用于垂直轴风力发电装置的破冰集风机构

摘要

本发明涉及新能源技术领域，提供了一种用于垂直轴风力发电装置的破冰集风机构，包括：上端板连接板、下端板连接板、热风喷射管、喷射管支架和多个破冰集风机构侧板；多个破冰集风机构侧板依次呈环形间隔安装在上端板连接板和下端板连接板之间，相邻破冰集风机构侧板与上端板连接板和下端板连接板形成渐缩型通道；热风喷射管通过喷射管支架安装在渐缩型通道中。本发明提供的破冰集风机构，通过设置上端板连接板、下端板连接板、热风喷射管、喷射管支架和多个破冰集风机构侧板，能够通过热风由喷射管将来风温度提高到零上3‑5℃，使得垂直轴风力发电装置流道中的冰和雪都可以融化，从而安全有效地破除垂直轴风力发电装置流道中的冰和雪。

权利要求

1.一种用于垂直轴风力发电装置的破冰集风机构，其特征在于，包括：上端板连接板、下端板连接板、热风喷射管、喷射管支架和多个破冰集风机构侧板；

其中，多个所述破冰集风机构侧板依次呈环形间隔安装在所述上端板连接板和所述下端板连接板之间，相邻所述破冰集风机构侧板与所述上端板连接板和所述下端板连接板形成渐缩型通道；所述热风喷射管通过所述喷射管支架安装在所述渐缩型通道中；

所述破冰集风机构包括：侧板骨架、侧板外弧蒙皮、侧板内弧蒙皮、加强填充料和电加热器；

所述侧板骨架的外侧安装有所述侧板外弧蒙皮，所述侧板骨架的内侧安装有所述侧板内弧蒙皮，所述侧板骨架、所述侧板外弧蒙皮和所述侧板内弧蒙皮围设形成侧板内腔，所述侧板内腔中包裹有所述加强填充料，且所述侧板内腔中安装有所述电加热器；所述侧板内腔中设有进风口和排风口；所述热风喷射管通过所述排风口与所述侧板内腔连通。

2.根据权利要求1所述的破冰集风机构，其特征在于，所述侧板骨架包括：骨架边框、加强连接筋板和加强钢筋；

所述加强连接筋板和所述加强钢筋相互拼接，所述加强连接筋板沿纵向安装在所述骨架边框上，所述加强钢筋沿横向安装在所述骨架边框上。

3.根据权利要求1所述的破冰集风机构，其特征在于，所述侧板外弧蒙皮和所述侧板内弧蒙皮为玻璃钢，厚度为2mm‑10mm。

4.根据权利要求1所述的破冰集风机构，其特征在于，所述热风喷射管的数量为多个，各所述热风喷射管沿所述破冰集风机构侧板的高度方向纵横排列。

5.根据权利要求1所述的破冰集风机构，其特征在于，所述破冰集风机构侧板呈弧形安装在所述上端板连接板和所述下端板连接板之间，相邻所述破冰集风机构侧板与所述上端板连接板和所述下端板连接板形成弯曲环状的所述渐缩型通道。

6.根据权利要求1所述的破冰集风机构，其特征在于，所述破冰集风机构还包括：防护网；所述防护网安装在所述破冰集风机构侧板的最外缘。

说明书

用于垂直轴风力发电装置的破冰集风机构

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种用于垂直轴风力发电装 置的破冰集风机构。

背景技术

[0002] 随着全球气候和能源问题的日益突出，风能已经逐渐成为世界范围内 备受瞩目的新能源。风能是一种绿色的可再生的新能源，其蕴藏的能量巨 大，且分布广泛、就地可
取、无需运输、利用方便。风能的利用已经从最 初的风力提水、风帆助航和风力磨面粉，发
展到今天的风力发电。

[0003] 随着低风速技术的创新发展，之前不具备开发价值的低风速区正成为 风电产业的热土。目前，中东部和南部地区风速为5m/s以上、并达到经济 开发价值的风资源的储量
接近9亿KW。而低风速区要想具有经济开发价值 就必须使作用在风轮叶片上的风能密度达
到0.08～0.17kw/m2。但是，中国 的中东部和南部地区的年平均风速在5.0‑6.5m/s，也就是
说，风能密度低于 0.08kw/m2无法直接利用。

