[发明专利]风轮机和基于该风轮机的风力发电站

说明书

提出了一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有安装在固定的圆柱形壳体中的垂直轴转子。该壳体设置有向外打开的遮板。转子由转芯和环形叶轮组成。该旋转转芯包括紧固在两个圆形基部之间并形成乌格林斯基转子的芯叶片。该环形叶轮被配置为围绕转芯独立旋转。叶轮包括固定在两个环形基部之间并形成芯叶片的延续部分的叶轮叶片，其中形成有公共的叶片间通道。该通道朝向转子的中心变窄。还提出了基于上述风力涡轮机的风力发电站，通过一个涡轮机在另一个之上垂直安装以形成发电塔，或者安装在高层建筑物的正面上。本发明提高了风力涡轮机的效率，并且使得可以将风力发电站并入城市环境中。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机，即具有垂直轴转子的风力涡轮机和基于该风力涡轮机的风力发电站。

背景技术

风力涡轮机，也称为风电单元，是用于将风流的动能转换为涡轮机转子旋转的机械能，随后将其转换为电能的装置。根据涡轮机的类型，风力涡轮机被划分为具有水平和垂直旋转轴的单元。最常见的是具有水平旋转轴的风力涡轮机，它们的实际效率达到40％，但它们具有许多基本缺点。风力发电机的功率取决于由风速和扫风面积决定的空气功率，因此这种类型的工业发电机的转子尺寸非常大。这种风力涡轮机体积大，制造、安装和操作成本高。具有较大转子(1米或更大)的风力涡轮机的运行会产生特有的噪音和振动，这些噪音和振动会给人带来很大的不适。因此，其运行在人口集中的，尤其，城市区域被限制或禁止。在这种涡轮机的操作中，进一步的挑战是转子叶片的结冰，以及当风力负载过度增加时需要对其进行制动。此外，这种类型的涡轮机的转子经常杀死鸟类。

在具有垂直旋转轴的风力涡轮机中避免了一些缺点，该风力涡轮机可以基于相当紧凑的垂直轴转子，该垂直轴转子的操作不会引起人类感知的噪声和振动。这种风力涡轮机可以安装在城市环境中，特别是安装在高层建筑的屋顶上。为了增加功率，紧凑的垂直轴转子可以组合成风力发电站。

例如，已知一种风力发动机(2007年2月27日公开的RU2294452C1)，该风力发动机由一个安装在另一个上方的部分组成，每个部分包括中空圆柱形转子，该转子具有位于气流导向定子中的垂直叶片。定子又包括安装在圆形刚性基座之间的垂直叶片。转子叶片和定子叶片是圆柱面的一部分，其凸度沿转子旋转方向排列。定子叶片的曲率半径大于转子叶片的曲率半径，并且每个定子部分的叶片数量是转子的每个圆柱形元件的叶片数量的两倍。所描述的定子为转子产生定向涡旋气流，从而优化其操作条件并提高风力发动机的效率。分段设计使得可以在高度上按比例缩放风力发电机的尺寸，增加扫掠面积(所有部分的转子)，从而增加了功率，简化了发电机的维护和安装。

然而，基于具有固定叶片的定子的涡轮机的设计在效率方面不是最佳的。已知的解决方案仅提供了在高度方向上缩放风力涡轮机的尺寸。这种转子对鸟类仍有潜在的危险。也没有解决保护转子免受过大风力载荷的问题。然而，上述风力发动机是与所要求保护的发明最接近的技术方案，并且被选择作为其原型。

在当今社会，不断需要开发基于可再生能源的能源系统，包括风力涡轮机。非常需要提高风力涡轮机和风力发电站的效率，以及设计可结合在城市环境(例如高层建筑)中的风力涡轮机。本发明旨在解决这些问题。

发明内容

根据本发明，提出了一种具有垂直轴转子的风力涡轮机，其特征在于，转子安装在配备有向外打开的遮板的固定的圆柱形壳体中，并且由转芯和环形叶轮构成。该转芯包括紧固在两个圆形基部之间并且形成乌格林斯基(Ugrinsky)转子的芯叶片。该环形叶轮被配置为围绕转芯独立地旋转并且包括紧固在两个环形基部之间的叶轮叶片。其中，叶轮叶片被构造成在所述转子横截面中形成所述芯叶片的延续。芯叶片具有朝向所述转子中心逐渐变细的共同的叶片间通道的结构。