本发明涉及一种能够高效利用风能，运行更为安全稳定的立阵组合式立轴风力发电系统。设置了多种排布的多塔柱支撑和多个发电单元的多层立阵组合结构，利用风能直接驱动立轴风力发电单元的主风翼，通过主悬臂、主悬臂固定轮毂及主轴以带动发电机发出电力；而当出现恶劣的强风环境时，通过调节主风翼迎风面积，以有效避让强风对系统造成的风毁。还设置了强风预警系统，当侦测到强风来袭时，可提前对系统发出指令以采取强风避让措施，极大地改善了风力发电系统的运行状态及安全性和稳定性。
1.一种立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：由多个塔柱（4）、在塔柱（4）间设置的多层承重层台（3）、在各承重层台（3）上设置的立轴风力发电单元（5）组成多层多列多单元组合结构，该多层多列多单元组合结构单行或多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统，每个立轴风力发电单元（5）设置发电机（23）；
所述立轴风力发电单元（5）包括主风翼（11），安装在主悬臂（18）外端，主悬臂（18）内端与主悬臂固定轮毂及主轴（21）连接，主悬臂固定轮毂及主轴（21）下部设有所述发电机（23），主风翼（11）通过主悬臂、主悬臂固定轮毂及主轴以带动发电机（23）发出电力，当出现恶劣的强风环境时，通过变换主风翼（11）的竖向开张角度、或者通过主风翼伸缩、折叠或变形，或在主风翼（11）为百叶窗形式的叶片时，通过调整主风翼叶片的开张角度，来调节主风翼迎风面积，以实现有效避让强风对系统造成的风毁；
在主悬臂（18）上安装主风翼控制电机（17），主风翼（11）通过主风翼连接轴（15）连接在主悬臂外端，在主风翼（11）和主风翼控制电机（17）之间连接有主风翼控制拉索（16）或液压拉杆或伸缩螺杆,通过主风翼控制电机（17）和主风翼控制拉索（16）或液压拉杆或伸缩螺杆来实现主风翼（11）的竖向开张角度的调整直至完全水平收缩，以减小主风翼（11）在强风环境中的迎风面积；
在主悬臂固定轮毂及主轴（21）上部设有主悬臂控制拉索固定轮毂（20），主悬臂控制拉索固定轮毂（20）固定有主悬臂控制拉索（19），主悬臂控制拉索（19）用来加强主悬臂的支撑力，由主悬臂控制拉索（19）的缩放改变主悬臂（18）的支撑角度，以实现不同工作状态下对主悬臂支撑角度的要求；
在主悬臂固定轮毂及主轴（21）中设有主悬臂横向扭矩加强拉索（22），用来加强主风翼（11）通过主悬臂（18）对主悬臂固定轮毂及主轴的拉动扭矩；
在主风翼（11）的中部设有离心力衰减翼（13）和主风翼迎风角度控制器（14），离心力衰减翼（13）用来减弱风机转动时产生的离心力；在主风翼（11）的上下端部分别设有整流副翼（12），整流副翼（12）用来减小主风翼（11）翼端的振动。
2.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：还包括控制中心（1），设在塔柱（4）底部，塔柱（4）上设置加固拉线或支柱（2）以加强系统稳定性，在风塔的顶部设有风速仪（6）和预警接收装置（7）。
3.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：所述主悬臂（18）为双梁主悬臂。
4.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：支撑整个风塔的塔柱（4）设置多个；主悬臂固定轮毂及主轴（21）放置在多个塔柱的中心，或放置在多个塔柱的偏心位置。
5.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：支撑整个风塔的塔柱（4）设置为2个、3个或4个；主悬臂固定轮毂及主轴（21）放置在所述塔柱的中心，或放置在所述塔柱的偏心位置。
6.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：各塔柱（4）的支撑点均设置在主风翼（11）的旋转半径之外。
7.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：在所述塔柱的不同高度设置多层所述承重层台（3）。
8.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：在所述塔柱的不同高度设置双层或三层所述承重层台（3）。
