專利名稱：模塊化垂直軸風力發(fā)電機及其模塊化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直軸風力發(fā)電機，特別是提供一種模塊化垂直軸風力發(fā)電機。 本發(fā)明還提供一種該大功率模塊化垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
垂直軸風力發(fā)電機以其受力情況合理、噪聲低、工作穩(wěn)定、方便維修等優(yōu)點在風力 發(fā)電領(lǐng)域迅速推廣，而發(fā)展大功率、超大功率風力發(fā)電機已經(jīng)成為風力發(fā)電的趨勢。垂直 軸風力發(fā)電機包括塔柱、套設(shè)在塔柱上的風輪以及置于塔柱上位于塔柱和風輪之間的發(fā)電 機，所述風輪包括支撐輪及葉片，支撐輪由若干支撐桿組成，葉片與該支撐桿連接，支撐桿 與發(fā)電機的轉(zhuǎn)動件連接。風輪轉(zhuǎn)動帶動固定在塔柱上的發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動發(fā)電。增大垂直 軸風力發(fā)電機的發(fā)電功率的常規(guī)措施是增大風輪直徑和增加風輪高度即增大葉片的長度， 這些做法都有較大的局限性。風輪的直徑越大，連接葉片的支撐桿長度也就需要做得越長， 由于帶有葉片的支撐桿為懸臂梁，支撐桿長度越長，使得葉片位置越容易偏斜，為了避免葉 片的過度傾斜，就要將支撐桿的截面尺寸做得越來越大，而這會影響到風輪的氣動性能，增 大風阻力，也使得風輪的制造成本和制造難度大大提高，并且單純增大風輪半徑會降低風 場面積的有效利用率，降低風力發(fā)電機裝機密度，不能充分利用垂直軸風力發(fā)電機在高度 方向上可以任取截風面積的優(yōu)勢；而增加葉片的長度，由于自然風具有高處較低處更大的 特點，葉片過長使得葉片上下承受的風扭矩差增大，這會導致葉片承受較大的扭矩，很容易 損壞，并且對發(fā)電機的配置也會帶來很大困難。因此，通常垂直軸風力發(fā)電機的功率難以做大，做到兆瓦級已很困難，要想再提高 功率，難度就更大。另一方面，不同的使用條件和用戶，往往要求不同的功率，針對不同的功 率要求去設(shè)計開發(fā)大功率垂直軸風機，不僅開發(fā)成本大，而且由于規(guī)格不一，生產(chǎn)制造成本 也很高。為此，模塊化、系列化的設(shè)計制造垂直軸風力發(fā)電機具有非常重要的科學和經(jīng)濟意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服大功率垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計制造困難，提供一種模塊 化垂直軸風力發(fā)電機，通過利用先期開發(fā)的一種或幾種較小功率的風力發(fā)電機又稱為模 塊，就可以方便地得到各種功率的特大功率垂直軸風力發(fā)電機，極大地降低特大功率垂直 軸風力發(fā)電機的設(shè)計、生產(chǎn)制造成本。本發(fā)明的另一個目的在于提供該模塊化垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為—種模塊化垂直軸風力發(fā)電機，包括一塔柱，在該塔柱上，上下依次設(shè)置有至少兩 個垂直軸風力發(fā)電機模塊，每個所述風力發(fā)電機模塊包括一個風輪模塊和與之連接的發(fā)電 機，所述風輪模塊包括至少一個支撐輪及若干葉片，所述葉片垂直設(shè)置，通過所述支撐輪與 所述塔柱連接，其中至少一個所述支撐輪與塔柱之間連接所述發(fā)電機，所述發(fā)電機的定子固定在所述塔柱上，所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與所述支撐輪連接。在一個風輪模塊中，所述支撐輪是兩個或兩個以上，可以在每個支撐輪與塔柱之 間都設(shè)置發(fā)電機，也可以只在其中一部分支撐輪與塔柱之間設(shè)發(fā)電機，而其它支撐輪與塔 柱之間通過軸承連接在一起。