一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔及实施方法
【技术领域】
[0001]属于风力发电技术领域的发明。
【背景技术】
[0002]现有的风力发电技术，尤其涉及到的垂直轴式风力发电装置，由于其结构缺陷很难实现类似水平轴式风力发电装置的大功率发电，更别说1MW乃至100 MW的超大功率风力发电了，而本发明的发电风塔技术单机风力发电功率可达100兆瓦已不是科幻，纵观现有技术涉及到的发电风塔，至今未见成功实施的案例，这给我们提出了一个疑问，究竟是建造的原因、还是成本的原因、还是技术的原因制约了现有技术的发展呢，经过检索专利发现，凡是涉及到风塔发电的技术都存在技术的缺陷、结构的缺陷、设计的缺陷、建造的缺陷以及方法的缺陷，这就导致了现有技术实施过程中的不确定性、不完整性、不可实施性，归根结底那就是现有技术存在不可逾越的技术瓶颈，而能够实现本发明所涉及的发电风塔，单机风力发电功率可达100MW的现有技术，目前还未见有，这是现有技术的空白。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是利用三角形稳定结构原理作为风塔的主体框架，发明一种立体三角垂轴共架构级联式发电风塔来实现单机功率高达100MW的风力发电是本发明的首要目的，并通过创新方法加以实施，从而填补了现有技术的空白。
[0004]本发明包括I塔架总成,2风机总成，3传动总成，4发电总成，5光伏总成五大部分构成，其特征在于塔架总成I构成立体三角垂轴共架构框架，作为风机总成2的主轴框架及附属设施的框架，风机总成2构成三轴鼎立级联式风机阵列，一塔三机与传动总成3构成大转盘大扭矩三轴行星合力、同步传动机构，将风力转化为旋转的机械能驱动发电总成4，实现从风能一机械能一电能的转换，再通过光伏总成5将光能转化为电能，经过电气系统储能、逆变、控制转换，为塔架总成1、风机总成2、传动总成3、发电总成4及附属设施的电气设备提供独立的风光互补电力供应，从而构成本发明的主体特征。
[0005]所述的塔架总成I由地梁组件10、塔基部分11、外立管柱12、中立管柱组件13、斜支杆组件14、定轴杆组件15、横梁组件16、顶梁组件17、导流棚18、避雷组件19构成；其特征在于地梁组件10通过混凝土浇筑构成塔基部分11，并以此为基础分别与外立管柱12、中立管柱组件13对应连接构成有地下七个支点的六角形地梁网结构，由三个外立管柱12构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形主体框柱结构，由三个斜支杆组件14构成地上有中立管柱13支撑的立体三角形支撑框柱结构，并通过横梁组件16连接这两个相错60°角的三角形框柱构成一体，在外立管柱12与中立管柱组件13之间，通过定轴杆组件15构成可回转支撑，在中立管柱组件13与塔基部分11之间搭建起导流棚18，由中立管柱组件13、横梁组件16构建起塔顶隔层平台，由中立管柱组件13、横梁组件16与顶梁组件17构成立体三角菱形塔顶结构，塔顶上装有避雷组件19并通过电气连接至地梁组件10构成，整个塔架总成I可以归结为由一个在塔基部分11内的六角形平面地梁框架，一个“Λ”立体三角柱形主体框架，一个内“Y”星形支柱框架，一个外“Y”星形斜拉支撑框架，一个“Λ”立体三角菱形塔顶框架构成，从而构成一体化主体框架；塔架的高宽比按照黄金分割法比例整定1:0.618,考虑到塔架管柱的阻力面积，确保净受风面积，实施时宽度可取0.7，因此根据不同的塔架高度可以在1:0.7,2:1.5,3:2,4:3的比例之间选择，比例常数可在30-80之间选择，即100米以下取1:0.7，100米之间取2:1.5，150米左右取3:2，200米以上取4:3,中立管柱组件13的管柱130与外立管柱12的直径比例可以按1:3、2:5、3:7、4:9来制定，主体结构如附图1、附图2所示。
[0006]所述的地梁组件10由地桩100，地梁101、地网102构成，其特征在于地桩100、地梁10、地网102采用钢筋、钢梁制成，地桩100连接地梁101连接地网102在塔基部分11内构成六角形平面框架结构与外立管柱12、中立管柱组件13及斜支杆组件14之间构成基准平台，并通过混凝土浇筑与地桩100构成一体而成。
[0007]所述的塔基部分11由基准平台110、环形浮槽111、地下室112、电梯通道113、入口通道114，电气设备115构成，其特征在于基准平台110是整个塔架的构建基础和基准，面上设有环形浮槽111及电气设备115，地下设有地下室112，在地下与地上的中立管柱组件13之间设有电梯通道113和入口通道114沟通整个塔基部分。
[0008]所述的外立管柱12既是塔架的主体支柱又是风机总成2的主轴，外立管柱12是一个通天柱管型结构，管柱中间不设固定支撑连接，仅由定轴杆组件14分层回转套接约束，可由无缝钢管柱结构、钢筋混凝土管柱结构两种基本方式构成，外立管柱12与地梁101横梁组件16构成立体三角形框柱整体，百米塔高的外立管柱12要求垂直度误差为毫米级，晃抖率不大于5mm。
