本发明涉及一种自然增压和集风装置的智能垂直轴风力发电机组，该机组包括组合钢架、模块式多级涡轮层、高压气体存储层和发电机组层。组合钢架呈三角塔形结构，模块式多级涡轮层设在组合钢架的上层，所述的高压气体存储层设置在组合钢架的中间层，发电机组层设置在组合钢架的下层。该发电机组整合了涡轮增压技术并进行改进，设置了轴流风力增压器，利用风力推动增压器桨叶和空气压缩机产生的压缩空气，进入主风腔推动叶轮在微风或无风时发电，从而克服了传统风机小风无风不能发电的缺陷。
1.一种增压集风式风力发电机组，该机组包括组合钢架(1)、模块式多级涡轮层(2)、高压气体存储层(3)和发电机组层(4)，其特征在于：所述的组合钢架(1)呈三角塔形结构，所述的模块式多级涡轮层(2)设在组合钢架(1)的上层，所述的高压气体存储层(3)设置在组合钢架(1)的中间层，所述的发电机组层(4)设置在组合钢架(1)的下层；
所述的模块式多级涡轮层(2)包括可转向集风体(21)、外部进/出风口(22)、电动卷帘门(23)、组合风道(24)、电磁阀可转向百叶进风口(25)、主风腔(26)和模块式多级涡轮组(27)，所述的可转向集风体(21)竖立设置在组合钢架(1)三角塔形结构的棱角上，所述的进/出风口(22)均匀的分布在组合钢架(1)三角塔形结构的三个平面上，所述的电动卷帘门(23)设置在外部进/出风口(22)上，所述的主风腔(26)位于组合钢架(1)中心处并竖立贯穿于整个发电机组的中上部，所述的电磁阀可转向百叶进风口(25)设置在主风腔(26)上通过组合风道(24)与外部进/出风口(22)连通，所述的模块式多级涡轮组(27)设置在主风腔(26)内；
所述的模块式多级涡轮组(27)的多级花键垂直轴(282)穿过高压气体存储层(3)与设置在发电机组层(4)内的发电机组(42)连接；
所述的高压气体存储层(3)内设置有压力仓(31)，压力仓(31)连接有空气压缩机(32)、涡轮增压器(33)和压缩空气及可燃气体喷口(34)，所述的空气压缩机(32)由多级花键垂直轴(282)驱动连接，所述的涡轮增压器(33)设置在组合钢架(1)三角塔形结构的三个平面上，所述的压缩空气及可燃气体喷口(34)设置在电磁阀可转向百叶进风口(25)上。
2.根据权利要求1所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，所述的模块式多级涡轮组(27)由多个单级涡轮(28)构成，单级涡轮(28)由叶轮(281)和花键垂直轴(282)组成，叶轮(281)套装在花键垂直轴(282)上，两个单级涡轮(28)的花键垂直轴(282)由万向节(29)连接。
3.根据权利要求1所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，所述的压缩空气及可燃气体喷口(34)连接有沼气燃烧装置。
4.根据权利要求3所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，当风能不足时，把沼气燃烧和发电机热气能导进压缩空气及可燃气体喷口(34)产生空气膨胀和爆发力以带动叶轮(281)发电。
5.根据权利要求1所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，在主风腔(26)和三角塔形结构的外立面处设置的电动卷帘门(23)和外部进/出风口(22)之间形成气流通路；进入的旋转气流中，大部分外部气流通过进/出风口(22)流出形成气流通路，部分中部强劲旋转气流继续被烟囱效应驱动加入上层的气流继续对叶轮(281)做功直至排出。
6.根据权利要求1所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，所述的发电机组层(4)内设有控制器(41)，所述的控制器(41)分别与设置在发电机(42)及进/出风口(22)上的探测器(411)连接。
