CN106762429A - 蜂窝风力发电站 - Google Patents

Abstract

本发明提供蜂窝风力发电站，包括框架和风力发电机，框架呈规则网格状的形成有若干格子，格子中设有风力发电机。本发明的蜂窝风力发电站通过框架将风力发电机集中设置，具有较大的发电规模优势和建造成本优势，是一种占地面积小、能有效利用高空风能的、高风能利用率的蜂窝风力发电站。

Description

蜂窝风力发电站

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体而言，涉及蜂窝风力发电站。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高的优点。目前投入商业运营的风力发电机主流风力发电机基本上是水平轴风力发电机。

风力发电机的支撑采用的是竖向直立塔筒，随着风力发电机单机容量的不断增大，目前主流风力发电机的容量已达2兆瓦—3.5兆瓦，相应的发电机整体重量已达70-100吨，塔筒直径也已达4米以上，随着设备的道路超限运输已快达极限，设备道路运输而变的更加困难，设备的制作、运输、安装成本显著增加，因此水平轴风力发电机的发展已达到瓶颈期。

旋转轴是垂直的风力发电机叫垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机具有低噪声、维护简单等优点。但现有的垂直轴风力发电机由于叶片固定，叶片运动阻力较大，虽然有的叶片背部成流线型，但运动阻力仍然较大，因此传统垂直轴风力发电机的风能利用率较低。采用垂直轴风力发电机建设大规模的风力发电站几乎没有。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种占地面积小、能有效利用高空风能的、高风能利用率的蜂窝风力发电站。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

蜂窝风力发电站，包括框架和风力发电机，所述框架呈规则网格状的形成有若干格子，所述格子中设有所述风力发电机。

在示例性实施例中，所述风力发电机为垂直轴风力发电机。

在示例性实施例中，所述风力发电机包括发电机、风轮固定架、风轮转轴和实时变桨风轮，所述发电机的定子固定在所述风轮固定架上，所述风轮转轴与所述发电机的转子连接；

所述实时变桨风轮包括风轮支架、风桨和风桨转轴，至少三个所述风桨在竖直方向圆周均匀设于所述风轮支架上，每一所述风桨通过所述风桨转轴转动地与所述风轮支架连接；

所述风轮支架连接在所述风轮转轴上，所述风桨转轴在竖直方向上。

在示例性实施例中，所述实时变桨风轮还包括驱动装置，每一所述风桨转轴上连接有一所述驱动装置；

所述驱动装置驱动位于迎风半周的所述风桨始终垂直于风向的水平分向；

所述驱动装置驱动位于逆风半周的所述风桨始终平行于风向的水平分向。

在示例性实施例中，所述驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；所述驱动马达的输出轴与所述风桨转轴连接，所述控制器控制所述驱动马达转动。

在示例性实施例中，所述框架的顶端铺设有太阳能光伏发电板。

在示例性实施例中，所述框架呈平面的网格状。

在示例性实施例中，所述框架呈圆筒的网格状。

在示例性实施例中，每层所述框架中形成有安装检修通道，所述安装检修通道上设有运输轨道。

在示例性实施例中，还包括垂直电梯，所述垂直电梯在每层所述安装检修通道中停靠。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明的蜂窝风力发电站通过框架将风力发电机集中设置，具有较大的发电规模优势和建造成本优势，是一种占地面积小、能有效利用高空风能的、高风能利用率的蜂窝风力发电站。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的平面状的蜂窝风力发电站的主视图；

图2示出了本发明实施例所提供的平面状的框架的主视图；

图3示出了本发明实施例所提供的平面状的蜂窝风力发电站的侧视图；

图4示出了本发明实施例所提供的平面状的蜂窝风力发电站的俯视图；

图5示出了本发明实施例所提供的圆筒状的蜂窝风力发电站的俯视图；

图6示出了本发明实施例所提供的风力发电机的结构示意图；

图7示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的正常工作状态示意图；

图8示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的超风速状态示意图；

图9示出了本发明实施例所提供的实时变桨风轮的超风速时的极限工作状态示意图。

主要元件符号说明：

1-蜂窝风力发电站；11-风力发电机；111-实时变桨风轮；1111-风轮支架；1112-风桨；1113-风桨转轴；112-发电机；1121-风轮转轴；113-风轮固定架；12-框架；121-格子；122-安装检修通道；1221-运输轨道；123-垂直电梯。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对蜂窝风力发电站进行更全面的描述。附图中给出了蜂窝风力发电站的优选实施例。但是，蜂窝风力发电站可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对蜂窝风力发电站的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在蜂窝风力发电站的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

