螺旋結構風葉的垂直塔軸風力發電系統的製作方法
2023-10-08 17:32:24 1
專利名稱：螺旋結構風葉的垂直塔軸風力發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電裝置，尤其涉及一種具有螺旋結構風葉陣列的垂直軸風力發電系統。
背景技術：
風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，但是由於風能存在能量密度低、不穩定等特點，這使對風能的利用一直存在著一些難題。目前，水平軸三葉式風力發電機是風力發電機的主流模式。該模式下的各種機型的風能利用係數只能達到30%，年平均滿負荷發電小時一般只能達到2200小時左右。作為整體，水平軸三葉式風力發電機一般只有在風速5米以上時才能開始發電； 在風速12米以上時又需要調整槳距瀉去風能；當風速25米時則只能剎車。在以上情況中無疑有大量寶貴風能被無奈地捨棄了。作為局部，功率較大的風力發電機一般都需要通過齒輪箱增速，但是齒輪箱在運行中的漏油和易磨損等傳統問題一直嚴重困擾著風機的正常運行，這裡出現的故障佔系統總故障的30%以上。
發明內容
本發明的目的是針對上述問題，提供了一種以螺旋狀風葉陣列風輪通過增速齒輪副拖動多臺發電機發電為特徵的垂直軸風力發電系統，該機組效率強大，可有效利用3-40 米風速條件下的風能，有效地解決了風力發電中的那些傳統難題。本發明的技術方案是一種具有螺旋結構風葉陣列的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述垂直塔軸風力發電系統的垂直塔軸的塔基內安裝一套與風輪對接的增速齒輪副；該齒輪副由一個中央大齒輪與若干個水平圍繞著它、而且直接固定在發電機主軸上的小齒輪嚙合而成。所述若干臺發電機通過小齒輪被大齒輪拖動，所述若干臺發電機通過通電和斷電實現對大齒輪的加載和卸載；當風弱時，可以卸載部分發電機；風強時可加載發電機，以實現對各級別風能的全面利用。所述垂直塔軸上安裝風輪的風葉盤；所述風葉盤為多層，等距平行設置在垂直塔軸上；所述每層風葉盤等距安裝若干個風葉，各層風葉盤的風葉之間上下連續傾斜連接形成自下而上的螺旋流道；所述各層風葉盤直徑相同或自下而上逐漸加大以響應風切變；各層風葉盤直徑相同的設計適合較小功率發電系統，而自下而上逐漸加大的設計可響應風切變適合較大功率發電系統。所述風輪的最下層風葉盤下部設有支架，該支架端部裝有鋼輪或永磁體，所述鋼輪或永磁體同時行走在垂直塔軸底座的環形導軌或環形永磁體組合上，帶動各層風葉盤整體繞垂直塔軸同時旋轉。大齒輪與若干個小齒輪在一個平面上嚙合；大齒輪帶小齒輪以1 5 1 30的速比增速。所述垂直塔軸為柱形或錐形塔管狀，垂直塔軸外部設有多層塔軸筒。所述每層的風葉盤均通過一個環形結構與同層塔軸筒壁連接整體同步旋轉。所述環形結構為珩架或網架結構，形成一個中部透空的整體結構。所述風葉盤的每個風葉均為折線狀或半圓弧狀，均沿水平方向一致傾斜3-65度。所述每層風葉盤包括3-12個風葉，風葉沿垂直軸塔輪的環形結構邊緣等距分布， 垂直軸塔輪表面形成3-12條自下而上的螺旋流道。所述各層風葉盤的風葉與環形結構邊緣焊接、螺栓、鉚接或連結。所述垂直塔軸的頂部由3-36片水平分布的、以3-65度角傾斜安裝的風葉所覆蓋構成一個穹頂，該頂部風葉與最上層風葉盤風葉的環形結構固定連接。所述頂部風葉為輔助捕風裝置，其傾斜方向與垂直安裝於風輪外緣的風葉捕風方向相一致；所述葉片上可安裝矽光電池。所述各層風葉的寬度與各層風輪直徑的比例關係相一致。本發明的有益效果在本發明中，除構成風輪穹頂的風葉為水平安裝外，其它風葉的所在面都與風輪外緣所在水平面垂直分布，垂直軸風力發電機的風葉都在垂直面內向下一致傾斜安裝於風輪外緣，因此即使風輪直徑不變，風輪的轉矩仍可隨風葉長度的增加而增加。