7.根据权利要求6所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，所述的探测器(411)搜集风速、风向、风压、叶轮转速、发电机温度、转速、发电量和发电质量；当风量小时，控制器(41)通过控制可转向集风体(21)张开最大角度，进/出风口(22)的电动卷帘门(23)收起，使进/出风口(22)扩大，当风量变大时，控制器(31)对可转向集风体(21)进行方向控制，使其逐渐角度变小直至到背风面；当进/出风口(22)全部张开还不能满足额定发电量时，把之前收集在压力仓(31)内高压气能释放到压缩空气及可燃气体喷口(34)，再带动叶轮(281)旋转发电。
8.根据权利要求1所述的增压集风式风力发电机组，其特征在于，所述的主风腔(26)为多个锥形圆筒形状的单级主风腔(283)构成，锥形圆筒有利于加快风速对叶轮(281)做功。
增压集风式风力发电机组
技术领域
[0001] 本发明涉及一种集自然增压、智能集风体的智能型垂直轴风力发电机组，更具体地说，涉及一种可用于风力发电场和建筑领域的智能型风力发电机组。
背景技术
[0002] 能源是人类生存和社会发展的原动力和基本要素。随着社会经济的飞速发展，能源日益成为影响经济继续健康发展的瓶颈。风力发电越来越成为可再生能源发电的主要手段。而现在我们所采用的水平轴风电机组存在着结构部件大，制造、运输、安装困难，发电效率低，维护复杂等缺陷。
[0003] 目前全世界都在推动新一代的风力发电机组，它主要具备这样的特点：发电效率提高、造价低、智能化控制和远程管理。同时如何提高发电机组有效发电小时数及提高发电的出力效率，如何能在全风况情况下使发电机组最大化发电，是本发明要解决的问题。
发明内容
[0004] 针对传统风电机组的缺陷，本发明要解决的技术问题在于：构造一种智能型、多技术手段、全天候的风力发电机组或能使它全风况发电的环境。
[0005] 为此，本发明所采用的技术方案是一种增压集风式风力发电机组，该机组包括组合钢架、模块式多级涡轮层、高压气体存储层和发电机组层，其特征在于：所述的组合钢架呈三角塔形结构，所述的模块式多级涡轮层设在组合钢架的上层，所述的高压气体存储层设置在组合钢架的中间层，所述的发电机组层设置在组合钢架的下层；
[0006] 所述的模块式多级涡轮层包括可转向集风体、外部进/出风口、电动卷帘门、组合风道、电磁阀控可转向百叶进风口、主风腔，所述的可转向集风体竖立设置在组合钢架三角塔形结构的棱角上，所述的进/出风口均匀的分布在组合钢架三角塔形结构的三个平面上，所述的电动卷帘门设置在外部进/出风口上，所述的主风腔位于组合钢架中心处并竖立贯穿于整个发电机组的中上部，所述的电磁阀可转向百叶进风口设置在主风腔二个主风腔相接处，通过组合风道与外部进/出风口连通，所述的模块式多级涡轮组设置在主风腔内；
[0007] 所述的模块式多级涡轮组的多级花键垂直轴穿过高压气体存储层与设置在发电机组层内的发电机连接。
[0008] 其中所述的模块式多级涡轮组由多个单级涡轮构成，单级涡轮由叶轮和花键垂直轴组成，叶轮套装在花键垂直轴上，两个单级涡轮的花键垂直轴由万向节连接。
[0009] 其中所述的高压气体存储层内设置由压力仓，压力仓连接有空气压缩机、涡轮增压器和压缩空气及可燃气体喷口，所述的空气压缩机由多级花键垂直轴驱动连接，所述的涡轮增压器设置在组合钢架三角塔形结构的三个平面上，所述的压缩空气及可燃气体喷口设置在电磁阀可转向百叶进风口上方。
[0010] 其中所述的压缩空气及可燃气体喷口连接有沼气燃烧装置，该燃烧装置连接沼气发动机。
[0011] 当风能不足时，把沼气通过沼气发动机燃烧产生的扭矩带动发电机发电，并可把燃烧热气能导进压缩空气及可燃气体喷口以推动叶轮发电。
[0012] 其中所述的高压气体存储层内设置有刹车系统。当机组维修和出现紧急情况时将使用该系统对垂直轴进行抱死刹车，同时关闭所有进出风口，使设备停止运行，保护维修人员和设备安全。
[0013] 其中所述的发电机组层内设有控制器，所述的控制器分别与设置在发电机及进/出风口上等处的探测器连接。
[0014] 其中所述的探测器搜集风速、风向、风压、叶轮转速，发电机温度，转速、发电量和发电质量；当风量小时，控制器通过控制集风体张开角度，进/出风口的电动帘门收起，使进/出风口扩大，当进/出风口全部张开还不能满足发电量时，把之前收集在压力仓内高压气能释放到压缩空气及可燃气体喷口，再带动叶轮旋转发电。当风量大时，对集风体角度控制，减少集风量，并减少进风口和出风口高度，以保持风量平衡通过和推动叶轮，使垂直轴匀速旋转，使风电机组稳定的发电。
