专利名称：垂直轴型环式风能机发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及风能发电技术，特别是涉及一种垂直轴型环式风能机发电系统的技术。
背景技术：
中国具有丰富的风能资源，据中国气象科学研究院的初步测算，中国陆地IOm高度处可开发储量为2.53亿kw，海上可开发储量为7.5亿kw，总计约达10亿kw，风能利用潜力巨大。随着全球气候变暖和能源危机，全世界各国都在加紧对风力的开发和利用，尽量减少二氧化碳等温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球。现代风能利用的主要方式是风力发电，风力发电的优越性在于:1)建造风力发电场的费用低廉，比水力发电厂、火力发电厂或核电站的建造费用低得多；2)风力是一种洁净的自然能源，没有煤电、油电与核电所伴生的环境污染问题；3)除常规保养外，没有煤电、油电与核电所需的任何其他燃料消耗，运行成本低；4)风是一种可再生、无污染而且储量巨大的能源。风力发电的核心是风轮机，风轮机为风力聚能装置，分为水平轴和垂直轴两大组，目前使用的规模风力发电系统主要是水平轴式风力聚能装置。但是水平轴式风能机必须迎风聚能，风能利用空间基本只能在地表以上100米上下的数十米空间，且不能提供连续稳定的电力输出，单机装机功率非常有限。比如丹麦现拥有风力发电机3000多座，但年发电仅100亿度。据粗略估计，仅在这个层面上，近期可利用的风能总功率约为10 100亿kw这个数值已经比全世界可以利用的水力资源大10倍。如果可以利用数千米高空范围的风力，那么风能甚至可以直接提供给我们全世界使用的电力。2005年以来中国每年风电新增装机容量连年翻番。其中，2005年装机容量达126万kw，至2008年底风电装机容量已超过1000万kw。据全球风能协会(GWRC)最新报告显示:2010年，中国新增1890万kw的风能容量，从而使总装机容量达到447 0万kw。自然界的风速、风向会随海拔高度的不同而出现剧烈变化，大型垂直轴型风能机不存在迎风面问题，可同时聚集不同水平面上的不同风向的能量。但是现有的垂直轴式风能机，由于轴型支撑重量有限，从而导致叶片数量有限，且叶片长度也不能很长，因此聚能部分的建设高度较低，所能收集风能的范围较小，也因此而同样存在着聚能功率小、聚能效率低且电力输出不稳定等问题。
发明内容针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种聚能功率大、聚能效率高且功率输出稳定性高的垂直轴型环式风能机。为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种垂直轴型环式风能机发电系统，包括风力发电机组、垂直轴型环式风能机，所述垂直轴型环式风能机设有一底座内置液体的浮力凹槽，所述底座上设有一由浮力与滚轮或钢球共同支撑的旋转体，所述旋转体经传动部件连接风力发电机组，旋转体的转动轴线竖直，其特征在于:所述旋转体上固定设置有聚能结构体，所述聚能结构体中环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多片弧形叶片，且各弧形叶片的聚能面均朝向顺时针方向或均朝向逆时针方向:所述聚能结构体至少有一个，各聚能结构体由下至上依次层叠并刚性连接。进一步的，每个聚能结构体中，各弧形叶片分成两组，每组均有多片弧形叶片，其中一组为竖向叶片组，另一组为横向或斜向叶片组，所述竖向叶片组中的各弧形叶片均竖直，且竖向叶片组中的各弧形叶片分成多个叶片阵列，各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线轴对称布设成圆环状，所述竖向叶片组中的各弧形叶片分别通过横向或斜向叶片组中的各弧形叶片相互刚性连接固定。进一步的，所述弧形叶片的聚能面为平面或凹面，弧形叶片各表面中背向聚能面一侧的表面是弧心轴线竖直的弧形凸面。进一步的，每个弧形叶片聚能面上均设有多根加强肋。进一步的，所述底座上设有浮力凹槽，所述旋转体的底部有一向下凸出的浮托部，该浮托部活动置入底座上的浮力凹槽内。进一步的，所述浮力凹槽内装有 液体，所述旋转体底部的浮托部浸入浮力凹槽内的液体中。进一步的，所述旋转体底部的浮托部的纵向截面或呈凸出圆弧形，或呈梯形，或呈方形。进一步的，所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个限位器，所述限位器的外缘呈圆形，旋转体的外缘与各限位器动连接。