CN117345535A - 一种垂直轴小型风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直轴小型风力发电机，旨在提供一种对风速要求低，能够在低风速区域应用，并有效提高发电效能的垂直轴小型风力发电机。它包括：中心壳体，中心壳体内具有用于容纳风力发电机的叶轮的中心腔体；聚风罩，聚风罩包括聚风罩进风口与聚风罩出口，聚风罩的截面积由聚风罩进风口往聚风罩出口方向逐渐减小，聚风罩出口与中心腔体相连通；出口风洞，出口风洞与聚风罩位于中心壳体的两侧，出口风洞包括风洞进口与风洞出口，出口风洞的截面积由风洞进口往风洞出口方向逐渐增大，风洞进口与中心腔体相连通。

Description

一种垂直轴小型风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，具体涉及一种垂直轴小型风力发电机。

背景技术

在当前的风力发电领域，水平轴风力发电机仍然是主流的应用方案，而垂直轴风力发电机虽然有着方便安装维修、不需偏航对风、噪音小等优点，但因效能不佳等问题，难以得到大规模、商业化的应用。水平轴风力发电机由于其固有的对风、噪声及对风速要求高等特点，要么用于优质风电场，要么用于边远地区，如高山、沙漠、海岛等等；而这些应用场合都远离城市中心区域，在能源日趋短缺，电力需求却日益增加的今日，传统的水平轴风力发电机已越来越难以满足人们的需求。而现有的垂直轴风力发电技术还有很大的改进和发展空间。如果能有效提升其发电效能，则小型垂直轴风力发电机的实用性将得到极大的提升。

有鉴于此，一种对风速要求小，噪音小，且能够靠近城市甚至直接利用城市内空置土地以大大降低度电、并网成本的风力发电装置，将拥有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种对风速要求低，能够在低风速区域应用，并有效提高发电效能的垂直轴小型风力发电机。

本发明的技术方案是：

一种垂直轴小型风力发电机，包括：

中心壳体，中心壳体内具有用于容纳风力发电机的叶轮的中心腔体；

聚风罩，聚风罩包括聚风罩进风口与聚风罩出口，聚风罩的截面积由聚风罩进风口往聚风罩出口方向逐渐减小，聚风罩出口与中心腔体相连通；

出口风洞，出口风洞与聚风罩位于中心壳体的两侧，出口风洞包括风洞入口与风洞排出口，出口风洞的截面积由风洞进口往风洞出口方向逐渐增大，风洞进口与中心腔体相连通。本方案的垂直轴小型风力发电机利用聚风罩与出口风洞的聚风效果，能够聚集风能，提高吹到叶轮的风速，从而降低了最低额定使用风速，因而对风速要求低，扩大了使用地区范围，能够在低风速区域推广应用。同时，能够有效提高吹到叶轮的风速，根据功率与风速三次方成正比的关系，这将极大的提高发电机的效能，有效解决了传统垂直轴风力发电机难以得到大规模应用的最大软肋。由于降低了额定使用风速门槛，因而可以有效的延长发电时长。另外，由于本方案的垂直轴小型风力发电机对风速要求低、且垂直轴风力发电机噪音小，因而还可以建设在住宅屋顶、工业园区、城市内空地等地方，相比于传统水平轴风力发电机大大降低了度电并网成本。

作为优选，风洞出口面积大于聚风罩进风口面积，且风洞出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板。在来流遇到前方聚风罩处的高压区而往两边流动时，由于风洞出口面积大于聚风罩进风口面积，且风洞出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板，如此，可以形成推动气流的气压差，具体的，风洞出口的外沿部分及外沿挡板可以阻挡来风，在外沿挡板后方形成一圈环状的低压无风带，气流会被吸入低压无风带而形成低压涡旋，而这些低压涡旋会对从出口风洞流出的气流产生一定吸力，从而有效平衡发电站前后的气压差，以使得气流更加顺利地进入聚风罩，加速推动叶轮进行发电。

作为优选，聚风罩进风口面积为聚风罩出口面积的6-10倍，风洞出口为风洞进口面积的8-12 倍。如此，可以提高聚风罩与出口风洞的聚风效果，提高吹到叶轮的风速。

作为优选，还包括底座及壳体旋转驱动机构，所述中心壳体、聚风罩与出口风洞连为一体，中心壳体转动设置在底座上，壳体旋转驱动机构用于驱动中心壳体转动。如此，可以通过壳体旋转驱动机构驱动中心壳体转动，使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。