[0015] 主风腔为多个锥形圆筒形状的单级主风腔构成，锥形圆筒有利于加快风速对叶轮做功。
[0016] 该机组的基本结构采用垂直轴、多级垂直主风腔、涡轮自然增压、多发电机、环境集风体、可变可控的进风及出风口和智能控制系统所组成。根据本发明的发电机组整合了涡轮增压技术并进行改进，发明了轴流风力增压器，利用风力推动增压器桨叶产生的压缩空气，进入主风腔推动叶轮在微风或无风时发电，从而克服了传统风机小风不能发电的缺陷。
[0017] 虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
[0018] 本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0019] 图1是本发明的增压集风式风力发电机组立面图；
[0020] 图2是本发明的增压集风式风力发电机组剖面图；
[0021] 图3是图1中A-A模块式多级涡轮层剖视图；
[0022] 图4是图1中B-B高压气体存储层剖视图以及
[0023] 图5是图1中C-C风力发电机组层剖视图。
[0024] 其中的附图标记分别表示：
[0025] 1 组合钢架
[0026] 2 模块式多级涡轮层
[0027] 21 可转向集风体
[0028] 22 外部进/出风口
[0029] 23 电动卷帘门
[0030] 24 组合风道
[0031] 25 电磁阀可转向百叶进风口
[0032] 26 主风腔
[0033] 27 模块式多级涡轮组
[0034] 28 单级涡轮
[0035] 281 叶轮
[0036] 282 花键垂直轴
[0037] 283 单级主风腔
[0038] 29 万向节
[0039] 3 高压气体存储层
[0040] 31 压力仓
[0041] 32 压缩机
[0042] 33 涡轮增压器
[0043] 34 压缩空气及可燃气体喷头
[0044] 35 刹车系统
[0045] 4 发电机组层
[0046] 41 控制器
[0047] 411 探测器
[0048] 42 发电机组
具体实施方式
[0049] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的风力发电机组的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。
[0050] 图1示出了本发明的增压集风式风力发电机组立面图；图2示出了本发明的增压集风式风力发电机组剖面图。如图1和图2所示，该增压集风式风力发电机组包括组合钢架1、模块式多级涡轮层2、高压气体存储层3和发电机组层4，组合钢架1呈三角塔形结构，所述的模块式多级涡轮层2设在组合钢架1的上层，所述的高压气体存储层3设置在组合钢架1的中间层，所述的发电机组层4设置在组合钢架1的下层。
[0051] 参见图3，示出了图1中主风腔-主风腔模块式多级涡轮层2的剖视图。其中模块式多级涡轮层2包括可转向集风体21、外部进/出风口22、电动卷帘门23、组合风道24、电磁阀可转向百叶进风口25、主风腔26和模块式多级涡轮组27，所述的可转向集风体21竖立设置在组合钢架1三角塔形结构的棱角上，所述的进/出风口22均匀的分布在组合钢架1三角塔形结构的三个平面上(在每一水平平面上都均匀分布有三个进/出风口，根据风向其中一个充当进风口，此时另外两个就充当出风口)，所述的电动卷帘门23设置在外部进风口22上(由于电动卷帘门23的存在，从而进/出风口22得以可变可控)，所述的主风腔26位于组合风道24中心处并竖立贯穿于整个发电机组的中上部，所述的电磁阀可转向百叶进风口25设置在主风腔26上通过组合风道24与外部进/出风口22连通，所述的模块式多级涡轮组27设置在主风腔内；所述的主风腔26为多个锥形圆筒形状的单级主风腔
283构成，锥形圆筒有利于加快风速对叶轮281做功。