[0004] 基于上述背景，经过近些年研究，对于集风器的结构，我们做了进一 步的完善，除了原来所述导流筋板，在结构中增加了变桨风门，并与原专 利中的气流导向叶片一起或者
单独构成集风器，来提高进入风力发电装置 的风能密度，以提高低风速地区的低密度风
能。此外，改进后的集风器装 置，配备了具有变桨距作用的变桨风门，实现了对垂直轴风力
发电装置的 功率调节，并在极端的暴风天气下实施闭合，保护了发电装置的内部结构。 这
样就形成了用于垂直轴风力发电装置的变桨集风机构。但是这种改进后 的具有变桨作用
的集风结构还存在一个大的问题，在零度以下的低温天 气，由集风结构流出的气流温度比
较低，这给垂直轴风力发电装置带来了 严重问题，一是由于风流温度低，根据金属结构的
热胀冷缩的原理，使一 些设备配合面的间隙发生了变化，尽管设计时考虑了这种补偿的方
法，但 温度的变化还是对此产生很大的影响。另外，由于风流温度比较低，在垂 直轴的渐
缩通道中的侧壁上产生了冰层，如果是雪天，雪片被带入渐缩通 道，由于雪具有一定的粘
滞性，雪片会在侧壁上形成雪层，这种冰和雪如 果堆积在风道中，会影响风流的流动，降低
风流的能量密度，如果堆积在 动叶转子上，会影响垂直轴风力发电转子的动平衡。这样，变
桨集风结构 必须具有破冰的性能。

发明内容

[0005] 鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种用于垂直轴风 力发电装置的破冰集风机构，串联在变桨集风结构中，一方面可起到集风 作用，另一方面还可以破
冰。

[0006] 为解决上述问题，本发明提供一种用于垂直轴风力发电装置的破冰集 风机构，包括：上端板连接板、下端板连接板、热风喷射管、喷射管支架 和多个破冰集风机构侧板；

[0007] 其中，多个所述破冰集风机构侧板依次呈环形间隔安装在所述上端板 连接板和所述下端板连接板之间，相邻所述破冰集风机构侧板与所述上端 板连接板和所述下端板
连接板形成渐缩型通道；所述热风喷射管通过所述 喷射管支架安装在所述渐缩型通道中。

[0008] 进一步地，所述破冰集风机构包括：侧板骨架、侧板外弧蒙皮、侧板 内弧蒙皮、加强填充料和电加热器；

[0009] 所述侧板骨架的外侧安装有所述侧板外弧蒙皮，所述侧板骨架的内侧 安装有所述侧板内弧蒙皮，所述侧板骨架、所述侧板外弧蒙皮和所述侧板 内弧蒙皮围设形成侧板内
腔，所述侧板内腔中包裹有所述加强填充料，且 所述侧板内腔中安装有所述电加热器；所
述侧板内腔中设有进风口和排风 口；所述热风喷射管通过所述排风口与所述侧板内腔连
通。

[0010] 进一步地，所述侧板骨架包括：骨架边框、加强连接筋板和加强钢筋；

[0011] 所述加强连接筋板和所述加强钢筋相互拼接，所述加强连接筋板沿纵 向安装在所述骨架边框上，所述加强钢筋沿横向安装在所述骨架边框上。

[0012] 进一步地，所述侧板外弧蒙皮和所述侧板内弧蒙皮为玻璃钢，厚度为 2mm‑10mm。

[0013] 进一步地，所述热风喷射管的数量为多个，各所述热风喷射管沿所述 破冰集风机构侧板的高度方向纵横排列。

[0014] 进一步地，所述破冰集风机构侧板呈弧形安装在所述上端板连接板和 所述下端板连接板之间，相邻所述破冰集风机构侧板与所述上端板连接板 和所述下端板连接板形
成弯曲环状的所述渐缩型通道。

[0015] 进一步地，所述破冰集风机构还包括：防护网；所述防护网安装在所 述破冰集风机构侧板的最外缘。

[0016] 本发明提供一种用于垂直轴风力发电装置的破冰集风机构，来风通过 渐缩型环形通道被加速，一方面提高了风流的能量密度，使得来风在吹动 动叶片之前已经从低能量
密度的风能转变为高能量密度的风能，从而不仅 显著提高了发电机的功率，而且增大了低
风速区风能的利用率。另一方面， 在环形通道中又对风流产生较大的离心力，这样在或沙
尘风暴天气风中夹 带的雨滴或尘粒被离心力甩在侧板上，这些雨滴和尘粒在重力作用下
沿侧 板下移至下端板上的收集槽中或斜面板上，集中清除，减少了对设备动叶 片的撞击
性侵蚀，延长动叶的使用寿命。它是垂直轴涡轮风力发电机组必 不可少的设备，并具有特
殊的功能。此外，破冰集风机构能够通过热风由 喷射管将来风温度提高到零上3‑5℃，使得
垂直轴风力发电装置流道中的 冰和雪都可以融化，从而安全有效地破除垂直轴风力发电
装置流道中的冰 和雪。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动的前提下，还可
以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为本发明实施例提供的破冰集风机构侧板的主视图；

