[发明专利]一种垂直轴风力机及具有其的风能船

说明书

技术领域

本发明涉及可再生能源利用技术领域内的风能利用装置领域，尤其涉及一种垂直轴风力机及具有其的风能船。

背景技术

可再生能源的利用是当前国内外都十分重视的问题，而风能利用的主流产品就是水平轴风力发电机组，目前已经做到数兆瓦。但由于这种风力机的结构存在先天性的弱点，如风叶采用悬臂梁结构、风轮主轴承负荷不均衡等等，使进一步增大单机功率的技术难度和研制成本都大大增高。至今难于接近10兆瓦级门槛。相比水平轴风力机，垂直轴风力机的发展更缓慢。即使是业界认为最有可能与水平轴风力机竞争的达里厄式垂直轴风力机，至今也未进入大规模应用。制约其发展的主要因素有：

一.效率低。阻力型垂直轴风力机效率低下，没有竞争力。而升力型一般都采用对称型风叶，其升阻比相对较低。经查询，目前国内外各种升力型垂直轴风力机的桨叶都不具备自动偏航功能，其桨叶在旋转过程中，每一周只有两处才可达到升力最大。利用叶素理论和矢量分析法将其升力分解后可知，能够利用来推动风轮旋转的，只有与风轮旋转圆面相切的那一部分力。

二.难以做大功率。以Φ型达里厄风力机为例，欲做大功率，就要增大其风轮的扫掠面积，必须增加中轴的长度。为了防止其细长的中轴在风中弯折，需要用数根缆绳将中轴顶端的轴承座固定，如图1所示。这种结构限制了风轮的安装高度，使其只能在接近地面的高度运转。而接近地面的风力一般较弱，湍流也较大，不利于风轮稳定高效地运行。为避免中轴折断，目前，能上高杆的达里厄型风力机都是小功率产品，如图2所示。

三.不能变桨矩。目前，几乎所有的垂直轴风力机桨叶的安装角都是固定的，尚未发现以自动变桨距功能来稳定风轮转速和输出功率的垂直轴风力机。风速变化时，该类风力机的转速和输出功率也随之波动。

四.目前各种升力型垂直轴风力机的扫掠面积和风轮高度都是不可变的，对风速变化的适应范围较窄，抗飓风能力也较差。

五.起动性能较差，有的垂直轴风力机甚至需先将发电机转变为电动机来起动风轮。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构强度及抗变形性能高、受力状况比较均衡、合理，有利于提高零部件的使用寿命，效率高的垂直轴风力机及具有其的风能船。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种垂直轴风力机，包括塔身，所述塔身内设有可自由转动的主轴，所述主轴外设有筒形的中柱体，所述中柱体由立柱和横梁组合成正多面框架体结构，中柱体与主轴固定连接；

上下两组横梁或上下多组横梁上设有向外延伸的桨臂，桨叶安装在所述桨臂上。

所述桨叶为变径式桨叶，桨叶在不同高度处的风轮直径与该高度处的风速呈正比，不同高度处风速满足幂定律公式：U_n＝u₁(Z_n/Z₁)^γ，其中u_n为高度Z_n处的风速；u₁为高度Z₁处的风速；γ为风切变指数，γ根据地形不同而不同，根据实际使用环境测量，为一定值；桨叶在不同高度处的风轮直径也满足幂定律公式，可以定义d_n＝n*U_n，n为常数，可根据实际情况定义。

还包括维持主轴稳定的维稳机构，所述维稳机构包括维稳轨道和维稳轮，所述塔身外周均匀设有多个维稳轮，横梁内侧设有可绕所述维稳轮转动的圆形的维稳轨道。

还包括用于分担主轴负荷的分担机构，所述分担机构包括两个载荷分担轴承座，一个载荷分担轴承座与主轴上段固定连接，主轴下段通过主轴承座与塔身连接，主轴承座与塔身固定连接，主轴可在主轴承座内转动；另一个载荷分担轴承座与主轴承座固定连接，两个载荷分担轴承座之间通过载荷分担轴承连接。

所述中柱体通过横担梁和风轮轮毂与主轴固定连接。

还包括斜拉杆，所述斜拉杆两端分别与横梁和主轴固定连接。

一种的风能船，包括船体，所述船体具有上述的垂直轴风力机；风力机与发电机连接，发电机产生的电能为船体提供动力。

风力机的主轴上固定设有大齿轮，所述船体上设有喷水推进泵，所述喷水推进泵通过传动机构与大齿轮连接，所述传动机构包括小齿轮、离合器、变速器；所述主轴四周至少设有两组传动机构和喷水推进泵。

所述船体为三体推进风能船，包括位于中部的三体船中间片体和位于两侧的三体船侧片体，三体船中间片体上设有通过主轴驱动的喷水推进泵，三体船侧片体上设有通过发电机提供电能的电力推进器。