大尺寸的风力发电机相对于向右的兆瓦级水平轴发电机的发电容量较小，如选定的结构风力发电机的风轮的结构尺寸为25米*25米，则迎风面积可量化为625平方米，发电量估算为300-450kw，这个功率的风力发电机在上网的集电、变配电、地面占地等方面显然是不具有优势的，因而提供蜂窝风力发电站。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

实施例

请一并参阅图1到图4，本实施例提供蜂窝风力发电站1，包括框架12和风力发电机11。框架12呈规则网格状的形成有若干格子121，格子121中设有风力发电机11。

上述，框架12是蜂窝风力发电站1的主体，其内部形成有若干个格子121，且格子121呈蜂窝状分布。框架12可采用钢架、钢筋混凝土或两者的结合。通过格子121在平面方向和竖直方向的组合，实现风力发电机11的网格式分布，也可称为蜂窝状分布。

蜂窝风力发电站1的框架12可以呈平面的网格分布，形成一字型蜂窝风力发电站1。蜂窝风力发电站1的框架12可以呈圆筒状的网格分布，形成环形蜂窝风力发电站1。

当蜂窝风力发电站1的高度较小、规模较小时，框架12的高度不太高，风机的检修安装可以靠底面吊车完成，其优点为框架12的梁柱构件少，单位造价低，缺点为每次大型检修需要有外部吊车配合，检修成本较高。

本实施的框架12为长方体框架12，即格子121呈平面蜂窝状分布。每层框架12中形成有安装检修通道122，安装检修通道122上设有运输轨道1221，运输轨道1221在安装检修通道122的中心安装，并向格子121中延伸。

此时的框架12即为双层框架12，即在同一水平层上的一行的格子121用于放置风力发电机11，另一行用做检修和安装风力发电机11使用，每一层的安装检修通道122上设有运输轨道。运输轨道用于搬运风力发电机11的大型构件。

在另一实施例中，如图5所示，框架12为圆筒状的框架12，即格子121呈圆环的蜂窝状分布。每层框架12中形成有安装检修通道122，安装检修通道122上设有运输轨道1221，运输轨道1221在安装检修通道122的中心安装，呈圆形，辐射状的向格子121中延伸。框架12的格子121组成了首尾连接的360°全方位的风力发电站，其圆环形结构具有较好的力学性能，适合建造大规模的超高框架12的蜂窝风力发电站1，能利用更高高空的风力资源。

可以理解，框架12的形状不限于所举例的两种，还可以是其他的形状。

将框架12多层布置的优点是框架12结构强度高，适合建造高度较高的蜂窝风力发电站1，另一优点是风力发电机11的安装、检修可依靠自身完成，安装、检修方便，成本低廉。

蜂窝风力发电站1还包括垂直电梯123，垂直电梯123在每层安装检修通道122中停靠。通过垂直电梯123将风力发电机11的实时变桨风轮111(下文提到)提拉到安装层，而后通过运输轨道运输到指定的格子121中，无需动用外部吊车。加设垂直电梯123也用于检修工人乘坐。

框架12的最底层的格子121中不设风力发电机11，其余的每一个格子121中各设有一个风力发电机11。框架12的最底层作为装配检修间。由于实时变桨风轮111的直径较大，不可能在工厂整体装备装配完成后运至工地，因此风轮的最终装配要在现场完成，检修间应能适应较大的实时变桨风轮111的装配。变配电设备也设于最底层的格子121中。

本实施例中，框架12的最顶端区域铺设有太阳能光伏板，最大限度的利用自然能量。

如图6所示，本实施例的风力发电机11为垂直轴风力发电机，它包括发电机112和风轮固定架113。发电机112设于风轮固定架113上。发电机112包括定子和转子，发电机112的定子与风轮固定架113固定，发电机112的转子与风轮转轴1121连接，从而在风轮转轴转动时带动转子做切割磁力线的运动，从而达到发电机112发电的效果。

风力发电机11还包括实时变桨风轮111，包括风轮支架1111、风桨1112和风桨转轴1113。至少三个风桨1112圆周均匀设于风轮支架1111上，每一风桨1112通过风桨转轴1113转动地与风轮支架1111连接。