作为优选，底座包括环形轨道，所述中心壳体的底部设有若干支撑滚轮，中心壳体通过支撑滚轮支撑在环形轨道上。如此，一方面，可以保证中心壳体、聚风罩与出口风洞稳定的支撑在环形轨道上，另一方面，使壳体旋转驱动机构能够顺利的驱动中心壳体转动，使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。

作为优选，还包括风向标及控制器，风向标转动设置在中心壳体顶部，风向标在收集到风向信息后，控制器通过壳体旋转驱动机构驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞转动，以使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。如此，保证聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。

作为优选，壳体旋转驱动机构包括设置在中心壳体的底部的行走轮及驱动行走轮转动的旋转电机，所述行走轮支撑在环形轨道上。行走轮一方面可以起到支撑中心壳体的作用，另一方面，可以通过旋转电机驱动行走轮，来实现驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞三者一同转动。

作为优选，还包括风速检测器及卸载门装置，风速检测器用于检测风速，卸载门装置包括设置在聚风罩侧壁上的卸风口、转动设置在聚风罩外壁上用于封遮卸风口的卸风门及用于驱动卸风门转动的卸风门旋转驱动机构，所述卸风口靠近聚风罩出口。当风速检测器检测到风速小于设定值时，卸风门封遮卸风口。当风速检测器检测到风速大于设定值时，卸风门旋转驱动机构驱动卸风门旋转设定角度，使卸风口开启设定角度，使聚风罩内一部分的风通过卸风口排出，如此，在风速过高时可以避免对发电站的整体结构及内部的发电设备造成伤害，同时，通过调整卸风门的开口角度大小，以使聚风罩出口的风速保持在一个设定范围内。

作为优选，聚风罩上由聚风罩出口往中心壳体方向延伸形成平稳连接段，平稳连接段的截面积在气流流动方向保持一致，所述卸风口设置在平稳连接段的侧壁上。如此，有利于通过调整卸风门的开口角度大小，使聚风罩出口的风速保持在一个设定范围内。

作为优选，还包括：

底座，所述中心壳体位于底座上方；

主传动轴，主传动轴呈竖直分布并转动设置在底座上，主传动轴的上部伸入中心腔体内；

叶轮，叶轮位于中心腔体内，其包括若干周向均匀分布在主传动轴上的弧形叶片；

发电机，其设置在底座上并与主传动轴连接。

本发明的有益效果是：

一，本发明的垂直轴小型风力发电机利用聚风罩与出口风洞的聚风效果，能够聚集风能，提高吹到叶轮的风速，降低了最低额定使用风速，因而对风速要求低，扩大了使用地区范围，能够在低风速区域推广应用。

二，能够有效提高吹到叶轮的风速，根据功率与风速三次方成正比的关系，这将极大的提高发电机的效能，有效解决了传统垂直轴风力发电机难以得到大规模应用的最大软肋。

三，由于降低了额定使用风速门槛，因而可以有效的延长发电时长。

四，由于本发明的垂直轴小型风力发电机对风速要求低、且垂直轴风力发电机噪音小，因而还可以建设在住宅屋顶、工业园区、城市内空地等地方，相比于传统水平轴风力发电机大大降低了度电并网成本。

五，具有卸载门装置，在风速过高时可以避免对发电站的整体结构及内部的发电设备造成伤害，同时，通过调整卸风门的开口角度大小，以使聚风罩出口的风速保持在一个设定范围内。

附图说明

图1是本发明的一种垂直轴小型风力发电机的一种结构示意图。

图2是本发明的中心壳体、聚风罩与出口风洞的一种三维结构示意图。

图3是本发明的中心壳体、聚风罩与出口风洞的一种平面图。

图中：

中心壳体1；

聚风罩2，聚风罩进风口2.1，聚风罩出口2.2；

出口风洞3，外沿挡板3.0，风洞进口3.1，风洞出口3.2；

叶轮4；

底座5；

主传动轴6；

转角器7；

发电机8；

环形轨道9；

支撑滚轮10。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

具体实施例一，如图1 、图2、图3所示，一种垂直轴小型风力发电机，中心壳体1、聚风罩2及出口风洞3。中心壳体内具有用于容纳风力发电机的叶轮4的中心腔体。聚风罩2包括聚风罩进风口2.1与聚风罩出口2.2。聚风罩的截面积由聚风罩进风口往聚风罩出口方向逐渐减小，聚风罩出口与中心腔体相连通。本实施例中，聚风罩内外壁均呈漏斗形。出口风洞与聚风罩位于中心壳体的相对两侧。出口风洞3包括风洞进口3.1与风洞出口3.2。出口风洞的截面积由风洞进口往风洞出口方向逐渐增大。风洞进口与中心腔体相连通。本实施例中，出口风洞内外壁均呈漏斗形。

