一種用於垂直軸風力發電機的整流增速塔的製作方法

2023-06-11 19:38:56 3

專利名稱：一種用於垂直軸風力發電機的整流增速塔的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於垂直軸風力發電機的整流增速裝置，屬於新能源和機械工程
領域。
背景技術：
風力機是一種將風能轉換為機械能的能量轉換裝置，根據風輪的旋轉方向、風輪 結構及其在氣流中的位置不同，風力機可以分為水平軸風力機(HAWT)和垂直軸風力機 (VAWT)。水平軸風力機的啟動風速低、風能利用效率高，是目前風力發電機系統的主流設 備，應用非常廣泛，但是水平軸風力發電機也具有如下缺點(l)葉片設計及製造難度較 大；(2)葉片根部所受彎曲應力大；(3)需要安裝迎風調節裝置，並且風輪盤面不可能始終 正對風向，研究表明，風向偏離40。會減少50%能量利用率；(4)機械系統複雜，製造成本 高，實現高可靠性的難度大；(5)水平軸風力發電機組的機艙放置在高高的塔頂，機組重心 高、不穩定、結構複雜而且安裝維護不便；(6)葉片切割氣流將產生很大的氣動噪音，同時， 很多鳥類在這樣的高速葉片下很難倖免於難，對生態環境造成很大的影響。
由於以上特點，水平軸發電機一般安裝在野外風力強且人口稀疏地區，不適宜應 用在電力需求最大的人口密集地區，因而也不適用於家庭、邊防哨所等小型發電需求的場 所。 隨著科技的發展及研究的深入，人們發現垂直軸發電機在很多方面具有優勢，而 且它的缺點都可以通過新的技術手段克服。相對於水平軸風力發電機，垂直軸風力發電機 還有如下優點(l)垂直軸風力發電機組的發電機安裝，齒輪箱放置在底部，重心低、穩定、 安裝維護方便且成本低；(2)水平軸風力發電機的葉片受到正面風載荷力、離心力，葉片結 構相似懸臂梁，受力結構不合理，影響風力機壽命；而垂直軸風力機葉片可以採用雙端支撐 結構，受力狀態合理，不易折斷，壽命長；(3)垂直軸風力機噪音小，可應用於人口密集地區 (如城市公共設施，民宅等)；(4)垂直軸風力機結構簡單、製造成本遠遠低於水平軸風力 機。 鑑於垂直軸風力機比水平軸風力機具有更廣闊的應用前景，本發明提供一種用於 垂直軸風力發電機的整流增速裝置。該裝置既可調節風流方向使之更有利於驅動風力機轉 子運動，又可提高風流速度，從而簡化或取消風力機的增速器、提高風力機工作效率，同時 它還可以縮小風力機轉子的結構尺寸、提高風力機的支撐能力和運行穩定性，大大降低了 風力機的製造成本、延長了風力機的使用壽命，既可以安裝在野外風力強且人口係數地區， 又可以建設在人口密集地區、甚至樓頂上，因而也適用於家庭、邊防哨所等用電需求的場 所，也可用於在海面上建設浮艇式風力發電機。

發明內容
所述的用於垂直軸風力發電機的整流增速塔，其外形如圖1所示，為1層或多層 的多邊形或圓形塔狀結構，由塔座1、整流罩2、塔簷3(對於單層塔，可以沒有塔簷3)、塔頂4組成，塔的中心呈現中空的柱狀空心室，室內用於安放垂直軸風力發電機組。所述的塔座 l為整流增速塔的基座，主要起支撐作用，也是安裝風力機控制系統和輸變電、儲能設備的 場所；所述的整流罩2由一組導流板陣列組成，主要起氣流整流和增速的作用，使之更有利 於風能的利用，同時也是塔身的支撐構件；所述的塔簷3是在塔身周向連接各導流板的結 構件，起到增強導流板的支撐能力、改善受力狀態、修飾塔的外觀造型的作用，同時也是風 力機安裝、維修的工作平臺；所述的塔頂4是整流增速塔的頂蓋，用於風力機定子的上端支 撐、封閉風力發電機以改善風力發電機的工作環境，同時用於塔的造型設計和安裝避雷針。