該結構特點可以使單個風輪以較小直徑實現較大轉矩，從而輕鬆逾越三葉式風力發電機所無法逾越的貝茲極限，即所謂風能利用係數的理論極值。本發明中的垂直軸風力發電機的風葉不僅數量多，每層可多達12葉，而且寬度大，作為在風中受力，這兩個特點無疑具有優勢。垂直軸風力發電機風輪的葉片都整體分布於風輪的最外緣，它們都均等地處於最佳受力狀態。因此在可比的前提下，本發明中的風輪採集風能的能力是三葉式風輪的數倍。 這表明在發電能力相同時，垂直軸風力發電機的體積可以比三葉式風力發電機小許多，製作成本自然也要低的多。風速隨垂直高度的增加而增加，所謂風切變。本發明中的垂直軸風力發電機的風輪優選直徑上大下小的結構，外觀形如巨型漏鬥。由於這個處置響應了風切變的規律在相同風速條件下，風輪直徑與風輪轉速呈反比。因此，即使風輪上部所處風速較高，但是由於風輪直徑也比較大，因此風輪上部的轉速也就比較低；風輪中下部所處風速較低，但是風輪直徑較小，風輪的轉速也就比較高，因此，即使在同一時間內風輪各層所經歷風速不同，但是風輪由上而下各層都以大致相同的速度旋轉，動態十分和諧，有效避免了能量損失和噪
曰O垂直軸風力發電機的風輪不僅可以根據需要做的足夠重，比如兆瓦的風輪已經重達幾百噸，而且這些重量在風輪上的分布還可以充分考慮對轉動慣量的利用。因此本發明中的垂直軸風輪實際是一個可以有效地克服風的不穩定性對風電品質惡化的儲能飛輪，它為在根本上解決風電併網時的有關問題提供了前提。垂直軸風力發電機的每層風輪葉片由高度不超過10米的支架兩端固定，而且上下層葉片首尾相連，這種整體剛性化處置不僅使風輪很難發生振動，同時還具有極強的抗破壞性風速的能力。
本發明中的垂直軸風力發電機風輪的葉片由上而下分若干層，每層12片風葉，最佳一致傾斜30度安裝，而且安裝時上下層葉片首尾相連，它有幾層意義可以使風輪的負面阻力受風變的很輕微，而且沿每片風葉背面傾斜向上方滑動的風最後還會以驅動力形式作用在前一片風葉的正面。各層風葉經傾斜安裝後，便會在風輪表面形成自下而上的螺旋風道。這些風道主要有三個功能使推動風輪旋轉的阻力和升力組合於同一風輪；使風在風道內呈上下長程運動，延長風對風輪的作用時間；風道的傾斜會直接帶來風輪受風時的連續性和平滑性，直接抑制風輪受風時的振動，從而有效改善風電品質和提升系統的安全性。風輪實際已被風道圍成圓桶狀，這樣在風吹過時，這裡除了 40%以上的風能被風輪作為動力直接吸收外，那些吹入圓桶內的風實際已經被風道圈禁。這些被圈禁的風必然還會因自身的運動而繼續向風道釋放能量，從而構成風輪對風能的二次利用和三次利用， 有效提升系統的風能利用係數。本發明中的垂直軸風輪不需要任何對風裝置就可以在任何方向上自然受風。另外，垂直軸風輪安裝在水泥塔管上，水泥塔管內的空間十分寬大，這使機電設備的設計、製造、安裝、維護都能以最寬鬆的條件完成。本發明中的垂直軸發電機所拖動負載大範圍可調，風力發電機的容量係數達80% 以上；有效發電小時數達6000小時以上。本發明中的垂直軸發電機的塔基的水泥塔管內空間很大，因此這裡可以有若干發電機經前面所說的小齒輪被中央大齒輪所拖動。這些發電機可根據風速通過通電和斷電與大齒輪進行數量不等的加載在風速3米/秒以下時只加載少量發電機，由於少量發電機加給風輪的負載遠小於風輪的總設計能力，因此即使風速3米/秒左右時，風輪仍可拖動這部分發電機正常發電。這之後可根據風速隨機增加與風輪連接的發電機的臺數。由於風輪所拖動負載大範圍可調，因此本設計中的風力發電機可構成對風能全面利用，從而把風力發電機的容量係數由通常的30%提高至80%以上；把有效發電小時數由三葉式風力發電機的2000-3000小時提高至6000小時以上。