本实施例的垂直轴小型风力发电机利用聚风罩与出口风洞的聚风效果，能够聚集风能，提高吹到叶轮的风速，从而降低了最低额定使用风速，从传统水平轴风力发电机的5.5-7.5m/s 降低至3 m/s 左右即可满负荷发电，因而对风速要求低，扩大了使用地区范围，能够在低风速区域推广应用。同时，能够有效提高吹到叶轮的风速，预计能将3-5 m/s左右的风速增加到15-25 m/s，根据功率与风速三次方成正比的关系，这将极大的提高发电机的效能，有效解决了传统垂直轴风力发电机难以得到大规模应用的最大软肋。由于降低了额定使用风速门槛，因而可以有效的延长发电时长。另外，由于本方案的垂直轴小型风力发电机对风速要求低、且垂直轴风力发电机噪音小，因而还可以建设在住宅屋顶、工业园区、城市内空地等地方，相比于传统水平轴风力发电机大大降低了度电并网成本。

具体的，如图1所示，一种垂直轴小型风力发电机，还包括底座5、主传动轴6、叶轮4、发电机8、转角器7与联轴器。底座机架为钢架结构。中心壳体位于底座上方。主传动轴呈竖直分布并转动设置在底座上。主传动轴的上部伸入中心腔体内。叶轮位于中心腔体内，其包括若干周向均匀分布在主传动轴上的弧形叶片。发电机设置在底座上并与主传动轴连接，具体的，发电机设置在底座，主传动轴与发电机的输入轴通过联轴器相连接。本实施例中，转角器为90度转角器。

中心壳体、聚风罩与出口风洞连为一体。聚风罩主体为一体化结构，亦可由多块构件拼合组装而成。出口风洞为一体化结构，亦可由多块构件拼合组装而成。本实施例中，聚风罩与中心壳体通过焊接连为一体，出口风洞与中心壳体通过焊接连为一体。

进一步的，如图3所示，聚风罩进风口面积为聚风罩出口面积的6-10倍。风洞出口为风洞进口面积的8-12 倍。如此，可以提高聚风罩与出口风洞的聚风效果，提高吹到叶轮的风速。

进一步的，如图2、图3所示，风洞出口面积大于聚风罩进风口面积，且风洞出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板3.0。本实施例中外沿挡板呈竖直分布。在来流遇到前方聚风罩处的高压区而往两边流动时，由于风洞出口面积大于聚风罩进风口面积，且风洞出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板，如此，可以形成推动气流的气压差，具体的，风洞出口的外沿部分及外沿挡板可以阻挡来风，在外沿挡板后方形成一圈环状的低压无风带，气流会被吸入低压无风带而形成低压涡旋，而这些低压涡旋会对从出口风洞流出的气流产生一定吸力，从而有效平衡发电站前后的气压差，以使得气流更加顺利地进入聚风罩，加速推动叶轮进行发电。

进一步的，一种垂直轴小型风力发电机，还包括风速检测器及卸载门装置（图中未示出）。风速检测器用于检测风速，本实施例中，风速检测器设置在中心壳体顶部，并位于中心壳体的上方。卸载门装置包括设置在聚风罩侧壁上的卸风口、转动设置在聚风罩外壁上用于封遮卸风口的卸风门及用于驱动卸风门转动的卸风门旋转驱动机构。本实施例中，卸风门旋转驱动机构为旋转电机。卸风口靠近聚风罩出口。当风速检测器检测到风速小于设定值时，卸风门封遮卸风口。当风速检测器检测到风速大于设定值时，卸风门旋转驱动机构驱动卸风门旋转设定角度，使卸风口开启设定角度，使聚风罩内一部分的风通过卸风口排出，如此，在风速过高时可以避免对发电站的整体结构及内部的发电设备造成伤害，同时，通过调整卸风门的开口角度大小，以使聚风罩出口的风速保持在一个设定范围内。

本实施例中，聚风罩上由聚风罩出口往中心壳体方向延伸形成平稳连接段，平稳连接段的截面积在气流流动方向保持一致，即在平稳连接段内的气流流通方向上，平稳连接段的截面积保持一致。卸风口设置在平稳连接段的侧壁上。如此，有利于通过调整卸风门的开口角度大小，使聚风罩出口的风速保持在一个设定范围内。