[0052] 其中所述的模块式多级涡轮组27由多个单级涡轮28构成，单级涡轮28由叶轮281和花键垂直轴282、单级主风腔283组成，叶轮281套装在花键垂直轴282上，两个单级涡轮28的花键垂直轴282由万向节29连接，利用二个单级主风腔283的直径差，在单级主风腔283连接处设置了电磁阀可转向百叶进风口25。
[0053] 根据本发明的优选实施例，多级花键垂直轴282之间通过万向节29连接，万向节连接主要是为了使单极涡轮模块有上下、左右活动空间，并不会影响到多级花键垂直轴282上下之间扭矩的传递。
[0054] 如图4所示，图4是图1中B-B高压气体存储层3剖视图。其中所述的高压气体存储层3内设置由压力仓31，压力仓31连接有空气压缩机32、涡轮增压器33和压缩空气及可燃气体喷口34，所述的空气压缩机32由多级花键垂直轴282驱动连接，所述的涡轮增压器33设置在组合钢架1三角塔形结构各层的三个平面上，所述的压缩空气及可燃气体喷口34设置在电磁阀可转向百叶进风口25上。
[0055] 根据本发明的优选实施例，其中所述的高压气体存储层3内还设置有刹车系统35。当机组维修和出现紧急情况时将使用该刹车系统35对花键垂直轴282进行抱死刹车，同时关闭所有进/出风口22，使设备停止运行，保护维修人员和设备安全。
[0056] 如图5所示，示出了图1中C-C风力发电机组层4剖视图。所述的模块式多级涡轮组27的多级花键垂直轴282穿过高压气体存储层3与设置在发电机组层4内的发电机42连接。
[0057] 根据本发明的优选实施例，所述的压缩空气及可燃气体喷口34连接有沼气燃烧装置。
[0058] 根据本发明的优选实施例，其中所述的高压气体存储层3内设置有刹车系统35。
[0059] 其中所述的发电机组层4内设有控制器41，所述的控制器41分别与设置在发电机42及进/出风口22上的探测器411连接。
[0060] 以下将描述本发明的风力发电机发电工作步骤。
[0061] 一、集风步骤
[0062] 自然风通过三扇可转向集风体21使风量通过进/出风口22聚集，形成正压区，在风机背后形成负压区。
[0063] 二、整流步骤
[0064] 聚集的水平风量通过组合风道24形成垂直风向，再经过电磁阀可转向百叶进风口25整流为旋转气流。其中组合风道24为弧型锥筒状，起聚集风能使其加速和改变风向和形态作用。
[0065] 三、风能转化为机械能
[0066] 被加速后的旋转气流(喷射储能气流或沼气燃烧热气能)推动水平叶轮281快速旋转(速率为50-300转/min)，然后做功后的大部分外部气流通过进/出风口22流出形成气流通路，部分中部强劲旋转气流继续被烟囱效应驱动加入上层的气流继续对叶轮281做功直至排出。叶轮281带动多级花键垂直轴282将扭矩传递到底层机房。
[0067] 四、机械能转化为电能
[0068] 底层机房内的花键垂直旋转轴282通过星型齿轮组将垂直扭矩转换成为水平扭矩传递给发电机组42发电。
[0069] 根据本发明的优选实施例，控制器41可以设置在机房内或者设置在风能发电机组42外部，与设置在进/出风口22、发电机顶部和发电机42等处的探测器411连接，以搜集风速、风向、风压、叶轮转速，发电机温度，转速、发电量和发电质量；当风量小时，控制器通过控制集风体21张开角度，进/出风口22的电动卷帘门23收起高度，使进/出风口22扩大，当进/出风口22全部张开还不能满足发电量时，把之前收集在压力仓31内高压气能释放到压缩空气及可燃气体喷口34，再带动叶轮281旋转发电；当风量大时，对集风体21进行角度控制，减少集风量，并减少进风口22和出风口22高度，以保持风量平衡通过和推动叶轮281，使花键垂直轴282匀速旋转，使风电机组42稳定的发电。
[0070] 压力仓31设置在高压气能存储层3内，压力仓31通过设在各层进/出风口22处的涡轮增压器33收集高压气体，还可以通过设在底层4的由多级花键垂直轴282带动的空气压缩机32收集高压气体。
[0071] 在南方，在风能不够时，还可以通过燃烧沼气，把沼气燃烧热气能导进压缩空气及可燃气体喷口34与压缩空气混合以加速带动叶轮发电。
[0072] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
