一种聚风式垂直轴风力发电设备

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，具体涉及一种聚风式垂直轴风力发电设备。

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。

此外，目前市场上出现的垂直轴发电机多为小型机组，常见于高层建筑、通信基站、高速公路、城市公共照明等离网小型应用场景，很少有超过10 千瓦的，这也是由于其自身结构问题所限制，不管是阻力型（如Savonius型)还是升力型（如Darrieus 型）垂直发电机，若要将其大型化，会使中间的主轴变长，而竖直的叶片旋转时会产生较大的离心力，使得连接这些叶片的主轴承受所有负荷，导致其抗风能力变差。因此，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，且能够靠近城市以大大降低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聚风式垂直轴风力发电设备。

本发明的技术方案是：

一种聚风式垂直轴风力发电设备，包括：

底座；

中心塔楼，其包括塔楼骨架及套设置塔楼骨架外的外环筒体，中心塔楼通过塔楼骨架固定在底座上；

中心传动轴，中心传动轴插设在外环筒体内；

叶轮，叶轮位于外环筒体内并固定在中心传动轴上；

增速风洞，增速风洞包括增速风洞进口与增速风洞出口，增速风洞出口与外环筒体的内腔连通，增速风洞的截面积由增速风洞出口往增速风洞进口方向逐渐增大；

出口风洞，增速风洞与出口风洞位于外环筒体的两侧，出口风洞包括风洞入口与风洞排出口，风洞入口与外环筒体的内腔连通，出口风洞的截面积由风洞入口往风洞排出口方向逐渐增大。

本方案的聚风式垂直轴风力发电设备利用增速风洞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。另外，由于聚风式垂直轴风力发电设备对风速要求低、且垂直轴风力发电机本身具有噪音小的特点，因而可以建设在城市郊区、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并网成本。

作为优选，叶轮包括：

弧形叶片, 弧形叶片的轴线与中心传动轴相平行；

轮辐，轮辐固定设置在中心传动轴上，轮辐的末端与弧形叶片铰接相连；

调节组件，调节组件包括调节螺杆、固定在中心传动轴上的调节臂及与弧形叶片铰接相连的铰接座，调节螺杆转动设置在调节臂与铰接座中的一个上，调节臂与铰接座中的另一个与调节螺杆通过螺纹连接。由于聚风式垂直轴风力发电设备的弧形叶片很大，制作时难以保证弧形叶片角度与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，加工制作难度大；为此，本方案通过调节组件来调节弧形叶片的角度，使其与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，如此，一方面可以保证弧形叶片的角度与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，另一方面可以降低加工制作难度大。

作为优选，弧形叶片的横截面呈月牙形，其包括朝向中心传动轴的弧形内壁与背向中心传动轴的弧形外壁。如此，可以降低气流流经弧形叶片收到的流阻。

作为优选，中心塔楼还包括至少两层自下而上依次分布在塔楼骨架上的楼板，楼板位于外环筒体内，任意相邻分布的两层楼板之间形成叶轮容置层，每层叶轮容置层均布置有所述的叶轮，所述增速风洞出口内设有若干自下而上依次分布的隔板，将增速风洞出口自下而上依次分隔成若干个出风口，出风口与叶轮容置层一一对应，且出风口与对应的叶轮容置层相连通。如此，一方面可以通过设置多个叶轮，来提高发电机的效能；另一方面，可以通过层楼板来隔开各叶轮，避免叶轮旋转过程中相互影响，而降低发电机的效能。

作为优选，还包括旋转驱动装置，旋转驱动装置包括：

若干支撑滚轮，外环筒体、增速风洞与出口风洞通过支撑滚轮支撑在环轨上，以使增速风洞与出口风洞能够绕中心塔楼转动；

旋转驱动执行机构，旋转驱动执行机构驱动增速风洞与出口风洞绕中心塔楼转动。如此，可以通过旋转驱动执行机构驱动增速风洞与出口风洞绕中心塔楼转动，使增速风洞的增速风洞进口朝向来风方向。

作为优选，还包括风向标及控制器，风向标设置在中心塔楼的顶部，风向标在收集到风向信息后，控制器通过旋转驱动装置驱动增速风洞与出口风洞绕中心塔楼转动，以使增速风洞进口朝向来风方向。如此，保证增速风洞的增速风洞进口朝向来风方向。

