CN101550904A - 无轴的垂直轴式风轮机 - Google Patents

Abstract

一种无轴的垂直轴式风轮机，其具有固定的中空芯，所述中空芯有内部的圆形墙壁和外部的圆形墙壁，内壁和外壁之间留有空间。转子可旋转地支撑于中空芯并且具有多个径向延伸的转子臂，每个转子臂的远端有风力驱动的转子叶片。

Description

无轴的垂直轴式风轮机

技术领域

本发明涉及风轮机，尤其涉及垂直轴式的风轮机。

背景技术

随着人类，尤其是发展中的国家，对能源需求的不断增加及对传统化石燃料供应是有限的认识，人们对可再生能源，诸如阳光、风、雨(水)、潮汐及地热等的利用的新方式及改进方式，兴趣越来越浓厚。几十年来，水力发电(Hydro-electricity)已经成为了可再生能源的的主流。然而，随着对阻堰塞水道造成的环境影响日益重视以及认识到清洁的饮用水是一种重要的资源，水力发电(hydro-generation)计划的认可性渐减。人们的关注已逐渐转移到利用风力作为未来大规模发电的资源。

风轮机可分类为水平轴式或垂直轴式风轮机。一般水平轴式风轮机具有一塔，塔上置有一围绕水平轴旋转的大型风扇状叶片，与风车相似。迄今，最大的水平轴式风轮机约高40层楼，叶片直径约126米。为了生产足够的电力供给公用电网，水平轴式风轮机被设置于大型风力发电场，该风力发电场拥有数百个分布于广范地区的风轮机。虽然它们能大量利用可再生能源，但是这些风力发电场占地面积大并且有碍观瞻。

传统的垂直轴式风轮机具有垂直延伸的旋转中轴。垂直轴式风轮机的主要优点是发电装置和变速箱可被设置在轴的底部，靠近地面，无需支撑塔去承担这些重量。另外，垂直轴式风轮机能接收来自任意方向的风，不需要沿垂直轴线转动或偏转以面对主风向。然而，因垂直轴式风轮机的受风面较大，垂直轴和风轮结构需承受巨大的侧向作用力。因此，迄今已知的垂直轴式风轮机的规模受到实际的限制。此外，因垂直轴式风轮机的转子环绕垂直轴线旋转，顺风部位随风移动，但相应的直径对立部位则逆风移动必需消抵迎面而来的风力。

本发明的目的之一是提供一种无轴的垂直轴式风轮机，使风轮机的规模可比迄今为止已知的风轮机更高、更大，能更大地利用风能。本发明的另一目的是提供一种克服或至少改善了已知风轮机缺点的垂直轴式风轮机，或至少为公众提供一有用的选择。

发明内容

根据本发明，提供一种无轴的垂直轴式风轮机，其包括：

固定的中空芯，该中空芯有内部的圆形墙壁和外部的圆形墙壁，内壁和外壁之间留有空间；和

转子，该转子被可旋转地支撑于中空芯，并且具有多个径向延伸的转子臂，每个转子臂的远端有风力驱动的转子叶片。

优选地，所述风轮机在内墙壁与外墙壁间的空间内进一步设有多个连接内壁和外壁的垂直肋式骨干。

优选地，所述风轮机进一步具有两个或以上，各自独立围绕所述中空芯旋转的转子。

优选地，每一个转子用机械的方式与发电装置连接。

优选地，每个转子均驱动一发电装置。

优选地，发电装置是直驱式风力发电装置。

优选地，所述风轮机进一步置有分别位于中空芯和转子的对应发电绕圈组，用于在所述中空芯和转子相对运动过程中发电，无需使用任何的机械传动***。

优选地，所述转子被可旋转地支撑于中空芯外壁延伸出的壁架上。

优选地，所述中空芯的外壁为阶梯形，用以形成所述壁架。

优选地，所述转子具有一组上部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于壁架上，及一组下部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于中空芯的外壁。

