CN116928010A - 一种绕涡垂轴风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种绕涡垂轴风力发电装置，其是采用在垂轴叶轮前设置绕流柱体的方式，利用绕流层分离效应产生的旋涡及外流驱动垂轴叶轮旋转发电的装置，本发明高度匹配了旋转叶轮和涡旋动力的结构共性，提高了风能转化为机械能的效率，同时结构简单、体积紧凑、结实耐用，是适应气候条件宽、环境友好、高效率的绿色能源应用技术和产品。

Description

一种绕涡垂轴风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体是一种绕流层涡旋垂直轴风力发电装置，简称一种绕涡垂轴风力发电装置。
一种绕涡垂轴风力发电装置是利用风绕流柱体的绕流层分离效应涡旋驱动垂轴叶轮旋转带动发电机发电的装置。
背景技术
风力发电机是利用风能转化成为电能设备的统称，当前世界上几乎所有的大型风力发电机的转动轴都与风向一致，也基本上与地面平行，称为“水平轴风力发电机”；而“垂直轴风力发电机”的转动轴垂直于风向，一般也垂直于地面。表面上，两种风力发电机的区别是主轴方向的不同，但二者最为核心的差异体现在是否需要对风上。自然界中风的风向时刻在发生变化，因此，水平轴风力机要想捕获更多的风能，需要及时根据风向的变化进行调整，将机头朝向风的来流方向，但实际上风轮难以完全跟随来流的风向。而垂直轴风力机却可以，其在各个方向都可以吸收风能，完全不需要考虑对风问题。
垂直轴风力发电机在原理上可以大致分为阻力型和升力型两类。阻力型风力机只有一半的受风面积被利用，机组功率系数较低，一般情况下不超过15%。其常见的形式包括S型，如风杯式风速计，主要安装在气象站测风塔、大型风电机组的机舱顶部以及电线杆顶部，其能量转化效率（20%）略高于普通的阻力型机组。由于S型机组面临大型化制造和能量利用率低的困局，其在风力发电领域举步维艰。
1931年，法国航空工程师达里厄获得了以自己名字命名的风力发电机专利，开创了升力型垂直轴风力发电机的先河。达里厄风力机的风轮由两片与转轴平行的叶片组成，叶片横截面为具有流线型外形的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧。风从左侧吹向右方，叶片横截面翼型产生的升阻力带动风轮旋转，正常工作时叶片受到的阻力很小。升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力是推动风轮旋转的力。叶片随风轮旋转到不同角度几乎都有推动风轮朝着同一个方向旋转的转矩，这就是达里厄风力机可以在任何风向的风力下运行的原因。
水平轴风力机叶片扫掠空气时会产生轰鸣的气动噪声，影响周边居民的日常生活，许多人每天被低频噪声折磨得难以入睡。而垂直轴风力机运行转速只有十几转低，几乎不会发出噪音。因此，垂直轴风力机可以扎根在人口密集的都市，安装在高层建筑物的顶部，实现风能发电与建筑的融合，直接将电力供给到用户端。三支叶片的水平轴风力机外观简洁大方，它独特的造型成为了自然景观的点缀。但它叶尖的高速转动时，会对附近飞过的鸟儿造成了极大的威胁，被撞击受伤甚至死亡的鸟类不计其数，其中不乏珍稀猛禽。而垂直轴风力机的运行转速很低，不会对鸟类造成伤害。此外，由于垂直轴风力机塔架高度低，抗风能力强，在我国东南沿海台风登陆区域有巨大的发挥空间。
水平轴风力发电机运转过程中会在风轮后方产生一个巨大的尾流区域，显著影响后方风力机的性能，只有当前后两台机组的距离超过风轮直径的20倍时才能完全消除气流干扰，这使得铺设电缆的成本大幅攀升并且浪费了大量的土地资源。相反垂直轴机组受到紊乱气流的干扰小，试验显示机组之间相距风轮的4倍时能够最大程度地吸收风能，因此，风电场内部可以实现机组的密集排布。垂直型风力机的发电机、变速箱等质量大的设备能安装在地面上，力学性能得到大幅改善，并且易于安装和维护。但垂直轴风电机组也存在着总体能量转化效率低、运行超速时的速度控制困难、启动风速高、难以自动启动等缺点。
风力发电要实现大规模的工程开发，不仅仅需要论证技术的可行性，还要综合考虑气动效率、结构安全性、噪声等级、环境影响、投入成本及收益、运行维护成本等多个方面。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积紧凑、安全耐用、转化效率高的风力发电装置。本发明一种绕涡垂轴风力发电装置既克服了现有水平轴风力发电机的分力推动的技术缺陷，又克服了垂直轴风力发电机的阻力差推动或多向升力不均衡推动的技术缺陷，充分利用绕流圆柱体的绕流层分离效应所产生的涡旋单向合力解决了风能转化效率低的技术难题。