本發明中的大功率垂直軸風力發電機的高大形體實際都是由比較小的部件，如風葉的寬和高都不過十幾米，組裝而成的，而且所有安裝和維護過程都可依託塔基低難度完成，因此這裡發生的前期和後期成本比三葉式風力發電機分別低40%和80%以上。本發明中的垂直軸風力發電機還有一些優勢比如它的風葉採用高防鏽彩色鋼板製作後可以美化周圍環境；頂部經水平風葉採風後可以進一步作成旋轉大廳或安裝矽光電池板。由於它的優美而且可以水平安裝的外型，因此它可安裝於高層建築頂部，輕鬆實現人們的建築發電一體化構想；更重要的是本發明中的垂直軸風力發電機還能以單機形式通過鋼架結構向高空層層組合疊加，有效加大了空間利用係數，例如在佔地不足一平方公裡的鋼架結構上可安裝100個以上發電1-3兆瓦的風輪。
圖1為本發明結構示意2為本發明中的增速齒輪副結構示意3為本發明中的覆蓋於風輪頂部的葉片俯視圖
如圖所示，1-垂直塔軸、2-風葉盤、3-風葉、4-塔軸筒、5-垂直塔軸底座、6_穹頂、 7-環形結構、8-增速齒輪副、9-大齒輪、10-小齒輪。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本實用新型作進一步說明。如圖1至圖3所示一種螺旋結構風葉的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述垂直塔軸風力發電系統的垂直塔軸1的塔基內安裝一套與風輪對接的增速齒輪副8 ；該齒輪副8由一個中央大齒輪9與若干個水平圍繞著它而且直接固定在發電機主軸上的小齒輪 10嚙合而成，所述若干臺發電機通過小齒輪被大齒輪拖動，所述若干臺發電機通過通電和斷電實現對大齒輪的加載和卸載；當風弱時，可以卸載部分發電機；風強時可加載發電機，以實現更好的利用風能。所述垂直塔軸上安裝風輪的風葉盤2 ；所述風葉盤2為多層，等距平行設置在垂直塔軸1上；所述每層風葉盤2等距安裝若干個風葉3，各層風葉盤2的風葉3之間上下連續傾斜連接形成自下而上的螺旋流道；所述各層風葉盤直徑相同或自下而上逐漸加大；所述最下層風葉盤2的每個風葉下面均設有滾輪，同時行走在垂直塔軸底座的環形導軌上，帶動各層風葉盤2繞垂直塔軸1同時旋轉。大齒輪9與若干個小齒輪10在一個平面上嚙合；大齒輪9帶小齒輪10以1 5 1 30的速比增速。所述垂直塔軸1為柱形或錐形塔管狀，垂直塔軸外部設有多層塔軸筒。所述每層的風葉盤2均通過一個環形結構7與同層塔軸筒壁連接整體同步旋轉。所述環形結構7為珩架或網架結構，形成一個中部透空的整體結構。所述風葉盤2的每個風葉均為折線狀或半圓弧狀，均沿水平方向一致傾斜3-65度。所述每層風葉盤2包括3-12個風葉3，風葉3沿垂直軸塔輪的環形結構7邊緣等距分布，垂直軸塔輪表面形成3-12條自下而上的螺旋流道。所述各層風葉盤2的風葉3與環形結構7邊緣焊接、螺栓、鉚接或連結。所述垂直塔軸1的頂部由3-36片水平分布的、以3-65度角傾斜安裝的風葉3所覆蓋構成一個穹頂6，該頂部風葉3與最上層風葉盤風葉的環形結構7固定連接。所述頂部風葉為輔助捕風裝置，其傾斜方向與垂直安裝於風輪外緣的葉片捕風方向相一致；所述葉片上可安裝矽光電池。所述各層風葉的寬度與各層風輪直徑的比例關係相一致。本發明的設計理論如下風輪捕風能力或者說風輪輸出扭矩的能力主要來自兩個方面風葉的受力面積； 風葉平均受力點的位置距風輪軸承的距離。在忽略風葉的幾何形狀等一些因素後，風葉的面積越大，其受風能力也就越強，因此風葉受風面積的大小是風輪扭矩輸出能力的初始因素，而風葉平均受力點的位置距風輪軸承的距離十分重要所謂風葉的平均受力點，它指的是這樣一類情況不同直徑的風輪在相同風速條件下的轉速是不同的，風輪的直徑越大，轉速也就越低。