本發(fā)明涉及一種三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力而生產(chǎn)電的技術(shù)，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能并驅(qū)動發(fā)電機而生產(chǎn)電的系統(tǒng)。中國國家電網(wǎng)統(tǒng)計全球清潔能源市場有50萬億美元的市場份額。

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

傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機機組為桅桿結(jié)構(gòu)，通過一個長立桿將風(fēng)力發(fā)電機舉高到空中，為了保持長立桿在強風(fēng)作用下還具有足夠的強度，往往還需要在長立桿頂端和地面之間用數(shù)條與地面傾斜的鋼纜加固。如果應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機來獲取較高的發(fā)電功率時，就需要安裝較多的小型風(fēng)力發(fā)電機以增加總的風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪掃風(fēng)面積。為了減少風(fēng)力發(fā)電機之間在風(fēng)場中的互相干擾，還需要使他們之間具有適當?shù)拈g隔，占地面積很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種裝機容量大、占地面積小、發(fā)電效率高的垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：包括垂直設(shè)置的圓柱形的聚風(fēng)塔，聚風(fēng)塔內(nèi)垂直方向設(shè)有多層平臺，每層平臺上沿半徑方向由內(nèi)到外布置有多級風(fēng)力發(fā)電機組，每級風(fēng)力發(fā)電機組外周均設(shè)有風(fēng)道，同一半徑方向的風(fēng)道貫通連接；圓柱形聚風(fēng)塔的外立面設(shè)有迎風(fēng)口，迎風(fēng)口通過漸縮的喇叭口狀的風(fēng)道與內(nèi)部的風(fēng)道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風(fēng)道；聚風(fēng)塔中心設(shè)有一核心機組。

優(yōu)選地，沿半徑方向由內(nèi)向外風(fēng)道依次增大。

優(yōu)選地，沿圓周方向，相鄰組風(fēng)道之間通過墻體隔開。

優(yōu)選地，所述喇叭口狀的風(fēng)道為外大內(nèi)小型，沿半徑方向越向內(nèi)側(cè)延伸風(fēng)道越窄。

優(yōu)選地，所述喇叭口狀的風(fēng)道內(nèi)設(shè)有支撐立柱。

優(yōu)選地，所述聚風(fēng)塔頂部設(shè)有雨水收集平臺。

優(yōu)選地，所述聚風(fēng)塔頂部設(shè)有光伏發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用喇叭口狀的風(fēng)道，由于狹管效應(yīng)，風(fēng)從迎風(fēng)口進入后，基本每向內(nèi)100米長度，風(fēng)力會增加3級左右，空氣密度、風(fēng)速也同步升級。風(fēng)可以從一組風(fēng)道進入同一直徑方向的另一組風(fēng)道，驅(qū)動其內(nèi)的機組做功，可以最大限度地將大氣環(huán)流在人工控制條件下形成聚能。在風(fēng)力發(fā)電機組外周設(shè)置環(huán)形風(fēng)道，可以使來風(fēng)僅從環(huán)形的一側(cè)穿過，另一側(cè)風(fēng)較弱，因而不會產(chǎn)生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進而可以提高發(fā)電效率。

本發(fā)明提供的系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，裝機容量大，占地面積小，發(fā)電效率高，且使用壽命長，具有廣泛的應(yīng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)俯視圖；

圖2為本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖，所述的三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括一垂直設(shè)置的圓柱形的聚風(fēng)塔1，聚風(fēng)塔1內(nèi)垂直方向布置有多層平臺，每層平臺上沿半徑方向由內(nèi)到外布置有多級風(fēng)力發(fā)電機組2，每級風(fēng)力發(fā)電機組2外周均設(shè)有風(fēng)道，同一半徑方向的風(fēng)道貫通連接，且沿半徑方向由內(nèi)向外風(fēng)道依次增大；圓柱形聚風(fēng)塔1的外立面開有巨大的迎風(fēng)口，迎風(fēng)口通過漸縮的喇叭口狀的風(fēng)道4與最外側(cè)的風(fēng)道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風(fēng)道(每層平臺上均勻分布有偶數(shù)組這樣的風(fēng)道)。

