本實(shí)用新型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(jī)械能并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)而生產(chǎn)電的系統(tǒng)。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)全球清潔能源市場(chǎng)有50萬(wàn)億美元的市場(chǎng)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(wèn)題。
傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組為桅桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)長(zhǎng)立桿將風(fēng)力發(fā)電機(jī)舉高到空中，為了保持長(zhǎng)立桿在強(qiáng)風(fēng)作用下還具有足夠的強(qiáng)度，往往還需要在長(zhǎng)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(jī)來(lái)獲取較高的發(fā)電功率時(shí)，就需要安裝較多的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)以增加總的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪掃風(fēng)面積。為了減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)之間在風(fēng)場(chǎng)中的互相干擾，還需要使他們之間具有適當(dāng)?shù)拈g隔，占地面積很大。
中國(guó)專(zhuān)利CN102953935A公開(kāi)了一種聚風(fēng)塔式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括一個(gè)外形帶有豎立的圓柱面的聚風(fēng)塔，以及可以圍繞聚風(fēng)塔圓柱面軸線回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)車(chē)架，風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在掛臂上，掛臂支承在回轉(zhuǎn)車(chē)架上，回轉(zhuǎn)車(chē)架可以帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞聚風(fēng)塔圓柱面的外側(cè)面回轉(zhuǎn)。聚風(fēng)塔塔體的外形可以將吹向它表面的風(fēng)流導(dǎo)向位于其圓柱面外側(cè)的各小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力和有效運(yùn)行時(shí)間。
聚風(fēng)塔式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)改變了一般小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)用一條長(zhǎng)立桿舉高到空中的形式，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，有更好的穩(wěn)固性、安全性和與周?chē)h(huán)境的協(xié)調(diào)性。但是其僅在聚風(fēng)塔的兩端掛臂上從上到下布置兩列小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，裝機(jī)容量小，占地面積大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種裝機(jī)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(wèn)題，本實(shí)用新型的技術(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(tái)，每層平臺(tái)上沿半徑方向由內(nèi)到外布置有多級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，每級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外周均設(shè)有環(huán)形風(fēng)道，同一半徑方向的環(huán)形風(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(guò)漸縮的喇叭口狀的風(fēng)道與最外側(cè)的環(huán)形風(fēng)道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風(fēng)道。
優(yōu)選地，沿半徑方向由內(nèi)向外所述環(huán)形風(fēng)道依次增大。
優(yōu)選地，所述聚風(fēng)塔的中心空置，同一直徑方向的兩組風(fēng)道貫通。
優(yōu)選地，沿圓周方向，相鄰組風(fēng)道之間通過(guò)墻體隔開(kāi)。
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(tái)。
優(yōu)選地，所述聚風(fēng)塔頂部設(shè)有光伏發(fā)電系統(tǒng)。
本實(shí)用新型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(jìn)入后，基本每向內(nèi)100米長(zhǎng)度，風(fēng)力會(huì)增加3級(jí)左右，空氣密度、風(fēng)速也同步升級(jí)。風(fēng)可以從一組風(fēng)道進(jìn)入同一直徑方向的另一組風(fēng)道，驅(qū)動(dòng)其內(nèi)的機(jī)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(jī)組外周設(shè)置環(huán)形風(fēng)道，可以使來(lái)風(fēng)僅從環(huán)形的一側(cè)穿過(guò)，另一側(cè)沒(méi)有風(fēng)，因而不會(huì)產(chǎn)生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進(jìn)而可以提高發(fā)電效率。
