垂直轴风力发电设备及漂浮式风电平台的制作方法

本实用新型涉及风力发电领域，具体涉及一种垂直轴风力发电设备及漂浮式风电平台。

背景技术：

我国风能蕴含量巨大，陆地上可开发利用的风能约2.53亿kW，海上可开发利用的风能约7.5亿kW。另有资料表明，我国风力发电的技术潜力可能超过20亿kW。在对风力资源大规模开发的同时，对于风力发电机的研究也在稳步进行。

风力发电机可分为两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机的发展在前期比较慢，效率比较低，在空气动力学等方面的研究相对来说较为不足，所以在前期不被引起重视。但随着技术的发展，研究人员发现垂直轴风力发电机在很多方面比水平轴风力发电机更具优势：垂直轴风力发电机启动风速低；任何方向的风能都可以发电，不择风向，节省了对风选项装置，使结构设计简单化；搭架较矮，且发电机传动、减速制动等装置都在机组下方，安装、维修方便；造价成本较低；强、大风时，减速、停机操作容易，效果较好。因此，现在垂直轴风力发电机成为风力发电机市场发展的一个主要方向。根据风对风轮推动方式的不同，垂直轴风力发电机可分升力型和阻力型两种主要类型。升力型风力发电机启动转矩小，但风能利用率高；阻力型风力发电机启动转矩大，但风能利用率低。

中国海洋风能资源丰富，尤其是东部沿海海域，拥有着绵长的海岸线，这为海上风电场的开发和建设提供了有利的条件。由于海洋环境相对于大陆环境的复杂性，海上风力发电机基础结构根据形式不同一般分为固定式和漂浮式。在近海的浅水海域建造的风电场一般都采用固定式基础结构，但由于固定式建设成本较高，且建设位置限制于近海浅水区，其发展受到了一定的限制。而漂浮式基础结构由于成本相对较低，且适用于深水区域，因此成为海上风电发展的必然趋势。

由于垂直轴风力发电机的结构难以适应海上风力发电的复杂环境，目前海上漂浮式风力发电方案主要是以水平轴风力发电机为对象进行基础设计，由于水平轴风机功率大、尺度大，为减小风机相互间干扰的影响，风机之间的间距也随之变得非常大，风电的基础平台建设面积巨大，且一个漂浮式基础之上仅能安装一台水平轴风机，使得投资性价比偏低，影响到漂浮式风电的发展。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种能够适应海上风力发电的复杂环境、风能利用率高的垂直轴风力发电设备及漂浮式风电平台。

为达到上述目的，一方面，本实用新型采用以下技术方案：

一种垂直轴风力发电设备，包括垂直轴以及设置于所述垂直轴上的多个叶片，所述多个叶片包括位于中部的阻力型叶片以及环绕所述阻力型叶片设置的多个升力型叶片，所述升力型叶片与所述阻力型叶片之间连接有离合器，所述离合器的主动件与所述阻力型叶片连接，所述离合器的从动件与所述升力型叶片连接。

优选地，所述升力型叶片采用反装方式安装；和/或，

所述升力型叶片的安装角度为-4°至-8°；和/或，

所述升力型叶片的径高比为1.2；和/或，

所述升力型叶片包括三个，三个所述升力型叶片沿周向均布。

优选地，所述阻力型叶片包括沿轴向相邻布置的多个，多个所述阻力型叶片之间具有方位差；和/或，

所述阻力型叶片的高径比为1。

优选地，所述离合器为超越离合器，所述阻力型叶片与所述超越离合器的内环连接，所述升力型叶片与所述超越离合器的外环连接。

优选地，所述超越离合器位于所述阻力型叶片的上方，所述升力型叶片经叶片支架与所述超越离合器的外环连接并向下延伸以环绕所述阻力型叶片。

优选地，所述升力型叶片为D型风力发电机叶片；和/或，所述阻力型叶片为S型风力发电机叶片。

优选地，所述阻力型叶片的横截面呈螺旋线形，所述螺旋线形的圈数为2至3圈。

另一方面，本实用新型采用以下技术方案：

一种漂浮式风电平台，包括漂浮式平台以及设置于所述漂浮式平台上的如权利要求1至7任一项所述的垂直轴风力发电设备。

优选地，所述漂浮式平台包括至少一个平台单元，所述平台单元包括N个浮筒，所述N个浮筒依次经第一连接杆连接围成凸N边形，且N个所述浮筒均位于所述凸N边形的顶点位置，每个所述浮筒上还设置有第二连接杆，所述第二连接杆的一端连接所述浮筒，另一端交汇于所述凸N边形的中心，所述垂直轴风力发电设备设置在所述凸N变形的中心位置。

