形梁12上，又设置在发电结构单元20下方的第一环形梁12上。

本发明提供的梁柱框架式风力发电系统中，在梁柱框架10上设置有第一环形梁12，利用第一环形梁12上的第二磁性结构与叶片221上的第一磁性结构222之间形成向上的磁力，以抵消叶片221的重力，有效减小叶片221对中心柱体11的压力和转动摩擦力。由于该磁性力可直接作用于叶片221，能够对叶片221形成很好的支撑，从而有效提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

其中，发电结构单元20可以设置为一个，也可以根据具体的风力发电需求设置为两个甚至更多，在发电结构单元20设置为多个时，为了简化结构，优选地，如图1所示，相邻发电结构单元20之间共用一个第一环形梁12，即，当发电结构单元20设置为两个时，第一环形梁12为间隔设置的三个，相邻第一环形梁12之间设置发电结构单元20，当发电结构单元20设置为三个时，第一环形梁12为间隔设置的四个，以此类推。由于发电结构单元20为沿轴向布置，不受空间的限制，可以较小的占地面积获得较大的输出功率。另外，由于每个发电结构单元20均具有各自独立的风力发电机21，不会相互影响，可根据需要对其中的任意发电结构单元20停止运转，控制方便。

一个发电结构单元20中的叶片组22数量不限，可以设置为一个，也可以设置为多个，可根据具体的风力发电需求进行设置。为了提高梁柱框架式风力发电系统的发电效率，优选地，如图1所示，一个发电结构单元20包括多个沿中心柱体的轴向间隔布置的叶片组22。每个叶片组22中包括的叶片221数量也不限，可以根据需求设置为两个、三个甚至更多个，例如，在图3所示的实施例中，每个叶片组22包括六个叶片221。

在一个发电结构单元20包括多个叶片组22的实施例中，可以是所有叶片组22中的叶片221均设置第一磁性结构222，也可以只在靠近第二磁性结构的叶片221上设置第一磁性结构222。

风力发电机21可以为任意能够将叶片221的转动转化为电能的发电装置，在一个优选的实施例中，风力发电机21为垂直轴式风力发电机，其在风向改变的时候无需对风，不仅使结构设计简化，而且也减少了叶片221对风时的陀螺力。

风力发电机21可以直接与叶片221连接，也可以通过其他中间结构与叶片221间接连接，为了对风力发电机21形成很好的保护以及方便走线，优选地，如图3所示，中心柱体11呈中空结构，叶片221连接于中心柱体11的外侧面，风力发电机21和风力发电机21的线缆设置于中心柱体11的中空结构中。

第一环形梁12可以为任意呈环形的结构，为了提高结构强度，优选地，图4示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的中心柱体、第一环形梁、第二环形梁的结构示意图，如图4所示，第一环形梁12为单榀圆形桁架梁，在其上弦杆顶部或者下弦杆底部设置一圈第二磁性结构。例如，位于发电结构单元20上方的第一环形梁12的下弦杆底部设置一圈第二磁性结构，再例如，位于发电结构单元20下方的第一环形梁12的上弦杆顶部设置一圈第二磁性结构。

进一步优选地，如图4所示，梁柱框架10还包括沿中心柱体11的轴向间隔布置的多个第二环形梁13，多个第二环形梁13与多个第一环形梁12一一对应，且第二环形梁13的直径与第一环形梁12的直径不同。在一个发电结构单元20中，至少一个叶片组22中的叶片221上设置有第三磁性结构223，位于该发电结构单元20上方和/或下方的第二环形梁13上设置有多个与第三磁性结构223径向位置对应的第四磁性结构和第五磁性结构，第四磁性结构和第五磁性结构沿第二环形梁13的周向交错布置，且第四磁性结构与第五磁性结构的磁性能够交替变换。如此，通过第四磁性结构和第五磁性结构磁性的交替变换推动叶片221的转动，从而给叶片221提供初始动力，使得梁柱框架式风力发电系统在风力较小的情况下也能够发电。在一个实施例中，第四磁性结构和第五磁性结构均为电磁体，通过改变电磁体内电流的方向实现磁性变换，叶片221在转动过程中通过改变第四磁性结构和第五磁性结构的磁性变换对叶片221产生前拉后推的力，以推动叶片221转动。