进一步的，所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个限位器，所述旋转体呈圆环形，旋转体或内缘与各限位器动连接，或外缘与各限位器动连接，或内、外缘与各限位器动连接。进一步的，所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个平面支撑体，所述旋转体的下表面与各平面滚动支撑体动连接。本实用新型提供的垂直轴型环式风能机，将由弧形叶片按最大有效聚能方式建设的聚能结构体固定安装在旋转体上，聚能结构体环形整体由下至上按建筑结构设计原理依次多层层叠并刚性连接。因此不会受到叶片数量及叶片长度的限制，建设高度远远超过单体叶片的建设高度，整个聚能部分的高度可达数百米甚至数千米，可以稳定聚集半径数百米甚至数千米，高度在地表上达数百米甚至数千米范围的风能，甚至能聚集部分中高纬度的西风激流区的风能，聚能效果远高于现有的风能机，单机聚能可达数万千瓦到数百万千瓦甚至千万千瓦以上，具有聚能功率大、聚能效率高的效果，而且由于多个聚能结构体层叠的方式可以使用的叶片数量要远多于现有的风能机，使得整个聚能部分的自重较大，巨大的质量形成的巨大惯性使得整个聚能部分能以相对稳定的速度转动，因此电力输出稳定性也较高，能实现单机供电只有输出功率大小的变化而基本不会停机，可以使其带动的发电机组较容易以50赫兹的频率输出电力直接并网。
图1是本实用新型第一实施例的垂直轴型环式风能机中的底座的俯视图；[0019]图2是本实用新型第一实施例的垂直轴型环式风能机中的底座的主视剖面图；图3是本实用新型第一实施例的垂直轴型环式风能机中的聚能结构体的俯视图；图4是本实用新型第一实施例的垂直轴型环式风能机中的多个聚能结构体上下层置的不意图；图5是本实用新型第二实施例的垂直轴型环式风能机中的聚能结构体的俯视图；图6是本实用新型第三实施例的垂直轴型环式风能机中的聚能结构体的俯视图；图7、图8是本实用新型各实施例的垂直轴型环式风能机中的弧形叶片的水平截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。如图1-图4所示，本实用新型第一实施例所提供的一种垂直轴型环式风能机发电系统，包括风力发电机组(图中未示)、底座1，所述底座I上设有一转动的旋转体2,所述旋转体2经齿轮7连接风力发电机组，旋转体2的转动轴线竖直，其特征在于:所述旋转体2上一体化固定设置有聚能结构体10 (见图3、图4)，聚能结构体10中环绕旋转体2的转动轴线轴对称设有多片弧形叶片4 (见图3)，且各弧形叶片4的聚能面均朝向顺时针方向或均朝向逆时针方向，所述聚能结构体10 (见图4)至少有一个，各聚能结构体10由下至上按建筑结构设计原理依次层叠并刚性连接。如图3所示，本实用 新型第一实施例中，每个聚能结构体中，各弧形叶片4分成两组，每组均有多片弧形叶片4，其中一组为竖向叶片组，另一组为横向或斜向叶片组，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4均竖直，竖向叶片组中的各弧形叶片4分成多个叶片阵列41，每个叶片阵列41由三个弧形叶片4组成，且各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线轴对称布设成圆环状，每个叶片阵列均呈三角网格形状，且各弧形叶4分别占据各个三角网格节点位置，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4之间通过横向叶片组中的各个横向设置(水平或斜拉)的弧形叶片4刚性连接，以增加强度与稳定度。如图2所示，本实用新型第一实施例中，所述底座I上设有浮力凹槽8，且在浮力凹槽8内装有液体9，所述旋转体2呈圆环形，旋转体的底部有一向下凸出的浮托部11，该浮托部11置入底座上的浮力凹槽8内，并浸入浮力凹槽内的液体中，且能在浮力凹槽8内的液体9中浮动，该浮托部的纵向截面呈圆弧形。所述底座I上环绕旋转体2的转动轴线轴对称设有多个限位器5，旋转体的外缘与各限位器5动连接，限位器5可连接风力发电机组。所述底座I上环绕旋转体2的转动轴线轴对称设有多个平面支撑体6，所述旋转体2的下表面与各平面支撑体6动连接，平面支撑体6也可用于连接风力发电机组。本实用新型其它实施例中，所述旋转体底部的浮托部的纵向截面也可以是梯形、方形或其它形状。