实时变桨风轮111通过风轮支架1111连接在风轮转轴1121上，实时变桨风轮111在转动时带动风轮转轴1121一起转动，通过风轮转轴1121向发电机112输入动能。风力发电机11将风能转换成风轮转轴1121的动能，通过发电机112发电。

本实施例中，八个风桨1112圆周均布于风轮支架1111上。风轮支架由水平支撑杆构成。水平支撑杆圆周均匀的连接在风轮转轴1121上。水平支撑杆与风轮转轴1121垂直连接。

每一风桨转轴1113上连接有一条水平支撑杆，风桨转轴1113可相对风轮支架1111转动，即风桨转轴1113可相对水平支撑杆的连接处转动，如风桨转轴1113和水平支撑杆通过铰接连接。连接在水平支撑杆上的风桨转轴1113与水平支撑杆垂直。在实时变桨风轮111安装时，风轮转轴1121竖直安装，水平支撑杆在水平方向上，风桨转轴1113在竖直方向上，即风桨1112在竖直方向上。

在另一实施例中，风桨1112的数量不限于八个，可以为3个、4个，甚至是10个。可以理解，实时变桨风轮的受力面积，一方面和迎风角度有关，一方面和风桨1112的数量相关，理论上风桨1112的数量越多，受力面积越大。

根据风力发电机11的结构特点，实时变桨风轮111的风桨1112离风轮转轴1121最远，承载和固定风叶的水平支撑杆的强度和刚度要求较高。如要获得较大的风能风轮支架1111的几何尺寸会比较大，实时变桨风轮111的直径越大。风轮支架1111的尺寸也越大，风轮支架1111的尺寸达到一定程度，其制造难度和制造成本会徒然增大。因此性价比较高的带有实时变桨风轮111的风力发电机11并不会很大，同时由于发电功率的需求也不会太小。根据现已运行的垂直轴风力发电机11推断，本风力发电机11的实时变桨风轮111的直径应该在10-30米，叶片长度应该在10-30米。

带有实时变桨风轮111的风力发电机11为垂直轴风力发电机11。垂直轴风力发电机11无噪音，维护简单。成本远低于目前的水平轴风力发电机。第一个优势为对风力的反应较为灵敏，可在低风速、弱风力的条件下发电。第二个优势是恒定的受力特性优势。由于垂直轴风力发电机11惯性力与重力的方向始终不变，所受的是一恒定载荷，因而叶片疲劳寿命相对长。而水平轴风力发电机的风轮受到重力和惯性力的双重作用，重力方向不变，惯性力方向随时变化，一方面对于风轮的疲劳强度非常不利，另一方面也制约着水平轴风力发电机风轮尺寸的进一步增大。

实时变桨风轮111架与风轮固定架113之上，风轮转轴1121连接发电机112的输入轴。发电机112设于风轮固定架113的底部，风轮转轴1121同轴的设于风轮固定架113中，并延伸置风轮固定架113的顶部与风轮支架1111连接。

发电机112设于风轮固定架113的底部。发电时，实时变桨风轮111连带着风轮转轴1121转动，从而发电。实时变桨风轮111的转动直接驱动发电机112发电，避免了多级传动，传动效率更高。可以理解，发电机112还可以连接变速箱。

由于发电机112位于风轮固定架113的底部，减轻了风轮固定架113的承重，使得垂直轴风力发电机11更统一实现直接驱动，更便于安装、控制和维护，降低了安装、维护的成本。

风轮固定架113可以为筒塔或格子塔。筒塔为一体式建造的风轮固定架113，其一体式结构利于攀爬，便于风力发电机11发生故障时进行维修。格子塔为钢结构组装搭建而成，其结构灵活，搭建简单。

风桨转轴1113连接在风桨1112的纵向中线上，风桨1112和风桨转轴1113固定连接，且风桨1112。风桨1112呈板状，其表面或者说背部呈流线型，流线型的风桨1112具有较好的运动性能，减小了风桨1112与风的摩擦力。

由于风桨1112攻角的存在，实时变桨风轮111才能转动，攻角即为相对于一端圆周运动的外切线的角度，即当风向与风桨1112平行时攻角为零，风桨1112不受力，其余情况下攻角不为零，风桨1112或受推力或受阻力。