連接所述發(fā)電機的所述支撐輪包括若干支撐桿，該支撐桿的個數(shù)與所述葉片個數(shù) 相同，各個所述支撐桿在周向均布地固定在一發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，所述葉片與所述支撐桿 的外端固定連接。在一個風機模塊中，所述支撐輪是兩個或兩個以上，每個所述支撐輪中的所述支 撐桿的數(shù)量相等；每個支撐輪中的各所述支撐桿在一個水平面上設(shè)置，各支撐輪中的所述 支撐桿在上下層分別對正設(shè)置，每個所述葉片與每一個所述支撐輪中的一根所述支撐桿的 外端固定連接，每個所述支撐輪中的所述支撐桿的內(nèi)端在周向均布地固定在一風輪輪轂或 一所述發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，在所有支撐輪中，至少一個所述支撐輪中的所述支撐桿固定在 一所述發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，連接風力發(fā)電機。各個所述風輪模塊是相同規(guī)格，或者是規(guī)格不相同的風輪。各個所述風輪模塊的直徑可以不同，其排列規(guī)律可以為在上的所述風輪模塊的 直徑最?。换蛘?，各個所述風輪模塊的直徑相同。也可以是在上的風輪模塊直徑較大。還可 以是，在上的所述風輪模塊不是最大的，也不是最小的。各個所述風輪模塊的直徑不同時，最上面的所述風輪模塊之下的各個所述風輪模 塊的排列順序可以為，直徑由小到大順序排列，或者由大到小順序排列，或者直徑大小參差 排列。在所述塔柱上，優(yōu)選疊加設(shè)置2個或3個所述垂直軸風力發(fā)電機模塊。所述模塊化垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計方法為首先制出規(guī)格相同或不同即發(fā)電功率相同或不同的兩個或兩個以上的所述垂直 軸風力發(fā)電機模塊，然后，將兩個或兩個以上的垂直軸風力發(fā)電機模塊，上下依次排列地設(shè)
置在一個塔柱上。將若干個所述垂直軸風力發(fā)電機模塊通過不同方式組合，制成不同功率的系列的 模塊化垂直軸風力發(fā)電機。具體的，通過選取模塊個數(shù)、選取不同或相同規(guī)格的模塊，取得兩個或兩個以上的 所述模塊，在將所選取的若干模塊上下排列，構(gòu)成所需功率的模塊化垂直軸風力發(fā)電機。本發(fā)明的設(shè)計理念是，先期開發(fā)少量幾種較小功率的垂直軸風機，作為基本垂直 軸風力發(fā)電機模塊。然后根據(jù)需要將其在高度方向上疊加，由組合形式不同，就可以得到多 種功率規(guī)格的風力發(fā)電機，尤其是可以組合出特大功率的垂直軸風風力發(fā)電機。例如，先期 開發(fā)A兆瓦和B兆瓦的兩個垂直軸風力發(fā)電機基本模塊，做出若干個A兆瓦和B兆瓦的垂 直軸風力發(fā)電機模塊，垂直軸風力發(fā)電機模塊的功率是以單一垂直軸風力發(fā)電機模塊構(gòu)成 風力發(fā)電機也就是多層疊加時的低層機位定義的，垂直軸風力發(fā)電機模塊向上疊加，每升 高一個機位，因風速在高度方向的梯度分布，其功率就會有所增加。例如，在第1層機位設(shè) 置時是A或B兆瓦的模塊，如被裝在自下往上第2層機位，則其功率分別增為Al = A+ Δ A, Bl = Β+ΔΒ;如被裝在自下往上第3層機位，則其功率分別為A2 =Α+ΔΑ1，Β2 = Β+ΔΒ1。 如做兩層疊加，則Α、Β兩個模塊就可組合出A+Bl，A+Al，B+Al，Β+Β1四種功率的系列垂直軸風力發(fā)電機。如作3層疊加，則可得到8種功率的系列垂直軸風力發(fā)電機機。這樣，雖然實 際上只開發(fā)了 A、B兩種垂直軸風力發(fā)電機，通過2層或3層的疊加，實際上相當于開發(fā)了 2+4+8 = 14種風機，從中可以方便地篩選出有效的垂直軸風力發(fā)電機系列。一般高度方向垂直軸風力發(fā)電機模塊的層數(shù)，以控制在3層或3層以下為宜，再增 加層數(shù)會增加塔柱設(shè)計制造的難度，但在塔柱強度可以保證的前提下，也可采用更多層數(shù)， 進一步提高空間利用率。同樣道理，如果開發(fā)3個基本模塊，則僅用到3層疊加就可得到 3+9+27 = 39種不同功率的垂直軸風力發(fā)電機，從中可以篩選建立更為細化的垂直軸風力 發(fā)電機系列。