本实用新型其它实施例中，所述旋转体也可以是内缘与各限位器动连接，还可以是内外缘同时与各限位器动连接(即在旋转体的外圈及内圈同时设置限位器)。[0033]本实用新型其它实施例中，所述旋转体也可以通过摩擦轮连接风力发电机组，或通过各限位器连接风力发电机组，或通过各平面支撑体连接风力发电机组。本实用新型其它实施例中，所述旋转体也可以是圆形。本实用新型第一实施例中，所述限位器5是滚珠轴承或滚轮，所述平面支撑体6是承重钢珠或滚轮；所述平面支撑体为旋转体提供竖向支撑，所述限位器为旋转体提供水平向限位，使得旋转体转动时足以抵抗风力对聚能结构体的作用力所造成的竖向压力与水平向侧压，在浮力凹槽8内的液体9的浮力作用下，旋转体及聚能结构体的重量对平面支撑体的压力也会尽可能地减少，能确保旋转体的旋转运动正常。如图5所示，本实用新型第二实施例中，每个聚能结构体中，各弧形叶片4分成两组，每组均有多片弧形叶片4，其中一组为竖向叶片组，另一组为横向叶片组，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4均竖直，竖向叶片组中的各弧形叶片4分成多个叶片阵列42(见图5)，每个叶片阵列42由三个弧形叶片4组成，且各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线轴对称布设成圆环状，每个叶 片阵列均呈三角网格形状，且各弧形叶4分别占据各个三角网格节点位置，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4之间通过横向叶片组中的各个横向设置(水平或斜拉)的弧形叶片4刚性连接，以增加强度与稳定度，第二实施例与第一实施例的区别在于:相邻叶片阵列之间的位置关系不同。如图6所示，本实用新型第三实施例中，每个聚能结构体中，各弧形叶片4分成两组，每组均有多片弧形叶片4，其中一组为竖向叶片组，另一组为横向叶片组，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4均竖直，竖向叶片组中的各弧形叶片4分成多个叶片阵列43(见图6)，每个叶片阵列43由八个弧形叶片4组成，且各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线轴对称布设成圆环状，每个叶片阵列均呈三角网格形状，且各弧形叶4分别占据各个三角网格节点位置，所述竖向叶片组中的各弧形叶片4之间通过横向叶片组中的各个横向设置(水平或斜拉)的弧形叶片4刚性连接，以增加强度与稳定度，第三实施例与第一实施例的区别在于:叶片阵列的形状，及相邻叶片阵列之间的位置关系不同。本实用新型第一、第二、第三实施例中，所述聚能结构体中，各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线连续布设成闭合圆环形。本实用新型其它实施例中，所述聚能结构体中，各叶片阵列也可以依序环绕旋转体的转动轴线不连续布设成断裂圆环形。如图7、图8所示，本实用新型各实施例中，所述弧形叶片4的聚能面为平面或凹面，弧形叶片各表面中背向聚能面一侧的表面是弧心轴线竖直的弧形凸面。本实用新型各实施例中，每个弧形叶片4上均设有多根加强肋，以增加弧形叶片的强度及稳定度。本实用新型各实施例中，所述弧形叶片及加强肋的材质可以采用滚卷的波纹轧钢凹面增加加强肋或其它材质的特种型材。本实用新型各实施例工作时，各个聚能结构体通过弧形叶片及加强肋收集不同高度的风能，并将收集的风能转化为机械能传递给旋转体，驱动旋转体转动，旋转体将能量传递给风力发电机组发电。本实用新型各实施例中，多个聚能结构体由下至上按建筑结构设计原理依次多层层叠并刚性连接，整个聚能部分的高度可达数百米甚至数千米，可以稳定聚集半径数百米甚至数千米，高度在地表上达数百米甚至数千米范围的风能，聚能效果远高于现有的风能机，单机聚能可达数万千瓦到数百万千瓦甚至千万千瓦以上，整个聚能部分的质量达数万吨至数十万吨(或更高)不等，巨大的质量形成的巨大惯性使得其转动速度相对稳定，同时采集风能的层次甚至可达到气象学上的西风激流带，从而实现单机供电只有输出功率大小的变化而基本不会停机，可以使其带动的发电机组较容易以50赫兹的频率输出电力直接并网。如在我国西北10 20m/s风力地区，底部浮动的旋转体半径为500米，竖直弧形叶片的高度为300米，在lOm/s到15m/s风力的地区，理论聚能功率最大为15万千瓦，在20m/s到25m/s则达120万千瓦,扣除无功部分,该系统可稳定输出电力10 80万千瓦。同时，通过分布在不同的地理位置与不同的海拔高度多个机组组网方式组成的电网实现总供电量趋于稳定，那么这些机 组组成的电网将足以稳定地提供我们需要的电力。