圓柱形聚風(fēng)塔1的中心空置，同一直徑方向的兩組風(fēng)道貫通。沿圓周方向，相鄰組風(fēng)道之間通過混凝土澆鑄的墻體隔開。

喇叭口狀的風(fēng)道4內(nèi)設(shè)有支撐立柱，以保證建筑強度。

喇叭口狀的風(fēng)道4為外大內(nèi)小型，即越向內(nèi)側(cè)延伸風(fēng)道越窄。則由于狹管效應(yīng)，風(fēng)從迎風(fēng)口進入后，基本每向內(nèi)100米長度，風(fēng)力會增加3級左右，空氣密度、風(fēng)速也同步升級。當外界年均風(fēng)力6級時，風(fēng)道內(nèi)的壓力風(fēng)速以5級機組計(由外向內(nèi)依次為第一級、第二級……)，第一級機組受風(fēng)風(fēng)力9級(27m/s)，第二級機組受風(fēng)風(fēng)力11級以內(nèi)(扣除機組阻力作用、風(fēng)道摩擦、擾流系數(shù)等)，第三級機組受風(fēng)風(fēng)力大于12級，第四級機組受風(fēng)第風(fēng)力大于13級，五級機組受風(fēng)風(fēng)力大于14級(42m/s)。隨后風(fēng)會進入同一直徑方向的另一組風(fēng)道，驅(qū)動其內(nèi)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以最大限度地將大氣環(huán)流在人工控制條件下形成“聚能腔式”，所以風(fēng)力發(fā)電機組裝機容量也是逐漸向核心區(qū)域遞增的。

在風(fēng)力發(fā)電機組外周設(shè)置環(huán)形風(fēng)道，可以使來風(fēng)僅從環(huán)形的一側(cè)穿過，另一側(cè)的風(fēng)較弱，不會對風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生較大的逆勢作用，因而不會產(chǎn)生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進而可以提高發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能將來風(fēng)動能的50％左右作用于風(fēng)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(fā)電率大于80％(此發(fā)電率指總裝機容量技術(shù)發(fā)電比率，與年風(fēng)期無關(guān))。

本實施例的風(fēng)道設(shè)計是針對“垂直軸”風(fēng)電模式設(shè)計。由于垂直軸是垂直度左旋(右旋)的，所以并不需要常規(guī)“水平軸”式的160m-257m直徑空間，本實施例中風(fēng)力渦輪機組只需要幾十米直徑就夠了。設(shè)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，本實施例中風(fēng)力渦輪機組直徑僅需60m左右，大大減小了占地面積。

本實施例提供的三維空間密集布局垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)除了可以在較小的占地面積上高密度布局風(fēng)電機組外，它的壽命周期也非常長，平均壽命周期大于三十年，而且單臺裝機功率大，最小可達8兆瓦級/臺，最大可采用100兆瓦級/臺。

本實施例提供了一種占地面積小、向空間(高空)發(fā)展的全新的空氣動力概念發(fā)電模式。這種風(fēng)電模式可在屋型風(fēng)電建筑中使用。當聚風(fēng)塔直徑1.1km左右、高度680m左右(十二層～十六層平臺)時，占地面積0.949km²左右，裝機容量可達2500萬千瓦左右，有效發(fā)電率88％。丹麥學(xué)者測得中高寬區(qū)域風(fēng)力、風(fēng)期均優(yōu)于低空，年風(fēng)期達6500小時左右。即使在東南沿海臺灣海峽優(yōu)質(zhì)風(fēng)源地福建泉州海上風(fēng)電場，測得年風(fēng)期3800小時左右。本實施例以年風(fēng)期3800h計算，則年發(fā)電量達到836億千瓦時，由此帶來的經(jīng)濟效益極為可觀。

此外，聚風(fēng)塔頂部還可以作為雨水收集平臺，或者放置光伏電池板5進行光伏發(fā)電。

同時，本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在上層建造的同時下層就可以運行發(fā)電，屬于一種邊建邊發(fā)電的優(yōu)勢風(fēng)電模式，而不需要一次性建成后發(fā)電。這樣，當整個系統(tǒng)全部建成之時，已發(fā)電相當可觀了。