9.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：每层承重层台（3）上设置多个所述立轴风力发电单元（5），各立轴风力发电单元（5）的旋转方向相同，或交互逆向旋转以抵消或减小各发电单元对全塔的旋转扭力。
10.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：每层承重层台（3）上设置两个或三个所述立轴风力发电单元（5），各立轴风力发电单元（5）的旋转方向相同，或交互逆向旋转以抵消或减小各发电单元对全塔的旋转扭力。
11.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：每层承重层台（3）上设置一个所述立轴风力发电单元（5）。
12.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：每个立轴风力发电单元（5）设置带动1个、2个或3个所述发电机（23）。
13.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：每个立轴风力发电单元（5）设置带动多个所述发电机（23）。
14.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：立阵的行数、列数、塔柱（4）的数量及排布形式、承重层台（3）的层数、立轴风力发电单元（5）的单元数及各单元所带的发电机数量能够进行扩调。
15.根据权利要求2所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：设置强风预警系统，在立轴风力发电设备或发电机群周边来风方向适当距离及适当高度设置若干测风预警哨塔（8），在测风预警哨塔（8）上设有预警测风仪（9）和预警发射装置（10），随时将预警测风仪（9）测得的风速值通过预警发射装置（10）及预警接收装置（7）以有线或无线形式传回到控制中心（1），以作为系统运行的依据和提前采取强风避让措施的依据。
16.根据权利要求1所述的立阵组合式立轴风力发电系统，其特征在于：主风翼（11）翼面百叶横向设置或竖向设置。
立阵组合式立轴风力发电系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种立阵组合式立轴风力发电系统，用于高效利用风能获取清洁能源的技术领域。即可高效利用风能，降低投资成本，又可有效避让恶劣的强风环境对系统造成的损毁。极大地提高风能利用效率，降低投资建设成本，改善系统运行的安全性和稳定性。
背景技术
[0002] 现有的立轴风力发电系统多为单柱单层、多柱单塔单层及单柱单塔多层取风结构，投入了很大建设成本才把风机架到合适的风场及合适的工作高度，而取风发电机构只设置了单柱单层、多柱单塔单层及单柱单塔多层，不仅造成巨大的投资浪费，也限制了系统发电能力的提高，并且对如何避让强风环境对系统造成的风毁尚无很好的解决办法，限制了立轴风力发电系统诸多优势的发挥。
发明内容
[0003] 本发明的目的，在于提供一种高效利用风能，运行更为安全稳定的立阵组合式立轴风力发电系统。
[0004] 本发明的一种立阵组合式立轴风力发电系统，由多个塔柱、在塔柱间设置的多层承重层台、在各承重层台上设置的立轴风力发电单元组成多层多列多单元组合结构，该多层多列多单元组合结构还可以单行或多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统，每个立轴风力发电单元设置发电机；
[0005] 所述立轴风力发电单元包括主风翼，安装在主悬臂外端，主悬臂内端与主悬臂固定轮毂及主轴连接，主悬臂固定轮毂及主轴下部设有所述发电机，主风翼通过主悬臂、主悬臂固定轮毂及主轴以带动发电机发出电力，当出现恶劣的强风环境时，通过变换主风翼的竖向开张角度、主风翼伸缩、折叠、变形或百叶窗形式的叶片开张角度的调整等方式来调节主风翼迎风面积，以实现有效避让强风对系统造成的风毁；
[0006] 在主悬臂上安装主风翼控制电机，主风翼通过主风翼连接轴连接在主悬臂外端，在主风翼和主风翼控制电机之间连接有主风翼控制拉索或液压拉杆或伸缩螺杆，通过主风翼控制电机和主风翼控制拉索或液压拉杆或伸缩螺杆来实现主风翼的竖向开张角度的调整直至完全水平收缩，以减小主风翼在强风环境中的迎风面积；
[0007] 在主悬臂固定轮毂及主轴上部设有主悬臂控制拉索固定轮毂，主悬臂控制拉索固定轮毂固定有主悬臂控制拉索，主悬臂控制拉索用来加强主悬臂的支撑力，由主悬臂控制拉索的缩放改变主悬臂的支撑角度，以实现不同工作状态下对主悬臂支撑角度的要求；