所述的導流板陣列，如圖2、圖3所示，由一組(4塊以上)平板或弧形板組成，其上 端與塔簷3或塔頂4相連接、其下端與塔座1或塔簷3相連接，導流板組分布於以塔心為圓 心的圓周方向並與半徑方向成一定角度a (如圖3所示)，a的取值範圍為0 30。。導 流板分為固定式和活動式兩種結構形式，固定式導流板的結構如圖2、圖3所示。所述的活 動式導流板結構如圖4、圖5所示。在圖5中，每塊導流板由固定部分和活動部分組成，其中 固定部分的上端與塔簷3或塔頂4相連接、下端與塔座1或塔簷3相連接，活動部分通過活 頁、轉動軸或者滑道與固定導流板或者塔身其它固定部分相連接，導流板的活動部分在風 力或者驅動機構作用下，處於迎風面(風流入口通道)的導流板可以展開，起到增加風速的 作用，還可以根據風力機葉片最佳攻角要求改善導流板的角度，改善風力機的工況，而處於 背風面(風流出口通道)的活動導流板可以摺疊起來，起到減小排風阻力的作用。
所述的整流罩2的整流增速原理如圖6所示，在圓周方向分布的一組導流板構成 一組增速風洞，從某方向吹來的氣流經過整流罩周向分布的風洞進入整流罩內室，驅動塔 內的垂直軸風力機轉子旋轉，整流罩內室的氣流在完成驅動葉輪做功之後，經過整流罩另 一側的風洞排出。在導流板的作用下，可以使陣風、湍流等不穩定氣流較穩定地進入整流室 內室，並使氣流按照設計的方向流動，從而起到整流作用。由於迎風面的風洞入口面積大， 而出口面積小，從而使整流罩室內的風速提高，起到增速的作用。增速效果可由下式計算 v'=7Vo 式中Vi——整流罩迎風面入流風風速，m/s ; v。一增速風洞中的出流風速，即整流罩室內入流風風速，m/s ; S。——整流罩迎風面風洞入口面積，m2 ;
Si——增速風洞中的出口面積，即整流罩內室入口面積，m2。
本發明具有如下優點 1)整流罩可使氣流按照預定路線進入導流罩內室進行做功，提高入流風速，使得 葉輪轉速提高，從而降低增速器的增速比，降低了製造成本； 2)塔身起到支撐整個風力機構架的作用，使得垂直軸風力機可以實現兩端支撐， 改善垂直軸風力機的受力狀況，提高風力機穩定性和使用壽命； 3)導流板的活動部分可以保證風向對著風力機葉片的最佳迎風角度，導流板的活 動部分在風力或者驅動機構作用下，處於塔的迎風面的導流板可以展開，起到增加風速的 作用，而處於背風面的活動導流板可以摺疊起來，起到減少排風阻力的作用，從而改善風力 機的工況，提高風能利用率； 4)由於整流罩的增速作用，可大大減小風力機的結構參數，從而降低風力機的設
4計難度以及製造和運輸成本； 5)塔形結構簡單、堅固，便於製造，易於維護，可降低風力機的製造成本； 6)採用塔形結構，將風力機與東方文化有機結合，外形美觀，有助於風電場的景觀
設計； 7)由於整流增速塔的存在，可以避免鳥類受到傷害，保護生態環境； 8)可以避免風力機日曬、雨雪澆淋和減少風沙傷害，改善風力機工況、延長風力機壽命。


圖1整流增速塔的正視圖2固定導流板式整流增速塔的立式剖面圖； 圖3固定導流板式整流增速塔的橫截面圖； 圖4可調導流板式整流增速塔的立式剖面圖； 圖5可調導流板式整流增速塔的橫截面圖； 圖6整流流場圖7(a) (b)是導流板迴轉式調節方式的實現方案； 圖8(a) (c)導流板推拉式調節方式的實現方案； 圖9(a) (c)導流板平移式調節方式的實現方案； 圖10(a) (b)阻力型風力發電塔的實現方案； 圖ll(a) (b)升力型風力發電塔的實現方案； 圖12電機簡化結構剖視圖。
具體實施方法
通過下面給出的本發明的具體實施例可以更清楚的了解本發明，但不是對本發明











的限定

具體實施實例1 :(固定導流板式整流增速塔)
固定導流板式整流增速塔如圖2、圖3所示，導流罩由一組(4塊以上)平板或弧形 板組成，其上端與塔簷3或塔頂4相連接、其下端與塔座1或塔簷3相連接，導流板組分布 於以塔心為圓心的圓周方向並與半徑方向成一定角度a (如圖3所示)，a的取值範圍為 0 23° 。塔的中心呈現中空的柱狀空心室，室內用於安放垂直軸風力發電機組。
