三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統的製作方法

2023-10-29 02:00:52 2

本實用新型涉及一種三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統，屬於風力發電技術領域。

背景技術：

風力發電系統作為將風力轉化為旋轉力而生產電的技術，是將風能轉化為機械能並驅動發電機而生產電的系統。中國國家電網統計全球清潔能源市場有50萬億美元的市場份額。

風力發電系統一般分為水平軸風力發電和垂直軸風力發電。水平軸風力發電效率高，但是受風向影響很大；垂直軸風力發電雖然受風向影響不大，但是與水平軸相比效率不高。因此，在垂直軸風力發電中，如何提高其發電效率，是急需解決的問題。

傳統的垂直軸風力發電機機組為桅杆結構，通過一個長立杆將風力發電機舉高到空中，為了保持長立杆在強風作用下還具有足夠的強度，往往還需要在長立杆頂端和地面之間用數條與地面傾斜的鋼纜加固。如果應用小型風力發電機來獲取較高的發電功率時，就需要安裝較多的小型風力發電機以增加總的風力發電機風輪掃風面積。為了減少風力發電機之間在風場中的互相干擾，還需要使他們之間具有適當的間隔，佔地面積很大。

中國專利CN102953935A公開了一種聚風塔式風力發電系統，包括一個外形帶有豎立的圓柱面的聚風塔，以及可以圍繞聚風塔圓柱面軸線迴轉的迴轉車架，風力發電機安裝在掛臂上，掛臂支承在迴轉車架上，迴轉車架可以帶動風力發電機繞聚風塔圓柱面的外側面迴轉。聚風塔塔體的外形可以將吹向它表面的風流導向位於其圓柱面外側的各小型風力發電機，可提高風力發電機的發電能力和有效運行時間。

聚風塔式風力發電系統改變了一般小型風力發電機一颱風力發電機用一條長立杆舉高到空中的形式，可以提高風力發電機的發電效率，有更好的穩固性、安全性和與周圍環境的協調性。但是其僅在聚風塔的兩端掛臂上從上到下布置兩列小型風力發電機，裝機容量小，佔地面積大。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種裝機容量大、佔地面積小、發電效率高的垂直軸大功率風力發電系統。

為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統，其特徵在於：包括垂直設置的圓柱形的聚風塔，聚風塔內垂直方向設有多層平臺，每層平臺上沿半徑方向由內到外布置有多級風力發電機組，每級風力發電機組外周均設有環形風道，同一半徑方向的環形風道貫通連接；圓柱形聚風塔的外立面設有迎風口，迎風口通過漸縮的喇叭口狀的風道與最外側的環形風道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風道。

優選地，沿半徑方向由內向外所述環形風道依次增大。

優選地，所述聚風塔的中心空置，同一直徑方向的兩組風道貫通。

優選地，沿圓周方向，相鄰組風道之間通過牆體隔開。

優選地，所述喇叭口狀的風道為外大內小型，沿半徑方向越向內側延伸風道越窄。

優選地，所述喇叭口狀的風道內設有支撐立柱。

優選地，所述聚風塔頂部設有雨水收集平臺。

優選地，所述聚風塔頂部設有光伏發電系統。

本實用新型提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統，採用喇叭口狀的風道，由於狹管效應，風從迎風口進入後，基本每向內100米長度，風力會增加3級左右，空氣密度、風速也同步升級。風可以從一組風道進入同一直徑方向的另一組風道，驅動其內的機組做功，可以最大限度地將大氣環流在人工控制條件下形成聚能。在風力發電機組外周設置環形風道，可以使來風僅從環形的一側穿過，另一側沒有風，因而不會產生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進而可以提高發電效率。

本實用新型提供的系統克服了現有技術的不足，裝機容量大，佔地面積小，發電效率高，且使用壽命長，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1為本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例，進一步闡述本實用新型。應理解，這些實施例僅用於說明本實用新型而不用於限制本實用新型的範圍。此外應理解，在閱讀了本實用新型講授的內容之後，本領域技術人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。

