一种绕涡垂轴风力发电装置，其是采用在垂轴叶轮前设置绕流柱体的方式，利用绕流层分离效应产生的旋涡及外流驱动垂轴叶轮旋转发电的装置，本发明专利技术高度匹配了旋转叶轮和涡旋动力的结构共性，提高了风能转化为机械能的效率，同时结构简单、体积紧凑、结实耐用，是适应气候条件宽、环境友好、高效率的绿色能源应用技术和产品。和产品。和产品。
【技术实现步骤摘要】
一种绕涡垂轴风力发电装置
[0001]本专利技术涉及风力发电
，具体是一种绕流层涡旋垂直轴风力发电装置，简称一种绕涡垂轴风力发电装置。
[0002]一种绕涡垂轴风力发电装置是利用风绕流柱体的绕流层分离效应涡旋驱动垂轴叶轮旋转带动发电机发电的装置。
技术介绍
[0003]风力发电机是利用风能转化成为电能设备的统称，当前世界上几乎所有的大型风力发电机的转动轴都与风向一致，也基本上与地面平行，称为“水平轴风力发电机”；而“垂直轴风力发电机”的转动轴垂直于风向，一般也垂直于地面。表面上，两种风力发电机的区别是主轴方向的不同，但二者最为核心的差异体现在是否需要对风上。自然界中风的风向时刻在发生变化，因此，水平轴风力机要想捕获更多的风能，需要及时根据风向的变化进行调整，将机头朝向风的来流方向，但实际上风轮难以完全跟随来流的风向。而垂直轴风力机却可以，其在各个方向都可以吸收风能，完全不需要考虑对风问题。
[0004]垂直轴风力发电机在原理上可以大致分为阻力型和升力型两类。阻力型风力机只有一半的受风面积被利用，机组功率系数较低，一般情况下不超过15%。其常见的形式包括S型，如风杯式风速计，主要安装在气象站测风塔、大型风电机组的机舱顶部以及电线杆顶部，其能量转化效率（20%）略高于普通的阻力型机组。由于S型机组面临大型化制造和能量利用率低的困局，其在风力发电领域举步维艰。
[0005]1931年，法国航空工程师达里厄获得了以自己名字命名的风力发电机专利，开创了升力型垂直轴风力发电机的先河。达里厄风力机的风轮由两片与转轴平行的叶片组成，叶片横截面为具有流线型外形的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧。风从左侧吹向右方，叶片横截面翼型产生的升阻力带动风轮旋转，正常工作时叶片受到的阻力很小。升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力是推动风轮旋转的力。叶片随风轮旋转到不同角度几乎都有推动风轮朝着同一个方向旋转的转矩，这就是达里厄风力机可以在任何风向的风力下运行的原因。
[0006]水平轴风力机叶片扫掠空气时会产生轰鸣的气动噪声，影响周边居民的日常生活，许多人每天被低频噪声折磨得难以入睡。而垂直轴风力机运行转速只有十几转低，几乎不会发出噪音。因此，垂直轴风力机可以扎根在人口密集的都市，安装在高层建筑物的顶部，实现风能发电与建筑的融合，直接将电力供给到用户端。三支叶片的水平轴风力机外观简洁大方，它独特的造型成为了自然景观的点缀。但它叶尖的高速转动时，会对附近飞过的鸟儿造成了极大的威胁，被撞击受伤甚至死亡的鸟类不计其数，其中不乏珍稀猛禽。而垂直轴风力机的运行转速很低，不会对鸟类造成伤害。此外，由于垂直轴风力机塔架高度低，抗风能力强，在我国东南沿海台风登陆区域有巨大的发挥空间。
[0007]水平轴风力发电机运转过程中会在风轮后方产生一个巨大的尾流区域，显著影响后方风力机的性能，只有当前后两台机组的距离超过风轮直径的20倍时才能完全消除气流
干扰，这使得铺设电缆的成本大幅攀升并且浪费了大量的土地资源。相反垂直轴机组受到紊乱气流的干扰小，试验显示机组之间相距风轮的4倍时能够最大程度地吸收风能，因此，风电场内部可以实现机组的密集排布。垂直型风力机的发电机、变速箱等质量大的设备能安装在地面上，力学性能得到大幅改善，并且易于安装和维护。但垂直轴风电机组也存在着总体能量转化效率低、运行超速时的速度控制困难、启动风速高、难以自动启动等缺点。
[0008]风力发电要实现大规模的工程开发，不仅仅需要论证技术的可行性，还要综合考虑气动效率、结构安全性、噪声等级、环境影响、投入成本及收益、运行维护成本等多个方面。
技术实现思路
[0009]本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、体积紧凑、安全耐用、转化效率高的风力发电装置。本专利技术一种绕涡垂轴风力发电装置既克服了现有水平轴风力发电机的分力推动的技术缺陷，又克服了垂直轴风力发电机的阻力差推动或多向升力不均衡推动的技术缺陷，充分利用绕流圆柱体的绕流层分离效应所产生的涡旋单向合力解决了风能转化效率低的技术难题。
[0010]本专利技术所采用的技术方案是：一种绕涡垂轴风力发电装置，至少包括单层装置，还包括多层装置。单层装置包括迎风柱（1）和垂轴发电单元，迎风柱垂直于地面，垂轴发电单元包括垂轴叶轮（2）、发电机（3）、支架（4），迎风柱的水平投影线（101）包括圆，垂轴叶轮的垂轴（201）与迎风柱平行，垂轴叶轮的叶片（203）的水平投影线包括直线，垂轴叶轮的垂轴与发电机的轴（301）共直线或平行，垂轴叶轮垂轴一端与发电机轴一端联接或对接，支架固定于迎风柱上，支架承载垂轴叶轮和发电机且定位垂轴叶轮的垂轴于迎风柱的背风向中线（5）和背风向边线（6）之间并垂轴叶轮的大圆靠近迎风柱供垂轴叶轮水平旋转，垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过迎风柱的背风向变速分离线（19）至背风向边线之间的区域；当迎风柱迎风时，风绕经迎风柱两侧壁面的绕流层层流水平流线上的流程大于直线距离而速度增大，速度增大而压强减小，当风绕过迎风柱两侧向迎风柱背风向汇集时，两侧绕流层增厚而速度减小压强增大，进而包括其中一侧层流回旋分离成旋涡，旋涡沿迎风柱背风向连续脱落而形成一列涡眼（17），另一侧层流亦回旋分离成旋涡且与对侧旋涡旋向相反，垂轴叶轮受其所在侧的旋涡驱动旋转并带动发电机旋转发电；进而还包括其中一侧层流回旋分离成湍流，湍流沿迎风柱背风向无规则运动，另一侧层流亦回旋分离成湍流与对侧湍流同作无规则运动，垂轴叶轮受其所在侧的绕流层的外流驱动旋转并带动发电机旋转发电。