优选地，所述转子进一步置有第二组上部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于中空芯的外壁。

优选地，所述壁架置有翼墙，至少有上部轮子或第二上部轮子的其中一组与翼墙接合。

优选地，所述径向延伸的转子臂设有系-拉(tie-stayed)桁架构件。

优选地，所述径向延伸的转子臂朝远端方向逐渐变细。

优选地，所述风力驱动的转子叶片是升力型的转子叶片，并且所述转子臂进一步在邻近中空芯的位置设有阻力型的转子叶片。

优选地，所述转子具有一筒状的旋转盘，该旋转盘可旋转地支撑于中空芯，且有多个转子臂从旋转盘向外延伸出去。

优选地，所述风力驱动转子叶片是升力型的转子叶片，并且该转子进一步于旋转盘设置多个阻力型的转子叶片。

优选地，所述风轮机进一步包括抽水蓄能水力发电***。

本发明的其它方面将会在随后的描述中变得明确，该等描述仅为示例，并无意图限制本发明的使用或功能的范围。

附图说明

现以本发明的实施例，仅作为例子进行描述，并以随附的附图作参考，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的多层风轮机的截面正视图；

图2是经过图1的A-A线的截面平面图；

图3是经过图1的B-B线的截面平面图；

图4是第一实施例的风轮机的转子臂和叶片的截面正视图；

图5是第一实施例的风轮机的转子安装和发电装置布置的图示；

图6是第一实施例的风轮机的发电装置的可替代实施例的图示；

图7是第一实施例的风轮机的转子安装的第二布置的图示；

图8是第一实施例的风轮机的转子安装的第三布置的图示；

图9是根据本发明的具有不同转子臂结构的第二实施例的多层风轮机的截面正视图；

图10是经过图9的C-C线的截面平面图；

图11是经过图9的D-D线的截面平面图；

图12是第二实施例的风轮机的一对转子臂和叶片的截面正视图；

图13是经过第二实施例的风轮机的上部桁架臂的截面平面图；

图14是经过第二实施例的风轮机的下部桁架臂的截面平面图；

图15是用于在第二实施例的风轮机的转子安装装布置图示；

图16是在图15中示出的布置的顶端滚子组合的放大图；

图17是在图15中示出的在第二实施例的C-C线上的截面平面图；

图18是在图15中示出的在第二实施例的D-D线上的截面平面图；

图19是根据本发明的第三实施例的多层风轮机转子顶部的截面平面图，该风轮机具有不同设计的转子臂和在转子旋转盘圆周设有多个阻力型转子叶片；以及

图20是图19的实施例的转子底部的截面平面图。

具体实施方式

现对本发明以大型(即，高建筑物规模)的无轴垂直轴式多层风轮机来进行描述。风轮机的设计使它能被制成非常大的规模，尤其是比已知的风轮机大很多。迄今为止，最大的风轮机为叶片直径达126米的水平轴式风轮机。发明人意指的大型风轮机是指根据本发明的风轮机，其覆盖的基座处能够达到直径或宽度250至350米之间，其垂直高度达到300至500米之间或更高。然而，此表述并无意图限制本发明的使用或功能。本领域的技术人员将会理解到本发明的原理可以适用于任何规模的风轮机，更大的或更小的。

因根据本发明的风轮机可被制成如此大的规模，所以它能在风速较高的更高高度利用大面积的风。风的可能功率(P)由1/2ρAv³给出，在此处，ρ是空气的密度，A是风轮机的受风面积，v是风速。基于此，风轮机所产生的功率的量，将与转子扫过的面积按比例增加并按风速的立方递增。由于可达350米宽，所述风轮机转子扫过的面积很大。由于可达500米或更高的高度，此意味着风轮机将暴露于更高风速的风中。因此，根据本发明的风轮机可从风中攫取更高的能量。

构建上文所述规模的风轮机可利用已公知的建筑物构建和大型工程的技术。在世界上大多数国家已建有许多高达500米或更高的高楼。这些结构的建造技术很容易成为本领域技术人员所掌握的专门技术。这些已知的构造技术适用于在此处描述的风轮机的个别结构元素和特点。

优选的实施例的设备是“多层”式的，有多个独立的涡轮依附于一共用的垂直圆筒形支撑结构，垂直地叠起。每个涡轮分别具有各自的转子，与它本身的发电装置相连接，或是直驱的或是传动的或是其他的传输装置。垂直风轮机可能延伸至几百米的高度，因此，其在不同的高度所受的风向和风速会不同。每个涡轮可因应不同的受风情况，独立地与设置在不同高度的发电装置自由旋转。然而，这对本发明来说不是必需的，风轮机可以只有一个转子。

根据本发明的风轮机是无轴的。在本文件中，“无轴”是指风轮机的每个转子均是一个自由旋转的结构。没有与转子共轴线的轴以传输扭矩给发电装置，此有别于传统的旋转式电力机器和已知的垂直轴式和水平轴式风轮机。