作为优选，旋转驱动执行机构包括行走轮及驱动行走轮旋转的行走电机，行走轮支撑在环轨上。

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：

卸风口，卸风口设置在增速风洞侧壁上并靠近增速风洞出口；

卸风门，卸风门转动设置在增速风洞外壁上用于封遮卸风口；

卸风门旋转驱动机构，用于驱动卸风门转动。

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，使增速风洞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，以使增速风洞出口的风速保持在一个设定范围内。

作为优选，风洞排出口面积大于增速风洞进口面积，且风洞排出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板。在来流遇到前方增速风洞处的高压区而往两边流动时，由于风洞排出口面积大于增速风洞进口面积，且风洞排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，风洞排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增速风洞，加速推动叶轮进行发电。

作为优选，中心传动轴的下部通过下轴承座与底座或中心塔楼的下部转动连接，中心传动轴上部通过上轴承座与中心塔楼上部转动连接。中心传动轴通过上轴承座与下轴承座与中心塔楼相接，有效提高了中心传动轴的稳定性与负荷能力，从而降低了叶轮带来的巨大离心力所造成的稳定性与牢固性影响。

作为优选，还包括发电机，发电机设置在底座上，中心传动轴与发电机连接。

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增速风洞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，因而可以建设在城市郊区、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并网成本。

五，调节组件来调节弧形叶片的角度，使其与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，一方面可以保证弧形叶片的角度与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，另一方面可以降低加工制作难度大。

六，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，以使增速风洞出口的风速保持在一个设定范围内。

七，有效提高了中心传动轴的稳定性与负荷能力，从而降低了叶轮带来的巨大离心力所造成的稳定性与牢固性影响。

附图说明

图1是本发明的一种聚风式垂直轴风力发电设备的一种结构示意图。

图2是本发明的中心塔楼的塔楼骨架的一种结构示意图。

图3是本发明的一种聚风式垂直轴风力发电设备的外环筒体、增速风洞与出口风洞的一种俯视图。

图4是本发明的一种聚风式垂直轴风力发电设备的外环筒体、增速风洞与出口风洞的一种三维结构示意图。

图5是本发明的一种聚风式垂直轴风力发电设备的增速风洞的一种结构示意图。

图6是本发明的一种聚风式垂直轴风力发电设备的叶轮的一种结构示意图。

图7是图1中A出的局部放大图。

图中：

底座1；

中心塔楼2，外环筒体2.1，塔楼骨架2.2，塔楼立柱2.21，楼板2.22，楼板过孔2.23，塔楼顶架2.24，竖直滚轮2.25；

增速风洞3，增速风洞进口3.1，增速风洞出口3.2，出风口3.21，隔板3.3；

出口风洞4，外沿挡板4.0，风洞入口4.1，风洞排出口4.2；

中心传动轴5；

叶轮6，弧形叶片6.1，轮辐6.2，调节组件6.3，调节臂6.31，铰接座6.32，调节螺杆6.33；

发电机7；

混凝土基座8；

旋转驱动执行机构9，行走轮9.1，行走电机9.2；

支撑滚轮10；

风向标11；

避雷针12。

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，一种聚风式垂直轴风力发电设备，包括底座1、中心塔楼2、中心传动轴5、叶轮6、增速风洞3及出口风洞4。中心塔楼2包括塔楼骨架2.2及套设置塔楼骨架外的外环筒体2.1。中心塔楼通过塔楼骨架固定在底座上。中心传动轴插设在外环筒体内。叶轮6位于外环筒体内并固定在中心传动轴5上。增速风洞3包括增速风洞进口3.1与增速风洞出口3.2，增速风洞出口与外环筒体的内腔连通。增速风洞的截面积由增速风洞出口往增速风洞进口方向逐渐增大。增速风洞与出口风洞位于外环筒体的相对两侧。出口风洞4包括风洞入口4.1与风洞排出口4.2。风洞入口与外环筒体的内腔连通，出口风洞的截面积由风洞入口往风洞排出口方向逐渐增大。

本实施例的垂直轴小型风力发电机利用增速风洞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，由于聚风式垂直轴风力发电设备对风速要求低、且垂直轴风力发电机本身具有噪音小的特点，因而可以建设在城市郊区、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并网成本。

具体的，如图1所示，一种聚风式垂直轴风力发电设备，还包括混凝土基座、转角器、增速机、液压制动器与发电机7。底座固定在混凝土基座8上。转角器、增速机、液压制动器与发电机均设置在底座上，如此，便于安装与维护。本实施例中，底座混凝土结构建筑。中心塔楼的顶部还设有避雷针12。

