[发明专利]竖直轴型风力涡轮机

说明书

技术领域

本发明涉及一种竖直轴型风力涡轮机，并被特别用于提供电力、泵送 水或储存势能。

背景技术

现今，出现了用风力涡轮机代替传统能源的重要取代方法。和这些 传统能源不同，风能可再生，无气体排放的污染，也不对大气或陆地造 成废弃物的污染。

最近这种能源的发展加快。这种加快同时使得风力涡轮机的可靠 性、规模和产量的提高，从而将生成千瓦小时的生产成本降低到相对其 它能源具有竞争力的水平。

可将风力涡轮机一般分为两大类：竖直轴型风力涡轮机和水平轴型 风力涡轮机。

水平轴型风力涡轮机的示例示于图1a中，该涡轮机或许是一种人 们熟知且使用最广泛的风力涡轮机。这种风力涡轮机一般包括1、2、3 三个叶片，分别通过它们的两个端部之一1a、2a、3a固定在竖直的柱 或一个柱4上的同一单个点5处，这些叶片1、2、3驱动水平轴旋转， 该水平轴和驱动装置12或舱室中的交流涡轮机、或涡轮机相连接。可 以将这种风力涡轮机和看做是风车的更新产物，只是用机翼代替了原来 的木头翼板。

因为高处的风大，所以柱4的高度H对功率是有影响的。同样，叶 片1、2、3的长度对功率亦有影响，因为这些叶片决定了扫过的空气盘 的面积S，而提供的功率和这个面积S成正比。

这类风力涡轮机的缺陷之一是因为舱室12位于柱4的顶部，因而 对其维护复杂且危险。第二个主要缺陷就是风力涡轮机的水平轴是单向 的。因而，它需要一个定向装置和一个发动机以随着风的方向调整这个 方向。这个定向装置一般整合在舱室12中或者与舱室12相连，处在柱 4的顶上。而且，这种风力涡轮机还生成噪音扰乱，这主要是和叶片打 击空气盘的速度以及和同轴推动有关。

竖直轴型风力涡轮机的示例示于图1b中，直至今日很少使用。其 运动原理类似于风速计的运动原理：使用一对发动机驱动发动机或如水 泵之类的机械装置。

示于图1b中的示例较为知名，为“Darrieus”型风力涡轮机，包 括两个(或三个)叶片1和2，所述叶片在其端部1a、2a和1b、2b分 别固定在竖直的柱或柱4的同一低处单个点和同一高处单个点处。得到 的旋转体是抛物线型的，但也可以是圆柱形或圆台形的(truncated)。

此处，因为高处的风大，所以柱4的高度H依然影响发电，并且叶 片1、2的上端1b、2b不能高过柱4的顶部。对于恒定的高度H，叶片 1、2的长度和曲率也对功率有影响，这是因为这些叶片限定了扫过空气 柱的面积或扫过空气流的面积S，而其功率和这个面积S成正比。

这种类型风力涡轮机相比水平轴型风力涡轮机的优点特别在于其 维修容易，因为它的所有的发动机都在地面或接近地面，处在驱动装置 12中。除其它件之外，该驱动装置12中还包括能量生成器。而且，对 于相同的功率，噪声也减少了。此外，这类风力涡轮机是全方向的，勿 需用于定向的电子控制装置。

然而，这样的竖直轴型风力涡轮机有一定数目的重要缺陷，一定程 度来说，这是其远不及水平轴型风力涡轮机普及的根本原因。特别地， 因为要用其本身的作用来使叶片1、2转动，所以这种类型的风力涡轮 机不能独立起动。因而，需要一个起动系统，但这样又使得这种风力涡 轮机的安装、运行和维护都复杂了。

而且，这种风力涡轮机需要使用拉条或牵索6、7，所述拉条或牵索 从柱的顶部开始，将该组件固定在地面上。对于大功率的风力涡轮机， 其缆绳支撑在地上所占用的面积就相当大。事实上，各牵索6、7相当 大地限制了赤道直径，因此限制了扫掠面积，从而限制了功率。现在， 对于相同的柱高度H，为了取得和图1a中的水平轴型风力涡轮机基本 相等的扫掠面积，就要增加叶片1、2的长度和曲率，来使赤道半径从 D增大到D′。但这样做需要使缆绳支撑分得更开，如图中用牵索6′、 7′所示出的，从而使得占地面积极为巨大。

同样，由于这种风力涡轮机的发动机接近地面安装，所以这里的风 速自然小于高处的风速，并且所受的扰动和变化又更为频繁，这就使得 捕捉能量的区域更小。这就显著降低了该装置的效用。

最后，如前所述，其扫掠面积受到限制，因而功率受到限制。然而， 除了别的因素，这个面积还受到叶片高度的限制，而叶片的高度受到柱 高度的限制，柱高度又受到管理规章的限制。

发明内容