具體實施實例2 :(導流板迴轉式調節方式的實現方案) 如圖7(a)所示，每塊導流板2由固定部分21和活動部分組成22，其中固定部分 21的上端與塔頂4相連接、下端與塔座1相連接，活動部分22通過轉動軸23與固定部分 21相連接，導流板的活動部分22在外力驅動下，可以繞轉動軸23旋轉。導流板活動部分調 節方式如圖7(b)所示，電機27通過聯軸器26與減速器25連接，減速器連接轉動軸23，通 過電機控制轉動軸23轉動，從而帶動活動部分22旋轉。 假設風向至左向右，則圖7(a)所示左邊風洞為迎風向，右側風洞為背風向，左側 迎風嚮導流板的活動部分根據風力機葉片所需求的角度轉動打開，而右側背風嚮導流板的 活動部分則轉動至與固定部分完全貼合，使排風口面積達到最大，減小排風阻力，從而提高 了風力機效率。
具體實施實例3 :(導流板推拉式調節方式的實現方案) 如圖8(a)所示，導流板2由固定部分21和活動部分22組成，其中固定部分21下 部與底座1相連接，上部與塔頂4相連接，固定部分21和活動部分22之間由活頁23連接， 活動部分22在外力驅動下可以轉動。導流板活動部分調節方式如圖8(b)所示，電機27通 過聯軸器與絲槓28連接，絲槓上裝有滑動導軌29，導軌29通過連杆24和活動部分22相連 接，工作檯29可在導杆25上滑動。電機27驅動絲槓28轉動而帶動活動工作檯29沿導杆 25直線運動，工作檯29推動連杆24運動，從而驅動導流板活動部分22轉動。導流板調節 也可以採用氣缸驅動，如圖8(c)所示。 假設風向至左向右，則圖8(a)左邊風洞為迎風向，右側風洞為背風向，左側迎風 嚮導流板的活動部分根據風力機葉片所需求的角度打開，而右側背風嚮導流板的的活動部 分則轉動至與固定板完全貼合，使排風口面積達到最大，減小排風阻力，從而提高了風力機 效率。 具體實施實例4 :(導流板平移式調節方式的實現方案) 如圖9(a)所示，導流板2由固定部分21和活動部分22組成，其中固定部分21下 部與底座1相連接，上部與塔頂4相連接，活動部分22下部裝有滑輪，底座1上裝有滑道 23(如圖9(b)虛線所示)，活動部分22在外力驅動下可以沿滑道23滑動。導流板活動部 分調節方式如圖9 (b)所示，電機27通過聯軸器26與絲槓28連接，絲槓上裝有滑動導軌29 並通過杆24與活動部分22相連接，導軌29可在導杆25上滑動。通過電機27控制絲槓28 轉動來驅動導軌29沿導杆25直線運動，推動固定杆24，從而帶動活動部分22沿滑道23運 動。導流板調節也可以採用氣缸驅動，如圖9(c)所示。 假設風向至左向右，則圖9(a)左邊風洞為迎風向，右側風洞為背風向，，左側迎風 嚮導流板的活動部分滑動至如圖9(a)所示位置，雖然角度不可以調節，但仍然減小了風洞 出口的面積，這樣就增加了風洞出口風速，使葉輪所受風速增大，而右側背風嚮導流板的活 動部分則滑動至與固定部分完全貼合，使排風口面積達到最大，減小排風阻力，從而提高了 風力機效率。具體實施實例5 :(阻力型風力發電塔的實現方案) 本實例是將整流增速塔應用於阻力型風力發電機。如圖IO所示，將一種S型風力 機安裝於整流增速塔的中心。其中風力發電機的電機7採用外轉子結構，如圖12所示，其 定子繞組73與固定軸8固定連接，轉子繞組74與電機的外殼75固定連接，S型葉片5的 上下兩端分別與電機的兩個軸承端蓋6連接固定，軸承端蓋6與電機外殼(外轉子)75相 連接。軸8立於塔的中心位置，風經過增速塔進入，吹動葉片，產生旋轉力矩，該力矩通過葉 片5傳遞給電機外殼75，從而推動電機外轉子旋轉。 本例中整流增速塔的導流板活動部分採用迴轉軸式調節形式，每塊導流板2由固 定部分21和活動部分組成22，其中固定部分21的上端與塔頂4相連接、下端與塔座1相 連接，活動部分22通過轉動軸23與固定部分21相連接，導流板的活動部分22在外力驅動 下，可以繞轉動軸23旋轉。 假設風向由左至右，則圖10(a)左邊風洞為迎風向，右側風洞為背風向。根據風向 先調節各導流板活動部分位置，左側迎風嚮導流板的活動部分根據S型風力機葉片位置轉 動一定角度，使由左側風洞進入的風向正對於S型葉片的凹面，而右側背風嚮導流板的活動部分則轉動至與固定部分完全貼合。 風流由左邊風洞進入，經過風洞整流增速後吹向S型葉片，推動葉輪旋轉，風流隨
葉輪流至背風向，由於背風嚮導流板的活動部分完全收了起來，排風面積增大，使到達背風
