CN116428106B - 一种垂直轴风机阵列结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种垂直轴风机阵列结构，包括基础、与基础转动连接的旋转平台、设置在旋转平台上的板状支撑结构、设置在支撑结构上的多个风机单元，支撑结构设置有挡风面和透风面，挡风面用于承受风荷载使得支撑结构旋转至平行于风向，风机单元的转轴垂直于支撑结构，多个风机单元平行布置有多列，相邻两列风机单元交错布置。本发明通过设置挡风面，使得支撑结构始终平行于风向，风机单元的转轴水平布置，更加有利于最高效地利用风场的空间和风能资源；通过交错布置风机单元，充分利用了风机的阻塞效应和尾流发散抑制效应，来流风速经过两台风机中间空荡区域时会被加速，由此提高处于尾流加速区的风机单元的发电效率。

Description

一种垂直轴风机阵列结构

技术领域

本发明涉及垂直轴风机技术领域，具体涉及一种垂直轴风机阵列结构。

背景技术

单台垂直轴风机无需复杂的对风装置，结构简单，安装、维护便利。此外，多台垂直轴风机在合适的空间布局下，风机尾流不仅不会降低风机发电效率，反而具有尾流协同效应，可以显著提高多台垂直轴风机的平均发电功率。目前的垂直轴风机结构大多采用单转子风机进行发电，少部分采用双转子垂直轴风机对转发电，没有布置垂直轴风机阵列以最大程度地利用垂直轴风机的尾流发散抑制效应实现发电功率最大化。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种垂直轴风机阵列结构，该结构利用垂直轴风机的阻塞效应和尾流发散抑制效应，实现了风机单元发电功率的最大化。

本发明提供一种垂直轴风机阵列结构，包括基础、与基础转动连接的旋转平台、设置在旋转平台上的板状的支撑结构、设置在支撑结构上的多个风机单元，所述支撑结构设置有挡风面和透风面，所述挡风面用于承受风荷载使得支撑结构旋转至平行于风向，所述风机单元的转轴垂直于支撑结构，多个所述风机单元平行布置有多列，相邻两列风机单元交错布置。

通过设置挡风面，使得支撑结构始终平行于风向，风机单元的转轴水平布置，相对于现有的垂直轴风机均采用转轴竖直布置的方式，更加有利于最高效地利用风场的空间和风能资源；通过交错布置风机单元，充分利用了风机的阻塞效应和尾流发散抑制效应，来流风速经过两台风机中间空荡区域时会被加速，由此提高处于尾流加速区的风机单元的发电效率。

所述风机单元包括第一风机和第二风机，所述第一风机和第二风机对称布置在支撑结构两侧。

每个风机单元设置有对称的第一风机和第二风机，使得整体结构的重心在板状支撑结构的中心纵截面上，中心纵截面平行于透风面，旋转平台和基础不需承担过大偏心重力荷载。

进一步地，所述第一风机和第二风机的转动方向相反。

对称反向旋转的第一风机和第二风机可以相互抵消部分作用力，提高整体结构的稳定性，有利于提高整体结构的使用寿命。

进一步地，所述支撑结构为桁架结构。

桁架结构重量较轻，结构布置灵活，便于安装风机单元，桁架结构在外荷载作用下主要承担拉压作用，结构稳定性好。

进一步地，所述支撑结构包括多个横杆、多个竖杆以及多个斜撑，多个横杆和多个竖杆形成框架结构，所述斜撑的两端与横杆和竖杆的连接处连接，所述风机单元布置在横杆、竖杆、斜撑的连接点处。

将风机单元设置在横杆、竖杆、斜撑的连接点处，使得风机单元安装稳定。

进一步地，所述支撑结构内设置有风向板，所述风向板设置在支撑结构的中心横截面一侧，所述风向板形成挡风面，所述支撑结构未设置风向板的位置形成透风面，所述中心横截面垂直于挡风面和透风面。

