CN114667391A - 风轮机和基于该风轮机的风力发电站 - Google Patents

Abstract

提出了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有安装在固定的圆柱形壳体中的垂直轴转子。该壳体设置有向外打开的遮板。转子由转芯和环形叶轮组成。该旋转转芯包括紧固在两个圆形基部之间并形成乌格林斯基转子的芯叶片。该环形叶轮被配置为围绕转芯独立旋转。叶轮包括固定在两个环形基部之间并形成芯叶片的延续部分的叶轮叶片，其中形成有公共的叶片间通道。该通道朝向转子的中心变窄。还提出了基于上述风力涡轮机的风力发电站，通过一个涡轮机在另一个之上垂直安装以形成发电塔，或者安装在高层建筑物的正面上。本发明提高了风力涡轮机的效率，并且使得可以将风力发电站并入城市环境中。

Description

风轮机和基于该风轮机的风力发电站

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，即具有垂直轴转子的风力涡轮机和基于该风力涡轮机的风力发电站。

背景技术

风力涡轮机，也称为风电单元，是用于将风流的动能转换为涡轮机转子旋转的机械能，随后将其转换为电能的装置。根据涡轮机的类型，风力涡轮机被划分为具有水平和垂直旋转轴的单元。最常见的是具有水平旋转轴的风力涡轮机，它们的实际效率达到40％，但它们具有许多基本缺点。风力发电机的功率取决于由风速和扫风面积决定的空气功率，因此这种类型的工业发电机的转子尺寸非常大。这种风力涡轮机体积大，制造、安装和操作成本高。具有较大转子(1米或更大)的风力涡轮机的运行会产生特有的噪音和振动，这些噪音和振动会给人带来很大的不适。因此，其运行在人口集中的，尤其，城市区域被限制或禁止。在这种涡轮机的操作中，进一步的挑战是转子叶片的结冰，以及当风力负载过度增加时需要对其进行制动。此外，这种类型的涡轮机的转子经常杀死鸟类。

在具有垂直旋转轴的风力涡轮机中避免了一些缺点，该风力涡轮机可以基于相当紧凑的垂直轴转子，该垂直轴转子的操作不会引起人类感知的噪声和振动。这种风力涡轮机可以安装在城市环境中，特别是安装在高层建筑的屋顶上。为了增加功率，紧凑的垂直轴转子可以组合成风力发电站。

例如，已知一种风力发动机(2007年2月27日公开的RU2294452C1)，该风力发动机由一个安装在另一个上方的部分组成，每个部分包括中空圆柱形转子，该转子具有位于气流导向定子中的垂直叶片。定子又包括安装在圆形刚性基座之间的垂直叶片。转子叶片和定子叶片是圆柱面的一部分，其凸度沿转子旋转方向排列。定子叶片的曲率半径大于转子叶片的曲率半径，并且每个定子部分的叶片数量是转子的每个圆柱形元件的叶片数量的两倍。所描述的定子为转子产生定向涡旋气流，从而优化其操作条件并提高风力发动机的效率。分段设计使得可以在高度上按比例缩放风力发电机的尺寸，增加扫掠面积(所有部分的转子)，从而增加了功率，简化了发电机的维护和安装。

然而，基于具有固定叶片的定子的涡轮机的设计在效率方面不是最佳的。已知的解决方案仅提供了在高度方向上缩放风力涡轮机的尺寸。这种转子对鸟类仍有潜在的危险。也没有解决保护转子免受过大风力载荷的问题。然而，上述风力发动机是与所要求保护的发明最接近的技术方案，并且被选择作为其原型。

在当今社会，不断需要开发基于可再生能源的能源系统，包括风力涡轮机。非常需要提高风力涡轮机和风力发电站的效率，以及设计可结合在城市环境(例如高层建筑)中的风力涡轮机。本发明旨在解决这些问题。

发明内容

根据本发明，提出了一种具有垂直轴转子的风力涡轮机，其特征在于，转子安装在配备有向外打开的遮板的固定的圆柱形壳体中，并且由转芯和环形叶轮构成。该转芯包括紧固在两个圆形基部之间并且形成乌格林斯基(Ugrinsky)转子的芯叶片。该环形叶轮被配置为围绕转芯独立地旋转并且包括紧固在两个环形基部之间的叶轮叶片。其中，叶轮叶片被构造成在所述转子横截面中形成所述芯叶片的延续。芯叶片具有朝向所述转子中心逐渐变细的共同的叶片间通道的结构。

