專利名稱：聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，屬于發電設備領域。
背景技術：
風力發電機歸納起來可分為兩類水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，雖然 當前應用廣泛的水平軸風力發電機能夠利用高空風能，但利用率仍然偏低。根據貝茲極限 理論，目前水平軸風力機對風能的理論最大利用率為59.3%，而實際應用中，風能的利用 率遠低于這個數值。例如德國產2. 5兆瓦水平軸風力發電機，風輪直徑為80m，掃風面積為 5024m2，設計風速為15米/秒，風能利用效率僅為24. 1 %，當風速為9米/秒時其風能利用 效率達到最大值也僅為43%。當前應用廣泛的水平軸風力發電機由于受葉片結構強度的限制，單機功率很難超 過5兆瓦，而3兆瓦的風力發電機就已經是接近商業極限了，且造價昂貴，一般為1. 0萬元 /kw以上。水平軸風力發電機的增速機和發電機及其它設備等都要安裝到幾十米高度的塔 架頂端的機艙內，受高空空間狹小的制約，上述設備的體積和重量及外形都要受到嚴格的 限制，且結構復雜，故障率高，據統計平均開機率不到20%。日常檢查維護和出現故障后的 檢修也十分不便。由于投資和故障率高導致開機不足等因素的影響，裝備水平軸風力發電 機的風電場經濟效益較差，目前真正盈利的不多。這也嚴重地制約了風力發電這一綠色能 源產業的健康發展。垂直軸風力發電機較當前廣泛應用的水平軸風力發電機有一個突出的優點，就是 可以將增速齒輪箱和發電機(或其他工作機械)安放在地面上，安裝和維修費用低且方便。 但是，由于多種因素的限制，目前垂直軸風力發電機的功率不大，一般不超過300千瓦。

發明內容
根據上述現有技術中的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種風能利用率 更高、發電功率大、造價低且安裝維修方便的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置。本發明為解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種聚風雙擊式風輪垂直軸 風力發電裝置，包括風輪、支撐固定塔筒、垂直傳動軸、增速機和發電機，垂直傳動軸位于支 撐固定塔筒中，支撐固定塔筒上套裝一繞其轉動的空心圓筒，風輪固定在空心圓筒上，空心 圓筒通過垂直傳動軸連接增速機，增速機與發電機連接，其特征在于風輪的邊緣裝有流線 型升力葉片，風輪進風半圓周的前方設置聚風罩，聚風罩的支撐桿通過承重定位軸承連接 在支撐固定塔筒上，聚風罩靠近風輪一端沿風輪外邊緣通過軸固定整流導風板，聚風罩上 安裝自動泄風裝置。風輪的前半圓周進風，后半圓周出風，風力在風輪內形成自前向后的貫流，因此 風力先后兩次推動流線型升力葉片并帶動風輪繞支撐固定塔筒旋轉(逆時針或順時針均 可)，風輪將高空的風能轉換成巨大的動力后，可通過空心圓筒和垂直傳動軸傳遞到設在地
3面上的增速機，增速機將轉速提升后帶動發電機發出電力。在聚風罩內設置整流導風板，可 將與風輪旋轉方向相反的逆方向的風調整成與風輪旋轉方向相同的風并以最佳的攻角作 用到風輪的流線型升力葉片上，最大限度地吸收風的能量，從而大大提高了風能利用效率。所述聚風罩的進風口設置為喇叭口，沿進風方向聚風罩的口徑遞減。通過聚風罩 能夠將水平方向吹來的風聚攏和壓縮，一方面聚集風能，另一方面對風提壓加速。所述聚風罩的進風口四周設置伸縮式聚風板。在低風速時，可以將伸縮式聚風板 伸長，從而加大進風量以增加發電量。為確保聚風罩進風口始終正對著來風方向，設置自動對風裝置對于較大型風力機(IOkw以上)可設置由對風減速電機驅動的自動對風裝置，即 在聚風罩的下方設有固定在地面上的與支撐固定塔筒同心的環形軌道，環形軌道上設置帶 動力的承載聚風罩重量的輪式行走自動對風裝置，聚風罩與輪式行走自動對風裝置固定連 接。