桁架结构整体透风，通过在支撑结构的中心横截面一侧设置风向板，使得支撑结构的中心横截面一侧受到的风荷载较大，在风荷载作用下，支撑结构会旋转至平行于风向。

进一步地，所述旋转平台与基础同轴布置，多个所述风机单元对称布置在支撑结构中心横截面的两侧。

通过将风机单元对称布置在支撑结构中心横截面的两侧，进一步提高了整体结构的对称性，减小了偏心重力荷载。

进一步地，所述基础包括同轴布置的粗立柱和细立柱，细立柱设置在粗立柱上端面。

通过在细立柱下方设置粗立柱有利于降低整体结构的重心，让结构更加稳定。

在一些实施例中，所述基础为固定式基础，所述基础固定在陆地或海床中。

在一些实施例中，所述基础为漂浮式基础，所述基础底部设置有导览孔，所述导览孔与系泊系统连接，所述系泊系统锚固在海床上。

本发明的有益效果为：本发明通过设置挡风面，使得支撑结构始终平行于风向；通过交错布置风机单元，充分利用了风机的阻塞效应和尾流发散抑制效应，来流风速经过两台风机中间空荡区域时会被加速，由此提高处于尾流加速区的风机的发电效率。

附图说明

图1为实施例1中垂直轴风机阵列结构的结构示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为实施例1中垂直轴风机阵列结构的侧视图；

图4为实施例1中风向板的安装结构示意图；

图5为实施例1中基础和旋转平台的结构示意图；

图6为实施例2中垂直轴风机阵列结构的结构示意图。

附图标记：基础1；旋转平台2；支撑结构3；风机单元4；第一风机5；第二风机6；挡风面7；透风面8；横杆9；竖杆10；斜撑11；风向板12；风机主体13；叶片14；发电机舱15；系泊系统16。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1：如图1所示，垂直轴风机阵列结构包括基础1、旋转平台2、支撑结构3、多个风机单元4。

如图5所示，基础1包括同轴布置的圆柱形粗立柱和圆柱形细立柱，粗立柱和细立柱一体浇注成型，粗立柱固定在陆地或海床的稳定基层上，细立柱顶部中心开孔，孔内设置有旋转轴承。通过在细立柱下方设置粗立柱有利于降低整个结构的重心，让结构更加稳定。

旋转平台2包括转轴和平板，转轴安装在细立柱的孔内，使得旋转平台2通过旋转轴承与基础1转动连接，平板呈长条状，平板中心与转轴固定连接。

如图4所示，支撑结构3安装在旋转平台2上，支撑结构3包括多个横杆9、多个竖杆10以及多个斜撑11，多个横杆9和多个竖杆10形成框架结构，斜撑11的两端与横杆9和竖杆10的连接处连接，支撑结构3整体呈板状，其长度等于平板的长度，厚度等于平板的宽度。支撑结构3内设置有风向板12，风向板12设置在支撑结构3的中心横截面一侧，中心横截面为垂直于挡风面7和透风面8位于支撑结构3中心的截面，风向板12包括多个方形薄板，以轻质材料制成，风向板12自支撑结构3底部延伸至顶部从而形成挡风面7，支撑结构3未设置风向板12的位置形成透风面8，使得图4中支撑结构3左侧部分受到的风荷载较大，当风向改变时，旋转平台2在支撑结构3的风荷载作用下产生力矩，转动至平行与风向的方向，从而实现了自主对风。

如图1、3所示，风机单元4布置在支撑结构3的横杆9、竖杆10、斜撑11的连接点处，风机单元4沿竖向设置有多列，相邻列风机单元4之间交错布置。如图2所示，每个风机单元4包括第一风机5和第二风机6，第一风机5和第二风机6对称布置在支撑结构3的两侧，即支撑结构3的两个大面上，本实施例中，第一风机5和第二风机6的转动方向相反，即第一风机5和第二风机6的叶片倾向不同，在相同的来流风向下，旋转方向就会相反，可以相互抵消部分作用力，提高整体结构的稳定性，有利于提高整体结构的使用寿命。

第一风机5包括风机主体13、发电机舱15、叶片14，发电机舱15固定在支撑结构3上，风机主体13与发电机舱15连接，风机主体13上均匀布置有三个叶片14，叶片14的迎风面垂直于支撑结构3，由于支撑结构3始终平行与风向，因此叶片14始终能够受到最大的风荷载。由于体支撑结构3采用的是桁架结构体系，体系中的构件在外荷载作用下主要承担拉压作用，因此整个支撑结构3十分可靠。