這種模塊化疊層的方法，其明顯的好處是只需對少量幾個模塊準備工裝和生 產(chǎn)，就可以組合生產(chǎn)出系列化的多種垂直軸風力發(fā)電機。從塔柱受力的合理性考慮，疊層時以較大直徑的風輪在下、較小直徑的風輪在上 比較合理。但因上層的來風能量大，從風能利用的角度，則以上層配置較大直徑的風輪更為 合理。建立風機系列時必須綜合考慮受力合理性及風能利用效率。兩種疊層方式均可，前 提是下層垂直軸風力發(fā)電機模塊所在位置的塔柱強度必須足夠，而塔柱的設(shè)計制造技術(shù)已 很成熟。采用疊層式結(jié)構(gòu)設(shè)計制造大功率垂直軸風機的另一個好處是可以增加風場內(nèi)的 裝機密度，提高風場的面積利用率。例如，利用一個2MW模塊和一個IMW模塊疊加，可以得 到3. 2MW的垂直軸風力發(fā)電機，其在風場中的占地面積則由2MW模塊的風輪直徑?jīng)Q定，而一 個單機3. 2MW的風機，即使不計制造困難和成本，其占地面積也遠比2MW風機大。本發(fā)明提供的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，掙脫了傳統(tǒng)的一臺風機一個風輪的習慣 思維束縛，為大功率及特大功率垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計制造提供了一種新的思路。每個 垂直軸風力發(fā)電機模塊可以獨立旋轉(zhuǎn)，因而能充分利用高度方向上呈梯度分布形式的風力 資源。本發(fā)明不僅提供了一種可以制造大功率或特大功率垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計制造的 便捷途徑，而且由于其模塊化的特征，即只需少量基本垂直軸風力發(fā)電機模塊的生產(chǎn)技術(shù) 設(shè)備，就可生產(chǎn)一系列的不同規(guī)格的大功率或特大功率風力發(fā)電機，極大地降低大功率或 特大功率垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計制造成本，利用本發(fā)明，可以方便地把垂直軸風力發(fā)電 機的發(fā)電功率提高到數(shù)兆瓦乃至十幾兆瓦，因此，具有很好的應(yīng)用前景和市場前景。


圖1為本發(fā)明提供的由基本垂直軸風力發(fā)電機模塊疊加而成的垂直軸風力發(fā)電 機的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，一種模塊化垂直軸風力發(fā)電機，包括一塔柱8，在該塔柱8上，上下依 次設(shè)置有三個垂直軸風力發(fā)電機模塊，即模塊1、模塊2和模塊3。每個所述風力發(fā)電機模 塊包括一個風輪模塊和與之連接的兩個發(fā)電機，風輪模塊包括一個支撐輪及若干葉片4，所 述葉片4垂直設(shè)置，通過所述支撐輪與所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連接。一個支撐輪包括若干支撐桿，支撐桿的個數(shù)與葉片4個數(shù)相同，各個所述支撐桿 在周向均布地固定在一發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，所述葉片與所述支撐桿的外端固定連接。支撐 桿可以是不在一個水平面上的。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)是，一個支撐輪中的各個支撐桿在一個水平面上設(shè)置，而一個風輪模塊中包括兩個或兩個以上支撐輪。所有支撐輪與塔柱之間可以都設(shè) 置發(fā)電機，也可以一部分支撐輪上連接發(fā)電機，而另一些支撐輪與塔柱之間設(shè)置軸承。在如圖1所示的實例中，在每個模塊中，所述支撐輪是兩個，每個所述支撐輪中的 支撐桿5的數(shù)量相等；每個支撐輪中的各所述支撐桿5在一個水平面上設(shè)置，各支撐輪中的 所述支撐桿在上下層分別對正設(shè)置，每個所述葉片4與每一個所述支撐輪中的一根所述支 撐桿5的外端51固定連接，每個所述支撐輪中的支撐桿5的內(nèi)端在周向均布地固定在一發(fā) 電機外置轉(zhuǎn)子7上，所述發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子7套設(shè)在設(shè)于塔柱上相應(yīng)的發(fā)電機定子上組成發(fā) 電機。