本发明所采用的技术方案是：一种绕涡垂轴风力发电装置，至少包括单层装置，还包括多层装置。单层装置包括迎风柱（1）和垂轴发电单元，迎风柱垂直于地面，垂轴发电单元包括垂轴叶轮（2）、发电机（3）、支架（4），迎风柱的水平投影线（101）包括圆，垂轴叶轮的垂轴（201）与迎风柱平行，垂轴叶轮的叶片（203）的水平投影线包括直线，垂轴叶轮的垂轴与发电机的轴（301）共直线或平行，垂轴叶轮垂轴一端与发电机轴一端联接或对接，支架固定于迎风柱上，支架承载垂轴叶轮和发电机且定位垂轴叶轮的垂轴于迎风柱的背风向中线（5）和背风向边线（6）之间并垂轴叶轮的大圆靠近迎风柱供垂轴叶轮水平旋转，垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过迎风柱的背风向变速分离线（19）至背风向边线之间的区域；当迎风柱迎风时，风绕经迎风柱两侧壁面的绕流层层流水平流线上的流程大于直线距离而速度增大，速度增大而压强减小，当风绕过迎风柱两侧向迎风柱背风向汇集时，两侧绕流层增厚而速度减小压强增大，进而包括其中一侧层流回旋分离成旋涡，旋涡沿迎风柱背风向连续脱落而形成一列涡眼（17），另一侧层流亦回旋分离成旋涡且与对侧旋涡旋向相反，垂轴叶轮受其所在侧的旋涡驱动旋转并带动发电机旋转发电；进而还包括其中一侧层流回旋分离成湍流，湍流沿迎风柱背风向无规则运动，另一侧层流亦回旋分离成湍流与对侧湍流同作无规则运动，垂轴叶轮受其所在侧的绕流层的外流驱动旋转并带动发电机旋转发电。单层装置还包括迎风柱、垂轴发电单元和平行垂轴发电单元，平行垂轴发电单元的组成与垂轴发电单元的组成相同或相似，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元互相平行，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的支架包括单体支架、合体支架（404），平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的组成相同的以背风向中线为轴对称，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的组成相似的分列背风向中线两边，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆保持安全间隙靠近所述迎风柱，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过迎风柱的背风向变速分离线至背风向边线之间的区域；当风绕过迎风柱两侧向迎风柱背风向汇集时，两侧绕流层增厚而速度减小压强增大，包括两侧层流进而回旋分离成旋涡，两侧旋涡沿背风向连续脱落而形成两列涡眼，两侧旋涡旋向相反，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的所述旋涡驱动旋转带动各自的发电机旋转发电；还包括两侧层流进而回旋分离成湍流，湍流沿背风向无规则运动，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的绕流层的外流驱动旋转带动各自的发电机旋转发电。
迎风柱背风向的涡眼是迎风柱背风向所产生气流旋涡的中心，气流漩涡连续稳定旋转而其向心力平衡时会于其中心区域形成稳定的眼状结构即涡眼也称风眼，涡眼的水平投影包括点、圆。涡眼迹线（18）是旋涡沿迎风柱背风向连续脱落而形成一列涡眼的轨迹。
迎风柱包括固定迎风柱、转动迎风柱（102），转动迎风柱可绕穿过其水平投影几何中心或重心的垂线转动，支架固定于转动迎风柱背风向的柱壁上。迎风柱的水平投影线包括圆、椭圆、复合曲线，迎风柱的水平投影复合曲线包括迎风曲线和背风曲线，迎风曲线包括半圆（103）、优弧、半椭圆、抛物线，迎风曲线的凸向对风，背风曲线包括凸弧、双凸弧、凹弧、双凹弧（104），凸凹是相对于迎风柱，凸是向柱外凸，凹是向柱内凹。迎风柱的迎风曲线和背风曲线平滑连接。迎风曲线的作用是风绕流迎风柱两侧时延长行程使绕流层层流产生更高的速度；背风曲线的作用是向垂轴叶轮导流旋涡。迎风柱的制作工艺包括钢筋混凝土现浇、钢筋混凝土预制、钢结构铆接、钢结构焊接、玻璃钢预制、工程塑料预制、钢板卷筒预制。
支架包括转动支架（401）、伸缩支架、固定支架。转动支架包括柱转动支架、轴转动支架，柱转动支架套挂于迎风柱的柱壁并可绕迎风柱柱壁旋转，轴转动支架套挂于迎风柱的转动轴上并可绕迎风柱的转动轴转动；伸缩支架包括固定伸缩支架、转动伸缩支架，固定伸缩支架是指在固定支架的基础上设置包括伸缩结构和伸缩动力装置来实现伸缩功能；转动伸缩支架是指在转动支架的基础上设置包括伸缩结构和伸缩动力装置来实现伸缩功能，转动伸缩支架包括柱转动伸缩支架、轴转动伸缩支架。例1：采用转动迎风柱轴转动伸缩支架的单层装置，详见附图6-11，图中轴转动伸缩支架包括轴转动伸缩支架滑槽底座（402）、伸缩支架伺服电机(405) 、伸缩支架伸缩滑杆台(409)、伸缩支架支柱（410）、伸缩支架加强支柱（411），还包括限位支架（403）、限位支架限位槽（406）、限位支架伺服电机（407）、限位支架转轴（408），轴转动伸缩支架滑槽底座和转动迎风柱一起套挂在转动迎风柱轴（105）上，伸缩支架伺服电机通过齿轮、皮带、链条带动伸缩滑杆台在底座滑槽中往返移动，伸缩滑杆台承载的垂轴叶轮可随之进出迎风柱中空腔，限位支架由其伺服电机驱动而沿其转轴转动同时承载着垂轴叶轮的垂轴在限位槽中缓慢移动，使垂轴叶轮在迎风柱的背风向中线至背风向边线以及至背风向边线之外来回移动并于获得转速高的受风位置后驻停受风，限位支架作用包括绕流层分离成湍流时外移垂轴使叶片扫过背风向边线之外、绕流层分离成旋涡时内移垂轴使叶片扫过背风向边线之内、绕流层分离成旋涡时移动垂轴使叶片同时扫过背风向边线两侧。