[0008] 在主悬臂固定轮毂及主轴中设有主悬臂横向扭矩加强拉索，用来加强主风翼通过主悬臂对主悬臂固定轮毂及主轴的拉动扭矩；
[0009] 在主风翼的中部设有离心力衰减翼和主风翼迎风角度控制器，离心力衰减翼用来减弱风机转动时产生的离心力；在主风翼的上下端部分别设有整流副翼，整流副翼用来减小主风翼翼端的振动。
[0010] 在一个实施方式中，还包括控制中心，设在塔柱底部，塔柱上设置加固拉线或支柱以加强系统稳定性，在风塔的顶部设有风速仪和预警接收装置。
[0011] 在一个实施方式中，所述主悬臂为双梁主悬臂。
[0012] 区别于以往单柱单层、多柱单塔单层及单柱单塔多层风力发电系统，本发明设置了多种排布的多塔柱支撑和多个发电单元的多层多列多单元组合结构，该多层多列多单元组合结构还可以多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统。支撑塔柱可以设置2个、3个、4个及多个，并可以多种方式排布，立轴风力发电机的主轴可以放在多个支撑塔柱的中心，也可根据需要放在多个支撑塔柱的偏心位置；根据环境和设备需要，在多个支撑塔柱的不同高度位置可设置单层、双层、三层乃至多层立轴风力发电机构，层数可根据环境、设备状况和用户对系统发电功率的要求进行扩调。每层立轴风力发电机构可设置一个、两个、三个乃至多个立轴风力发电单元，各发电单元的旋转方向可以相同，也可以交互逆向旋转以抵消或减小发电单元对全塔的旋转扭力；每个发电单元又可设置带动1个、2个、3个乃至多个发电机。由于各个塔柱的支撑点均设置在立轴风力发电机单元的主风翼旋转半径之外，并且在每个塔柱上均可设置加固拉线或支柱，从而极大地改善了系统运行的稳定性和安全性；由于设置了多层、多列和多个立轴风力发电单元，大大提高了整个系统的发电能力，有效降低了单位功率的设备投入成本，扩展了取风的高度空间，减少了单位功率的占地面积，提高了优质风区的利用效率。
[0013] 根据环境和设备需要，本发明还设置了强风预警系统，在立轴风力发电设备或发电机群周边来风方向适当距离及适当高度设置若干测风预警哨塔，在测风预警哨塔上设有预警测风仪和预警发射装置，当侦测到有超过警戒风速值的强风来袭时，可提前对系统发出指令以采取强风避让措施。
[0014] 在每一个发电单元中，利用风能直接驱动立轴风力发电单元的主风翼，通过主悬臂、主悬臂固定轮毂及主轴以带动发电机发出电力；而当出现恶劣的强风环境时，通过变换主风翼的竖向开张角度、主风翼伸缩、折叠、变形及百叶窗形式的叶片开张角度的调整等方式来调节主风翼迎风面积，以实现有效避让强风对系统造成的风毁。
附图说明
[0015] 图1是本发明单行多层单列可避让强风的立阵组合式立轴风力发电系统结构示意图。
[0016] 图1a、图1b、图1c、图1d表示单行多层两列、单行多层三列、单行多层四列、单行多层多列及多行多层多列立阵组合式立轴风力发电系统示意图。
[0017] 图2是本发明的强风预警系统示意图。
[0018] 图3是本发明系统中立轴风力发电单元结构示意图。图4是本发明立轴风力发电单元的双梁主悬臂示意图。
[0019] 图5、图6、图7分别表示本发明风塔两柱、三柱、四柱及多柱的不同排布形式。
[0020] 图7a、图7b、图7c、图7d表示本发明多层两列、多层三列、多层四列及多层多列的塔住排布形式。
[0021] 图7e、图7f表示本发明可避让强风的立阵组合式立轴风力发电系统塔柱的其他排布形式。
[0022] 图7g、图7h、图7i表示多层多列多单元组合结构还可以多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统。
[0023] 图8a表示主悬臂固定轮毂及主轴2可置于多个塔柱的偏心位置。
[0024] 图8b、图8c表示塔柱及立轴风力发电单元之间可有多种排布形式。
[0025] 图9表示本系统可设多柱、多层、多发电单元及多发电机的多种组合形式。
[0026] 图10、图11、图12表示每个发电单元可带1个、2个、3个乃至多个发电机。
[0027] 图13表示本发明主风翼全收缩状态。
[0028] 图14表示本发明主风翼迎风面积的调整可采用风翼折叠形式。
[0029] 图15表示本发明可折叠主风翼的全收缩状态。
具体实施方式
[0030] 本发明主要是通过以下方法来实现的。