本發(fā)明提供的設(shè)計方法是，首先制出規(guī)格相同或不同即發(fā)電功率相同和/或不同 的兩個或兩個以上的所述垂直軸風力發(fā)電機模塊，然后，將兩個或兩個以上不同或同一種 規(guī)格的風力發(fā)電機模塊，利用塔柱在其高度方向上串聯(lián)疊加，得到大功率或特大功率垂直 軸風力發(fā)電機，即由一根塔柱8，2-3個或更多的垂直軸風力發(fā)電機模塊以及一套控制系統(tǒng) 組成大功率垂直軸風力發(fā)電機。如圖1的例子中，根據(jù)需要制成三種或更多種規(guī)格的模塊， 然后，通過選取模塊個數(shù)、選取不同或相同規(guī)格的模塊，取得兩個或兩個以上的所述模塊， 例如選取三種不同規(guī)格的模塊，模塊1、模塊2、模塊3是直徑和葉片長度向上逐漸減小的三 個風輪模塊。再將所選取的若干模塊上下排列，構(gòu)成所需功率的模塊化垂直軸風力發(fā)電機。 例如，選取三種不同規(guī)格的模塊，按照直徑大小不同，從上到下，按照直徑由小到大排列設(shè) 置在塔柱上。制成客戶需要功率的風力發(fā)電機。也可以在塔柱8上設(shè)置幾個相同規(guī)格的垂直軸風力發(fā)電機模塊，每個模塊在風力 驅(qū)動下獨立旋轉(zhuǎn)發(fā)電，其轉(zhuǎn)速互不相干，可以有效應(yīng)對風力在高度方向上的梯度分布，提高 風能利用率。本發(fā)明提供的大功率模塊化垂直軸風力發(fā)電機，由一根塔柱，兩個或兩個以上可 以獨立旋轉(zhuǎn)運行的風機模塊及一個綜合的控制系統(tǒng)組成一個完整的系統(tǒng)。一臺風機由兩個 或以上的風輪組成，這掙脫了傳統(tǒng)的一臺風機一個風輪的習慣思維束縛，為大功率及特大 功率垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計制造提供一種新的方法。不同機位的垂直軸風力發(fā)電機模塊，可以是同一種規(guī)格的模塊，也可以是不同規(guī) 格的模塊。從下到上，所述模塊的直徑可以是逐漸減小的，如圖1所示，也可以是相反的，為 了充分利用高處較大的風能資源，可以采用直徑較大的風輪模塊?；蛘呤菬o規(guī)律的排布。這樣，由少量幾個模塊，通過本發(fā)明就可以組成大功率風力發(fā)電機的系列。也可以 設(shè)計少量幾種規(guī)格的模塊若干，通過不同的組合，制造出多種功率的風里發(fā)電機，滿足各種 客戶的多種功率方面等需求。各所述垂直軸風力發(fā)電機模塊可以是自帶塔柱，在疊加上，各個模塊連接的塔柱 通過法蘭或焊接連接在一起的。在塔柱8的上端可設(shè)有避雷針9。
權(quán)利要求
1.一種模塊化垂直軸風力發(fā)電機，包括一塔柱，其特征在于在該塔柱上，上下依次設(shè) 置有至少兩個垂直軸風力發(fā)電機模塊，每個所述風力發(fā)電機模塊包括一個風輪模塊和與之 連接的發(fā)電機，所述風輪模塊包括至少一個支撐輪及若干葉片，所述葉片垂直設(shè)置，通過所 述支撐輪與所述塔柱連接，其中至少一個所述支撐輪與塔柱之間連接所述發(fā)電機，所述發(fā) 電機的定子固定在所述塔柱上，所述發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與所述支撐輪連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在一個所述風輪模 塊中，所述支撐輪是兩個或兩個以上，在每個所述支撐輪與塔柱之間都設(shè)置發(fā)電機，或者， 只在其中一部分所述支撐輪與所述塔柱之間設(shè)所述發(fā)電機，而其它所述支撐輪與所述塔柱 之間通過軸承連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于連接所述發(fā)電 機的所述支撐輪包括若干支撐桿，該支撐桿的個數(shù)與所述葉片個數(shù)相同，各個所述支撐桿 