聚風罩的重量通過帶驅動力的輪子壓在環形軌道上，這樣可使驅動裝置的驅動力大且 功率消耗低。所述的輪式行走自動對風裝置為常規或者可以實現的裝置，其控制信號來自 于隨機風向計和隨機計算機控制系統。對于小型風力機(IOkw以下)可設置自動對風尾舵，即在承重定位軸承上固定自 動對風尾舵，自動對風尾舵和聚風罩對稱設置在支撐固定塔筒的兩側。所述的自動泄風裝置包括自動泄風門和自動擋風板，自動泄風門安裝在聚風罩左 右兩側的泄風口上，自動擋風板安裝在聚風罩進風口內中心的兩側，自動泄風門和自動擋 風板均通過軸與聚風罩連接。通過自動泄風裝置可將超過發電機額定功率的多余風力自動 漏泄掉，能方便快速地進行調速和安全保護，使風輪既能保持正常旋轉又不會因大風而造 成損壞。當自動泄風裝置泄風以后仍然不能降低風力發電機的功率時，對于小型風力機可 啟動電磁剎車使風機停止運轉，對于較大型風力機可啟動輪式行走自動對風裝置使聚風罩 偏轉一定的角度以進一步減少進入風輪的風量，從而保證風力發電裝置在強風中持續正常 運轉且不受強風損壞。本裝置中依據空氣動力學和流體力學理論設計的雙擊式風輪結構簡單，風輪的葉 片采用兩端及中部多點固定，牢固可靠，風能利用率高。啟動風速低0米/秒)且轉動慣量 大，能有效地平衡不均勻風速帶來的轉速波動。根據風輪直徑為0. 8米功率為500瓦的風 力發電機的驗證在風速為7米/秒時風能利用效率為47. 1%。在設計風速(15米/秒) 時其風能利用效率為四.5%，比水平軸風力發電機同風速的風能利用效率增加了 5. 4%0 4-11米/秒風速范圍內平均風能利用效率達41. 4% (德國產N80型2500千瓦大型水平軸 風力發電機相同風速范圍內的風能利用效率僅為39. 2% )。如果繼續加大該型風力發電機 的功率，其風能利用效率還將會進一步提高。因為有結構上的優勢，風輪的直徑和高度以及 聚風罩的尺寸可以在較大范圍內加大，從而為該型風力發電機的大型化甚至超大型化創造 了有利的條件，單機功率可達IOMw甚至更高。垂直軸結構的風輪將高空的風能轉換成巨大的動力后，可通過垂直傳動軸傳遞到 設在地面上的增速機、發電機或其它工作機械，高空沒有較大的部件和設備，使安裝和檢修 費用低，巡查維護方便，大大節省了運行成本，而且對增速機和發電機等運轉機械設備的重 量和外形尺寸沒有任何限制，可按通用設備的標準進行設計和制造；風輪以及葉片可以用
4普通材料加工制造，從而大大降低了設備的造價，初步估算單位造價不超過5000元/千瓦。該機風輪的葉尖速比很低(一般小于1.0)，使該風力發電機的噪音較低，不存在 水平軸風力發電機噪聲擾民的問題。整機結構簡單緊湊，沒有明顯和大幅運動的部件，因此 視覺效果好，可以在聚風罩上涂上各種色彩或將聚風罩作廣告牌使用，在產生綠色能源的 同時形成了亮麗的風景。由于本風力裝置的輸出功率和輸出扭矩大，因此可以方便地帶動大型的高效水泵 抽水蓄能，這樣可由多臺這種風力抽水機組并聯成一巨型的動力鏈條，匯集起來的高能量 水流經母管分別與水輪發電機和高位水庫聯通，水輪發電機可以均衡地發電，高位水庫起 到蓄能和平衡的作用，從而避免了由于風力發電不穩定對電網沖擊大的老大難問題，這樣 就使不穩定的風能轉變為穩定可控的清潔調峰電能，其經濟效益和節能減排效益將更加突 出ο本裝置的重心很低，更適合在海上安裝使用，可以在岸邊船塢內很方便地組裝在 海上浮動平臺上，然后用拖船拖到較深的海域用纜繩固定后發電。由于海面上的風能資源 更加豐富，所以可獲得比陸地上多70%的電能，本結構的發電裝置比海上水平軸風力發電 機的基礎和安裝費用要降低60%，總造價不超過1. 2萬元/千瓦。