第一优选的实施例

图1-5描述了根据本发明的第一实施例的无轴垂直多层式风轮机1。虽然规模对本发明来说不是关键的，但是所述涡轮的直径有350米和高度达500米。风轮机1具有三个基本的功能部份：垂直的支撑结构、至少有一个由风力驱动且附于所述支撑结构的转子以及由转子驱动的发电装置。在优选的实施例中，有多个独立旋转的转子，垂直地叠起，一个位于另一个之上。每个转子与设置在垂直支撑结构的相对应传动装置和发电装置相连接。

垂直的支撑结构包括构成风轮机1的中空芯的垂直延伸圆筒塔。该塔的直径一般是整个风轮机直径的15％至40％。在优选的实施例中，芯塔的直径是风轮机直径的25％。因风轮机直径有300米，芯塔的直径是75米。芯塔延伸至风轮机的整个高度，顶端可盖一个或平的、或倾斜的、或拱形的屋顶(未有示出)。所述芯塔由两个同心的圆形墙壁5、6构建而成，两壁间是空间7。多个肋式骨干8在空间7内按圆周分隔开设置，垂直地延伸且连接内部和外部的墙壁5、6。垂直的肋式骨干8把壁间的空间分隔成多个单元。在优选的实施例中，内部和外部塔壁5、6之间的距离约数米，在壁间的空间7内，有足够空间设置电梯竖井9、楼梯间10以及在与各转子相应的水平设置机器房以装置发电设备。所述芯塔的内部墙壁6内的区域，通常是中空的，在所述结构内造成一大的中心空间11。所述芯塔以钢筋混凝土构建，并且可采用已知的构建技术建造。芯塔的圆筒形双壁结构使芯塔的强度能承受由风产生的大侧向作用力。

风轮机的每一层均置有一附于芯塔且可自由旋转的转子19、20、21、22。各层的转子可以大小相同，也可以是不同的。每个转子19、20、21、22均含一有充分构架支撑的筒状旋转盘结构23，被可旋转地支撑于芯塔。多个系-拉式(tie-stayed)桁架臂26从旋转盘23的底部232径向延伸。从旋转盘23的顶部231延伸至径向桁架臂26远端的系紧构件27牵拉着径向桁架臂26。翼型的升力型叶片28位于每个径向桁架臂26的远端。叶片28装置在一个副支架24上，该副支架在铰链25处可枢转地与径向桁架26连接。叶片28能在铰链接头25枢转，可主动调校叶片受风的角度(在图2中用箭头E标出)，使风轮机可在广大范围的风情况下更有效地转动。在优选的实施例中，每个转子有三个对称地间隔开的桁架径向臂26和叶片28，然而，此表述并无意图限制本发明的使用或功能的范围。本领域的技术人员应该理解，2、4、5、6或更多个叶片可被使用，但功率和效率会有不同程度的改变。

参照图5，芯塔的外壁在每层转子19、20、21、22的高度水平均呈阶梯形状，形成了环绕芯塔外周的壁架(ledge)30。每个转子被可旋转地支撑于芯塔外周的各个壁架30上。每个壁架30的外部边缘建有翼墙35。转子朝里延伸的钩状框架部分233位于壁架30的上方。一组轮子或滚子31沿框架朝里延伸部分233的内部边缘圆周设置，并且在翼墙35内侧表面的圆形轨道351水平地运行。第二组轮子或滚子32在框架相关部分233的下侧，沿其内部边缘的圆周设置，在翼墙35上侧表面的第二圆形轨道352上垂直地运行。上部轮子或滚子组合31、32依靠混凝土芯塔的外周为转子提供了垂直的和横向水平的支撑。在旋转盘23底部232的内周，亦设置多个止推滚子33。该止推滚子33沿芯塔外壁5圆形轨道353运行，依靠芯塔的外周为转子的下部提供了横向的支撑。故此，每个转子的框架顶部垂直地悬挂于壁架30，通过上部轮子和滚子31、32和止推滚子33的协作，为转子提供了垂直的和横向水平的支撑。风与转子臂远端翼型叶片的相互作用使转子围绕芯塔旋转。

