[发明专利]一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统

说明书

一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，该系统含有浮动式叶片装置、发电机组、轮毂、机组底座以及底座支撑部件。浮动式叶片装置含有升力型叶片、支撑桁架以及浮艇，支撑桁架的两端通过铰接接头分别与轮毂和叶片铰接；升力型叶片通过连接轴与支撑桁架铰接；升力型叶片的下端固定于浮艇之上，使得叶片漂浮在水面上；机组底座可以采用固定式底座或浮动式底座。所提供的叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统完全改变了垂直轴风力发电机的结构形式及受力状态，具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。

技术领域

本发明涉及海上风力发电机系统，属于风力发电设备技术领域。

背景技术

随着世界能源问题的加剧和环境保护的迫切要求，风能作为一种清洁无污染的可再生能源受到日益重视。现代风机根据旋转轴与地面的相对位置关系可分为水平轴风机和垂直轴风机。目前风电行业中水平轴风机是主流机型，占有绝大部分市场份额。而垂直轴风机转速低、无需对风、噪音小、制造成本低等特点，在小型分布式风力发电系统、特殊用途风机等领域也占有一席之地。随着风机单机容量的不断增大和海上风电的快速发展，垂直轴风机在未来的超大型风机应用领域开始展现出很大的发展潜力。

垂直轴风机与水平轴风机的结构不同，具有一定的比较优势。垂直轴风机无需对风，不需要偏航机构及控制，其发电及控制系统安装在地面，安装和维护成本低，叶片容易加工制造，制造成本较低，运行转速低、噪音小，具有较高的景观价值。垂直轴风机根据工作原理的不同可分为阻力型风机和升力型风机。常见的阻力型风机有Savonius型风机和风杯式风机等，主要依靠多个叶片在气流中受到的阻力即推力差驱动风机旋转。阻力型风机的叶尖速比(叶片最大旋转半径处的线速度与自由来流风速的比值)限制在1以下，风能利用率较低，一般用在微型风力发电系统、景观设计等领域中。升力型风机又被称为Darrieus风机，主要包括Φ型风机、H型风机、螺旋形风机等，升力型风机是依靠叶片翼型在气流中受到的升力作用驱动风机旋转，风能利用率较高。美国Sandia国家实验室在20世纪70年代到90年代针对Φ型垂直轴风机进行了大量研究，设计并建造了直径分别为5m(1976年)、17m(1977年)、34m(1988年)等的风机样机，其中最大的风机被称为“Test Bed”，其直径34m，高径比为1.25，扫掠面积955m²，在风速12.5m/s、转速37.5rpm的额定工况下功率可达500kW。其功率系数最大可达0.409。世界上最大的Φ型垂直轴风机是加拿大的Eole，于1998年建成，风机高96m，直径64m，额定功率达4MW，Eole以2.5MW的输出功率稳定运行了5年。在美国Sandia国家实验室等研究机构的支持下，FloWind公司在20世纪80年代投入到垂直轴风机行业中，设计开发了多种双叶片Φ型风机机型推向市场，包括FloWind17和FloWind19两种主要机型，额定功率分别为142kW和250kW。FloWind公司获得了快速的发展。然而，该风机的制造缺陷导致风机在一定运行时长后发生大规模损坏，这也使得当时不断升温的垂直轴风机行业发展受挫。现有的技术表明，传统的垂直轴风力发电机为叶片悬臂支撑形式，具有一些明显的不足，如：整体装备的主结构为悬臂支撑，垂直叶片的支撑及受力状态比较复杂；特别是当风机大型化后，该类问题尤为突出。另外，对于垂直轴风机来说，实现叶片的变桨则非常困难和复杂。

海上风电具有高风速、低风切变、低湍流、高产出的特点，海上年平均风速显著大于陆地，由于海面的粗糙度较低，在离岸10km处的海上风速要比陆地高25％以上。但海上风电也对风机装备提出更高的要求，首先是桩基及塔架，其次是风机的抗风载的能力，然后就是抗海上盐雾的腐蚀性，最后是风机装备的安装以及维护方面的要求很高。

发明内容

本发明针对垂直轴风力发电机中垂直叶片支撑这一关键技术，提出一种叶片浮动式海上垂直轴风力发电机系统，使其不仅具有结构简单、受力均衡、安装维护简便、成本较低等特点，而且适合于大型海上垂直轴风力发电机的发展。

本发明的技术方案如下：