[發明專利]一種輪軌式垂直軸風力機結構及其運行方法

在審

• 申請號: 202111194879.4
• 申請日: 2021-10-13
• 公開（公告）號: CN113898526A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 李超
• 申請（專利權）人: 南京師范大學中北學院
• 主分類號: F03D3/00
• 分類號: F03D3/00;F03D3/02;F03D7/06;F03D13/20;F03D9/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種輪軌式垂直軸風力機結構及其運行方法，由環形軌道、發電小車、聯接架、圓筒轉子葉片、驅動電機、飛輪儲能超越離合器、飛輪、換向中心、彈簧儲能超越離合器、電磁離合器與換向齒輪、儲能彈簧、車輪發電裝置等組成；聯接架與均布在環形軌道上的發電小車組成風力機整體結構；電機單向變速，通過換向中心分時驅動安裝在各發電小車上的轉子葉片以預定的轉向和轉速轉動，誘發葉片在風場中產生可推動發電小車沿環形軌道連續運行的馬格努斯效應力，小車車輪帶動發電裝置發電；在轉子葉片換向期間，電機多余的負載能力驅動飛輪儲能，轉子自由轉動的慣性能由彈簧收蓄，并在轉子葉片換向后向其釋放；啟停發電裝置數量可擴大風力機適風范圍。

技術領域

本發明涉及一種垂直軸風力機領域，尤其涉及一種基于馬格努斯(Magnus)效應的輪軌式垂直軸風力機結構及其運行方法。

背景技術

風力機按其轉動軸與地面的幾何關系分為水平軸和垂直軸兩大類，在風力發電技術中發展迅速的是水平軸風力機，占據了國內外風力發電的絕大部分市場。但是水平軸風力機技術的快速發展并沒能顯著減低運營成本，風電上網電價還是居高不下。為了與傳統能源競爭，風力機組選擇了向大型化方向的發展，通過提高風能轉換效率來降低風電成本。但遺憾的是，大型化發展使得水平軸風力機的成本越來越高，就目前來看，水平軸風力機的相對高效率還是以其高成本為代價的，原因是巨大結構尺寸幾乎已經到了水平軸風力機的發展極限，葉片材料、制造安裝的成本已經嚴重制約著水平軸風力機的進一步大型化，而大型化又是降低風力發電成本的最有效的途徑——由此進入了一個悖論怪圈。從技術方面講，水平軸風力機復雜的變槳和對風機構、龐大沉重的變速機構和發電機本體，高聳的安裝結構以及巨大葉片旋轉時重力和慣性力的交變載荷使得葉片根部加速疲勞、葉片對候鳥遷徙造成傷害及運行噪音等技術瓶頸都制約著水平軸風力機的結構進一步增大。

在風力發電技術的發展歷史上，有資料記載過一種垂直軸風力機構想方案，該方案基于以下科學現象：在自然流場中，當流體繞過作旋轉運動的圓柱或圓球形障礙物體時，旋轉物體會受到一種側向力的作用，該側向力實際為流體在圓柱兩側流速差所造成的一種升力現象，稱為馬格努斯效應，所產生側向力稱為馬格努斯效應力或馬格努斯(升)力。例如球類比賽中的“弧旋球”和“香蕉球”就是由于球體在前進的過程中附加旋轉，所產生的馬格努斯效應力引起球體飛行路線偏離預定軌道的現象。

該技術方案是美國工程師Julius D.Madaras 1933年構想，具體方案是：能產生馬格努斯效應力的動力葉片是裝載在軌道小車上的旋轉圓柱筒，小車被安放在圓周軌道上，當來風吹向圓柱筒時，在旋轉圓柱筒上產生馬格努斯效應，即在圓柱的一側，風流動的方向與圓柱筒的運動方向相同，加速了流體在本側流動的速度；另一側圓柱筒運動方向與來流方向相反，阻礙了流體在本側流動的速度，由此誘發的繞旋轉圓柱筒的環流將產生垂直于風流動方向的升力(升力方向指向上述運動方向相同一側)，其合力推動小車繞環形軌道運行，小車車輪驅動發電機。

該構想的風力發電裝置并沒有取得大規模發電的效果，原因在于其機械的復雜性：為了使圓柱筒轉子上產生的升力能夠持續驅動小車在環形軌道上往復運動，旋轉圓柱必須在小車的環形軌道的每一個上風口圓弧與下風口圓弧的結合點改變一次旋轉方向；為了獲得大的升力，圓柱筒的直徑和旋轉速度都要求盡量取大值，造成的柱筒轉動慣量大，驅動能量大。在當時(1933年)的技術條件下，改變轉子圓柱筒的轉速和轉向還只能借助復雜的純機械系統實現，機械損失過大；同樣由于換向困難以及其它基礎技術尚不發達的影響，圓柱轉速的提高受到很大限制，其轉子的空氣動力特性得不到充分發揮，致使該構想被放棄。