[0009]所述的中立管柱组件13由管柱130、平撑梁131、斜撑杆132，内隔层133、内通道134、隔层135构成，其特征在于管柱130上设有平撑梁131、斜撑杆132构成以中心固定为基础的三方“Y”星形顶撑框架，也可以是六方顶撑框架，其管内还设有内隔层133及内通道134，基于管柱130与平撑梁131及横梁组件16之间构建的顶撑框架还可设置隔层135，从而构成整体支柱结构，中立管柱组件13的管柱130与外立管柱12的直径比例可以按1:3、2:5、3:7、4:9 来制定。
[0010]所述的定轴杆组件14由轴套座140、滚珠141、内套管142、定轴杆143、汇接头144、斜撑杆145、中柱套管146构成，其特征在于轴套座140通过滚珠141与内套管142构成回转轴承连接、通过定轴杆143与中柱套管146连接固定，三个这样组合通过汇接头144与斜撑杆145连接到中柱套管146上固定构成“Y”星形中心固定的支撑框架，所述的内套管142管壁上沿轴向设有多个过孔用于穿过风机总成2的连轴杆组件23中的连轴管230及连轴钢缆231构成，所述的中柱套管146可以与中立管柱组件13构为一体，定轴杆组件14还可以制成由中立管柱组件13固定支撑的“Λ”三角框架结构(如附图4的4-D所示)，用于防止外立管柱12风振过度，消除风机总成2中的连轴杆组件23在旋转时产生的有害晃动(如附图3的3_a、3-b、3_c所不)。
[0011]所述的斜支撑组件15由外斜撑管150，拉力绳151、内斜撑杆152、斜拉接头153、地锚154构成；其特征在于外斜撑管150内穿有拉力绳151构成整体，通过斜拉接头153连接内斜撑杆152与中立管柱组件13构成内斜支撑连接，一端与横梁组件16连接，另一端与地锚154连接构成外斜支撑，共有三套这样的支撑连接围绕主体框架与塔基部分11构成外“Y”星形斜拉支撑框架，斜拉支撑的角度整定在Z 12° -18°为宜，所述的外斜撑管150用于刚性支撑，拉力绳151用于拉力支撑，形成刚柔兼备的稳定支撑结构。
[0012]所述的风机总成2由风叶20、幅杆组件21、风机轮毂组件22、连轴杆组件23、磁悬浮轴承组件24构成，其特征在于风叶20安装在幅杆组件21上与风机轮毂组件22构成垂轴式风机单元，每个风机轮毂组件22上设两个也可以是三个幅杆组件21构成，多个垂轴式风机单元通过连轴杆组件23分层串联在外立管柱12上由磁悬浮轴承组件24构成垂直悬浮支撑实现多单元级联共轴合力旋转，将风能转换为旋转的机械能，三个外立管柱12上设有三组级联的垂轴式风机单元从而构成一个三轴鼎立的垂轴级联式风机阵列，每一个垂轴式风机单元为一层，每层高度设计在6-8米之间为宜，风轮直径不超过120米为宜，可由幅杆组件21的最大水平支撑跨度而定，风叶20在每个幅杆组件21上的设置数量由低层到高层顺序分层设置，第一层设一个叶片，第二层设二个叶片，第三层设三个叶片，每增加一层增加一个叶片，而风叶20的受风面积则根据塔高及塔层的数量来设置，从低到高逐渐减小受风面积，还可以由阻力型叶片逐步过渡到升力型叶片，通过调整风叶20的串联数量及风机单元级联的数量可以实现功率大小的调整，这样设置的好处在于可以实现多个级联风机充分利用不同高层的风力资源产生合力同步驱动、自动均衡调节的作用，所述的风机总成2采用立体三角垂轴共架构级联式风机，三轴鼎立、一塔三机、行星合力、同步驱动，这是本发明的独创，如果不这样设置的话，多个叶片一样的风机单元在级联连轴驱动时，由于底层与高层风力不同，其合力就会被削弱，效率就会降低，显然这不是本发明所希望的结果。
[0013]本发明的风塔扫风面积A可按下式求得:A=H*2.5-3L, H扫风面高度，L扫风面宽度，风机升力叶片功率P1的表达式为=P1=IApV3ACpKT3 P1功率kw，P空气密度，V风速m/s，CP风轮功率系数；风机阻力叶片功率P2的表达式为:P2? AS ，P2功率w，A扫风面积m2, S风能利用率w/m2, S=SjSfS3+…Sn/n S1Ji为不同高层的风能利用率w/m2, η层数，总功率 Po= (P1 + P2)) *3η ο
[0014]所述的风机轮毂组件22由轮毂圈220、滚珠221、套环222构成，其特征在于轮毂圈220内设有滚珠221并与套环222构成回转连接，所述的轮毂圈220的轮圈上沿轴向设有多个过孔，其孔径根据连轴管230的外径整定，所述的套环222套在外立管柱12上构成，当外立管柱12采用无缝钢管柱结构时套环222可以省去直接由管壁代替，当外立管柱12采用钢筋混凝土管柱结构时，套环222被预置在外立管柱12上构筑成一体(如附图4的4-Α所示)。
[0015]所述的连轴杆组件23由包含风机轮毂组件22的轮毂圈220、连轴管230、连轴钢缆231、连轴座232、钢球233、悬浮环2