垂轴叶轮包括垂直轴、叶片、叶片支架、对接齿轮或万向联轴器，其与发电机的对接或联接方式包括轴头焊接、齿轮对接、万向联轴器联接，垂直轴简称垂轴，垂轴叶轮叶片的水平截面线（204）或水平投影线包括直线、半圆、劣弧、半椭圆、抛物线、折线、翼型曲线，所述半圆、劣弧、半椭圆、抛物线、折线的开口向迎风。
发电机是指将机械能转换成电能的机械设备，发电机由垂轴叶轮驱动，垂轴叶轮将风能转化为机械能传给发电机，再由发电机转换成电能。发电机包括定子、转子、转子轴、机壳、轴承、对接齿轮或万向联轴器，其与垂轴叶轮的对接或联接方式包括轴头焊接、齿轮对接、万向联轴器联接，发电机设置位置包括垂轴叶轮上方、垂轴叶轮下方、垂轴叶轮中部。
本发明所述的绕流层是接近被绕流物体表面的加速层，其下至物体表面零距离存在减速薄层叫做边界层，边界层是由流体粘性和物面摩擦导致的，边界层的厚度是流速自物面的零开始沿法线方向至与当地自由流速度的99%位置之间的距离，通常边界层是厚度毫米级的减速层，而本发明所涉及的迎风柱的绕流层是米级厚度的加速层，边界层的速度和所携带能量相对于迎风柱及其绕流层的体量来说影响极小可以忽略。另外，使迎风柱表面制作光滑可以显著降低摩擦力的影响。绕流层分离效应是绕流层脱离物面并在物面附近出现回流的现象。绕流层内的流动有层流和湍流两种形态，一般上游为层流，下游从某处以后转变漩涡或湍流，漩涡属于层流，且绕流层急剧增厚。绕流过圆柱、圆球等钝头物体后的流动属于这种绕流层分离效应的典型例子，其中最具代表性的是卡门涡街，风吹过高塔、烟囱、电线会形成卡门涡街；大气环流吹过岛屿、山峰等都会形成卡门涡街。
因风向改变导致迎风柱两侧来流不稳定，继而迎风柱背风向两侧旋涡不连续不规则，垂轴叶轮受到影响而转速失稳，一般待迎风柱对正风向即可恢复稳定。当水平投影为圆的迎风柱对风稳定时，其两侧绕流层于背风向周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡即卡门涡街简称涡街。对圆柱绕流，卡门涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即f=Sr(v/d)，Sr是斯特劳哈尔数，它主要与雷诺数有关；当雷诺数为300—3×105时，卡门涡街的Sr近似于常数值(0.21) ；当雷诺数为3×105—3×106时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×106时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。
本发明包括了利用绕流层旋涡驱动、绕流层外流驱动、前两种流共同驱动垂轴叶轮的三种情况，第一种利用绕流层旋涡是指绕流层层流分离为旋涡，旋涡属于层流的一种，卡门涡街属于旋涡的一种，以卡门涡街为例，利用卡门涡街包括设置垂轴叶轮的大圆直径致其叶片只扫过迎风柱背风向边线内侧的旋涡，由绕流层旋涡单一驱动（如附图17）；第二种绕流层外流是指绕流层层流分离为湍流而无法驱动垂轴叶轮叶片，湍流又称紊流、乱流，湍流没有流速梯度和统一方向，但可设置垂轴叶轮的大圆直径致其叶片扫过迎风柱背风向边线外侧的绕流层外流，由绕流层外流承担的单一驱动（如附图18）。第三种利用绕流层旋涡和外流共同驱动是指设置垂轴叶轮的大圆直径致其叶片既扫过迎风柱背风向边线外侧而触及绕流层外流又同时扫过背风向边线内侧，而且适逢绕流层层流分离为旋涡，垂轴叶轮受绕流层外流和边线内侧的旋涡共同驱动，共同驱动其中也包括绕流层外流和卡门涡街的共同驱动。第一种情况绕流层旋涡驱动受力分析：垂轴叶轮叶片平行于迎风柱迎风面的两侧受到旋涡中两个方向相反的力(F1、-F2)的共同作用而旋转，其旋向上所受合力大小为两力之和（F合=F1-（-F2）=F1+F2）；第二种情况绕流层外流驱动受力分析：垂轴叶轮叶片平行于迎风柱迎风面的外侧受到绕流层外流的一个来流力F1，内侧因湍流无受力，故其所受合力大小为F1，对于同一个垂轴叶轮迎风面积相同的前提下很显然前述两种情况中的第一种受力更多，因此转速更高、效率更高；第三种情况绕流层旋涡和外流共同驱动受力分析：应当按垂轴叶轮实际承受两种流的迎风面积加权平均计算，但绕流层旋涡速度高于外流速度，导致绕流层旋涡效率被外流拉低，故其效率应当低于第一种情况，介于前两种情况之间，具体看两流速度和两流分摊的迎风面积权重。相比于用阻力差驱动的垂轴叶轮而言，在无迎风柱的情况下，其轴两侧叶片同向迎风，两力同向大小相等（F1=F2）的情况下垂轴叶轮静止（F合=F1-F2=0)，两力同向大小不等（F1＞F2）的情况下垂轴叶轮向受力大的一侧旋转（F合=F1-F2＞0，F合+F2=F1)，当外流相同的情况下与第二种情况绕流层外流驱动相比，阻力差受力小于绕流层外流受力（F合＜F1），故阻力差驱动的效率低于绕流层外流驱动。综合上述包括阻力差驱动在内的四种情况，阻力差驱动的效率最低。以上情况不考虑叶片形状造成的能量损失。
垂轴叶轮的平均直径是指垂轴叶轮圆周阵列叶片的共外圆的平均直径。对于匀径垂轴叶轮，即上下水平截面直径均匀相等的垂轴叶轮，单侧或一个垂轴发电单元的垂轴叶轮的平均直径一般应小于迎风柱的迎风面宽度，其中圆柱迎风柱的迎风面宽度是其水平投影圆的直径；双侧或两个垂轴发电单元平行的，两个垂轴叶轮平均直径之和应小于迎风柱的迎风面宽度1.45倍。对于非匀径垂轴叶轮则可取上下多个等截距水平截面直径的平均值为其平均直径。