但是對於三葉式風輪，即使直徑相同，而且風速也相同，它們的轉速仍可以有很大不同，這種情況主要來自風葉葉型的不同， 而葉型的不同就會帶來風葉的平均受力點的不同。而什麼是風葉的平均受力點？風葉從葉根到葉尖的總長度實際可分解為無數個長度單元，每個長度單元實際都代表著一個風輪半徑，或者說代表著一種風輪轉速。也就是說任何一個風輪轉速實際是無數個「內部轉速」集合後的平均值。由於三葉式風輪的實際轉速來自平均值，這裡就有兩個問題作為「內部轉速」集合後的平均值，風輪轉速所對應的風輪直徑就不可能是葉根到葉尖的長度，作為風葉的平均受力點，這個點、或者說這個長度所對應的只能是風葉中部的某個位置。而這就表明在分析三葉式風輪動力臂長度時，這個長度必然小於風輪半徑，這是問題一。由於三葉式風輪的轉速是「內部轉速」的平均值，這就表明三葉式風輪的轉速是可調的，因為強化或弱化風輪中任何一個點的受力都會給風輪的最終轉速帶來影響，比如通過寬葉根、窄葉尖帶來風輪較高轉速的處置。三葉式風輪轉速的可調性是優點也是缺點風輪轉速越高，對發電機的選型就越有利。但是在同等受風時，風輪轉速越高，其動力臂必然就越短，其扭距輸出也就越小。根據槓桿原理，在可比前提下，動力臂越長，系統受力越大，這就是風力發電機功率越大，風輪的直徑也就越大原因。但是為了提高三葉式風輪的轉速，人們就需要設法使風輪的平均受力點靠近風輪中心。也就是說，為了提高風輪轉速，三葉式風力發電機就需要成比例降低風輪的扭距。在本發明中，除風輪頂部的風葉為水平安裝外，其它風葉的所在面都與風輪外緣所在水平面垂直分布，這就是說，在本發明中槓桿原理得到了最好的運用。本發明中的垂直軸風力發電機的風葉都在垂直面內向下一致傾斜30度安裝於風輪外緣，因此即使風輪直徑不變，風輪的轉矩仍可隨風葉長度的增加而增加。該結構特點可以使單個風輪以較小直徑實現較大轉矩，從而輕鬆逾越三葉式風力發電機所無法逾越的貝茲極限，即所謂風能利用係數的理論極值。為了提高轉速，三葉式風力發電機的風葉不僅數量少，而且葉型也都比較狹窄。但是風機對風能的利用畢竟是風葉表面受力的結果，而這就直接表明風葉數量少，葉面窄對於捕風是有問題的。另外，三葉式風力發電機風輪的葉尖速度大都是風速的三倍以上，這表明葉尖作為風輪的最佳受力位置，這些位置事實上是運行於巨大的空氣阻力中。這個情況不僅會造成嚴重噪音，更重要的是風輪的其它位置在受風中已經採集到的風能還會被來自葉尖的阻力大量抵消掉。本發明中的垂直軸風力發電機的風葉不僅數量多，每層可多達12葉，而且寬度大，作為在風中受力，這兩個特點無疑具有優勢。垂直軸風力發電機風輪的葉片都整體分布於風輪的最外緣，它們都均等地處於最佳受力狀態。因此在可比的前提下，垂直軸風力發電機風輪採集風能的能力是三葉式風輪的數倍。這表明在發電能力相同時，垂直軸風力發電機的體積可以比三葉式風力發電機小許多，製作成本自然也要低的多。風速隨垂直高度的增加而增加，所謂風切變。對於三葉式風輪，風切變是一個不利因素，因為三片風葉在運行中實際只有一片風葉運行在高速區，另外兩片則運行於中速和低速區。對於運行於高速區的葉片來說，運行於中速和低速區的葉片最後給出的實際是阻力，這不僅會在系統這裡引發噪音和振動，而且這裡還會有相當部分得自高速區的風能被抵消掉。對三葉式風力發電機的這個問題，可以在該領域分析計算風輪的捕風性能與發電機整機的高度的關係時，並不是以發電機整機的實際高度、而是以輪轂中心的高度為出發點的情況中直接看出風輪捕風時最有捕風意義的風葉無疑是運行於輪轂上方的那片風葉。對於風力發電機，這個高度無疑也是最有意義的高度。但是，在計算三葉式風力發電機的風能利用係數時，這個高度和與這個高度相關的風速實際被一刀砍去。該領域所以這樣做，這雖與為凸顯三葉式風力發電機的發電性能有關，但也與這裡只能考慮三片風葉的平均值有關。