上述涡轮机可以非常紧凑，高度约为500-1000mm，宽度约为300-800mm，其特征在于运行效率高，特别是在低风速下。叶轮独立地围绕转芯旋转，减少了转芯的反向扭矩，增加了涡轮的功率，原型中的定子也是如此。由于转子由两个匹配的部件制成：叶轮叶片在转子的横截面中形成芯叶片的延续，形成共同的叶片间通道，因此实现了涡轮机功率的额外增加。因此，叶轮和转芯具有相同数量的叶片。叶片间通道朝向转子中心的逐渐变细提供了进入气流速度的增加，从而增加了效率并且即使在低气流速度下也确保了涡轮机的效率。因此，叶轮首先在低风速下开始移动，从而较早地启动转芯的旋转。

带有关闭遮板的保护外壳的存在确保了涡轮机转子的保护和鸟类的安全。此外，可以提供可扩展的风力发电站，其将多个这样的涡轮机组合成单个发电联合体。因此，所提出的涡轮机可用于设计用于工业、商业和家庭、私人用途的风力涡轮机。

根据一个实施例，风力涡轮机的芯叶片和叶轮叶片相对于转子的垂直轴线倾斜。特别地，芯叶片可以具有与叶轮叶片相对于转子的垂直轴的倾斜相反的倾斜。因此，气流被连续地分流到转子内部的不同叶片间通道中，以进一步提高涡轮机的效率，特别是在低气流速度下。

根据一个实施例，风力涡轮机壳体遮板构造成在打开状态下在转子的横截面中形成叶轮叶片的延续。在这种情况下，壳体遮板承担了原型定子叶片的作用，从而优化了工作条件并提高了复合材料转子的效率。此外，遮板可以配备有进入气流的水平限流器，该水平限流器从每个遮板的上表面和下表面上的内表面以直角延伸。因此，转子的所有部件共同构造成形成共同的叶片间通道，该通道从具有限流器的壳体遮板的边缘朝向转子的中心轴线逐渐变细。

根据一个实施例，涡轮机芯叶片形成多个朝向中心逐渐变细的叶片间通道，其中一个通道穿过并形成乌格林斯基转子。芯叶片形成多于一个具有乌格林斯基转子的几何形状的贯穿叶片间通道的实施例也是可能的。例如两个、三个或四个这样的通道。根据另一实施例，涡轮芯基部和叶轮基部为楔形表面的形式，该楔形表面提供了垂直地朝向转子的中心轴线的渐缩的叶片间通道。因此，叶片间通道在水平和垂直方向上都逐渐变细，以加速转子内的气流。

根据另一实施例，风力涡轮机包括壳体遮板控制系统，该壳体遮板控制系统配置成根据可由转子壳体内部和/或外部的相应传感器测量的风载荷来自动打开和关闭遮板。因此，为转子的稳定操作提供了基本恒定的进入气流速度。

根据另一实施例，风力涡轮机包括用于加热壳体的内部空间和/或外表面的系统。此外，涡轮壳体可配备冷凝水排放系统。因此，基本上可以在任何天气和气候条件下操作涡轮机。

根据另一实施例，风力涡轮机包括两个盘式发电机，这两个盘式发电机位于涡轮机壳体的下部和上部，并连接到用于发电的转芯和/或叶轮的基部。例如，位于涡轮壳体下部的盘式发电机可以连接到转芯的基部，而位于涡轮壳体上部的盘式发电机可以连接到叶轮的基部。

在另一方面，本发明提供了一种风力发电站，其包括多个上述风力涡轮机，所述风力涡轮机彼此垂直安装以形成发电柱，其中所述涡轮机彼此独立地运行。优选地被配置为向消耗者提供能量的能量存储装置可以设置在塔的底部。这种风力发电站将具有上述风力涡轮机的所有优点。此外，这种布局的风力发电站易于扩展，其特征在于易于安装和维护。实际上，根据要解决的问题，风力发电站可以以几个涡轮机单元的紧凑列的形式或以多个涡轮机单元的大型独立列的形式同样成功地实施。多个这样的风力发电站柱可以组合成基本上任何面积和功率的发电阵列。