本實(shí)用新型提供的系統(tǒng)克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，裝機(jī)容量大，占地面積小，發(fā)電效率高，且使用壽命長(zhǎng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)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。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本實(shí)用新型講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
圖1為本實(shí)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(tái)，每層平臺(tái)上沿半徑方向由內(nèi)到外布置有多級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2，每級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2外周均設(shè)有環(huán)形風(fēng)道3，同一半徑方向的環(huán)形風(fēng)道貫通連接，且沿半徑方向由內(nèi)向外環(huán)形風(fēng)道依次增大；圓柱形聚風(fēng)塔1的外立面開(kāi)有巨大的迎風(fēng)口，迎風(fēng)口通過(guò)漸縮的喇叭口狀的風(fēng)道4與最外側(cè)的環(huán)形風(fēng)道貫通，形成沿半徑方向的一組貫通的風(fēng)道(每層平臺(tái)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(guò)混凝土澆鑄的墻體隔開(kāi)。
喇叭口狀的風(fēng)道4內(nèi)設(shè)有支撐立柱5，以保證建筑強(qiáng)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(jìn)入后，基本每向內(nèi)100米長(zhǎng)度，風(fēng)力會(huì)增加3級(jí)左右，空氣密度、風(fēng)速也同步升級(jí)。當(dāng)外界年均風(fēng)力6級(jí)時(shí)，風(fēng)道內(nèi)的壓力風(fēng)速以5級(jí)機(jī)組計(jì)(由外向內(nèi)依次為第一級(jí)、第二級(jí)……)，第一級(jí)機(jī)組受風(fēng)風(fēng)力9級(jí)(27m/s)，第二級(jí)機(jī)組受風(fēng)風(fēng)力11級(jí)以內(nèi)(扣除機(jī)組阻力作用、風(fēng)道摩擦、擾流系數(shù)等)，第三級(jí)機(jī)組受風(fēng)風(fēng)力大于12級(jí)，第四級(jí)機(jī)組受風(fēng)第風(fēng)力大于13級(jí)，五級(jí)機(jī)組受風(fēng)風(fēng)力大于14級(jí)(42m/s)。隨后風(fēng)會(huì)進(jìn)入同一直徑方向的另一組風(fēng)道，驅(qū)動(dòng)其內(nèi)的機(jī)組做功。
本實(shí)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(jī)組裝機(jī)容量也是逐漸向核心區(qū)域遞增的。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外周設(shè)置環(huán)形風(fēng)道，可以使來(lái)風(fēng)僅從環(huán)形的一側(cè)穿過(guò)，另一側(cè)沒(méi)有風(fēng)，因而不會(huì)產(chǎn)生反面旋翼渦流的牽扯反作用力，進(jìn)而可以提高發(fā)電效率。
本實(shí)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(lái)風(fēng)動(dòng)能的50％左右作用于風(fēng)力渦輪機(jī)旋翼面積上，它沒(méi)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(jī)容量技術(shù)發(fā)電比率，與年風(fēng)期無(wú)關(guān))。
本實(shí)施例的風(fēng)道設(shè)計(jì)是針對(duì)“垂直軸”風(fēng)電模式設(shè)計(jì)。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(shí)施例中風(fēng)力渦輪機(jī)組只需要幾十米直徑就夠了。設(shè)相鄰機(jī)組之間橫向間隔為20m左右，縱向間隔不超過(guò)100m，一臺(tái)裝機(jī)5萬(wàn)千瓦(50兆瓦級(jí)/臺(tái))風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，本實(shí)施例中風(fēng)力渦輪機(jī)組直徑僅需60m左右，大大減小了占地面積。
本實(shí)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(jī)組外，它的壽命周期也非常長(zhǎng)，平均壽命周期大于三十年，而且單臺(tái)裝機(jī)功率大，最小可達(dá)8兆瓦級(jí)/臺(tái)，最大可采用100兆瓦級(jí)/臺(tái)。
本實(shí)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(dòng)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(dāng)聚風(fēng)塔直徑1.1km左右、高度680m左右(十層～十二層平臺(tái))時(shí)，占地面積0.949km2左右，裝機(jī)容量可達(dá)2500萬(wàn)千瓦左右，有效發(fā)電率88％。丹麥學(xué)者測(cè)得中高寬區(qū)域風(fēng)力、風(fēng)期均優(yōu)于低空，年風(fēng)期達(dá)6500小時(shí)左右。即使在東南沿海臺(tái)灣海峽優(yōu)質(zhì)風(fēng)源地福建泉州海上風(fēng)電場(chǎng)，測(cè)得年風(fēng)期3800小時(shí)左右。本實(shí)施例以年風(fēng)期3800h計(jì)算，則年發(fā)電量達(dá)到836億千瓦時(shí)，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(tái)，或者放置光伏電池板進(jìn)行光伏發(fā)電。
同時(shí)，本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在上層建造的同時(shí)下層就可以運(yùn)行發(fā)電，屬于一種邊建邊發(fā)電的優(yōu)勢(shì)風(fēng)電模式，而不需要一次性建成后發(fā)電。這樣，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)全部建成之時(shí)，已發(fā)電相當(dāng)可觀了。