[發明專利]一種垂直軸風力機及具有其的風能船

有效

• 申請號: 201410523369.0
• 申請日: 2014-10-08
• 公開（公告）號: CN104314751A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 莫海路;莫魯路;莫安路;莫蓉
• 申請（專利權）人: 莫海路
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06;F03D11/00;F03D9/00;B63H19/00
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 張永生

技術領域

本發明涉及可再生能源利用技術領域內的風能利用裝置領域，尤其涉及一種垂直軸風力機及具有其的風能船。

背景技術

可再生能源的利用是當前國內外都十分重視的問題，而風能利用的主流產品就是水平軸風力發電機組，目前已經做到數兆瓦。但由于這種風力機的結構存在先天性的弱點，如風葉采用懸臂梁結構、風輪主軸承負荷不均衡等等，使進一步增大單機功率的技術難度和研制成本都大大增高。至今難于接近10兆瓦級門檻。相比水平軸風力機，垂直軸風力機的發展更緩慢。即使是業界認為最有可能與水平軸風力機競爭的達里厄式垂直軸風力機，至今也未進入大規模應用。制約其發展的主要因素有：

一.效率低。阻力型垂直軸風力機效率低下，沒有競爭力。而升力型一般都采用對稱型風葉，其升阻比相對較低。經查詢，目前國內外各種升力型垂直軸風力機的槳葉都不具備自動偏航功能，其槳葉在旋轉過程中，每一周只有兩處才可達到升力最大。利用葉素理論和矢量分析法將其升力分解后可知，能夠利用來推動風輪旋轉的，只有與風輪旋轉圓面相切的那一部分力。

二.難以做大功率。以Φ型達里厄風力機為例，欲做大功率，就要增大其風輪的掃掠面積，必須增加中軸的長度。為了防止其細長的中軸在風中彎折，需要用數根纜繩將中軸頂端的軸承座固定，如圖1所示。這種結構限制了風輪的安裝高度，使其只能在接近地面的高度運轉。而接近地面的風力一般較弱，湍流也較大，不利于風輪穩定高效地運行。為避免中軸折斷，目前，能上高桿的達里厄型風力機都是小功率產品，如圖2所示。

三.不能變槳矩。目前，幾乎所有的垂直軸風力機槳葉的安裝角都是固定的，尚未發現以自動變槳距功能來穩定風輪轉速和輸出功率的垂直軸風力機。風速變化時，該類風力機的轉速和輸出功率也隨之波動。

四.目前各種升力型垂直軸風力機的掃掠面積和風輪高度都是不可變的，對風速變化的適應范圍較窄，抗颶風能力也較差。

五.起動性能較差，有的垂直軸風力機甚至需先將發電機轉變為電動機來起動風輪。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種結構強度及抗變形性能高、受力狀況比較均衡、合理，有利于提高零部件的使用壽命，效率高的垂直軸風力機及具有其的風能船。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：一種垂直軸風力機，包括塔身，所述塔身內設有可自由轉動的主軸，所述主軸外設有筒形的中柱體，所述中柱體由立柱和橫梁組合成正多面框架體結構，中柱體與主軸固定連接；

上下兩組橫梁或上下多組橫梁上設有向外延伸的槳臂，槳葉安裝在所述槳臂上。

所述槳葉為變徑式槳葉，槳葉在不同高度處的風輪直徑與該高度處的風速呈正比，不同高度處風速滿足冪定律公式：U_n＝u₁(Z_n/Z₁)^γ，其中u_n為高度Z_n處的風速；u₁為高度Z₁處的風速；γ為風切變指數，γ根據地形不同而不同，根據實際使用環境測量，為一定值；槳葉在不同高度處的風輪直徑也滿足冪定律公式，可以定義d_n＝n*U_n，n為常數，可根據實際情況定義。

還包括維持主軸穩定的維穩機構，所述維穩機構包括維穩軌道和維穩輪，所述塔身外周均勻設有多個維穩輪，橫梁內側設有可繞所述維穩輪轉動的圓形的維穩軌道。

還包括用于分擔主軸負荷的分擔機構，所述分擔機構包括兩個載荷分擔軸承座，一個載荷分擔軸承座與主軸上段固定連接，主軸下段通過主軸承座與塔身連接，主軸承座與塔身固定連接，主軸可在主軸承座內轉動；另一個載荷分擔軸承座與主軸承座固定連接，兩個載荷分擔軸承座之間通過載荷分擔軸承連接。

所述中柱體通過橫擔梁和風輪輪轂與主軸固定連接。

還包括斜拉桿，所述斜拉桿兩端分別與橫梁和主軸固定連接。

一種的風能船，包括船體，所述船體具有上述的垂直軸風力機；風力機與發電機連接，發電機產生的電能為船體提供動力。

風力機的主軸上固定設有大齒輪，所述船體上設有噴水推進泵，所述噴水推進泵通過傳動機構與大齒輪連接，所述傳動機構包括小齒輪、離合器、變速器；所述主軸四周至少設有兩組傳動機構和噴水推進泵。

所述船體為三體推進風能船，包括位于中部的三體船中間片體和位于兩側的三體船側片體，三體船中間片體上設有通過主軸驅動的噴水推進泵，三體船側片體上設有通過發電機提供電能的電力推進器。