最后，本发明提供了一种风力发电站，该风力发电站包括多个上述的风力涡轮机，这些风力涡轮机安装在高层建筑物的正面上，以形成用于将能量输送到建筑物和/或外部消耗装置的发电综合体，这些涡轮机彼此独立地运行。优选地，这种风力发电站的涡轮机均匀地分布在建筑物的正面上，从距离建筑物底部大约30米的高度开始，在那里遇到高且基本恒定的风力载荷。这种风力发电站保留了风力发电站和风力涡轮机的所有上述优点。此外，由于涡轮机的紧凑性，在高层建筑中使用这种风力发电站不需要太多费用。紧凑的涡轮机可以布置在立面上，而不会显著破坏建筑物的外观，隐藏或嵌入在建筑物的设计中。同时，高层建筑变成了一个高功率工厂，不仅能够满足自身的电力需求，还能向外部消费者提供电力，例如。例如，在夜间，当建筑物内的电力消耗受到限制时。

本发明提高了风力发电机和基于此的风力发电站的效率。此外，本发明提供了将风力发电站结合到城市环境中的可能性，增加了操作的稳定性，并提供了风力涡轮机转子免受过大风力负载的自动保护，减少了风力发电站对鸟类的危险。

附图说明

下面参照附图描述一些实施例，其中：

图1是根据本发明的风力涡轮机的整体视图；

图2是图1中去除外壳的三个遮板的风力涡轮机的视图；

图3是图1的涡轮机的水平截面图；

图4是图1的涡轮机的垂直截面图；

图5是根据本发明的一列风力涡轮机形成的风力发电站的总体视图；

图6是包括根据本发明的风力涡轮机的风力发电站的总体视图，其安装在高层建筑物的外立面上。

具体实施方式

根据本发明的风力涡轮机1的整体视图在图1中示出。风轮机1具有安装在圆柱形壳体3中的垂直轴转子2，壳体3配备有向外打开的壳体遮板4。如图2-4所示，转子2由转芯5和环形叶轮6组成。转芯5包括固定在两个基部7之间的芯叶片8。芯叶片8形成乌格林斯基(Ugrinsky)转子-中心贯穿叶片间通道9，其壁具有如字母S形的轮廓，并且在中心点处通道的宽度约为通道开口宽度的2/3，如图3所示。叶轮6包括紧固在两个环形基部10之间的叶轮叶片11，并且被配置为围绕转芯5独立地旋转。

如图3所示，示出了转子2的相应静态位置。叶轮叶片11在转子2的横截面中形成芯叶片8的延续。因此，转芯的叶片和叶轮的叶片一起形成多个共同的叶片间通道，这些通道朝向转子2的中心逐渐变细，其中这些通道中的一个通道，即通道9，穿过转子并具有乌格林斯基(Ugrin sky)系统转子的几何形状。

芯叶片8和叶轮叶片11可以相对于转子2的垂直轴线倾斜地固定(未示出)。此外，在涡轮机1的一个实施例中，芯叶片8可具有与叶轮叶片11相对于转子2的垂直轴的倾角相反的倾角。

在打开状态下，如图3所示，壳体遮板4也分别形成叶片11及在转子2的横截面中芯叶片8的延续。另外，如图1-3所示，壳体遮板4可以在每个遮板4的上表面和下表面上设置有从内表面以直角延伸的进入气流的水平限流器12。因此，转子2的所有部件一起被配置为形成从壳体遮板4的边缘到转子2的中心轴线逐渐变细的公共叶片间通道。

如图4所示，基部7和环形基部10的表面为楔形表面，该楔形表面提供了垂直朝向转子2的中心轴线的渐缩的叶片间通道。

根据本发明的风轮机1的部件，特别是转芯5和叶轮6，可以根据风轮机的应用领域，通过任何已知的制造方法，包括锻造、冲压、铸造、机加工和3D(三维)打印，由不同的材料制成，包括金属、塑料和/或橡胶。

在优选实施例中，风力涡轮机1包括壳体遮板控制系统，该壳体遮板控制系统配置成根据风力载荷以自动模式打开和关闭壳体遮板4，该风力载荷可由安装在转子壳体3内部和/或外部的合适的传感器(图中未示出)测量。特别地，风载荷可以通过压力传感器测量，或者可以根据测量转芯5和/或叶轮6的旋转速度的转速计的读数来估计。