优选地，其中，N＝6，所述凸N边形为正多边形。

优选地，所述漂浮式平台包括多个所述平台单元，相邻所述平台单元的相接部分共用浮筒以及第一连接杆。

本实用新型提供的垂直轴风力发电设备设置有升力型叶片和阻力型叶片，且升力型叶片和阻力型叶片之间连接有离合器，由于阻力型叶片的启动转矩大，其在低风速的情况下也能够转动并通过离合器带动升力型叶片转动，从而弥补升力型叶片启动转矩不足的缺点，而在高风速的情况下，离合器的主动件与从动件脱离，从而阻力型叶片不影响升力型叶片的转动，大大提高了风能利用率，另外，对叶片的排布方式进行了改进，将多个升力型叶片环绕阻力型叶片设置，能够降低风力发电设备整体重心，从而更加适应海上风力发电的复杂环境。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本实用新型具体实施方式提供的垂直轴风力发电设备的立体图；

图2示出本实用新型具体实施方式提供的垂直轴风力发电设备的主视图；

图3示出图2中A-A向剖视图；

图4示出本实用新型具体实施方式提供的漂浮式风电平台中一个平台单元的俯视图；

图5示出本实用新型具体实施方式提供的漂浮式风电平台中一个平台单元的主视图；

图6示出本实用新型具体实施方式提供的漂浮式平台的俯视图。

图中，1、垂直轴；2、阻力型叶片；3、升力型叶片；4、超越离合器；5、挡板；6、支架；61、第一杆；62、第二杆；7、平台单元；71、浮筒；72、第一连接杆；73、第二连接杆；8、漂浮式平台。

具体实施方式

以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本文中所述的“上”“下”指的是垂直轴风力发电设备处于正常工作状态时的方位，具体可参考图2所示的方位。

针对现有垂直轴风力发电设备难以适应海上风力发电的复杂环境的问题，本申请提出了一种垂直轴风力发电设备以及漂浮式风电平台。如图1和图2所示，本申请提出的垂直轴风力发电设备包括垂直轴1以及设置于垂直轴1上的阻力型叶片2和升力型叶片3，阻力型叶片2与升力型叶片3之间连接有离合器，其中，离合器的主动件与阻力型叶片2连接，离合器的从动件与升力型叶片3连接。离合器配置为，当主动件转速低于预定值时，主动件带动从动件转动，当主动件转速达到或高于预定值时，主动件与从动件相脱离。由于阻力型叶片2的启动转矩大，其在低风速的情况下也能够转动并通过离合器带动升力型叶片3转动，从而弥补升力型叶片3启动转矩不足的缺点，而在高风速的情况下，离合器的主动件与从动件脱离，从而阻力型叶片2不影响升力型叶片3的转动，如此，大大提高了垂直轴风力发电设备的风能利用率。

进一步优选地，离合器为超越离合器4，超越离合器4包括内环和外环，内环为主动件，外环为从动件，超越离合器4的内环与阻力型叶片2连接，外环与升力型叶片3连接，基于超越离合器4的自启动设计能够进一步提高风力发电机的风能利用率。

进一步地，升力型叶片3包括有多个，叶片的排布方式为，阻力型叶片2位于中部，多个升力型叶片3环绕阻力型叶片2设置，即，将阻力型叶片2内嵌于多个升力型叶片3内，通过对叶片排布方式的改进，能够降低风力发电设备整体重心，从而更加适应海上风力发电的复杂环境。

优选地，升力型叶片3为D型风力发电机叶片，进一步优选采用NACA0015型对称翼，三个升力型叶片3沿周向均布，即按120°等角度布置，采用反装方式安装(沿径向方向叶背向外为正装，反之为反装)，升力型叶片3的安装角度优选为-4°至-8°，进一步优选为-6°，径高比设置为1.2。当然，升力型叶片3的数量不局限于上述的三个，可根据具体需求进行设置。

