一种高空室内大规模集群式风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种高空室内大规模集群式风力发电装置。

背景技术

风力发电机发电是通过风力对叶片的驱动来带动连接有发电机转子的转动轴旋转来实现，为了得到大功率的单台风力发电机，发电机就必须有足够体量和绕铜线圈匝数的转子，这样势必增加了转子的重量，要驱动如此重量的转子就需要足够大的转动力矩作用在转子的转动轴上，即需要足够大的风力作用在叶片上，因此，为了获得足够大的风力就必须增加叶片的面积和长度。然而本发明的发明人经过研究发现，叶片面积增大，在强风作用下为了不被扭曲破坏就必须增加叶片厚度，从而增加了叶片重量，传递到转动轴上就会增大与轴承、齿轮等机械接触摩擦力(也称摩阻力)，同时叶片面积增大在转动时风的阻力也会增大，不利于发电功效；另一方面，增加叶片的长度，虽然可以增大转矩，但实验证明，叶片长度增加后转动一圈的时间更多，即转速更慢，对发电功效不利。所以，叶片的面积和长度增加是有利有弊，必须根据不同的风场选用不同的风力发电机机型；同时，发电机机型大，成本也大，若机型太小，功率也会很小。

发明内容

针对现有技术通过增加叶片面积和长度来增大发电机发电功率，叶片面积增加会导致增大阻力，而叶片长度增加会使转速更慢，进而对发电功效不利的技术问题，本发明提供一种高空室内大规模集群式风力发电装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种高空室内大规模集群式风力发电装置，包括高层的钢筋混凝土框架结构发电厂房大楼，每层发电厂房平面呈长方形，在厂房的长边两侧各有一排一一对应的框架柱，每层发电厂房设有连接框架柱的纵向边梁和横梁，钢筋混凝土楼板与纵向边梁、横梁及横梁上的次梁一起浇筑，每层发电厂房纵向边梁底部的框架柱内侧浇筑有钢筋混凝土牛腿，所述牛腿上安装有纵向行车梁和钢轨，两边的钢轨上滑动设置有可纵向行走的行车吊，行车吊钢梁上的吊车可横向行走、上下起吊，所述发电厂房大楼的顶层房顶现浇钢筋混凝土防水屋面，每层楼面的周边设有安全围栏，每层发电厂房内部并排安装有多台竖轴式风力发电机，所述竖轴式风力发电机的外围设有垂直固定于楼板表面的多个轨道支柱，所述多个轨道支柱呈圆环形布置，圆环形轨道支柱的上部固定设置有上圆环形轨道槽，圆环形轨道支柱的下部固定设置有下圆环形轨道槽，所述上圆环形轨道槽和下圆环形轨道槽内滑动连接有圆弧形挡风板，所述圆弧形挡风板上安装有电动机引擎，所述竖轴式风力发电机的叶片顶部、圆弧形挡风板顶部和轨道支柱的顶部与行车吊底部间隔设置，所述发电厂房大楼一端或两端设有发电中央控制室和变电单元室。

进一步，所述发电大楼的两端设有楼梯间，所述楼梯间内分别安装有电梯和步行楼梯。

进一步，所述每层发电厂房的楼板在浇筑时预留有若干上下层的通气孔眼。

进一步，所述每层发电厂房的纵向边梁外侧固定伸出有导风雨棚。

进一步，所述每层发电厂房的纵向边梁向内1～2米的楼板表面设有集水槽。

进一步，所述安全围栏为高度1.2～1.3米的不锈钢栏杆。

进一步，所述竖轴式风力发电机首选陀螺转动竖轴式风力发电机。

进一步，所述圆弧形挡风板为尾部带有导风功能的圆弧形挡风和导风板。

进一步，所述每层发电厂房的楼层高度为3～8米，楼层宽度为9～18米，所述每层发电厂房的内部并排安装有5～10台竖轴式风力发电机，每台风力发电机转动直径为5～12米。

进一步，所述竖轴式风力发电机的叶片顶部和轨道支柱的顶部与行车吊底部间隔不少于0.6～1米，相邻两台竖轴式风力发电机挡风板支柱之间的间隔不少于0.2米。

与现有技术相比，本发明提供的高空室内大规模集群式风力发电装置具有以下优点：

1、发电大楼每层发电厂房内部并排安装有多台竖轴式风力发电机，由此实现了发电机聚群式规模化布置，因而占地面积少，且易于运维管理；

2、发电大楼向高空发展，因而厂房内部的风力发电机能够获得比低空更大的风力能源；

3、采用钢筋混凝土浇筑的框架结构具有很好的稳固性和抗震性，发电厂房大楼的使用年限在100年以上，所以从全周期总寿命来说远优于露天独立式野外风机(只有20年左右)，而风机及挡风板的钢构架使用寿命也可以从20年提高到50年以上，因而其总的经济效益优越；