下面以某一具體的設(shè)計實例進行詳細明。

設(shè)聚風(fēng)塔高1000m、直徑1166m，占地面積1.067km²，裝置整體發(fā)電率88.88％，在年均6級風(fēng)力時風(fēng)6000小時的優(yōu)質(zhì)風(fēng)源地，計算如下：

中心核心機組每臺裝機容量10萬千瓦，裝機30臺/座(54m)，則其年發(fā)電量為：10萬千瓦*30臺*5000小時＝150億千瓦時；

風(fēng)道內(nèi)機組每平層設(shè)72臺三功能一體化機組，每臺裝機容量1.6萬千瓦，則其年發(fā)電量為：1.6萬千瓦*72臺*30層，3456萬千瓦*0.8888*5000小時＝1535.8464億千瓦時；

中心核心機組+風(fēng)道內(nèi)機組的裝機總量為：300萬千瓦+3456萬千瓦＝3756萬千瓦；

中心核心機組+風(fēng)道內(nèi)機組的年發(fā)電總量為：150億千瓦時+1535.8464億千瓦時＝1685.8464億千瓦時；

此外，屋頂百余萬平方米面積的太陽能光伏發(fā)電還會產(chǎn)生額外效益，同時屋頂百余萬平方米面積所收集的雨水凈化利用也會產(chǎn)生額外效益。

在實際使用中，還可以選擇年風(fēng)期大于6000小時的優(yōu)質(zhì)風(fēng)源地，這樣可以獲得更高的收益。

垂直軸大功率機組是集承重部分、風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)動部分、發(fā)電部分三功能一體化(模塊化設(shè)計)。這種設(shè)計的優(yōu)點是免去數(shù)十噸～數(shù)百噸重的長達數(shù)十米、直徑達數(shù)米～數(shù)百米以上巨型風(fēng)力渦輪機鋼軸。由于采用三位一體化設(shè)計，鋼軸的功能被弱化了，僅起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動部分作用。由于跨距過大，它又必須承擔(dān)起承重作用，這種作用就與電動自行車后輪原理相仿，電動自行車后輪軸是不轉(zhuǎn)的，它的功能是集放電、承重一體化設(shè)計的，有的電動自行車同時具有發(fā)電、充電功能。所以本申請采用模塊化設(shè)計，可使垂直軸機組大功率化(最大可達裝機容量20萬千瓦/臺以上)，同時又解決了鋼軸過大、過重、造價昂貴、不利批量化市場化的問題，也解決了大跨度(數(shù)十米～數(shù)百米)承重問題。關(guān)鍵是這種事物是前所未有的新事物、新東西。從技術(shù)上來講并不復(fù)雜，中國和西方工業(yè)發(fā)達國家應(yīng)該有這個能力造出這種簡單、實用、經(jīng)濟、優(yōu)化的三位一體化設(shè)計的多功能、可智能化運轉(zhuǎn)的發(fā)電組合體。該模式的另一優(yōu)勢是可集成化輸變電，巡護、管理、監(jiān)控方便，利用本聚風(fēng)塔高度優(yōu)勢，直接向高壓線塔輸電。

原先設(shè)計680m高度時，采用12-16層設(shè)計，改為1000米高度，30層大平層發(fā)電平臺設(shè)計，依舊采用聚能風(fēng)道任意組合模式設(shè)計，裝機功率風(fēng)道機組可以數(shù)兆千瓦級～3萬千瓦級/臺，核心機組可以3萬千瓦級/臺～三十萬千瓦級/臺(核心機組暫時只設(shè)一臺布局)，左右機組之間依然采用承重隔離墻(風(fēng)道)布局，這種超高設(shè)計的優(yōu)勢是最大化將300m-1000m高度的強氣流、6500小時以上的長年風(fēng)期被聚風(fēng)塔有效利用產(chǎn)生電能，以獲得更大經(jīng)濟效益。