转子的运动，通过设置于止推滚子33邻近的传动装置，机械地转动在芯塔的发电装置40。一对齿轮42、43可旋转地设置在芯塔外壁的开口内。较小齿轮42接合设置在止推滚子33下方，旋转盘23下部的环状构件232内周的环齿轮44。随着转子的运动，环齿轮44转动较小齿轮42。较小齿轮42固定于较大齿轮43，较大齿轮43接合发电装置齿轮41转动发电装置40。

可供选择的发电装置布置

对本发明来说机械力转动的发电装置40不是必需的。任何类型合适的传动***和/或在本领域中已知的发电***均可被用于把转子旋转的能量转换成电力。例如，可采用无需使用任何的机械传动装置的直驱(无齿轮)式发电装置。直驱式的发电装置有一组定子和一组转子。其中的一组置有电磁绕圈组，若采用永久磁铁时，置有永久磁铁和其支架。另一组置有导电绕圈组。通过转子和定子的相对运动，在转子通过或经过定子时，产生电力。图6示出了这样的直驱式发电装置，其中，永久磁铁的磁场磁极61被连接至转子旋转盘23的朝里延伸的部分233的上部边缘，并且它的定子绕圈组60固定在外壁5。

可供选择的转子支撑布置

图7示出了转子安装在芯塔壁架30的第二布置。壁架30在其外部边缘置有去角的翼墙29。横向的稳定轮子311在设置于去角翼墙29表面的轨道354上运转，为旋转的转子提供横向的稳定性。图8再显示另一实施例：芯塔的外壁是没有台阶的圆筒形；转子安装在围绕芯塔外周设置的枕梁型滚子轨道梁34上。

含转子臂的另一可供选择布置的第二优选实施例

图9-14描述了根据本发明的第二优选的实施例的风轮机，其具有另一可供选择的转子臂布置。在这个实施例中，转子叶片由4个径向延伸的桁架臂461、462、261、262支撑于旋转盘。叶片28的上部由从转子旋转盘23的顶部231径向延伸的第一对水平的间隔开的桁架臂461、462支撑。叶片28的下部由从转子旋转盘23的下部232径向延伸的相对应的第二对水平间隔开的桁架臂261、262支撑。在上组和下组的桁架臂对461、462、261、262之间，对角的系-牵臂48从上组径向桁架臂461、462的内端延伸至下组径向桁架臂261、262的远端。每对桁架臂的引导架臂461、261亦可由拉条(stay)481，在水平面内，系-牵至转子的旋转盘23，以增加稳定性。

图15和16示出了安装转子于芯塔壁架30的另一种布置。此布置可采用于第二优选实施例的风轮机。壁架没有翼墙35。上部横向稳定轮子31被置于轨道351上运行，轨道351设置于芯塔外部圆周的表面。图17和18是这种布置的平面视图。

图19和20显示了转子臂的另一个可供选择的设计，其中，所述臂从旋转盘23朝向转子叶片28逐渐变细(形成锥形)。所述的逐渐变细给转子臂提供了更高的强度，以抵抗在转子旋转期间沿横向方向的挠曲和弯曲。

此外，发明人设想，为了减低转子臂在移动时经过空气的阻力，在这个和其他的实施例中，转子臂可安置在空气动力学形状的外壳内。

含叶片组合布置的第三优选的实施例

升力型垂直轴线风轮机的一个缺点是，当转子的叶片28在风中旋转时有与旋转方向相反的阻力(负的动力)。转子在启动时，需要足够高的风速吹过叶片的表面扌可产生启动转子所需的空气动力。为了克服上述困难，在本发明的另一个实施例中，在邻近旋转盘23位置加设有弯曲度的叶片，形成组合式的风轮机。图9-14显示了优选的实施例中的这种组合式风轮机。弯曲叶片被设置在上部和下部桁架对(461、462)、(261、261)之间。叶片45可如阻力型转子叶片在风中操作，帮助启动转子的转动。随着转子速度的增加，在翼型叶片28上产生的空气动力也增加，并且贡献给转子的转动力。在正常的转子速度时，主要的旋转力来自于翼型叶片28。

尽管在图9-14中示出的实施例都具有位于上部和下部的径向桁架臂对之间的3个弯曲的叶片45，但是这对本发明来说不是必要的。只要能在期望的风速足以开始转动转子，可任意选择设置于旋转盘23圆周弯曲叶片45的数量和大小。