支架承载垂轴叶轮和发电机且定位垂轴叶轮的垂轴于迎风柱的背风向中线和背风向边线之间并垂轴叶轮的大圆靠近迎风柱供垂轴叶轮水平旋转，垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过迎风柱的背风向变速分离线至背风向边线之间的区域是指沿迎风柱背风向中线贴近迎风柱的区域的流速低压强高，所以垂轴叶轮的大圆应尽量靠近迎风柱可获得较多的回旋涡流动能；垂轴叶轮的大圆是指垂轴叶轮圆周阵列叶片的共外圆水平投影中直径最大的一个，此大圆与叶片水平最远端扫过的迹线重合；垂轴叶轮大圆叶片至少扫过变速分离线之外至背风向边线之内才可承受到绕流层层流即旋涡的驱动包含卡门涡街驱动，垂轴叶轮大圆的直径范围至多可承受到包括绕流层旋涡的驱动、绕流层外流的驱动、绕流层旋涡与绕流层外流的共同驱动；垂轴叶轮的垂轴定位于迎风柱的背风向中线和背风向边线之间，可以使垂轴叶轮整体在迎风柱背方向一边以保证垂轴叶轮靠边线一侧迎到绕流层分离流及外流，而靠中线一侧可避免受到对侧绕流层分离流及外流的影响，绕流层分离流包括旋涡、湍流，一方面便于维持叶轮旋转的连续性，另一方面又可减少来流的风向及流速不稳定时导致摆动、反转等不利情况的发生。垂轴叶轮的大圆靠近迎风柱至少应预留热膨胀的间隙，即在风场极端热的天气里热膨胀后的垂轴叶轮的大圆和迎风柱也不能相交或相切性接触。双侧或两个垂轴发电单元平行的本发明装置，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮之间留有间隙，以及它们分别与迎风柱之间留有间隙，所谓间隙非指叶片之间的间隙，应避免两个垂轴叶轮叶片交叉旋转即垂轴叶轮大圆不能相交或相切性的接触以防止碰撞损坏，至少垂轴叶轮大圆之间留有热膨胀的间隙，即使在极热的夏季阳光炙烤而热膨胀后的两个平行垂轴叶轮的大圆不能相交或相切，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元应分别与迎风柱之间至少应预留热膨胀的间隙。迎风柱与对称双垂轴叶轮的水平投影防止交叉边界的相切关系示意图详见附图19。
双侧或两个垂轴发电单元平行的本发明装置，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元组成相同的以背风向中线对称；平行垂轴发电单元和垂轴发电单元组成相似的分列背风向中线两边，其中两个组成相同的垂轴发电单元中线轴对称方式同时平均分配了迎风面受力和重力受力的两种平衡关系，而另外两个组成相似的垂轴发电单元因尺度差异、质量或重量差异而需要配置迎风角度、与柱距离、重心位置、配重、与中线距离等来获得迎风面受力和重力受力的平衡。
理想状态下，风绕流水平投影线为圆的迎风柱，迎风柱正对风，风速用V表示，因相对于天气风体而言迎风柱和垂轴叶轮很渺小而可视为附近所经过的外流为匀速直线运动，迎风柱水平投影圆的迎风起点（33）的风速即外流风速为V匀，绕流层自迎风起点为层流其于此点的即时速度与外流相等，外流垂直于迎风柱正对风的横截面且平行于过迎风起点的直径，绕流层自迎风起点0角转过π/2角的迎风柱侧边点（34）的即时风速为V34，外流匀速到达迎风柱圆心（24）与π/2角侧边点的连线延长线上的风速是V匀，V匀的行程是迎风柱半径（22）长度R其平均速度V匀其经过时间为R/V匀；迎风起点至迎风柱π/2角侧边点的行程是（π/2）R其平均速度（V34+V匀）/2其经过时间为R（π/2）/（（V34+V匀）/2），由经过时间相等而得R/V匀=R（π/2）/（（V34+V匀）/2），故（（V34+V匀）/2）比V匀得π/2约等于1.57，再由（（V34+V匀）/2）=1.57V匀 得V34=2.14V匀，因此绕流层层流经过迎风柱π/2角侧边点的即时速度是外流速度的2.14倍；绕流层由π/2角转过至π角的迎风柱区间存在变速点（20），变速点对应的变速角（21）用θ表示，迎风起点至变速点的行程是R（π/2+θ），变速点的即时风速V20、平均速度（V20+V匀）/2其经过时间为R（π/2+θ）/（（V20+V匀）/2），平行外流自迎风起点的正对风横截面到达变速点的正对风横截面的行程是R(1+sin(θ)) 其即时速度V匀、平均速度亦是V匀其经过时间为R(1+sin(θ))/V匀，由到达所用时间相等得R(1+sin(θ))/ V匀= R（π/2+θ）/(（V20+ V匀）/2) ，故（V20+ V匀）/2比V匀得（π/2+θ）/(1+sin(θ))，函数（π/2+θ）/(1+sin(θ))在θ变量的0—π/2区间是U形平滑曲线，计算过程保留四位小数，θ=0.7603约合43.56°时有函数最小值约1.3800，故知背风向绕流层由π/2角转过至π角区间存在速度最低点即变速点θ=0.7603，因变速点（（V20+ V匀）/2）/V匀=1.38故V20=1.76V匀即绕流层变速点的即时速度是外流速度的1.76倍，变速点即时速度低于迎风柱π/2角侧边点即时速度，可知绕流层层流在变速点前作减速运动、速度减小压强增大，变速点为速度最小值压强最大值，过变速点后作加速运动、速度增大压强减小，绕流层上游层流由背风向唯一变速点分离成旋涡或湍流，以变速点为起点沿外流流向引平行于外流的直线即背方向变速分离线（19）。