在周向均布地固定在一發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，所述葉片與所述支撐桿的外端固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于每個所述支撐輪中 的所述支撐桿的數(shù)量相等；每個支撐輪中的各所述支撐桿在一個水平面上設(shè)置，各支撐輪 中的所述支撐桿在上下層分別對正設(shè)置，每個所述葉片與每一個所述支撐輪中的一根所述 支撐桿的外端固定連接，每個所述支撐輪中的所述支撐桿的內(nèi)端在周向均布地固定在一風 輪輪轂或一所述發(fā)電機外置轉(zhuǎn)子上，至少一個所述支撐輪中的所述支撐桿固定在一所述發(fā) 電機外置轉(zhuǎn)子上，連接風力發(fā)電機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于各個所述風輪模塊 是相同規(guī)格的風輪，或者是規(guī)格不相同的風輪。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4或5所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于各個 所述風輪模塊的直徑不同；或者，各個所述風輪模塊的直徑相同；或者，各個所述風輪模塊的直徑不同，其排列規(guī)律為在上的風輪模塊直徑最大；或者，在上 的所述風輪模塊的直徑最?。换蛘?，在上的所述風輪模塊的直徑在所有所述模塊中小于最 大直徑的模塊，但大于最小直徑的模塊，即不是最大的，也不是最小的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于各個所述風輪模塊 的直徑不同時，最上面的所述風輪模塊之下的各個所述風輪模塊的排列順序為，直徑由小 到大順序排列，或者由大到小順序排列，或者直徑大小參差排列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機，其特征在于在所述塔柱上，疊加 2個或3個所述垂直軸風力發(fā)電機模塊。
9.一種模塊化垂直軸風力發(fā)電機的設(shè)計方法，其特征在于首先制出規(guī)格相同或不同即發(fā)電功率相同和/或不同的兩個或兩個以上的所述垂直 軸風力發(fā)電機模塊，然后，將兩個或兩個以上的垂直軸風力發(fā)電機模塊，上下依次排列地設(shè)置在一個塔柱上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的模塊化垂直軸風力發(fā)電機設(shè)計方法，其特征在于通過選取 模塊個數(shù)、選取不同或相同規(guī)格的模塊，取得兩個或兩個以上的所述模塊，再將所選取的若 干模塊上下排列，構(gòu)成所需功率的模塊化垂直軸風力發(fā)電機。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模塊化垂直軸風力發(fā)電機，包括一塔柱，其上上下依次設(shè)置有至少兩個垂直軸風力發(fā)電機模塊，風力發(fā)電機模塊包括一風輪模塊和與之連接的發(fā)電機，風輪模塊包括支撐輪及若干葉片，葉片垂直設(shè)置，通過支撐輪與塔柱連接，其中至少一個支撐輪與塔柱間連接發(fā)電機，其定子固在塔柱上，轉(zhuǎn)子與支撐輪連接。本發(fā)明還提供上述風力發(fā)電機的設(shè)計方法。本發(fā)明掙脫了傳統(tǒng)的一臺風機一個風輪的習慣思維束縛，能方便地制作大功率及特大功率垂直軸風力發(fā)電機。充分利用高度方向上分布的風力資源。只需少量基本模塊的生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備，就可生產(chǎn)一系列的不同規(guī)格的大功率或特大功率風力發(fā)電機，極大降低設(shè)計制造成本，因此，具有很好的應(yīng)用前景和市場前景。
文檔編號F03D3/06GK102135070SQ20111004937
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者蔣大龍, 許金泉 申請人:國能風力發(fā)電有限公司