壳体遮板4的打开和关闭以可调节的方式进行，使得遮板4可以固定在完全关闭和完全打开的极限位置之间的任何中间位置。因此，壳体遮板控制系统可以调节气流，确保基本均匀的进入气流速度以用于转子2的稳定操作，以及自动保护转子2免受过大的风载荷。壳体遮板控制系统可以通过本领域技术人员已知的任何手段基于适当编程的处理器和致动器来实现。在每个单独的风轮机1中存在控制系统提供了风轮机独立运行的可能性，包括其在风力发电站内的独立功能。

此外，风轮机1可包括用于加热壳体3的内部空间和/或外表面的系统。涡轮机壳体3也可配备冷凝水排放系统。加热系统可以基于电加热元件来实现，优选地由涡轮机1本身产生的电力来提供动力。冷凝物排放系统可以是用于从壳体3去除湿气的适当的管道系统。这些系统提供了在基本上任何天气和气候条件下操作涡轮机1的可能性。

加热系统可以与风力涡轮机壳体1的遮板控制系统一起协调地操作，例如：在同一处理器的控制下。特别地，在极端天气条件下转子2的叶片结冰的情况下，当加热系统不能在正常操作中提供风力涡轮机1的充分加热时，壳体遮板控制系统可切换到遮板4周期性关闭的操作模式，以通过加热系统加热转子2。

在优选实施例中，风力涡轮机1包括两个圆盘发电机13和14。两个圆盘发电机13和14布置在涡轮机壳体的下部(发电机13)和上部(发电机14)中，并且连接到中心基座7和/或叶轮基座10以用于发电。例如，如图4所示，也可以将涡轮机壳体3的下部的圆盘发电机13连接在转芯的下基座7上，将涡轮机壳体3的上部的圆盘发电机14连接在叶轮的上基座10上。

此外，在优选实施例中，风力涡轮机1配备有集成的能量存储装置，以向涡轮机1元件提供由涡轮机1自身产生的电力。能量存储装置可以基于超级电容器(Ionistor)，并且与涡轮机1的控制系统一起位于风力涡轮机1的外壳3上方的单独隔间中(图中未示出)。然而，本发明在这方面不加限制，并且能量存储装置可以基于布置在涡轮机壳体3内部或外部的其它类型的可再充电电池。

在根据本发明的风力涡轮机1的操作期间，叶轮6首先开始以仅约1m/s的低风流速度旋转，从而启动转芯5的旋转。在初始阶段，叶轮6和转芯5的旋转速度约为20-40rpm。根据风力和操作涡轮机1的其它条件，叶轮6和转芯5可以以相同、接近或基本不同的速度旋转。随着风负荷的增加，叶轮6和转芯5的旋转速度增加。当达到转子2部件的最大旋转速度(大约700-800rpm)时，壳体遮板控制系统通过调节壳体遮板4的开度来限制风流，以稳定转子2的操作并保护其免受过度负载。转子2部件的最大旋转速度基于风力涡轮机1的参数来选择，具体地，叶轮6和转芯5的尺寸和重量，以提高可靠性并增加涡轮机1的使用寿命。

参照图5，根据本发明的一个实施例的风力发电站包括多个彼此垂直安装的风力涡轮机1，以形成发电柱15。其中涡轮机彼此独立地运行。能量存储装置16设置在发电柱15的底部，优选地被配置为向消耗者提供能量。值得注意的是，图5仅示出了风力发电站的示例性视图，该风力发电站为柱15的形式，柱15具有彼此上下垂直布置的单元，并且包括风力涡轮机1。实际上，本发明的风力发电站发电柱15可以以不同的方式实施。根据本发明的风力发电站的特征在于易于缩放以及易于安装和维护。实际上，由于发生柱15中的涡轮机1彼此独立地起作用，所以一个涡轮机1的维护，包括在发生故障时的更换，都可以在不停止风力发电站运行的情况下进行。风力发电站也可以实施为若干涡轮机单元的紧凑列，例如，用于安装在高层建筑的屋顶上，或者作为多个涡轮单元的大的独立柱，如图5所示。多个这样的风力发电站柱15可以组合成基本上任何面积和功率的发电阵列。