本發明的有益效果是聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置的聚風罩依據空氣動力學理論設計，具有聚 集風能和使風增速的雙重作用，提高了發電功率和效率；聚風罩中的整流導風板能夠將與 風輪旋轉方向相反的風調整成給風輪加速的正方向的風，進一步提高了風能利用率；自動 對風裝置使聚風罩的進風口始終正對著來風方向，通過自動泄風裝置能方便快速地進行調 速和安全保護，保證風力發電裝置在強風中持續正常運轉且不受強風損壞；葉尖速比很低 (一般小于1.0)，噪音小，不會對附近居民產生影響；重心低，適合在海上安裝使用，以挖 掘更豐富的風能資源；整機造價低，使風電場的投資大幅度降低，經濟效益突出；運轉設備 均安置在地面上，外形和重量不受限制，安全系數可大大提高，運轉更加可靠，故障率低，安 裝、維護和檢修均十分方便，使運行成本大幅度下降，適于大規模推廣應用。


圖1是本發明的結構示意圖之一；圖2是圖1的俯視圖；圖3是本發明的結構示意圖之二。圖中1、聚風罩；2、整流導風板；3、空心圓筒；4、風輪；5、流線型升力葉片；6、承 重定位軸承；7、垂直傳動軸；8、支撐桿；9、支撐固定塔筒；10、輪式行走自動對風裝置；11、 環形軌道；12、發電機；13、增速機；14、自動泄風門；15、自動擋風板；16、自動對風尾舵。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述如圖1 3所示，聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置主要包括聚風罩1、風輪4、 支撐固定塔筒9、垂直傳動軸7、增速機13和發電機12，風輪4固定在套裝于支撐固定塔筒 上并繞支撐固定塔筒轉動的空心圓筒3上，風輪4的邊緣裝有數個流線型升力葉片5，風輪4通過垂直傳動軸7連接增速機13，增速機13與發電機12連接，風輪進風半圓周的前方設 置聚風罩1，聚風罩1的進風口設置為喇叭口，聚風罩1的支撐桿8通過承重定位軸承6連 接在支撐固定塔筒9上，聚風罩1靠近風輪一端沿風輪外邊緣通過軸固定整流導風板2，聚 風罩1上安裝自動泄風裝置，即自動泄風門14和自動擋風板15，自動泄風門14安裝在聚風 罩1左右兩側的泄風口上，自動擋風板15安裝在聚風罩1進風口內中心的兩側，自動泄風 門14和自動擋風板15均通過軸與聚風罩1連接。為確保聚風罩進風口始終正對著來風方向，設置自動對風裝置對于較大型風力機(IOkw以上)可設置由電機驅動的輪式行走自動對風裝置10， 即在聚風罩1的下方設有固定在地面上的與支撐固定塔筒9同心的環形軌道11，環形軌道 11上設置帶動力的承載聚風罩重量的輪式行走自動對風裝置10，聚風罩1與輪式行走自動 對風裝置10固定連接，如圖1、2所示。輪式行走自動對風裝置為常規裝置，其控制信號來 自于風向計和隨機計算機系統，通過輪式行走自動對風裝置可以使聚風罩1圍繞支撐固定 塔筒8轉動的驅動力大且功率消耗低。對于小型風力機(IOkw以下)可選用自動對風尾舵16來達到自動對風的目的，即 在承重定位軸承6上固定自動對風尾舵16，自動對風尾舵16和聚風罩1對稱設置在支撐固 定塔筒9的兩側，如圖3所示。所述的聚風罩的進風口四周設置伸縮式聚風板。在低風速時，可以將伸縮式聚風 板伸長以增大進風面積，從而加大進風量以增加發電量。工作過程水平方向的風吹來時，輪式行走自動對風裝置11自動啟動或者自動對風尾舵16 在風力的作用下自動調整聚風罩1的方向，驅使聚風罩1的進風口正對來風方向，使風聚攏 和壓縮，聚風罩中的整流導風板2將與風輪4旋轉方向相反的風調整成給風輪加速的正方 向的風并以最佳的攻角作用到風輪的流線型升力葉片5上，由于風輪4的前半圓周進風，后 半圓周出風，風力在風輪4內形成自前向后的貫流，因此風力先后兩次推動流線型升力葉 片5并帶動風輪4繞支撐固定塔筒9旋轉(逆時針或順時針均可)。