可以理解的是，由于相邻列风机单元4之间交错布置，当风向为图1中左侧至右侧的方向时，最左侧的一列风机单元4会产生阻塞效应，使得流经最左侧的风流发散地从最左侧的一列每个风机单元4的上方和下方加速流过，最左侧的一列风机单元4中，相邻两个风机单元4之间的加速风流会汇集在一起，产生尾流发散抑制效应，减小了风的发散角度，汇集在一起的风流会吹向最左侧第二列的风机单元4，从而提高了第二列的风机单元4的发电效率。

垂直轴风机流场阻塞效应是指流体流经垂直轴风机时，风机对流体产生阻挡作用，流体会在垂直轴风机出现加速现象，而且呈发散状。垂直轴风机流场尾流发散抑制效应是指并列两台垂直轴风机让垂直轴风机两侧流体发散角度减小。因此，每列风机单元4在支撑结构3上呈交错式布置，可以充分利用垂直轴风机的阻塞效应和尾流发散抑制效应，来流风速经过两台垂直轴风机中间空荡区域时会被加速，由此提高处于尾流加速区风机单元4的发电效率。

实施例2：实施例2与实施例1的区别仅在于：如图6所示，基础1为漂浮式基础1，基础1底部设置有导览孔并通过导览孔与系泊系统16连接，系泊系统16锚固在海床上，以限制整体结构在有限海域内运动。

实施例3：实施例3与实施例1的区别仅在于：基础1的粗立柱和细立柱之间采用变截面的连接方式，以减少结构的应力集中，增加结构的可靠程度。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种垂直轴风机阵列结构，其特征在于：包括基础（1）、与基础（1）转动连接的旋转平台（2）、设置在旋转平台（2）上的板状的支撑结构（3）、设置在支撑结构（3）上的多个风机单元（4），所述支撑结构（3）设置有挡风面（7）和透风面（8），所述挡风面（7）用于承受风荷载使得支撑结构（3）旋转至平行于风向，所述风机单元（4）的转轴垂直于支撑结构（3），多个所述风机单元（4）平行布置有多列，相邻两列风机单元（4）交错布置；

所述风机单元（4）包括第一风机（5）和第二风机（6），所述第一风机（5）和第二风机（6）对称布置在支撑结构（3）两侧；

所述第一风机（5）和第二风机（6）包括叶片（14），叶片（14）的迎风面垂直于支撑结构（3）；

所述第一风机（5）和第二风机（6）的转动方向相反；

所述支撑结构（3）为桁架结构；

所述支撑结构（3）包括多个横杆（9）、多个竖杆（10）以及多个斜撑（11），多个横杆（9）和多个竖杆（10）形成框架结构，所述斜撑（11）的两端与横杆（9）和竖杆（10）的连接处连接，所述风机单元（4）布置在横杆（9）、竖杆（10）、斜撑（11）的连接点处；

所述支撑结构（3）内设置有风向板（12），所述风向板（12）设置在支撑结构（3）的中心横截面一侧，所述风向板（12）形成挡风面（7），所述支撑结构（3）未设置风向板（12）的位置形成透风面（8），所述中心横截面垂直于挡风面（7）和透风面（8）。

2.根据权利要求1所述的垂直轴风机阵列结构，其特征在于：所述旋转平台（2）与基础（1）同轴布置，多个所述风机单元（4）对称布置在支撑结构（3）中心横截面的两侧。

3.根据权利要求1所述的垂直轴风机阵列结构，其特征在于：所述基础（1）包括同轴布置的粗立柱和细立柱，细立柱设置在粗立柱上端面。

4.根据权利要求1所述的垂直轴风机阵列结构，其特征在于：所述基础（1）为固定式基础（1），所述基础（1）固定在陆地或海床中。

5.根据权利要求1所述的垂直轴风机阵列结构，其特征在于：所述基础（1）为漂浮式基础（1），所述基础（1）底部设置有导览孔，所述导览孔与系泊系统（16）连接，所述系泊系统（16）锚固在海床上。