圖1為本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統示意圖，所述的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統包括一垂直設置的圓柱形的聚風塔1，聚風塔1內垂直方向布置有多層平臺，每層平臺上沿半徑方向由內到外布置有多級風力發電機組2，每級風力發電機組2外周均設有環形風道3，同一半徑方向的環形風道貫通連接，且沿半徑方向由內向外環形風道依次增大；圓柱形聚風塔1的外立面開有巨大的迎風口，迎風口通過漸縮的喇叭口狀的風道4與最外側的環形風道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風道(每層平臺上均勻分布有偶數組這樣的風道)。

圓柱形聚風塔1的中心空置，同一直徑方向的兩組風道貫通。沿圓周方向，相鄰組風道之間通過混凝土澆鑄的牆體隔開。

喇叭口狀的風道4內設有支撐立柱5，以保證建築強度。

喇叭口狀的風道4為外大內小型，即越向內側延伸風道越窄。則由於狹管效應，風從迎風口進入後，基本每向內100米長度，風力會增加3級左右，空氣密度、風速也同步升級。當外界年均風力6級時，風道內的壓力風速以5級機組計(由外向內依次為第一級、第二級……)，第一級機組受風風力9級(27m/s)，第二級機組受風風力11級以內(扣除機組阻力作用、風道摩擦、擾流係數等)，第三級機組受風風力大於12級，第四級機組受風第風力大於13級，五級機組受風風力大於14級(42m/s)。隨後風會進入同一直徑方向的另一組風道，驅動其內的機組做功。

本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統可以最大限度地將大氣環流在人工控制條件下形成「聚能腔式」，所以風力發電機組裝機容量也是逐漸向核心區域遞增的。

在風力發電機組外周設置環形風道，可以使來風僅從環形的一側穿過，另一側沒有風，因而不會產生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進而可以提高發電效率。

本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統能將來風動能的50％左右作用於風力渦輪機旋翼面積上，它沒有反面旋翼渦流的牽扯反作用力(反向渦流)，有效發電率大於80％(此發電率指總裝機容量技術發電比率，與年風期無關)。

本實施例的風道設計是針對「垂直軸」風電模式設計。由於垂直軸是垂直度左旋(右旋)的，所以並不需要常規「水平軸」式的160m-257m直徑空間，本實施例中風力渦輪機組只需要幾十米直徑就夠了。設相鄰機組之間橫向間隔為20m左右，縱向間隔不超過100m，一臺裝機5萬千瓦(50兆瓦級/臺)風力發電系統，本實施例中風力渦輪機組直徑僅需60m左右，大大減小了佔地面積。

本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風力發電系統除了可以在較小的佔地面積上高密度布局風電機組外，它的壽命周期也非常長，平均壽命周期大於三十年，而且單臺裝機功率大，最小可達8兆瓦級/臺，最大可採用100兆瓦級/臺。

本實施例提供了一種佔地面積小、向空間(高空)發展的全新的空氣動力概念發電模式。這種風電模式可在屋型風電建築中使用。當聚風塔直徑1.1km左右、高度680m左右(十層～十二層平臺)時，佔地面積0.949km2左右，裝機容量可達2500萬千瓦左右，有效發電率88％。丹麥學者測得中高寬區域風力、風期均優於低空，年風期達6500小時左右。即使在東南沿海臺灣海峽優質風源地福建泉州海上風電場，測得年風期3800小時左右。本實施例以年風期3800h計算，則年發電量達到836億千瓦時，由此帶來的經濟效益極為可觀。

此外，聚風塔頂部還可以作為雨水收集平臺，或者放置光伏電池板進行光伏發電。

同時，本風力發電系統在上層建造的同時下層就可以運行發電，屬於一種邊建邊發電的優勢風電模式，而不需要一次性建成後發電。這樣，當整個系統全部建成之時，已發電相當可觀了。