具体实施例二，本实施例的其余结构参照具体实施例一，其不同之处在于，

如图1所示，一种垂直轴小型风力发电机，还包括壳体旋转驱动机构、风向标及控制器。底座5包括环形轨道9，环形轨道位于底座的顶部。中心壳体转动设置在底座上，具体的，中心壳体的底部设有若干支撑滚轮10，中心壳体通过支撑滚轮支撑在环形轨道上；中心壳体的顶部设有上轴承座，中心壳体的低部设有下轴承座，主传动轴通过上轴承座和下轴承座与中心壳体转动连接。本实施例中，中心壳体与聚风罩的连接部的下方分布有支撑滚轮，中心壳体与出口风洞的连接部的下方也分布有支撑滚轮。如此，有利于支撑滚轮支撑聚风罩与出口风洞的重量。壳体旋转驱动机构用于驱动中心壳体转动。本实施例中，壳体旋转驱动机构设置在中心壳体的底部，壳体旋转驱动机构包括设置在中心壳体的底部的行走轮及驱动行走轮转动的旋转电机。行走轮支撑在环形轨道上。行走轮一方面可以起到支撑中心壳体的作用，另一方面，可以通过旋转电机驱动行走轮，来实现驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞三者一同转动。

风向标转动设置在中心壳体顶部，并位于中心壳体的上方。风向标用于收集到风向信息。风向标在收集到风向信息后，控制器通过壳体旋转驱动机构驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞转动，以使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。如此，保证聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。

本实施例中，一种垂直轴小型风力发电机，还包括锁定机构（图中未示出）。锁定机构设置在中心壳体的底部，用于将中心壳体锁定在环形轨道上。当壳体旋转驱动机构驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞转动，使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向后，通过锁定机构将中心壳体锁定在环形轨道上，从而锁定聚风罩的方位，保证聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。锁定机构的具体结构为现有技术，其具体结构并非本申请的发明点，故本申请对锁定机构的具体方式和结构等常规技术手段不做赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，包括：

中心壳体，中心壳体内具有用于容纳风力发电机的叶轮的中心腔体；

聚风罩，聚风罩包括聚风罩进风口与聚风罩出口，聚风罩的截面积由聚风罩进风口往聚风罩出口方向逐渐减小，聚风罩出口与中心腔体相连通；

出口风洞，出口风洞与聚风罩位于中心壳体的两侧，出口风洞包括风洞进口与风洞出口，出口风洞的截面积由风洞进口往风洞出口方向逐渐增大，风洞进口与中心腔体相连通。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，所述风洞出口面积大于聚风罩进风口面积，且风洞出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板。

3.根据权利要求1所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，所述聚风罩进风口面积为聚风罩出口面积的6-10倍，风洞出口为风洞进口面积的8-12 倍。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，还包括底座及壳体旋转驱动机构，所述中心壳体、聚风罩与出口风洞连为一体，中心壳体转动设置在底座上，壳体旋转驱动机构用于驱动中心壳体转动。

5.根据权利要求4所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，所述底座包括环形轨道，所述中心壳体的底部设有若干支撑滚轮，中心壳体通过支撑滚轮支撑在环形轨道上。

6.根据权利要求5所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，还包括风向标及控制器，风向标转动设置在中心壳体顶部，风向标在收集到风向信息后，控制器通过壳体旋转驱动机构驱动中心壳体、聚风罩与出口风洞转动，以使聚风罩的聚风罩进风口朝向来风方向。

7.根据权利要求5所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，所述壳体旋转驱动机构包括设置在中心壳体的底部的行走轮及驱动行走轮转动的旋转电机，所述行走轮支撑在环形轨道上。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，还包括风速检测器及卸载门装置，风速检测器用于检测风速，卸载门装置包括设置在聚风罩侧壁上的卸风口、转动设置在聚风罩外壁上用于封遮卸风口的卸风门及用于驱动卸风门转动的卸风门旋转驱动机构，所述卸风口靠近聚风罩出口。

9.根据权利要求8所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，所述聚风罩上由聚风罩出口往中心壳体方向延伸形成平稳连接段，平稳连接段的截面积在气流流动方向保持一致，所述卸风口设置在平稳连接段的侧壁上。

10.根据权利要求1或2或3所述的一种垂直轴小型风力发电机，其特征是，还包括：

底座，所述中心壳体位于底座上方；

主传动轴，主传动轴呈竖直分布并转动设置在底座上，主传动轴的上部伸入中心腔体内；

叶轮，叶轮位于中心腔体内，其包括若干周向均匀分布在主传动轴上的弧形叶片；

发电机，其设置在底座上并与主传动轴连接。