本实施例中，实时变桨风轮111还包括驱动装置(图中未示出)，每一转轴上连接有一驱动装置。驱动装置驱动位于迎风半周的风桨1112始终垂直于风向的水平分向。驱动装置驱动位于逆风半周的风桨1112始终平行于风向的水平分向。

上述，因为实时变桨风轮111转动的驱动力来自于风的水平分力。驱动装置驱动迎风半周的风桨1112始终垂直于风向的水平分向，从而使得迎风半周的驱动力为最大。驱动装置驱动逆风半周的风桨1112始终平行于风向的水平分向，从而使得逆风半周的阻力虽不是零，但是尽可能小，提高了风能的利用率。

具体的，驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；驱动马达的输出轴与风桨转轴1113连接，控制器控制驱动马达转动。实时变桨风轮111在工作时一直在转动，风桨1112也在实时的连续的变化，其角度的变化的是连续的，不是阶跃性的变化，因而实时变桨风轮111在工作时噪声小、震动小，能够稳定的工作。

驱动马达连接在水平支撑杆上，电机的输出轴与风桨转轴1113连接，通过电机的转动直接带动风桨1112转动。在控制器上加设速度传感器、风向传感器等，实现风桨1112的实时寻风，从而实现风能的高利用率。

可以理解，驱动装置除了可以采用驱动马达驱动以外，还可以采用液压驱动、连杆驱动或电动液动连杆的组合驱动。驱动马达除了可以直接连接在风桨转轴1113驱动风桨转轴1113转动以外，还可以通过驱动连杆带动风桨转轴1113转动，该结构较为常见在此不赘述。

如图7所示，当风速未超过风力发电机11的额定风速时，迎风半周的风桨1112与风向垂直，逆风半周的风桨1112与风向平行，使得迎风面积最大，逆风面积最大。

如图8所示，当风速超过风力发电机11的额定风速时，若实时变桨风轮111的仍保持最大的迎风面积，风力发电机11会过载，造成损坏。此时风桨1112与原风向并非垂直态，以适当的减小迎风面，降低对风能的利用率，使得风力发电机11在额定负载下工作。

如图9所示，当风速超过风力发电机11的额定风速的极限状态下工作时，所有的风桨1112均平行于风向，实时变桨风轮111所受的阻力为零。当由于风桨1112不能制作的足够薄，和风桨1112不能制作的足够光滑，始终会有阻力存在，因而极限工作状态是不能达到的。

本发明的蜂窝风力发电站通过框架将风力发电机集中设置，具有较大的发电规模优势和建造成本优势，是一种占地面积小、能有效利用高空风能的、高风能利用率的蜂窝风力发电站。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.蜂窝风力发电站，包括框架和风力发电机，其特征在于，

所述框架呈规则网格状的形成有若干格子，所述格子中设有所述风力发电机。

2.根据权利要求1所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述风力发电机为垂直轴风力发电机。

3.根据权利要求2所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述风力发电机包括发电机、风轮固定架、风轮转轴和实时变桨风轮，所述发电机的定子固定在所述风轮固定架上，所述风轮转轴与所述发电机的转子连接；

所述实时变桨风轮包括风轮支架、风桨和风桨转轴，至少三个所述风桨在竖直方向圆周均匀设于所述风轮支架上，每一所述风桨通过所述风桨转轴转动地与所述风轮支架连接；

所述风轮支架连接在所述风轮转轴上，所述风桨转轴在竖直方向上。

4.根据权利要求3所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述实时变桨风轮还包括驱动装置，每一所述风桨转轴上连接有一所述驱动装置；

所述驱动装置驱动位于迎风半周的所述风桨始终垂直于风向的水平分向；

所述驱动装置驱动位于逆风半周的所述风桨始终平行于风向的水平分向。

5.根据权利要求4所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述驱动装置包括相互电性连接的控制器和驱动马达；所述驱动马达的输出轴与所述风桨转轴连接，所述控制器控制所述驱动马达转动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述框架的顶端铺设有太阳能光伏发电板。

7.根据权利要求1-5任一项所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述框架呈平面的网格状。

8.根据权利要求1-5任一项所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，所述框架呈圆筒的网格状。

9.根据权利要求1-5任一项所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，每层所述框架中形成有安装检修通道，所述安装检修通道上设有运输轨道。

10.根据权利要求9所述的蜂窝风力发电站，其特征在于，还包括垂直电梯，所述垂直电梯在每层所述安装检修通道中停靠。