本發明中的垂直軸風力發電機的風輪優選直徑上大下小的結構，外觀形如巨型漏鬥。由於這個處置響應了風切變的規律在相同風速條件下，風輪直徑與風輪轉速呈反比。 因此，即使風輪上部所處風速較高，但是由於風輪直徑也比較大，因此風輪上部的轉速也就比較低；風輪中下部所處風速較低，但是風輪直徑較小，風輪的轉速也就比較高，因此，即使在同一時間內風輪各層所經歷風速不同，但是風輪由上而下各層都以大致相同的速度旋轉，動態十分和諧，有效避免了能量損失和噪音。風的不穩定性是風力發電中最需應對的問題，而風輪的轉動慣量可以有效克服這種不穩定性。但是三葉式風輪的風葉不可能做的足夠重，因此三葉式風輪對轉動慣量的利用十分有限。垂直軸風力發電機的風輪不僅可以根據需要做的足夠重，比如兆瓦的風輪已經重達幾百噸，而且這些重量在風輪上的分布還可以充分考慮對轉動慣量的利用。因此本發明中的垂直軸風輪實際是一個可以有效地克服風的不穩定性對風電品質惡化的儲能飛輪，它為在根本上解決風電併網時的有關問題提供了前提。三葉式風力發電機的風葉以一端固定在風輪上，在氣流的作用下，它們很容易發生振動，從而引發整個系統的同頻和倍頻多階共振，使系統面對危險。另外三葉式風輪的風葉固定方式使其結構天然缺乏剛性，因此必須專門投入相應的材料來保證葉片的抗破壞能力，而這就會加大製作成本。垂直軸風力發電機的風輪葉片由高度不超過10米的支架兩端固定，而且上下層葉片首尾相連，這種整體剛性化處置不僅使風輪很難發生振動，同時還具有極強的抗破壞性風速的能力。當風以有效速度吹過三葉式風輪的葉片時，被風輪吸收的風能最多只佔總量的 30%，而70%以上的風能流失了。本發明中的垂直軸風力發電機風輪的葉片由上而下分若干層，每層12片風葉，最佳一致傾斜30度安裝，而且安裝時上下層葉片首尾相連，它有幾層意義可以使風輪的負面阻力受風變的很輕微，而且沿每片風葉背面傾斜向上方滑動的風最後還會以驅動力形式作用在前一片風葉的正面。各層風葉經傾斜安裝後，便會在風輪表面形成自下而上的螺旋風道。這些風道主要有三個功能使推動風輪旋轉的阻力和升力組合於同一風輪；使風在風道內呈上下長程運動，延長風對風輪的作用時間；風道的傾斜會直接帶來風輪受風時的連續性和平滑性，直接抑制風輪受風時的振動，從而有效改善風電品質和提升系統的安全性。風輪實際已被風道圍成圓桶狀，這樣在風吹過時，這裡除了 40%以上的風能被風輪作為動力直接吸收外，那些吹入圓桶內的風實際已經被風道圈禁。這些被圈禁的風必然還會因自身的運動而繼續向風道釋放能量，從而構成風輪對風能的二次利用和三次利用， 有效提升系統的風能利用係數。三葉式風力發電機必須用各種對風裝置來保證風葉正面受風，這些對風裝置都聯繫於發電機的製作成本。另外三葉式風力發電機的傳動裝置和發電機都安裝於風輪後部的機艙內，由於機艙內空間十分有限而且又處於高空，這就會給有關機電設備的設計、製造、 安裝、維護等所有環節帶來一系列嚴重問題。本發明中的垂直軸風輪不需要任何對風裝置就可以在任何方向上自然受風。另外，垂直軸風輪安裝在水泥塔管上，水泥塔管內的空間十分寬大，這使機電設備的設計、製造、安裝、維護都能以最寬鬆的條件完成。三葉式風力發電機相對窄小的機艙只能裝一臺發電機。作為一臺發電機，它的工作範圍必然有限3米/秒風速只能使它切入或者說啟動；風速12米/秒以上時，為保證發電機不會因轉速過高而過熱毀損，風輪又要開始調整槳距角瀉掉風能；風速每秒25米以上時，發電機還需剎車切出。在以上情況中無疑有大量寶貴風能被無奈地捨棄了，以至三葉式風力發電機的有效發電小時數通常都不會超過3000小時。本發明中的垂直軸發電機所拖動負載大範圍可調，風力發電機的容量係數達80% 以上；有效發電小時數達6000小時以上。