向的風流更容易流出，這樣減小了內部風輪阻力，提高了風輪轉速，相對於沒有加整流增速
塔的S型風力機，可以獲得更高的風能利用率。 具體實施實例6 :(升力型風力發電塔的實現方案) 本實例是將整流增速塔應用於升力型風力發電機。如圖11所示，將一種升力型風 力機安裝於整流增速塔的中心。其中風力發電機的電機7採用外轉子結構，如圖12所示，其 定子繞組73與固定軸8固定連接，轉子繞組74與電機的外殼75固定連接，翼型葉片5的 上下兩端分別與電機的兩個軸承端蓋6連接固定，軸承端蓋6與電機外殼(外轉子)75相 連接。軸8立於塔的中心位置，風經過增速塔進入，吹動葉片，產生旋轉力矩，該力矩通過葉 片5傳遞給電機外殼75，從而推動電機外轉子旋轉。 本例中整流增速塔的導流板活動部分採用迴轉軸式調節形式，每塊導流板2由固 定部分21和活動部分組成22，其中固定部分21的上端與塔頂4相連接、下端與塔座1相連 接，活動部分22通過轉動軸23與固定導流板21相連接，導流板的活動部分21在外力驅動 下，可以繞轉動軸23旋轉。 假設風向由左至右，則圖ll(a)左邊風洞為迎風向，右側風洞為背風向。根據風向 先調節各導流板活動部分位置，左側迎風嚮導流板的活動部分根據風力機翼型最佳迎風角 度進行轉動調節，使風流由左側風洞進入後的風向與翼型最佳迎風角度一致，而右側背風 嚮導流板的活動部分則轉動至與固定部分完全貼合。 風流由左邊風洞進入，經過風洞整流增速後吹向葉片，推動葉輪旋轉，風流隨葉輪 流至背風向，由於背風嚮導流板的活動部分完全收了起來，排風面積增大，使到達背風向的 風流更容易流出，這樣減小了內部風輪阻力，提高了風輪轉速，相對於沒有加整流增速塔的 升力型風力機，可以獲得更高的風能利用率。
權利要求
一種用於垂直軸風力發電機的整流增速塔，由塔座(1)、整流罩(2)、塔簷(3)、塔頂(4)組成，其特徵在於所述塔的中心為中空的柱狀空心室，室內用於安放垂直軸風力發電機組，所述的塔座(1)為整流增速塔的支撐基座，其內安裝風力機控制系統和輸變電、儲能設備，所述的整流罩(2)由一組導流板陣列組成，所述的塔簷(3)在塔身周向連接各導流板，所述的塔頂(4)是整流增速塔的頂蓋。
2. 如權利要求l所述的整流增速塔，其特徵在於所述整流罩(2)的導流板陣列布置， 導流板陣列包含4塊以上的一組平板或弧形板，為固定式結構，其上端與塔簷(4)或塔頂4 相連接，其下端與塔座(1)或塔簷(3)相連接，導流板組分布於以塔心為圓心的圓周方向， 並與半徑方向成角度a ，起到氣流整流和增速的作用，其中，所述角度a為0 30° 。
3. 如權利要求1所述的整流增速塔，其特徵在於每塊導流板由固定部分和活動部分 組成，其固定部分的上端與塔簷(3)或塔頂(4)相連接、下端與塔座(1)或塔簷(3)相連 接，活動部分通過活頁、轉動軸或者滑道與固定導流板或者塔身其它固定部分相連接，導流 板的活動部分在風力或者驅動機構作用下，處於迎風面的活動導流板展開，起到增加風速 的作用，處於背風面的活動導流板摺疊起來，起到減小排風阻力的作用。
4. 如權利要求1所述的整流增速塔，其特徵在於在圓周方向分布的一組導流板構成 一組增速風洞，氣流經過整流罩周向分布的風洞進入整流罩內室，驅動塔內的垂直軸風力 機轉子旋轉，整流罩內室的氣流在完成驅動做功之後，經過整流罩另一側的風洞排出，具有 規整氣流流場、增加氣流速度的作用。
全文摘要
一種用於垂直軸風力發電機的整流增速裝置。其外形為一層或多層塔狀結構，由塔座(1)、整流罩(2)、塔簷(3)、塔頂(4)組成，塔的中心呈現中空的柱狀空心室，室內用於安放垂直軸風力發電機組。本發明具有降低增速器的增速比、改善垂直軸風力機的受力狀況、改善風力機工況、提高風力機穩定性和使用壽命、降低風力機的設計難度、降低風力機製造和運輸成本、保護生態環境、外形美觀等優點。
文檔編號F03D3/04GK101749179SQ20101011689
公開日2010年6月23日 申請日期2010年3月3日 優先權日2010年3月3日
發明者周亮, 姚奇, 姚英學, 湯志鵬 申請人:哈爾濱工業大學