風輪4將高空的風能 轉換成的巨大動力通過空心圓筒3和垂直傳動軸7傳遞到設在地面上的增速機13，增速機 13將轉速提升后帶動發電機12發出電力。風力超過發電機的額定負載時，自動泄風門14 和自動擋風板15適度打開一定的角度，將多余的風力自動漏泄掉以保證發電機安全運行。當自動泄風門14和自動擋風板15開到最大角度仍然不能降低發電機的負荷時， 對于較大型發電機可啟動對風減速電機使聚風罩偏轉一定的角度以減少進入風輪的風量 從而降低發電機的負荷，從而保證風力發電裝置在強風中持續正常運轉且不受強風損壞； 對于小型發電機可啟動電磁剎車使風機停止運轉，以確保安全。
權利要求
1.一種聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，包括風輪、支撐固定塔筒、垂直傳動軸、 增速機和發電機，垂直傳動軸位于支撐固定塔筒中，支撐固定塔筒上套裝一繞其轉動的空 心圓筒，風輪固定在空心圓筒上，空心圓筒通過垂直傳動軸連接增速機，增速機與發電機連 接，其特征在于風輪的邊緣裝有流線型升力葉片，風輪進風半圓周的前方設置聚風罩，聚 風罩的支撐桿通過承重定位軸承連接在支撐固定塔筒上，聚風罩靠近風輪一端沿風輪外邊 緣通過軸固定整流導風板，聚風罩上安裝自動泄風裝置。
2.根據權利要求1所述的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，其特征在于所述聚 風罩的進風口設置為喇叭口，沿進風方向聚風罩的口徑遞減。
3.根據權利要求1所述的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，其特征在于所述的 自動泄風裝置包括自動泄風門和自動擋風板，自動泄風門安裝在聚風罩左右兩側的泄風口 上，自動擋風板安裝在聚風罩進風口內中心的兩側，自動泄風門和自動擋風板均通過軸與 聚風罩連接。
4.根據權利要求1、2或3所述的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，其特征在于 所述聚風罩的進風口四周設置伸縮式聚風板。
5.根據權利要求1所述的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，其特征在于所述的 承重定位軸承上固定自動對風尾舵，自動對風尾舵和聚風罩對稱設置在支撐固定塔筒的兩 側。
6.根據權利要求1所述的聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置，其特征在于聚風罩 的下方設有固定在地面上的與固定垂直軸同心的環形軌道，環形軌道上設置帶動力的承載 聚風罩重量的輪式行走自動對風裝置，聚風罩與輪式行走自動對風裝置固定連接。
全文摘要
聚風雙擊式風輪垂直軸風力發電裝置包括風輪、支撐固定塔筒、垂直傳動軸、增速機和發電機，垂直傳動軸位于支撐固定塔筒中，支撐固定塔筒上套裝一繞其轉動的空心圓筒，風輪固定在空心圓筒上，空心圓筒通過垂直傳動軸連接增速機，增速機連接發電機，風輪邊緣裝有流線型升力葉片，風輪進風半圓周的前方設置聚風罩，聚風罩的支撐桿通過軸承連接在支撐固定塔筒上，聚風罩靠近風輪一端沿風輪外邊緣通過軸固定整流導風板，聚風罩上安裝自動泄風裝置。聚風罩依據空氣動力學理論設計，能聚集風能、使風增速，提高了發電功率；整流導風板將風調整成給風輪加速的正向風，提高了風能利用率；自動泄風裝置保證發電裝置在強風中持續正常運轉且不受強風損壞。
文檔編號F03D3/04GK102128140SQ20111010565
公開日2011年7月20日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者梁道廣 申請人:梁道廣