4、因为集中在室内，有电梯、行车吊等便利的运维手段和环境条件，因而运维更便捷，运维费用自然更少，且能改善运维职工的生产生活条件；

5、由于采取风力发电机聚群化集中模式协同发电，且通过挡风板(带有导风功能)的效用，可将风力发电功效提高2倍以上；

6、与安装在野外的独立式同型号竖轴式风力发电机相比，长期(如50年)的投资收益更高；

7、可以减少集电线路总长度，升降压和输电上网效率也更高；

8、由于单位发电占用场地面积大大减少，对耕地、牧场以及植被的生态保护更好，同时征地、进场道路等的成本费用更低，总投资效益更优厚；

9、由于机组在钢筋混凝土框架构筑物室内大规模集群化，可增强对各种自然灾害的抵抗，避免自然灾害造成的损失。

附图说明

图1是本发明提供的高空室内大规模集群式风力发电装置平面示意图。

图2是图1中I－I方向的剖面示意图。

图3是图1中风力发电大楼的立面布置示意图。

图中，1、框架柱；110、牛腿；2、纵向边梁；3、横梁；4、楼板；41、通气孔眼；5、次梁；6、纵向行车梁；7、钢轨；8、行车吊；81、行车吊钢梁；82、吊车；9、安全围栏；10、竖轴式风力发电机；11、轨道支柱；12、上圆环形轨道槽；13、下圆环形轨道槽；14、圆弧形挡风板；15、中央监控室和变电单元室；16、楼梯间；17、导风雨棚；18、集水槽。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1至图3所示，本发明提供一种高空室内大规模集群式风力发电装置，包括高层的钢筋混凝土框架结构发电厂房大楼，每层发电厂房平面呈长方形，在厂房的长边两侧各有一排一一对应的框架柱1，每层发电厂房设有连接框架柱1的纵向边梁2和横梁3，钢筋混凝土楼板4与纵向边梁2、横梁3及横梁上的次梁5一起浇筑，每层发电厂房纵向边梁2底部的框架柱1内侧浇筑有钢筋混凝土牛腿110，所述牛腿110上安装有纵向行车梁6和钢轨7，两边的钢轨7上滑动设置有可纵向行走的行车吊8，所述行车吊8中行车吊钢梁81上的吊车82可横向行走、上下起吊，所述发电厂房大楼的顶层房顶现浇钢筋混凝土防水屋面，即顶层为全封闭结构，以防止水进入到下面楼层的厂房中，每层楼面的周边设安全围栏9，由此发电大楼为数楼层的高层钢筋混凝土框架结构的构筑物，并且构筑物风机区不设墙体(设置安全围栏)，矩形构筑物厂房的长边垂直于所在地的风场主风向；每层发电厂房内部并排安装有多台竖轴式风力发电机10，即采取将多台风机集群式设置在每层的钢筋混凝土厂房内，并排阵列协同发电，所述竖轴式风力发电机10的外围设有垂直固定于楼板4表面的多个轨道支柱11，所述多个轨道支柱11呈圆环形布置，圆环形轨道支柱11的上部固定设置有上圆环形轨道槽12，圆环形轨道支柱11的下部固定设置有下圆环形轨道槽13，所述上圆环形轨道槽12和下圆环形轨道槽13内滑动连接有圆弧形挡风板14，所述圆弧形挡风板14上安装有电动机引擎，所述竖轴式风力发电机10的叶片顶部、圆弧形挡风板14顶部和轨道支柱11的顶部与行车吊8底部间隔设置，以避免风机叶片和轨道支柱11的顶部与行车吊8底部发生接触损坏，而圆弧形挡风板与电动机的具体连接设计可参考公开号为CN211692709U中的相关技术来实现，由此当电动机带动所述圆弧形挡风板14时可沿着上下圆环形轨道槽做圆周运行，所述发电厂房大楼一端或两端设有中央监控室和变电单元室15，以便实时对每台发电机的运行状况进行监控和集电变频变流，同时监控人员也可以从中央监控室和变电单元室15通过爬梯进入行车吊操作箱(图中未示)内，驾驶行车吊运行至目标机组位置，从操作箱内出来，通过框架柱1上的爬梯下来进行检修，具体所述中央监控室和变电单元室内的设备布置为本领域技术人员熟知的现有技术，因而在此不再赘述。