本發明中的垂直軸發電機的塔基的水泥塔管內空間很大，因此這裡可以有若干發電機經前面所說的小齒輪被中央大齒輪所拖動。這些發電機可根據風速通過通電和斷電與大齒輪進行數量不等的加載在風速3米/秒以下時只加載少量發電機，由於少量發電機加給風輪的負載遠小於風輪的總設計能力，因此即使風速3米/秒左右時，風輪仍可拖動這部分發電機正常發電。這之後可根據風速隨機增加與風輪連接的發電機的臺數。由於風輪所拖動負載大範圍可調，因此本設計中的風力發電機可構成對風能全面利用，從而把風力發電機的容量係數由通常的30%提高至80%以上；把有效發電小時數由三葉式風力發電機的2000-3000小時提高至6000小時以上。大功率三葉式風力發電機的主要部件的尺寸都比較大，如風葉長達幾十米，這些部件運輸艱難，安裝需要用吊車吊上高空進行，故障維修也十分複雜，這些過程的成本十分巨大。本發明中的大功率垂直軸風力發電機的高大形體實際都是由比較小的部件，如風葉的寬和高都不過十幾米，組裝而成的，而且所有安裝和維護過程都可依託塔基低難度完成，因此這裡發生的前期和後期成本比三葉式風力發電機分別低40%和80%以上。本發明中的垂直軸風力發電機還有一些優勢比如它的風葉採用高防鏽彩色鋼板製作後可以美化周圍環境；頂部經水平風葉採風後可以進一步作成旋轉大廳或安裝矽光電池板。由於它的優美而且可以水平安裝的外型，因此它可安裝於高層建築頂部，輕鬆實現人們的建築發電一體化構想；更重要的是本發明中的垂直軸風力發電機還能以單機形式通過鋼架結構向高空層層組合疊加，有效加大了空間利用係數，例如在佔地不足一平方公裡的鋼架結構上可安裝100個以上發電1-3兆瓦的風輪。若干年來一直有人在研究垂直軸風力發電機，而且這裡有些成果已經產品化。但本發明中的垂直軸風力發電機與以往的垂直軸風力發電機之間存在著根本不同以往的垂直軸風力發電機的基本設計思想是作為捕風裝置，這個裝置對風的響應應該越靈敏越好。 而靈敏好象就意味著有關裝置在受風時其重量越輕越好。循著這個看起來十分合理的思路，人們一直在為自己的垂直軸風輪做著這樣兩件事風葉的數量儘量少而重量儘量輕，因此這裡的垂直軸風輪基本都是即稀疏又輕飄，這個特點便構成了與本發明中的垂直軸風力發電機的根本區別，而且這裡的思路存在著本質上的誤區風的不穩定性是風力發電的頭號大敵，作為對風的響應，風輪對風的過分靈敏實際就是對風的不穩定性的過分靈敏，這裡無疑大有問題。這是其一。風輪對風能的捕捉歸根到底需要靠風輪的受風面積來實現，數量稀疏的風葉，其受風面積也必然有限，這不僅會使風輪捕風性能低下，自啟動性能差，而且還會因氣流對風輪的結構性顛簸而引發系統的諧振，對於系統，這是一種危險。這是其二。風葉較多，風輪的重量也必然較大。但是根據力學原理，旋轉系統旋轉時，其重量在一定限度內在不僅不會沿旋轉軸構成阻力，相反它還會直接生成轉動慣量從而有效克服系統的不穩定性。也就是說，視風輪的重量為大敵是個誤會。由於這個誤會，以往的垂直軸風力發電機根本無力去考慮大型化的問題，因此它們與本發明中的垂直軸風力發電機有本質的不同。這是其三。而本發明通過設計以螺旋狀風葉陣列風輪通過增速齒輪副拖動多臺發電機發電為特徵的垂直軸風力發電系統，有效利用3-40米風速條件下的風能，解決了風力發電中的那些傳統難題。
權利要求
1.一種具有螺旋結構風葉陣列的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述垂直塔軸風力發電系統的垂直塔軸的塔基內安裝一套與風輪對接的增速齒輪副；該齒輪副由一個中央大齒輪與若干個水平圍繞著中央大齒輪而且直接固定在發電機主軸上的小齒輪嚙合而成，所述若干臺發電機通過小齒輪被大齒輪拖動，所述若干臺發電機通過通電和斷電實現對大齒輪的加載和卸載；所述垂直塔軸上安裝風輪的風葉盤；所述風葉盤為多層，等距平行設置在垂直塔軸上； 所述每層風葉盤上等距安裝若干個風葉，各層風葉盤的風葉之間上下連續傾斜連接形成自下而上的螺旋流道；所述各層風葉盤直徑相同或自下而上逐漸加大；所述風輪的最下層風葉盤下部設有支架，該支架端部裝有鋼輪或永磁體，所述鋼輪或永磁體同時行走在垂直塔軸底座的環形導軌或環形永磁體組合上，帶動各層風葉盤整體繞垂直塔軸同時旋轉。