[0031] 如图1、1a、1b、1c、1d、2、3所示，一种可避让强风的立阵组合式立轴风力发电系统的最佳实施方式，包括控制中心1、加固拉索或支柱2、承重层台3、塔柱4、立轴风力发电单元5、风速仪6、预警接收装置7、测风预警哨塔8、预警测风仪9，预警发射装置10；在每个立轴风力发电单元5中还包括主风翼11、整流副翼12、离心力衰减翼13、主风翼迎风角度控制器14、主风翼连接轴15、主风翼控制拉索16、主风翼控制电机17、主悬臂18、主悬臂控制拉索19、主悬臂控制拉索固定轮毂20、主悬臂固定轮毂及主轴21、主悬臂横向扭矩加强拉索22、发电机23、双梁主悬臂24。其中由多个塔柱4、在塔柱4间设置的多层承重层台3、在各承重层台3上设置的立轴风力发电单元5组成多层多列多单元组合结构，该多层多列多单元组合结构还可以单行或多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统。
[0032] 图7a、图7b、图7c、图7d表示本发明多层两列、多层三列、多层四列及多层多列的塔住排布形式。
[0033] 如图5、6、7、8a、8b、8c所示，支撑风塔的塔柱4可以设置2个、3个、4个及多个，并可以多种方式排布；如图5、6、7、8a、8b、8c所示，主悬臂固定轮毂及主轴21可设置在多个塔柱的中心，也可根据需要设置在多个塔柱的偏心位置；各塔柱4的支撑点均设置主风翼11的旋转半径之外，各塔柱4上均可设置加固拉线或支柱2以加强系统稳定性。
[0034] 如图1、1a、1b、1c、1d、2所示，在多个塔柱的不同高度可设置单层、双层、三层乃至多层承重层台3，如图9所示，每层承重层台3上可设置一个、两个、三个乃至多个立轴风力发电单元5，各立轴风力发电单元5的旋转方向可以相同，也可以交互逆向旋转以抵消或减小各发电单元对全塔的旋转扭力；如图10、11、12所示，每个立轴风力发电单元5又可设置带动1个、2个、3个乃至多个发电机23。
[0035] 以多种方式排布的多个风塔塔柱4、多层承重层台3及多个立轴风力发电单元5组成多层多列多单元组合结构，该多层多列多单元组合结构还可以多行排列，形成立阵组合式立轴风力发电系统，如图1d、7g、7h、7i所示。立阵的行数、列数、塔柱4的数量及排布形式、承重层台3的层数、立轴风力发电单元5的单元数及各单元所带的发电机数量可根据需要进行扩调。
[0036] 如图2所示，本发明可按需要设置强风预警系统。在立轴风力发电设备或发电机群周边来风方向的适当距离及适当高度设置若干测风预警哨塔8，随时将预警测风仪9测得的风速值通过预警发射装置10及预警接收装置7以有线或无线形式传回到控制中心1，以作为系统运行的依据和提前采取强风避让措施的依据。当测风预警哨塔8及控制中心1侦测到有超过警戒风速值的强风来袭时，可提前发出指令以采取强风避让措施。
[0037] 各发电单元的主风翼11在风的驱动下产生旋转动力，通过主风翼连接轴15、主悬臂18、主悬臂固定轮毂及主轴21带动发电机23运转以发出电力。在系统运行过程中，整流副翼12用来减小主风翼11翼端的振动；离心力衰减翼13用来减弱风机转动时产生的巨大离心力；固定在主悬臂控制拉索固定轮毂20上的主悬臂控制拉索19用来加强主悬臂18的支撑力，并通过主悬臂控制拉索19的缩放可改变主悬臂18的支撑角度，以实现不同工作状态下对主悬臂18支撑角度的要求；主风翼迎风角度控制器14可调整主风翼11的迎风夹角，以使系统在弱风状态下顺利启动；主悬臂横向扭矩加强拉索22用来加强主风翼11通过主悬臂18对主悬臂固定轮毂及主轴21的拉动扭矩；主悬臂横向扭矩加强拉索22的作用还可通过采用双梁主悬臂24的形式来实现，如图4所示。
[0038] 如图13所示，当系统遇到恶劣的强风环境时，通过主风翼控制电机17和主风翼控制拉索16来实现主风翼11的竖向开张角度的调整直至完全水平收缩，从而极大地减小主风翼11在强风环境中的迎风面积，减小风阻，有效克服系统的风毁危险。在实现主风翼11竖向开张角度的调整直至完全水平收缩的过程中，除采用主风翼控制电机17和主风翼控制拉索16外，还可采取液压拉杆或伸缩螺杆等结构来实现。
[0039] 如图14、15所示，主风翼11迎风面积的调整还可通过主风翼11翼面的伸缩、折叠、变形及百叶窗形式的叶片开张角度的调整来实现。主风翼11翼面百叶可横向设置，也可竖向设置。
[0040] 主风翼11的迎风面积可根据系统运行的需要随机调整。配合系统发电负荷需求，在不同负荷、不同风速情况下配合以不同的主风翼迎风面积，以使系统处于最佳运行状态。