在发电结构单元20包括多个叶片组22的实施例中，可以是其中一个叶片组22的叶片221设置第三磁性结构223，也可以是多个叶片组22的叶片221设置第三磁性结构223。第四磁性结构和第五磁性结构可以设置在发电结构单元20上方的第二环形梁13上，也可以设置在发电结构单元20下方的第二环形梁13上，优选地，第三磁性结构223设置在具有第一磁性结构222的叶片221上，第四磁性结构和第五磁性结构设置在靠近第三磁性结构223的第二环形梁13上。例如，在一个发电结构单元20中，第一磁性结构222和第三磁性结构223设置于位于最底部的叶片组22的叶片221上，第四磁性结构和第五磁性结构设置在位于该发电结构单元20下方的第二环形梁13上。

第二环形梁13的直径可以大于第一环形梁12的直径，也可以小于第一环形梁12的直径，为了能够为叶片221转动提供更大的转矩，优选地，在图4所示的实施例中，第二环形梁13的直径大于第一环形梁12的直径，即第二环形梁13位于第一环形梁12的径向外侧，相应地，如图3所示，第一磁性结构222设置于叶片221的径向中部区域，第三磁性结构223设置与叶片221的径向外端部，如此，叶片221能够向径向外侧外伸足够的长度。

第二环形梁13可以为任意呈环形的结构，为了提高结构强度，优选地，如图4所示，第二环形梁13为两榀圆形桁架梁，在其上弦杆顶部或者下弦杆底部设置交替布置的第四磁性结构和第五磁性结构。

进一步优选地，图6示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的中心柱体、第一连接支架、外围支架的结构示意图，图7示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的梁柱框架的结构示意图，如图6和图7所示，梁柱框架10还包括设置于中心柱体11径向外侧的外围支架14以及连接外围支架14和中心柱体11的第一连接支架15，第一环形梁12与第一连接支架15相连，即每一层第一环形梁12均对应设置一层第一连接支架15，进一步地，在设置第二环形梁13的实施例中，第二环形梁13也与一连接支架15相连。在一个具体的实施例中，如图6和图7所示，第一连接支架15包括沿径向延伸并沿中心柱体11的周向排布的多个第一支架单元，第一支架单元的径向一端连接中心柱体11，径向另一端连接外围支架14。为了进一步提高结构强度，第一支架单元呈交叉桁架梁结构，其上下弦杆和腹杆均为钢管且通过焊接连接。

进一步优选地，外围支架14包括多个三肢格构柱141和多个四肢格构柱142，三肢格构柱141和四肢格构柱142沿周向交错布置，从而保证结构的对称性，使得结构各方向的侧向刚度相同。当然，可以理解的是，也可以全部设置为三肢格构柱或四肢格构柱并沿周向均匀布置。相邻三肢格构柱141和四肢格构柱142之间通过第二连接支架143连接，具体地，第二连接支架143包括分别相邻三肢格构柱141与四肢格构柱142的多个第二支架单元。如图1所示，第二连接支架143的层数与第一连接支架15的层数一致。其中，三肢格构柱141和四肢格构柱142的分肢和连缀件均采用钢管，各个格构柱内灌注混凝土。为了进一步提高结构强度，第二支架单元143呈交叉桁架梁结构，其上下弦杆和腹杆均为钢管且通过焊接连接。进一步优选地，第一支架单元的径向外端与各个三肢格构柱141、四肢格构柱142相连，从而进一步提高结构强度。

上述实施例提供的梁柱框架式风力发电系统中，利用三肢格构柱141、四肢格构柱142、第一连接支架15、第二连接支架143、第一环形梁12、第二环形梁13和中心柱体11共同形成空间桁架结构，结构刚度大，以能够支撑更多层的发电结构单元20，从而进一步提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

叶片221可以采用常规的叶片结构件，实现单独的利用风能进行发电。在一个优选的实施例中，图5示出本发明具体实施方式提供的梁柱框架式风力发电系统中的叶片的结构示意图，如图5所示，叶片221上设置有太阳能电池片221b，如此，能够综合利用风能和太阳能进行发电，进一步提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

叶片221可以包括叶片本体以及贴附设置于叶片本体表面的太阳能电池片，为了简化结构，进一步优选地，如图5所示，叶片221包括轴心杆221a，轴心杆221a上设置多个相互独立的太阳能电池片221b，轴心杆221a设置于中心柱体11上并能够绕中心柱体11转动，例如，中心柱体11包括外筒结构和中部支撑柱，风力发电机21固定于中部支撑柱上，风力发电机21的转子通过齿轮传动机构与轴心杆221a传动连接，且轴心杆221a通过滚珠支撑于外筒结构上。如此，利用太阳能电池片既能够承接阳光以利用太阳能发电，又能够作为叶片221在风力作用下转动以利用风能发电，结构简单，且由于各个太阳能电池片221b之间相互独立设置，因此可单独对其中的一片太阳能电池片221b进行更换，或者单独对其中一个叶片221进行更换，维修更加方便。