单层装置还包括迎风柱、垂轴发电单元和平行垂轴发电单元，平行垂轴发电单元的组成与垂轴发电单元的组成相同或相似，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元互相平行，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的支架包括单体支架、合体支架（404），平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的组成相同的以背风向中线为轴对称，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的组成相似的分列背风向中线两边，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆保持安全间隙靠近所述迎风柱，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过迎风柱的背风向变速分离线至背风向边线之间的区域；当风绕过迎风柱两侧向迎风柱背风向汇集时，两侧绕流层增厚而速度减小压强增大，包括两侧层流进而回旋分离成旋涡，两侧旋涡沿背风向连续脱落而形成两列涡眼，两侧旋涡旋向相反，
平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的所述旋涡驱动旋转带动各自的发电机旋转发电；还包括两侧层流进而回旋分离成湍流，湍流沿背风向无规则运动，平行垂轴发电单元和垂轴发电单元的垂轴叶轮旋向相反并受各自所在侧的绕流层的外流驱动旋转带动各自的发电机旋转发电。
[0011]迎风柱背风向的涡眼是迎风柱背风向所产生气流旋涡的中心，气流漩涡连续稳定旋转而其向心力平衡时会于其中心区域形成稳定的眼状结构即涡眼也称风眼，涡眼的水平投影包括点、圆。涡眼迹线（18）是旋涡沿迎风柱背风向连续脱落而形成一列涡眼的轨迹。
[0012]迎风柱本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：至少包括单层装置，所述单层装置包括迎风柱（1）和垂轴发电单元，所述迎风柱垂直于地面，所述垂轴发电单元包括垂轴叶轮（2）、发电机（3）、支架（4），所述迎风柱的水平投影线（101）包括圆，所述垂轴叶轮的垂轴（201）与所述迎风柱平行，所述垂轴叶轮的叶片（203）的水平投影线包括直线，所述垂轴叶轮垂轴与所述发电机的轴（301）共直线或平行，所述垂轴叶轮垂轴一端与所述发电机轴一端联接或对接，所述支架固定于所述迎风柱上，所述支架承载所述垂轴叶轮和所述发电机且定位所述垂轴叶轮的垂轴于所述迎风柱的背风向中线（5）和背风向边线（6）之间并所述垂轴叶轮的大圆靠近所述迎风柱供所述垂轴叶轮水平旋转，所述垂轴叶轮的大圆直径范围包括致其叶片至少扫过所述迎风柱的背风向变速分离线（19）至所述背风向边线之间的区域；当所述迎风柱迎风时，风绕经所述迎风柱两侧壁面的绕流层层流水平流线上的流程大于直线距离而速度增大，速度增大而压强减小，当风绕过所述迎风柱两侧向所述迎风柱背风向汇集时，两侧所述绕流层增厚而速度减小压强增大，进而包括其中一侧所述层流回旋分离成旋涡，所述旋涡沿所述背风向连续脱落而形成一列涡眼（17），另一侧所述层流亦回旋分离成旋涡且与对侧所述旋涡旋向相反，所述垂轴叶轮受其所在侧的所述旋涡驱动旋转并带动所述发电机旋转发电；进而还包括其中一侧所述绕流层层流回旋分离成湍流，所述湍流沿所述背风向无规则运动，另一侧所述层流亦回旋分离成湍流与对侧所述湍流同作无规则运动，所述垂轴叶轮受其所在侧的所述绕流层的外流驱动旋转并带动所述发电机旋转发电。2.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述迎风柱还包括转动迎风柱（102），所述转动迎风柱可绕穿过其水平投影几何中心或重心的垂线转动，所述支架固定于所述转动迎风柱背风向的柱壁上。3.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述迎风柱的水平投影线还包括椭圆、复合曲线，所述迎风柱的水平投影复合曲线包括迎风曲线（103）和背风曲线（104），所述迎风曲线包括半圆、优弧、半椭圆、抛物线，所述背风曲线包括凸弧、双凸弧、凹弧、双凹弧。4.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述支架还包括转动支架（401），所述转动支架包括柱转动支架、轴转动支架，柱转动支架套挂于迎风柱的柱壁上并可绕迎风柱柱壁转动，轴转动支架套挂于迎风柱的转动轴上并可绕迎风柱的转动轴转动。5.根据权利要求1所述的一种绕涡垂轴风力发电装置，其特征在于：所述支架还包括伸缩支架，所述伸...
【专利技术属性】
技术研发人员：郝占宁，
申请(专利权)人：郝占宁，
类型：发明
国别省市：
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