[0019] 图2为本发明实施例提供的破冰集风机构侧板的侧视图；

[0020] 图3为本发明实施例提供的破冰集风机构的立体结构示意图；

[0021] 图4是图1中A‑A处带侧板内腔的剖视图；

[0022] 图5是图1中A‑A处不带侧板内腔的剖视图；

[0023] 附图标记说明：1、破冰集风机构侧板；2、上端板连接板；3、下端 板连接板；4、进风口；5、排风口；6、侧板骨架；7、侧板内腔；8、侧 板外弧蒙皮；9、加强填充料；10、侧板内弧蒙
皮；11、电加热器；12、 热风喷射管；13、喷射管支架；14、防护网；6‑1、骨架边框；6‑2、加强 
连接筋板；6‑3、加强钢筋。

具体实施方式

[0024] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或一体地连
接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相 连，也可以通过中间媒介间接相连，
可以是两个元件内部的连通。对于本领 域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术
语在本发明中的具体含义。

[0026] 本发明实施例提供一种破冰集风机构，主要针对垂直于轴风力发电装 置，如图1、图2和图3所示，该破冰集风机构包括：上端板连接板2、 下端板连接板3、热风喷射管12、喷
射管支架13和多个破冰集风机构侧 板1；多个破冰集风机构侧板1依次呈环形间隔安装在
上端板连接板2和 下端板连接板3之间，相邻破冰集风机构侧板1与上端板连接板2和下端 
板连接板3形成渐缩型通道。热风喷射管12通过喷射管支架13安装在渐 缩型通道中。

[0027] 热风喷射管12可采用无缝钢管，上开了很多直径为3mm‑10mm的喷 射孔，由破冰集风机构侧板1出来的热风和来流的风流混合，提高来风风 流温度至零上3‑5℃，就可以消除
下游的变桨风门、导叶静子、动叶片转 子上的结冰和积雪，保证垂直轴风力发电装置的安
全经济地运转。热风喷 管沿集风结构的高度，布置数根喷射管，以便和来风混合均匀。

[0028] 一般风中都夹杂有沙尘，雨天夹带有雨滴，如果这些沙尘和雨滴不除 掉，它们会进入动叶转子，撞击到动叶片上，产生锤击现象，严重侵蚀着 动叶片，影响整个机组的寿命
期。所以，一般破冰集风机构侧板1都做成 弧面。破冰集风机构侧板1呈弧形安装在上端板
连接板2和下端板连接板 3之间，相邻破冰集风机构侧板1与上端板连接板2和下端板连接
板3形 成弯曲环状的所述渐缩型通道。带有沙尘和雨滴进入集风道，产生了离心 力，将沙
尘和雨滴甩向破冰集风机构侧板1的内弧面上形成一层膜，当膜 的厚度达到一定程度，膜
在重力作用下移至下端板连接板3上，下端板连 接板3由内向外稍微倾斜，雨水可以流向垂
直轴风机的外面。当沙尘积累 时，可用特设的吸尘管移走，或人工清理。来风经过渐缩型通
道提高了风 能密度，使垂直轴风力发电装置在低风速区也能获得高风流能量密度，提 高
了垂直轴风力发电装置在低风速区的适应性、可用性、经济性、安全性。 另外，当沙尘或雨
滴进入渐缩型通道中，产生了离心力，将沙尘或雨滴甩 到破冰集风机构侧板1上，被分离除
掉，减少对转子动叶的侵蚀作用。

[0029] 由相邻两个破冰集风机构侧板1、上端板连接板2和下端板连接板3 组成了一个渐缩形通道，使来风流通过渐缩形通道提高了来风流的能量密 度，可大幅度提高垂直轴风力
发电装置的单机功率，从而大幅度降低了建 设成本，为垂直轴风力发电平价并网打下坚实
基础。这种用集风提高风流 能量密度的方式，是三叶式水平轴风力发电装置无法实现的。

[0030] 由于风力发电装置(包括垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机)存 在寒冷地区存在结冰和积雪的问题，如果这个问题不解决，将影响着风力 发电机组的安全运行，并影
响着风力发电机组的有效功率。所以，本实施 例在垂直轴风力发电装置的最外围进风口处
设置了破冰集风机构。能够通 过热风由喷射管将来风温度提高到零上3‑5℃，使得垂直轴
风力发电装置 流道中的冰和雪都可以融化，从而安全有效地破除垂直轴风力发电装置流 
道中的冰和雪。

