[發明專利]一種葉片浮動式海上垂直軸風力發電機系統

在審

• 申請號: 201810385791.2
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108612623A
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發明（設計）人: 曾攀
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F03D3/06
• 分類號: F03D3/06;F03D9/25;F03D13/25
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種葉片浮動式海上垂直軸風力發電機系統，該系統含有浮動式葉片裝置、發電機組、輪轂、機組底座以及底座支撐部件。浮動式葉片裝置含有升力型葉片、支撐桁架以及浮艇，支撐桁架的兩端通過鉸接接頭分別與輪轂和葉片鉸接；升力型葉片通過連接軸與支撐桁架鉸接；升力型葉片的下端固定于浮艇之上，使得葉片漂浮在水面上；機組底座可以采用固定式底座或浮動式底座。所提供的葉片浮動式海上垂直軸風力發電機系統完全改變了垂直軸風力發電機的結構形式及受力狀態，具有結構簡單、受力均衡、安裝維護簡便、成本較低等特點，適合于大型海上垂直軸風力發電機的發展。

技術領域

本發明涉及海上風力發電機系統，屬于風力發電設備技術領域。

背景技術

隨著世界能源問題的加劇和環境保護的迫切要求，風能作為一種清潔無污染的可再生能源受到日益重視。現代風機根據旋轉軸與地面的相對位置關系可分為水平軸風機和垂直軸風機。目前風電行業中水平軸風機是主流機型，占有絕大部分市場份額。而垂直軸風機轉速低、無需對風、噪音小、制造成本低等特點，在小型分布式風力發電系統、特殊用途風機等領域也占有一席之地。隨著風機單機容量的不斷增大和海上風電的快速發展，垂直軸風機在未來的超大型風機應用領域開始展現出很大的發展潛力。

垂直軸風機與水平軸風機的結構不同，具有一定的比較優勢。垂直軸風機無需對風，不需要偏航機構及控制，其發電及控制系統安裝在地面，安裝和維護成本低，葉片容易加工制造，制造成本較低，運行轉速低、噪音小，具有較高的景觀價值。垂直軸風機根據工作原理的不同可分為阻力型風機和升力型風機。常見的阻力型風機有Savonius型風機和風杯式風機等，主要依靠多個葉片在氣流中受到的阻力即推力差驅動風機旋轉。阻力型風機的葉尖速比(葉片最大旋轉半徑處的線速度與自由來流風速的比值)限制在1以下，風能利用率較低，一般用在微型風力發電系統、景觀設計等領域中。升力型風機又被稱為Darrieus風機，主要包括Φ型風機、H型風機、螺旋形風機等，升力型風機是依靠葉片翼型在氣流中受到的升力作用驅動風機旋轉，風能利用率較高。美國Sandia國家實驗室在20世紀70年代到90年代針對Φ型垂直軸風機進行了大量研究，設計并建造了直徑分別為5m(1976年)、17m(1977年)、34m(1988年)等的風機樣機，其中最大的風機被稱為“Test Bed”，其直徑34m，高徑比為1.25，掃掠面積955m²，在風速12.5m/s、轉速37.5rpm的額定工況下功率可達500kW。其功率系數最大可達0.409。世界上最大的Φ型垂直軸風機是加拿大的Eole，于1998年建成，風機高96m，直徑64m，額定功率達4MW，Eole以2.5MW的輸出功率穩定運行了5年。在美國Sandia國家實驗室等研究機構的支持下，FloWind公司在20世紀80年代投入到垂直軸風機行業中，設計開發了多種雙葉片Φ型風機機型推向市場，包括FloWind17和FloWind19兩種主要機型，額定功率分別為142kW和250kW。FloWind公司獲得了快速的發展。然而，該風機的制造缺陷導致風機在一定運行時長后發生大規模損壞，這也使得當時不斷升溫的垂直軸風機行業發展受挫。現有的技術表明，傳統的垂直軸風力發電機為葉片懸臂支撐形式，具有一些明顯的不足，如：整體裝備的主結構為懸臂支撐，垂直葉片的支撐及受力狀態比較復雜；特別是當風機大型化后，該類問題尤為突出。另外，對于垂直軸風機來說，實現葉片的變槳則非常困難和復雜。

海上風電具有高風速、低風切變、低湍流、高產出的特點，海上年平均風速顯著大于陸地，由于海面的粗糙度較低，在離岸10km處的海上風速要比陸地高25％以上。但海上風電也對風機裝備提出更高的要求，首先是樁基及塔架，其次是風機的抗風載的能力，然后就是抗海上鹽霧的腐蝕性，最后是風機裝備的安裝以及維護方面的要求很高。

發明內容

本發明針對垂直軸風力發電機中垂直葉片支撐這一關鍵技術，提出一種葉片浮動式海上垂直軸風力發電機系統，使其不僅具有結構簡單、受力均衡、安裝維護簡便、成本較低等特點，而且適合于大型海上垂直軸風力發電機的發展。

本發明的技術方案如下：