权利要求1.一种垂直轴型环式风能机发电系统，包括风力发电机组、垂直轴型环式风能机，所述垂直轴型环式风能机设有一底座内置液体的浮力凹槽，所述底座上设有一由浮力与滚轮或钢球共同支撑的旋转体，所述旋转体经传动部件连接风力发电机组，旋转体的转动轴线竖直，其特征在于:所述旋转体上固定设置有聚能结构体，所述聚能结构体中环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多片弧形叶片，且各弧形叶片的聚能面均朝向顺时针方向或均朝向逆时针方向；所述聚能结构体至少有一个，各聚能结构体由下至上依次层叠并刚性连接。
2.根据权利要求1所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:每个聚能结构体中，各弧形叶片分成两组，每组均有多片弧形叶片，其中一组为竖向叶片组，另一组为横向或斜向叶片组，所述竖向叶片组中的各弧形叶片均竖直，且竖向叶片组中的各弧形叶片分成多个叶片阵列，各叶片阵列依序环绕旋转体的转动轴线轴对称布设成圆环状，所述竖向叶片组中的各弧形叶片分别通过横向或斜向叶片组中的各弧形叶片相互刚性连接固定。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述弧形叶片的聚能面为平面或凹面，弧形叶片各表面中背向聚能面一侧的表面是弧心轴线竖直的弧形凸面。
4.根据权利要求3所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:每个弧形叶片聚能面上均设有多根加强肋。
5.根据权利要求1或2所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述底座上设有浮力凹槽，所述旋转体的底部有一向下凸出的浮托部，该浮托部活动置入底座上的浮力凹槽内。
6.根据权利要求5所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述浮力凹槽内装有液体，所述旋转体底部的浮托部浸入浮力凹槽内的液体中。
7.根据权利要求6所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述旋转体底部的浮托部的纵向截面或呈凸出圆弧形，或呈梯形，或呈方形。
8.根据权利要求5所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个限位器，所述限位器的外缘呈圆形，旋转体的外缘与各限位器动连接。
9.根据权利要求5所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个限位器，所述旋转体呈圆环形，旋转体或内缘与各限位器动连接，或外缘与各限位器动连接，或内、外缘与各限位器动连接。
10.根据权利要求5所述的垂直轴型环式风能机发电系统，其特征在于:所述底座上环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多个平面支撑体，所述旋转体的下表面与各平面支撑体动连接。
专利摘要一种垂直轴型环式风能机发电系统，涉及风能发电技术领域，所解决的是提高风能利用的聚能功率、聚能效率及电力输出稳定性的技术问题。该风能机发电系统包括风力发电机组、垂直轴型环式风能机，所述垂直轴型环式风能机设有一底座内置液体的浮力凹槽，所述底座上设有一转动的旋转体，所述旋转体经传动部件连接风力发电机组，旋转体的转动轴线竖直，旋转体上固定有聚能结构体，所述聚能结构体中环绕旋转体的转动轴线轴对称设有多片弧形叶片，且各弧形叶片的聚能面均朝向顺时针方向或均朝向逆时针方向，其特征在于所述聚能结构体至少有一个，各聚能结构体由下至上依次层叠并刚性连接。本实用新型提供的风能机，聚能部分的建设高度可达数百米甚至数千米。
文档编号F03D3/02GK203130367SQ201220681260
公开日2013年8月14日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者秦明慧 申请人:秦明慧