作为具体实施例，请参考图1和图3所示，所述发电大楼的两端设有楼梯间16，所述楼梯间16内分别安装有电梯和步行楼梯，由此便于运维人员达到每层发电厂房进行运维管理。当然，还可在发电大楼的底楼设置厨房、餐厅、库房、机修房、会议室、办公室、生活宿舍、卫生间等，从而满足运维职工的生活工作需要。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述每层发电厂房的楼板4在浇筑时预留有若干上下层的通气孔眼41，以此利于将因上下楼板对风机旋转产生上窜和下窜气流的不利影响相互抵消或减少到忽略不计；作为一种实施方式，所述通气孔眼41的直径为10厘米，间距为1米。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述每层发电厂房的纵向边梁2外侧向外固定伸出有导风雨棚17，由此既可遮挡飘雨，又可疏导风的流进和流出。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述每层发电厂房的纵向边梁2向内1～2米的楼板表面设有集水槽18，由此可用于将部分飘入厂房内的雨水进行有序收集和排出，避免飘入雨水对厂房机组影响。

作为具体实施例，所述安全围栏9为高度1.2～1.3米的不锈钢栏杆，由此可以对发电厂房内的运维职工给予安全防护，避免意外发生。

作为具体实施例，由于选用的陀螺转动竖轴式风力发电机具有性价比高，单台风力发电机的发电额定功率为10～50KW，因而本实施优先选用陀螺转动竖轴式风力发电机作为所述竖轴式风力发电机10使用，并且由于选用的是竖轴式风力发电机，因此其他次风向的风通过挡风板的圆周运行也能高效发电。本申请不选用长叶片的水平轴风力发电机。

作为具体实施例，请参考图1所示，所述圆弧形挡风板14为尾部带有导风功能的圆弧形挡风和导风板，通过导风可将风引导至前一个风力发电机未被圆弧形挡风板14遮挡的叶片上，由此增加了单台风力发电机的发电功率。

作为具体实施例，所述每层发电厂房的楼层高度为3～8米，楼层宽度为9～18米，所述每层发电厂房的内部并排安装有5～10台竖轴式风力发电机8，每台风力发电机转动直径为5～12米，由此可以组成具有较高发电功效的室内大规模集群式风力发电装置。

作为具体实施例，所述竖轴式风力发电机10的叶片顶部、圆弧形挡风板14顶部和轨道支柱11的顶部与行车吊8底部间隔不少于0.6～1米，由此可以确保吊运风力发电机的安全性；相邻两台竖轴式风力发电机10挡风板支柱之间的间隔不少于0.2米的水平安全距离。

与安装在野外的独立式同型号竖轴式风力发电机相比，计算分析按一幢100米高、120米长、12米宽的厂房建筑工程费用(不包括安装费)约为500～800万元，按总共设有105台(每层7台，共15层)机组，地基基础工程费用约为100～160万元，平均每台机组的地基基础摊消工程费为0.95～1.52万元；与一台20KW～50KW野外独立的竖轴式风力发电机土建工程费用(不包括安装费)相当，因此，厂房大楼的土建工程费扣除地基基础的费用平摊到每台机组，即为采用本方案每台机组增加的土建工程费用，平均约4.64万元。另外，一台100米高的电梯成本约50万元，一台行车吊约10万元，一台圆弧形挡风板及钢构架约4万元，合计每台机组增加成本(50+7*10)/105+4+4.64＝9.78万元。按一台35KW风机(15万元/每台)的年发电时间为210天，每天15小时，则一年发电量为0.8*35*210*15＝88200KW.H，约3.1万元(以每度电上网价0.35元计)，但是，按机组的使用年限20年计发电，采用本方案后机组的使用年限提高到50年(2.5倍)，搞高功效2倍且不计，50年105台的总发电收益为50*105*3.1-105*9.78＝15248.1万元，50年105台野外独立式机组的总收益为105*3.1*50-105*15*(2.5-1)＝13912.5万元，两者差为1335.6万元，即本方法50年可增加一千三百多万元的收益，还不包括减少的征地费，增加的进场道路费，每台机组的集电线路成本的减少以及各种运维费的减少等效益。

所以与现有技术相比，本发明提供的高空室内大规模集群式风力发电装置具有良好的经济效益、社会效益和生态效益，可改善风电清洁能源发展的未来前景。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。