进一步优选地，如图1所示，梁柱框架式风力发电系统还包括蓄电池30，风力发电机21与蓄电池30电连接。在叶片221上设置太阳能电池片221b的实施例中，太阳能电池片221b也与蓄电池30电连接。如此，风力发电产生的电能和太阳能发电的电能均储存在蓄电池30中，使得电能储蓄到一定程度后再进行运输，从而保证足够的输电电压，可直接输送至电网或者变电站后直接使用。

蓄电池30可以设置为梁柱框架式风力发电系统的任意位置，例如可以固定于梁柱框架10的顶部，也可以如图1所示设置在梁柱框架式风力发电系统的地下层。

本发明提供的梁柱框架式风力发电系统中，在梁柱框架10上设置有第一环形梁12，利用第一环形梁12上的第二磁性结构与叶片221上的第一磁性结构222之间形成对叶片221的向上的磁力，以抵消叶片221的重力，有效减小叶片221对中心柱体11的压力和转动摩擦力。由于该磁性力可直接作用于叶片221，能够对叶片221形成很好的支撑，从而有效提高梁柱框架式风力发电系统的输出功率。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述梁柱框架式风力发电系统包括梁柱框架和至少一个发电结构单元，

所述梁柱框架包括中心柱体以及设置于各个所述发电结构单元上方和下方的第一环形梁；

所述梁柱框架还包括沿所述中心柱体的轴向间隔布置的多个第二环形梁，所述第二环形梁与所述第一环形梁一一对应设置，且所述第二环形梁的直径与所述第一环形梁的直径不同；

所述梁柱框架还包括设置于所述中心柱体径向外侧的外围支架以及连接所述外围支架和所述中心柱体的第一连接支架，所述第一环形梁与所述第一连接支架相连，所述第二环形梁与所述第一连接支架相连；

所述发电结构单元包括设置于所述中心柱体上的风力发电机以及与所述风力发电机相连的至少一个叶片组，每个所述叶片组包括围绕所述中心柱体设置的多个叶片；

在一个所述发电结构单元中，至少一个叶片组中的叶片上设置有第一磁性结构，位于该发电结构单元上方和/或下方的所述第一环形梁上设置有与所述第一磁性结构径向位置对应的第二磁性结构，所述第一磁性结构和所述第二磁性结构之间产生对所述叶片的向上的作用力。

2.根据权利要求1所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，在一个所述发电结构单元中，至少一个叶片组中的叶片上设置有第三磁性结构，位于该发电结构单元上方和/或下方的所述第二环形梁上设置有多个与所述第三磁性结构径向位置对应的第四磁性结构和第五磁性结构，所述第四磁性结构和所述第五磁性结构沿所述第二环形梁的周向交错布置，且所述第四磁性结构与所述第五磁性结构的磁性能够交替变换。

3.根据权利要求2所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述第一磁性结构设置于所述叶片的径向中部区域，所述第三磁性结构设置于所述叶片的径向外端部。

4.根据权利要求2所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，一个所述发电结构单元包括沿所述中心柱体的轴向间隔布置的多个所述叶片组；

在一个所述发电结构单元中，所述叶片的底部设置所述第一磁性结构和所述第三磁性结构，位于该所述发电结构单元下方的所述第一环形梁上设置所述第二磁性结构，位于该所述发电结构单元下方的所述第二环形梁上设置所述第四磁性结构和所述第五磁性结构。

5.根据权利要求1所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述外围支架包括多个三肢格构柱和多个四肢格构柱，所述三肢格构柱和所述四肢格构柱沿周向交错布置，相邻所述三肢格构柱和所述四肢格构柱之间通过第二连接支架连接。

6.根据权利要求1至4任一项所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述中心柱体呈中空结构，所述叶片连接于所述中心柱体的外侧面，所述风力发电机和所述风力发电机的线缆设置于所述中空结构中。

7.根据权利要求1至4任一项所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述叶片上设置有太阳能电池片。

8.根据权利要求7所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述叶片包括轴心杆，所述轴心杆上设置多个相互独立的所述太阳能电池片，所述轴心杆设置于所述中心柱体上并能够绕所述中心柱体转动。

9.根据权利要求1至4任一项所述的梁柱框架式风力发电系统，其特征在于，所述梁柱框架式风力发电系统还包括蓄电池，所述风力发电机与所述蓄电池电连接。

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