根据伯努利定律P+（ρV2）/2+ρgh=C, 因迎风起点、迎风柱π/2角侧边点、迎风柱背风向变速点属于等高流动则P33+（ρV匀 2）/2=P34+（ρV34 2）/2=P20+（ρV20 2）/2，因变速点即时速度V20=1.76V匀、迎风柱π/2角侧边点即时速度V34=2.14V匀，则变速点即时速度小于迎风柱π/2角侧边点即时速度；空气密度1.29kg/m³、迎风起点P33为标准大气压强101325Pa，依P34+（ρV34 2）/2=P20+（ρV20 2）/2代入即时速度V匀可得P20-P34=0.96V匀 2＞0则变速点压强P20高于迎风柱π/2角侧边点压强P34，再依P33+（ρV匀 2）/2=P20+（ρV20 2）/2代入即时速度V20=1.76V匀可得P33-P20 =1.35V匀 2＞0则变速点压强P20低于迎风柱迎风起点的压强P33。例如设迎风起点风速V匀=13m/s则变速点压强P20= P33- 1.35V匀 2=101325-1.35×132=101097Pa、变速点即时风速V20=1.76V匀=22.88m/s，变速点分离至到达垂轴叶轮风流速为匀速，设垂轴叶轮半径r=0.5m则其每分钟转速为60×V20/（2πr）=60×22.88/（2π×0.5）=437转/分钟。
本发明实施时，应当对本发明装置所适用的风场的雷诺数、整体及大部件的固有频率、抗风荷载进行测算，并设计规避方案以防范风险。支架制成可伸缩至迎风柱中空腔内的结构，在极端恶劣天气期间可将垂轴发电单元隐蔽至迎风柱内保护起来。同样，大型垂轴发电单元隐蔽进迎风柱内更便于进行维修保养；若遇长期停机或季节性停机其隐蔽保存可减少强风、暴雨、沙尘、紫外线等侵蚀。例2：垂轴发电单元的隐蔽，详见附图6-11，图中由伸缩支架将两个平行垂轴发电单元移动到迎风柱中空腔内（107），再由弧形门伺服电机（161）关闭弧形门（151）、弧形门伺服电机（162）关闭弧形门（152），既实现隐蔽又充分利用了迎风柱的内部空间，如果是可进人的大型迎风柱可以在其中空腔内拓展维修工作空间。
导流罩包括弧面形导流罩（701）、球面形导流罩（702），导流罩置于迎风柱的上方或下方其开口背风。导流罩外表面迎风，其外表面绕流层分离脱落时对其内部空间产生吸汲作用，导流罩内部压强降低。导流罩主要设置于采用背风曲线凹弧或双凹弧的迎风柱上方或下方，其作用在于降低垂轴叶轮上方或下方的气压，有利于来流旋转并引导其从垂轴叶轮的上方或下方快速排出，从而提高垂轴叶轮的旋转效率。例3：采用导流罩及双凹弧背风曲线的单层装置，详见附图12-16，绕流层层流经过图中迎风柱π/2侧边点后直接切向驱动叶片，一部分气流随叶片旋转进入双凹弧形的凹槽中，因导流罩内气压低在凹槽中沿垂轴向上或向下继续旋转至导流罩后随导流罩外流排出，另一部分气流随绕流层外流沿原方向排出。
调向器包括垂直尾舵式调向器（8）、风向标传感器(802)与伺服电机组件（803）配套的调向器，所述调向器带动或驱动所述转动迎风柱或所述转动支架对正风向保持迎风姿态。因风向改变导致迎风柱两侧来流不稳定，继而迎风柱背风向两侧旋涡不连续不规则，垂轴叶轮受到影响而转速失稳，待迎风柱对正风向即可恢复稳定。伺服电机组件包括伺服电机、轴头、齿轮。垂直尾舵式调向器包括单垂直尾翼、双垂直尾翼。
光伏板设置于平面或曲率小的曲面上，其设置位置包括迎风柱表面、垂轴叶轮的叶片表面，光伏板吸收太阳能发电与风力发电互补。
多层装置包括多个单层装置叠加，多个单层叠加呈现形状包括柱形、塔形、梯形。多层装置对风包括每个单层装置独立对风、多层装置整体对风。多层装置的发电机包括并联、串联。
本发明具有如下的有益效果：
一.风叶轮直径小而线速度小、噪音小；
二.力矩小、抗强风性好、启动方便；
三.叶片对风正、叶片迎风面积大受力效率高；
四.风光互补，综合效益好；
五.多层装置主体的占地面积小，在风电场内部可以实现机组的密集排布。
附图说明
本发明附图仅仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是本发明中绕涡垂轴风力发电装置的一个具体实施方式：采用固定迎风柱和转动支架的单层装置正视图。
图2是图1中包括的绕涡垂轴风力发电装置的多层装置侧视图。
图3是图1中包括的绕涡垂轴风力发电装置的俯视图，单层装置和多层装置俯视图相同。
图4是图1中A-A的竖向剖视图。
图5是图1中B-B的横向剖视图。
图6是本发明中绕涡垂轴风力发电装置的一个具体实施方式：采用转动迎风柱和轴转动伸缩支架的单层装置正视图。
图7是图6中包括的绕涡垂轴风力发电装置的单层装置侧视图。
图8是图6中包括的绕涡垂轴风力发电装置的单层装置俯视图。
图9是图6中C-C的竖向剖视图。
图10是图7中D-D的竖向剖视图。
图11是图7中E-E的横向剖视图。
图12是本发明中绕涡垂轴风力发电装置的一个具体实施方式：采用导流罩及双凹弧背风曲线的单层装置正视图。
图13是图12中包括的绕涡垂轴风力发电装置的单层装置侧视图。
图14是图12中包括的绕涡垂轴风力发电装置的单层装置俯视图。
图15是图12中F-F的横向剖视图。
图16是图12中H-H的竖向剖视图。
图17是本发明中绕涡垂轴风力发电装置中迎风柱与对称双垂轴叶轮的卡门涡街流场示意图，图中绕流层层流分离成旋涡—卡门涡街，垂轴叶轮扫过背风向边线内侧，被旋涡驱动旋转。