图19和20显示了另一可供选择的叶片组合布置，其中，多个叶片45设置于转子的旋转盘23，独立于转子臂。与在图9-14中所描述的实施例相比，叶片45的数量较多，因而可较细小。在速度较高，当转子主要靠作用于外叶片28的升力操作时，叶片45引起的阻力会较小。

抽水蓄能***

图1亦示出了一个根据本发明的风轮机的重要但不是必要的特征。因风轮机的高度和规模，在芯塔中，在非常高的高度储存大量的水是可行的。大量的水可被储存在芯塔的内壁和外壁之间的上部空隙7内，而不需要对塔的上部进行非常大的额外加固。同样地，在所述塔较低部的中心的空间11内储存大量的水也不需要对所述塔进行非常大的额外加固。这些水可通过设置在壁间的空间中的或在内壁内表面上的管道，在上部的和下部的蓄水池间移动。当风的情况使产生的电量比需要供给电网或当地耗电量多时，由电泵把水从下部的蓄水池抽到上部的蓄水池中。当条件相反或在负载的高峰时，或当风小时，把水经过用于补充风力发电的水力发电装置从上部的蓄水池排回至下部的蓄水池。虽然抽水蓄能***在现有技术中是已知的，但是迄今为止由于受到风轮机塔的体积和强度以及单塔风力发电容量的限制，把抽水蓄能***结合至风力发电装置中是不可能的。通过设置非常坚固的高且大的塔和通过装置大型多层转子以使单塔有大的发电容量，根据本发明的塔克服了这些问题。

在上述的描述中，对具有已知的对应物的整体或部件进行了引用，那么这些对应物如同在此处单独提出一样都包含在本发明中。

尽管已经描述了本发明的实施例，然而，应该理解到在不背离本发明的实质或附属的权利要求的范围的情况下，可进行变化、改进或修改。

Claims (18)

1.一种无轴的垂直轴式风轮机，其包括：

固定的中空芯，该中空芯有内部的圆形墙壁和外部的圆形墙壁，内壁和外壁之间留有空间；和

转子，该转子被可旋转地支撑于中空芯，并且具有多个径向延伸的转子臂，每个转子臂的远端有风力驱动的转子叶片。

2.根据权利要求1所述的无轴风轮机，在内墙壁与外墙壁之间的空间内，进一步设有多个连接内壁与外壁的垂直肋式骨干。

3.根据权利要求1所述的无轴风轮机，进一步具有两个或以上，各自独立围绕中空芯旋转的转子，一个位于另一个之上。

4.根据权利要求3所述的无轴风轮机，其中每一个转子用机械的方式与发电装置连接。

5.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其中每个转子均驱动一发电装置。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的无轴风轮机，其中所述的发电装置为直驱式风力发电装置。

7.根据权利要求1所述的无轴风轮机，进一步具有分别位于中空芯和转子的对应发电线圈组，用于在所述中空芯和转子相对运动过程中发电，无需使用任何的机械传动***。

8.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其中所述转子可旋转地支撑于中空芯外壁延伸出的壁架上。

9.根据权利要求8所述的无轴风轮机，其中所述中空芯外壁为阶梯形，用以形成所述壁架。

10.根据权利要求8所述的无轴风轮机，其中所述转子具有一组上部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于壁架上，及一组下部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于中空芯的外壁。

11.根据权利要求10所述的无轴风轮机，其中所述转子进一步具有第二组上部滚子或轮子，可旋转地支撑转子于中空芯的外壁。

12.根据权利要求11所述的无轴风轮机，其中所述壁架设有翼墙，和至少有上部轮子或第二上部轮子的其中一组与翼墙接合。

13.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其中所述径向延伸的转子臂设有系-拉桁架构件。

14.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其中所述径向延伸的转子臂朝远端方向逐渐变细。

15.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其中所述风力驱动的转子叶片是升力型的转子叶片，其转子臂进一步在邻近所述中空芯的位置设有阻力型的转子叶片。

16.根据权利要求1所述的无轴风轮机，其转子具有一筒状的旋转盘，该旋转盘可旋转地支撑于中空芯且有多个转子臂从所述旋转盘向外延伸。

17.根据权利要求16所述的无轴风轮机，其中所述的风力驱动转子叶片是升力型的转子叶片，其转子进一步于旋转盘设置多个阻力型的转子叶片。

18.根据权利要求1所述的无轴风轮机，进一步包括抽水蓄能水力发电***。

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