2.如權利要求1所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述中央大齒輪與若干個小齒輪在一個平面上嚙合；該大齒輪帶小齒輪以1 5 1 30的速比增速。
3.如權利要求1所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述垂直塔軸為柱形或錐形塔管狀，垂直塔軸外部設有多層塔軸筒。
4.如權利要求1或3所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述每層的風葉盤均通過一個環形結構與同層塔軸筒壁連接成整體同步旋轉。
5.如權利要求4所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述環形結構為珩架或網架結構，形成一個中部透空的整體結構。
6.如權利要求1所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述風葉盤的每個風葉均為折線狀或半圓弧狀，均沿水平方向一致傾斜3-65度。
7.如權利要求1或6所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述每層風葉盤包括3-12個風葉，風葉沿垂直軸塔輪的環形結構邊緣等距分布，垂直軸塔輪表面形成3-12條自下而上的螺旋流道。
8.如權利要求7所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述各層風葉盤的風葉與環形結構邊緣焊接、螺栓、鉚接或連結。
9.如權利要求1所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述垂直塔軸的頂部由 3-36片水平分布的、以3-65度角傾斜安裝的風葉所覆蓋，該頂部風葉與最上層風葉盤風葉的環形結構固定連接。
10.如權利要求1或9所述的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述頂部風葉的傾斜方向與垂直安裝於風輪外緣的風葉捕風方向相一致；所述各層風葉的寬度與各層風輪直徑的比例關係相一致。
全文摘要
本發明公開了一種具有螺旋結構風葉陣列的垂直塔軸風力發電系統，其特徵在於所述發電系統的垂直塔軸的塔基內安裝一套與風輪對接的增速齒輪副；該齒輪副由一個中央大齒輪與若干個水平圍繞著它而且直接固定在發電機主軸上的小齒輪嚙合而成。所述若干臺發電機通過小齒輪被大齒輪拖動，所述若干臺發電機通過通電和斷電實現對大齒輪的加載和卸載；所述垂直塔軸上的風輪為多層一致傾斜的風葉構成的風葉盤疊加而成；所述風葉盤等距平行設置在垂直塔軸上；所述每層風葉盤上等距安裝若干個風葉，各層風葉盤的風葉之間上下連續傾斜連接形成自下而上的螺旋流道。本發明效率強大，可有效利用3-40米風速條件下的風能，有效地解決了風力發電中的傳統難題。
文檔編號F03D9/00GK102312783SQ20101021229
公開日2012年1月11日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者伍康旺, 伍長序, 張德仰, 戴固生, 李明, 黃豐年 申請人:伍康旺, 黃豐年