图6示出了根据本发明的另一实施例的风力发电站的总体视图，该风力发电站由安装在高层建筑物的正面上的多个风力涡轮机1组成，以形成用于将能量输送到建筑物和/或外部消耗装置的发电综合体。所述综合体的涡轮机1也彼此独立地起作用。优选地，风力发电站的涡轮机1均匀地分布在建筑物的正面上，从距离建筑物底部大约30米的高度开始，在那里遇到高且基本恒定的风力载荷。由于涡轮机1的紧凑性，在高层建筑中使用这种风力发电站不需要太多费用。紧凑型涡轮机1可以布置在立面上，而不会显著破坏建筑物的外观，隐藏或嵌入在建筑物的设计中。同时，高层建筑变成了一个高功率的工厂，不仅能够满足其自身的电力需求，而且能够向外部消费者供电，例如，在夜间，当建筑物内的电力消耗受到限制时。

根据本发明的风力涡轮机的设计使得可以提供多种类型的高效风力发电站，而不限于上述实施例。例如，风力发电站可以基于杆(照明杆或专门安装的杆)来实现，在该杆的上部可以安装一个或多个风力涡轮机1，并且在基座中具有能量存储装置，该能量存储装置具有用于向用户提供能量的装置。风力发电站的这种实施例可以成功地用于在城市环境中或在高速公路上给电动车辆充电。在另一实施例中，根据本发明的风力涡轮机可以安装在蜂窝塔上，这将允许在难以到达和开发不足的地区中有效和快速地部署蜂窝通信网络，而不管该地区中的电力可用性如何。

此外，本发明使得有可能避免废弃的供热厂、CHP(热电联产)厂和其他工业结构的高层管道和塔的处置，将它们转变为环境友好的风力发电站，而无需显著的成本。

应当理解，为了公开和解释本发明的本质而在上面描述的实施例不以任何方式限制由权利要求专门限定的法律保护范围。

Claims (14)

1.一种具有垂直轴转子的风力涡轮机，其特征在于，所述转子安装在配备有向外打开的遮板的固定的圆柱形壳体中，并且由转芯和环形叶轮构成；所述转芯包括紧固在两个圆形基部之间并且形成乌格林斯基(Ugrinsky)转子的芯叶片；所述环形叶轮被配置为围绕所述转芯独立地旋转并且包括紧固在两个环形基部之间的叶轮叶片；其中所述叶轮叶片被配置为在所述转子横截面中形成所述芯叶片的延续；所述芯叶片具有朝向所述转子中心逐渐变细的共同叶片间通道的结构。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述芯叶片和叶轮叶片相对于所述转子的竖直轴线倾斜。

3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述芯叶片具有与所述叶轮叶片相对于所述转子的垂直轴的倾角相反的倾角。

4.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述壳体遮板构造成在打开状态下在所述转子的横截面中形成所述叶轮叶片的延续。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，其特征在于，所述壳体遮板配备有进入气流的水平限流器；所述水平限流器从每个遮板的上表面和下表面上的内表面以直角延伸。

6.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述芯叶片形成多个朝向所述中心逐渐变细的叶片间通道，其中一个通道穿过所述乌格林斯基转子并形成所述乌格林斯基转子。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述基部和所述叶轮基部形成为楔形表面；所述楔形表面提供所述叶片间通道垂直地朝向所述转子的中心轴线的锥形。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括壳体遮板控制系统；所述壳体遮板控制系统配置成根据风载荷自动地打开和关闭所述遮板。

9.根据权利要求1所述的风力涡轮机，包括用于加热所述壳体的所述内部空间和/或所述外表面的系统。

10.根据权利要求9所述的风力涡轮机，所述壳体配备有冷凝物排放系统。

11.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机包括两个盘式发电机，所述两个盘式发电机位于所述涡轮机壳体的下部和上部中，并且连接到所述转芯和/或叶轮的基部以用于发电。

12.一种风力发电站，包括多个根据权利要求1至11中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机彼此垂直安装以形成发电柱，其中所述涡轮机彼此独立地运行。

13.根据权利要求12所述的风力发电站，其特征在于，在所述柱的底部设置有能量存储装置，所述能量存储装置优选地被配置为向消费者提供能量。

14.一种风力发电站，包括多个根据权利要求1至11中任一项所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机安装在高层建筑物的正面上以形成用于向所述建筑物和/或外部消耗装置输送能量的发电综合体，所述发电综合体的涡轮机彼此独立地运行。

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