中心传动轴的下部通过下轴承座与底座或中心塔楼的下部转动连接，本实施例中，中心传动轴的下部通过下轴承座与底座转动连接。中心传动轴上部通过上轴承座与中心塔楼顶部转动连接。上轴承座固定在塔楼骨架的顶部。本实施例中，中心传动轴呈竖直分布。外环筒体也呈竖直分布，外环筒体与中心传动轴同轴分布。中心传动轴通过上轴承座与下轴承座与中心塔楼相接，有效提高了中心传动轴的稳定性与负荷能力，从而降低了叶轮带来的巨大离心力所造成的稳定性与牢固性影响。中心传动轴与发电机连接，具体的，中心传动轴的底部与转角器连接，本实施例中，转角器为90度转角器；转角器通过联轴器与增速机连接，通过增速机进行增速；增速机通过联轴器与发电机连接；液压制动器用于限制进入发电机的动力，卸载多余的动力以维持发电机稳定的功率输出。

外环筒体2.1、增速风洞3与出口风洞4连为一体。增速风洞主体为一体化结构，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，增速风洞内外壁均呈漏斗形，增速风洞进口面积为增速风洞出口面积的10-12 倍。出口风洞内外壁均呈漏斗形，风洞排出口面积为风洞入口面积的10-15 倍。本实施例中，增速风洞与外环筒体通过焊接连为一体，出口风洞与外环筒体通过焊接连为一体。

进一步的，如图2、图5所示，中心塔楼还包括至少两层自下而上依次分布在塔楼骨架上的楼板2.22，本实施例中，中心塔楼还包括四层自下而上依次分布在塔楼骨架上的楼板，楼板呈圆形。塔楼骨架包括若干根沿楼板边缘依次分布的塔楼立柱2.21，楼板与塔楼立柱连为一体。各塔楼立柱的顶部通过塔楼顶架2.24连为一体。楼板位于外环筒体内。楼板的中部设有楼板过孔2.23。中心传动轴穿过各楼板的楼板过孔。任意相邻分布的两层楼板之间的间距为8-10米，任意相邻分布的两层楼板之间形成叶轮容置层。每层叶轮容置层均布置有一个所述的叶轮。增速风洞出口3.2内设有两层自下而上依次分布的隔板3.3，将增速风洞出口自下而上依次分隔成三个出风口3.21，出风口与叶轮容置层一一对应，且出风口与对应的叶轮容置层相连通。风洞入口与各叶轮容置层相连通。如此，一方面可以通过设置多个叶轮，来提高发电机的效能；另一方面，可以通过层楼板来隔开各叶轮，避免叶轮旋转过程中相互影响，而降低发电机的效能。

本实施例的一种实施方式中，叶轮包括若干绕中心传动轴周向均匀分布的弧形叶片，弧形叶片的轴线与中心传动轴相平行, 弧形叶片固定在中心传动轴上。

本实施例的一种实施方式中，如图6所示，叶轮6包括弧形叶片6.1、轮辐6.2及调节组件6.3。弧形叶片的轴线与中心传动轴相平行。轮辐沿中心传动轴的径向延伸。轮辐固定设置在中心传动轴上，轮辐的末端与弧形叶片的中部铰接相连。调节组件包括调节螺杆6.33、固定在中心传动轴上的调节臂6.31及与弧形叶片边缘铰接相连的铰接座6.32。调节螺杆沿中心传动轴的径向延伸分布。调节臂沿中心传动轴的径向延伸分布。调节螺杆转动设置铰接座上，调节臂与调节螺杆通过螺纹连接。通过旋转调节螺杆，来调节弧形叶片的角度。弧形叶片为多片，每片弧形叶片均通过轮辐及调节组件与中心传动轴连接。本实施例中，弧形叶片为两片。由于聚风式垂直轴风力发电设备的弧形叶片很大，制作时难以保证弧形叶片角度与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，加工制作难度大；为此，本方案通过调节组件来调节弧形叶片的角度，使其与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，如此，一方面可以保证弧形叶片的角度与通过增速风洞进入的气流方向相匹配，另一方面可以降低加工制作难度大。

本实施例中，任意相邻分布的叶轮容置层内的叶轮的弧形叶片在中心传动轴的周向上错开分部。中心传动轴为一根整体的中心传动轴；或者中心传动轴包括多段中心轴，相邻两段中心轴通过联轴器连为一体。