图18是本发明中绕涡垂轴风力发电装置中迎风柱与对称双垂轴叶轮的湍流流场示意图，图中绕流层层流分离成湍流，垂轴叶轮扫过背风向边线外侧，被外流驱动旋转。
图19是本发明中绕涡垂轴风力发电装置中迎风柱与对称双垂轴叶轮的水平投影防止交叉边界的相切关系示意图。图中变速角θ（21）是绕流层沿迎风柱转过π/2至π区间中变速点（20）的夹角，自迎风起点该角的弧度为π/2+θ，平行外流自迎风起点的正对风横截面到达变速点的正对风横截面的行程L外等于迎风起点的迎风柱半径（22）R加上变速角正弦值与迎风柱半径的乘积R·sin（θ）即L外=R（1+sin（θ）），自迎风起点到达变速点的绕流层层流行程L20是其转过弧度与迎风柱半径的乘积R（π/2+θ）即L20=R（π/2+θ），自迎风起点的正对风横截面到达变速点的正对风横截面的外流和层流路线不同但时间相同，故有层流与外流的行程速度比L20/ V20=L外/ V匀，即R（π/2+θ）/ V20= R（1+sin（θ））/ V匀，简化可得V20/ V匀=（π/2+θ）/（1+sin（θ）），函数（π/2+θ）/（1+sin（θ））于变量θ的0至π/2区间有最小值1.38，最小值对应θ=0.7603，则变速点至背风向中线的距离R·cos（0.7603）=0.7246R（202）、变速点至迎风柱π/2角半径所在直线的距离R·sin（0.7603）=0.6891R（23）；横线阴影区域（26）的圆心在背风向中线与背风向边线之间的中线（28）上，横线阴影区域的外圆与迎风柱水平投影圆和背风向中线均相切，横线阴影区域外圆半径等于0.5R；斜线阴影区域（25）的圆心在变速分离线上，斜线阴影区域的外圆与迎风柱水平投影圆和背风向中线相切，斜线阴影区域外圆半径等于0.7246R；合并斜线阴影区域和横线阴影区域后的区域边线（29）内与对侧阴影区域以背风向中线互为镜像，其中垂轴叶轮（2）的垂轴在竖线阴影区域内定位，垂轴叶轮的大圆半径介于0.5R和0.7246R之间，表示垂轴叶轮大圆直径范围既要规避相切关系防止交叉又实现叶片扫过迎风柱的背风向变速分离线至背风向边线之间的区域乃至扫过背风向边线之外。本相切关系示意图仅做计算参考，实体之间应当留有充足的间隙，可使垂轴叶轮的尺寸适当缩小从而与迎风柱壁面和背风向中线留有更多间隙，或者使垂轴叶轮适当向外兼或向后安装。
附图中：
1．迎风柱；101．迎风柱的水平投影线；102．转动迎风柱； 103．迎风曲线—半圆；104．背风曲线；105．单层装置转动迎风柱轴；106．多层装置固定迎风柱；107．迎风柱中空腔；108．单层装置转动迎风柱轴套；2．垂轴叶轮；201．垂轴叶轮的垂轴；202．变速点至背风向中线的距离R×cos（θ）=0.7246R；203．垂轴叶轮的叶片；204．垂轴叶轮叶片的水平截面线；205．垂轴叶轮的叶片支架；3．发电机；4．支架；401．合体转动支架；402．轴转动伸缩支架滑槽底座；403．限位支架；404．合体支架；405． 伸缩支架伺服电机；406．限位支架限位槽；407．限位支架伺服电机；408．限位支架转轴；409．伸缩支架伸缩滑杆台；410．伸缩支架支柱；411．伸缩支架加强支柱；5．背风向中线；6．背风向边线；701．弧面形导流罩；702．球面形导流罩；801．垂直尾舵式调向器；802．风向传感器；803．调向器伺服电机组件；804．调向器齿盘；805．调向器环形滑轨；9．光伏板；10．风向；11．流线方向；12．流线；13．等压线；14．湍流；151．弧形门开；152．弧形门闭；161．弧形门开侧伺服电机；162．弧形门闭侧伺服电机；17．涡眼；18．涡眼迹线；19．背风向变速分离线；20．变速点；21．变速角θ=0.7603；22．迎风柱半径R；23．变速点至迎风柱π/2角半径所在直线的距离R×sin（θ）=0.6891R；24．迎风柱圆心；25．直径为1.4492R且圆心在变速分离线上与迎风柱投影圆、背风向中线同时相切的垂轴叶轮大圆扣除横线阴影区域和垂轴叶轮可空心区域的斜线阴影区域，简称斜线阴影区域；26．半径为R/2且圆心在背风向中线与背风向边线之间的中线上与迎风柱投影圆、背风向中线同时相切的垂轴叶轮大圆扣除垂轴叶轮可空心区域的环形横线阴影区域，简称横线阴影区域；27．垂轴可定位的竖线阴影区域，简称竖线阴影区域；28．背风向中线与背风向边线之间的中线；29．合并斜线阴影区域和横线阴影区域后的区域边线；30．垂轴叶轮可空心区域圆；31．半径为R/2且在背风向中线与背风向边线之间的中线上与迎风柱投影圆、背风向中线同时相切的垂轴叶轮大圆的圆心，是横线阴影区域的圆心以背风向中线为对称的点；32．半径为0.7246R且在背风向中线与背风向边线之间的中线上与迎风柱投影圆、背风向中线同时相切的垂轴叶轮大圆的圆心，是斜线阴影区域的圆心以背风向中线为对称的点；33．迎风起点；34．迎风柱π/2角的侧边点；35．迎风柱投影圆与横线阴影区域外圆相切的圆心连线。