[0031] 基于上述实施例，在一个优选的实施例中，继续参阅4，破冰集风机 构包括：侧板骨架6、侧板外弧蒙皮8、侧板内弧蒙皮10、加强填充料9 和电加热器。侧板外弧蒙皮8和侧板
内弧蒙皮10为玻璃钢，厚度为2mm ‑10mm。侧板骨架6的外侧安装有侧板外弧蒙皮8，侧板骨
架6的内侧安 装有侧板内弧蒙皮10。破冰集风机构可设置侧板内腔7，如图4所示，侧 板骨
架6、侧板外弧蒙皮8和侧板内弧蒙皮10围设形成侧板内腔7，侧板 内腔7中包裹有加强填充
料9，且侧板内腔7中安装有电加热器11。加强 填充料9为非可燃的高强度物质，可选高强度
聚氨酯，但不限于聚氨酯。 侧板内腔7中设有进风口4和排风口5；热风喷射管通过排风口5
与侧板 内腔7连通。侧板内腔7做为风道使用，当热风流过破侧板内腔7，也加 热了破冰集
风机构侧板1，使破冰集风机构侧板1消除了结冰或积雪现象。

[0032] 一般情况下，破冰集风机构用在北纬35°有结冰期的地带，如图4 所示。无结冰期的地带，不采用破冰集风结构，只采用无空腔的集风结构， 如图5所示，这种结构比破冰集
风结构要简单，造价比较低。

[0033] 其中，侧板骨架包括：骨架边框6‑1、加强连接筋板6‑2和加强钢筋 6‑3；加强连接筋板6‑2和加强钢筋6‑3相互拼接，加强连接筋板6‑2沿纵 向安装在骨架边框6‑1上，加强钢
筋6‑3沿横向安装在骨架边框6‑1上。

[0034] 工作过程中，侧板内腔7中的电加热器11在接到控制中心下达的破 冰或融雪的指令时，破冰集风机构之外的鼓风系统启动，通过进风口4给 侧板内腔7供风，同时侧板内腔7
中电加热器11也通电启动加热，使侧 板内腔7形成热风加热通道，它一方面通过加强填充
料9、侧板外弧蒙皮 8和侧板内弧蒙皮10将少量的热量传导给破冰集风机构侧板1的表面，
维 持破冰集风机构侧板1的表面温度大于0℃，使破冰集风机构侧板1上不 会结冰和积雪。
另外，将热风经过破冰集风机构侧板1的排风口5送入热 风喷射管12中。热风喷射管12出来
的热风和进来的低温风流混合，将来 风流温度提高到零上3‑5℃。垂直轴风力发电装置流
道中的冰和雪都可以 融化，最后可由垂直轴风力发电装置上特别铺设的防冰管道内排到
地下水 道。

[0035] 为保证加热效果，热风喷射管12的数量为多个，各热风喷射管12沿 破冰集风机构侧板1的高度方向纵横排列，可形成了一个喷射热风网，和 来流冷风混合，在自动控制系统
的控制下，使进入垂直轴风力发电装置流 道中的风流温度维持在零上1‑3℃，使流道中无
冰和雪的堆积。

[0036] 此外，还可增设热风的加热供给系统，供给破冰集风机构侧板1的热 风可采用集中进行加热，然后用热风喷射管送至各侧板内腔7中，这个热 风的加热供给系统包括风机、
加热器(太阳能加热器或电加热器)和热风 输送管。

[0037] 破冰集风机构还可设置防护网14；防护网14安装在破冰集风机构侧 板1的最外缘。防护网14能够有效的防止鸟类误入流道中伤命，形成了 一个和鸟类友善的绿色环境。

[0038] 综上所述，本发实施例提供的破冰集风机构，来风通过渐缩型环形通 道被加速，一方面提高了风流的能量密度，使得来风在吹动动叶片之前已 经从低能量密度的风能转
变为高能量密度的风能，从而不仅显著提高了发 电机的功率，而且增大了低风速区风能的
利用率。另一方面，在环形通 道中又对风流产生较大的离心力，这样在或沙尘风暴天气风
中夹带的雨滴 或尘粒被离心力甩在侧板上，这些雨滴和尘粒在重力作用下沿侧板下移至 
下端板上的收集槽中或斜面板上，集中清除，减少了对设备动叶片的撞击 性侵蚀，延长动
叶的使用寿命。它是垂直轴涡轮风力发电机组必不可少的 设备，并具有特殊的功能。此外，
破冰集风机构能够通过热风由喷射管将 来风温度提高到零上3‑5℃，使得垂直轴风力发电
装置流道中的冰和雪都 可以融化，从而安全有效地破除垂直轴风力发电装置流道中的冰
和雪。

[0039] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以
对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对 其中部分技术特征进行等同替换；而
这些修改或者替换，并不使相应技术方 案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范
围。