进一步的，如图6所示，弧形叶片6.1的横截面呈月牙形，其包括朝向中心传动轴的弧形内壁与背向中心传动轴的弧形外壁。弧形内壁与弧形外壁的轴线均与中心传动轴相平行。弧形内壁与弧形外壁的内径不同。如此，横截面呈月牙形的弧形叶片可以降低气流流经弧形叶片收到的流阻。弧形叶片为一体化结构，亦可由多块构件拼合组装而成。

进一步的，如图3、图4所示，风洞排出口4.2面积大于增速风洞进口3.1面积，且风洞排出口边缘往外延伸形成一圈外沿挡板4.0。本实施例中外沿挡板呈竖直分布。在来流遇到前方增速风洞处的高压区而往两边流动时，由于风洞排出口面积大于增速风洞进口面积，且风洞排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，风洞排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增速风洞，加速推动叶轮进行发电。

进一步的，一种聚风式垂直轴风力发电设备，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，本实施例中，风速检测器设置在中心塔楼顶部。卸载门装置包括卸风口、卸风门及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。卸风口设置在增速风洞侧壁上并靠近增速风洞出口。卸风门转动设置在增速风洞外壁上用于封遮卸风口。卸风门旋转驱动机构用于驱动卸风门转动。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，使增速风洞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，以使增速风洞出口的风速保持在一个设定范围内。

本实施例中，增速风洞上由增速风洞出口往外环筒体方向延伸形成平稳连接段。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，使增速风洞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、图7所示，一种聚风式垂直轴风力发电设备，还包括旋转驱动装置、风向标11及控制器。本实施例中，外环筒体为圆筒体。风向标设置在中心塔楼的顶部，用于收集到风向信息。底座1上设有环轨1.1，环轨位于底座的顶部。旋转驱动装置包括若干支撑滚轮10及旋转驱动执行机构9。外环筒体、增速风洞与出口风洞通过支撑滚轮支撑在环轨上，以使增速风洞与出口风洞能够绕中心塔楼转动。本实施例中，靠近外环筒体的增速风洞的下方分布有支撑滚轮，靠近外环筒体的出口风洞的的下方也分布有支撑滚轮。如此，有利于支撑滚轮支撑增速风洞与出口风洞的重量。支撑滚轮通过滚轮支架安装在外环筒体或增速风洞或出口风洞的底部。

如图2所示，各层楼板2.22中至少有两层楼板的边缘设有若干竖直滚轮2.25，本实施例中，各层楼板边缘均设有若干竖直滚轮，各层楼板边缘的竖直滚轮沿楼板边缘周向依次等距分布。竖直滚轮的轴线与中心传动轴相平行。外环筒体2.1的内壁靠近竖直滚轮或抵接在竖直滚轮上，以保证外环筒体、增速风洞与出口风洞能够绕中心塔楼转动。

如图1、图7所示，旋转驱动装置驱动增速风洞与出口风洞绕中心塔楼转动。旋转驱动执行机构通过支架固定在安装在增速风洞或出口风洞的底部。本实施例中，旋转驱动执行机构9包括行走轮9.1及驱动行走轮旋转的行走电机9.2，行走轮支撑在环轨上。行走轮一方面可以起到支撑外环筒体的作用，另一方面，可以通过驱动电机驱动行走轮，来实现驱动外环筒体、增速风洞与出口风洞三者一同转动。风向标在收集到风向信息后，控制器通过旋转驱动装置驱动增速风洞与出口风洞绕中心塔楼转动，以使增速风洞进口朝向来风方向。如此，保证增速风洞的增速风洞进口朝向来风方向。本实施例中，行走轮为具有自锁功能的行走轮，在旋转驱动装置驱动外环筒体、增速风洞与出口风洞转动，使增速风洞的增速风洞进风口朝向来风方向后，锁定行走轮，从而锁定增速风洞的方位。当然，行走轮也可以为普通行走轮（即不具备自锁功能的行走轮）。

本实施例中，一种聚风式垂直轴风力发电设备还包括锁定机构（图中未示出）。锁定机构设置在外环筒体的底部，用于将外环筒体锁定在环形轨道上。当旋转驱动装置驱动外环筒体、增速风洞与出口风洞转动，使增速风洞的增速风洞进风口朝向来风方向后，通过锁定机构将外环筒体锁定在环形轨道上，从而锁定增速风洞的方位，保证增速风洞的增速风洞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。