实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种绕涡垂轴风力发电装置，如附图1-5所示，采用固定迎风柱和转动支架的多层装置，其包括两个单层装置叠加，上下两层钢筒迎风柱（1）焊接成一体固定迎风柱（106）垂直于地面，单层装置高2米，单层间距1米，基座高3米，总高8米，每层套挂轴对称的一个垂轴发电单元和一个平行垂轴发电单元，垂轴发电单元包括合体转动支架（401）、垂轴叶轮、发电机（3），合体转动支架通过轴承、滑轨水平套挂于迎风柱上可以随风转动，每个合体转动支架上设有垂直尾舵式调向器（801）用于各自对正风向，垂轴叶轮包括垂直轴（201）、叶片（203）、叶片支架（205）、光伏板（9），平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的组成相同，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元以迎风柱背风向中线为轴对称，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反，垂直轴和发电机轴由齿轮对接，4台发电机并联。迎风柱直径2R=2米，匀径垂轴叶轮直径2r=1.05米，叶片宽度d=0.25米，叶片高度h=0.85米，每个垂轴叶轮包括8个叶片，每2个叶片夹角β=π/4，致一单叶片于迎风面上则垂轴一侧其它叶片到迎风面的投影宽度D= r -（r-d）×cos（β）=0.525-（0.525-0.25）×cos（π/4）=0.3305米，（r-d）×cos（β）为垂轴叶轮中空段在迎风面上的投影宽度予以扣减，增加中空垂轴叶轮的叶片数量可以减小中空区域的迎风面投影面积，从而增大垂轴叶轮的迎风面积，多叶片迎风面投影宽度大于单叶片宽度D＞d，背风向变速分离线与背风向中线距离b=0.7246R=0.7246米，背风向边线与背风向变速分离线距离B=1-b=（1-0.7246）R=0.2754米，垂轴轴心定位在背风向变速分离线上，垂轴外侧叶片迎风面投影宽度既扫过背风向边线外的宽度D边外=r-B=0.525-0.2754=0.2496米，又扫过背风向边线至变速分离线之间的宽度D边内=D-（r-B）=0.3305-0.2496=0.0809米，D边外+D边内=D,垂轴内侧叶片受到旋涡驱动时其迎风面投影宽度D内=D，每个垂轴叶轮大圆距背风向中线b-r=0.7246-1.05/2=0.1996米，每层两个垂轴叶轮大圆间距2×（b-r）=0.3992米，每个垂轴叶轮大圆距迎风柱壁面0.2米即保持了充足的安全间隙，设空气密度1.29kg/m³、迎风起点压强P起为标准大气压强101325Pa，绕流层外流匀速V匀，迎风起点风速V匀=13m/s属于六级风范围，垂轴叶轮半径r=0.525m，当绕流层层流分离为旋涡时，则变速点压强P变= P起- 1.35V匀 2=101325-1.35×132=101097Pa、变速点即时风速V变=1.76V匀=22.88m/s，变速点分离的旋涡至到达垂轴叶轮的流速为匀速，垂轴叶轮被稳定驱动后线速度大小等于加权平均风速V加权平均旋，垂轴叶轮的迎风面积为迎风面宽度与叶片高度的乘积S=D×h，按旋涡迎风面积S旋与外流迎风面积S外权重均分速度V加权平均旋=（S旋V变+S外V匀）/（S旋+S外）=（（D内+D边内）h V变+ D边外hV匀）/（D内h+D边内h+D边外h）=（（0.3305+0.0809）×0.85×22.88+0.2496×0.85×13）/（（0.3305+0.0809）×0.85 +0.2496×0.85）=19.1492m/s则垂轴叶轮每分钟转速为60×V加权平均旋/（2πr）=60×19.1492/（2π×0.525）=348转/分钟；当绕流层层流分离为湍流时，垂轴叶轮被绕流层外流驱动，变速点分离的湍流即时风速V变=0m/s，垂轴叶轮被稳定驱动后线速度大小等于加权平均风速V加权平均湍，按湍流迎风面积S湍与外流迎风面积S外权重均分速度V加权平均湍=（S湍V变+S外V匀）/（S湍+S外）=（（D内+D边内）h V变+ D边外hV匀）/（D内h+D边内h+D边外h）=（0+0.2496×0.85×13）/（（0.3305+0.0809）×0.85 +0.2496×0.85）=4.9089m/s则垂轴叶轮每分钟转速为60×V加权平均湍/（2πr）=60×4.9089/（2π×0.525）=89转/分钟。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：至少包括单层装置，所述单层装置包括迎风柱（1）和垂轴发电单元，所述迎风柱垂直于地面，所述垂轴发电单元包括垂轴叶轮（2）、发电机（3）、支架（4），所述迎风柱的水平投影线（101）包括圆，所述垂轴叶轮的垂轴（201）与所述迎风柱平行，所述垂轴叶轮的叶片（203）的水平投影线包括直线，所述垂轴叶轮垂轴与所述发电机的轴（301）共直线或平行，所述垂轴叶轮垂轴一端与所述发电机轴一端联接或对接，所述支架固定于所述迎风柱上，所述支架承载所述垂轴叶轮和所述发电机且定位所述垂轴叶轮的垂轴于所述迎风柱的背风向中线（5）和背风向边线（6）之间并所述垂轴叶轮的大圆靠近所述迎风柱供所述垂轴叶轮水平旋转，所述垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过所述迎风柱的背风向变速分离线（19）至所述背风向边线之间的区域；当所述迎风柱迎风时，风绕经所述迎风柱两侧壁面的绕流层层流水平流线上的流程大于直线距离而速度增大，速度增大而压强减小，当风绕过所述迎风柱两侧向所述迎风柱背风向汇集时，两侧所述绕流层增厚而速度减小压强增大，进而包括其中一侧所述层流回旋分离成旋涡，所述旋涡沿所述背风向连续脱落而形成一列涡眼（17），另一侧所述层流亦回旋分离成旋涡且与对侧所述旋涡旋向相反，所述垂轴叶轮受其所在侧的所述旋涡驱动旋转并带动所述发电机旋转发电；进而还包括其中一侧所述绕流层层流回旋分离成湍流，所述湍流沿所述背风向无规则运动，另一侧所述层流亦回旋分离成湍流与对侧所述湍流同作无规则运动，所述垂轴叶轮受其所在侧的所述绕流层的外流驱动旋转并带动所述发电机旋转发电。