优选地，阻力型叶片2为S型风力发电机叶片，优选沿轴向相邻布置有两个，相邻阻力型叶片2的方位差为90°，高径比为1。可替代地，如图3所示，阻力型叶片2的横截面呈螺旋线形，螺旋线形的圈数为2至3圈。当然，阻力型叶片2的数量不局限于上述的两个，可根据具体需求进行设置，优选多个阻力型叶片之间具有方位差，即多个阻力型叶片的安装方位均不相同，从而进一步提高风能利用率。

进一步优选地，每个阻力型叶片2的轴向两端均连接有挡板5，相邻阻力型叶片2之间共用一个挡板5。

通过上述对升力型叶片3和阻力型叶片2结构的进一步优化，能够进一步提高整个垂直轴风力发电设备的结构可靠性以及风能利用率。

进一步优选地，如图2所示，超越离合器4位于阻力型叶片2的上方，升力型叶片3经支架6与超越离合器4的外环连接，升力型叶片3向下延伸，使得升力型叶片3将至少部分的阻力型叶片2包绕，即，在轴向上，升力型叶片3的下端点与最下方的阻力型叶片2的下部平齐，或者与最下方的阻力型叶片2的底部平齐，再或者位于最下方的阻力型叶片2底部下方，以降低整个垂直轴风力发电设备的重心。

优选地，支架6包括连接超越离合器4与升力型叶片3的第一杆61和第二杆62，所述第一杆61沿水平方向延伸，第二杆62与水平方向呈预定角度，该角度优选为30至45°。提高升力型叶片的安装可靠性。

进一步地，本申请还提出了一种漂浮式风电平台，包括漂浮式平台8以及设置于漂浮式平台8上的如上所述的垂直轴风力发电设备，采用垂直轴风力发电设备改善了现有设计中水平轴风力发电设备间互相干扰大、对平台大小要求较高的缺点，投资性价比高，由于垂直轴风力发电设备的重心较低，能够适应海上风力发电的复杂环境。

优选地，漂浮式平台8包括至少一个平台单元7。如图4和图5所示，平台单元7包括六个浮筒71，六个浮筒71依次经第一连接杆72连接围成正六边形骨架，六个浮筒71分别位于正六边形的六个顶点位置。浮筒71上还设置有第二连接杆73，第二连接杆73的一端连接浮筒71，另一端向正六边形的中心延伸并最终交汇于正六边形的中心位置，垂直轴风力发电设备设置在平台单元7的中心位置。如此，如图4所示，每个浮筒71在三个方位上都有延伸式的连接杆结构，保证平台单元7的结构可靠性以及在海上漂浮时的稳定性。优选地，第一连接杆72和第二连接杆73均为钢管结构。当然，可以理解的是，平台单元7中浮筒71的数量不局限于是六个，也可以根据具体需求设置为其他的数量。为保证结构可靠性以及方便平台单元7之间的连接(后面有具体介绍)，优选设置为六个。

进一步优选地，为提高平台单元7的结构强度，相邻浮筒71之间设置有多个第一连接杆72，第一连接杆72沿浮筒71的轴向间隔布置，每个浮筒71上设置有多个第二连接杆73，第二连接杆73沿浮筒71的轴向间隔布置。当然，为进一步提高结构强度，还可在相邻第一连接杆72之间以及相邻第二连接杆73之间连接第三连接杆(图中未示出)。

优选地，多个平台单元7连接可形成大型的集群漂浮式平台8，每个平台单元7上均设置有垂直轴风力发电设备，从而增强其抗风浪能力，便于大型海上漂浮式风电场的建设，为简化结构，节约成本，相邻平台单元7的相接部分共用浮筒71以及第一连接杆72，例如，如图6中所示，多个平台单元7连接形成蜂窝状结构的漂浮式平台8。

本申请提供的垂直轴风力发电设备通过设置升力型叶片和阻力型叶片两种叶片来提高其风能利用率，通过对叶片的排布方式的改进有效降低风力发电设备的整体重心，更加适应海上风力发电的复杂环境。本申请提供的漂浮式风电平台采用垂直轴风力发电设备改善了现有设计中水平轴风力发电设备间互相干扰大、对平台大小要求较高的缺点，投资性价比高；采用正六边形的平台单元组合的方式节约了风电基础平台的建设成本，便于构件大面积的风力发电集群。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。