2.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述迎风柱还包括转动迎风柱（102），所述转动迎风柱可绕穿过其水平投影几何中心或重心的垂线转动，所述支架固定于所述转动迎风柱背风向的柱壁上。
3.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述迎风柱的水平投影线还包括椭圆、复合曲线，所述迎风柱的水平投影复合曲线包括迎风曲线（103）和背风曲线（104），所述迎风曲线包括半圆、优弧、半椭圆、抛物线，所述背风曲线包括凸弧、双凸弧、凹弧、双凹弧。
4.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述支架还包括转动支架（401），所述转动支架包括柱转动支架、轴转动支架，柱转动支架套挂于迎风柱的柱壁上并可绕迎风柱柱壁转动，轴转动支架套挂于迎风柱的转动轴上并可绕迎风柱的转动轴转动。
5.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述支架还包括伸缩支架，所述伸缩支架包括固定伸缩支架、转动伸缩支架，所述伸缩支架由包括用伸缩结构和伸缩动力装置来实现伸缩功能，所述伸缩支架包括可在所述迎风柱外收缩，还包括可伸缩至所述迎风柱的中空腔（107）内。
6.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述单层装置还包括平行垂轴发电单元，所述平行垂轴发电单元的组成与所述垂轴发电单元的组成相同或相似，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元互相平行，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的支架包括单体支架、合体支架（404），所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的组成相同的以所述背风向中线为轴对称，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的组成相似的分列所述背风向中线两边，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆保持安全间隙靠近所述迎风柱，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过所述迎风柱的背风向变速分离线至所述背风向边线之间的区域；当风绕过所述迎风柱两侧向所述迎风柱背风向汇集时，两侧所述绕流层增厚而速度减小压强增大，进而包括两侧所述绕流层层流回旋分离成旋涡，两侧所述旋涡沿所述背风向连续脱落而形成两列涡眼，所述两侧旋涡旋向相反，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的所述旋涡驱动旋转带动各自的所述发电机旋转发电；进而还包括两侧所述层流回旋分离成湍流，所述湍流沿所述背风向无规则运动，所述平行垂轴发电单元和所述垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的所述绕流层的外流驱动旋转带动各自的所述发电机旋转发电。
7.根据权利要求1、6所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述单层装置还包括导流罩，所述导流罩包括弧面形导流罩（701）、球面形导流罩（702），所述导流罩置于所述迎风柱的上方或下方。
8.根据权利要求1、6所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述单层装置还包括调向器，所述调向器包括垂直尾舵式调向器（801）、风向标传感器（802）与伺服电机组件（803）配套的调向器，所述调向器带动或驱动所述转动迎风柱或所述转动支架保持迎风姿态。
9.根据权利要求1、6所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述单层装置还包括光伏板（9），所述光伏板设置位置包括所述迎风柱表面、所述垂轴叶轮的叶片表面，所述光伏板吸收太阳能发电与风力发电互补。
10.根据权利要求1、6所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：多层装置包括多个所述单层装置叠加，所述多个单层装置叠加呈现形状包括柱形、塔形、梯形。
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