[发明专利]具有垂直旋转轴的单一风力电厂

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种具有实质垂直于风向之旋转轴的风力电厂。

背景技术

风力电厂以多种不同的执行形式存在，其中，设计具有安装于附接至一垂 直旋转轴的横杆的主要直立翼部(wing)。George Darrieus于公元1931年所取 得专利的一种风力涡轮机，其由一个或多个弧形的翼部叶片(blade)所组成， 该等叶片绕着一垂直轴旋转，且为附接至该轴的两端。

人类已经经过至少二千年试图以利用风力。不同设计及具有不同品质的风 车早已被使用，但是直到欧洲中古世纪，可运用于研磨谷物的风车被设计出。 荷兰设计师于公元16世纪成功设计出具有相当高的效率的风车。这些风车是 四翼式且具有水平旋转轴及对于垂直轴的倾斜式传动装置，其驱动旋转于一垂 直轴的研磨石。

在公元1880年，具有多个翼部叶片、且仍具有水平旋转轴及倾斜式传动 装置的风车在美国草原(prairie)诸州被开发以供于农场地区抽水。该风车导 致提高关注于运用风力驱动装置以产生电力。在二十世纪的最初十年，在丹麦 存在安装于构架桅柱(lattice mast)的约百种风力驱动式发电机。直到George Darrieus提出其风力涡轮机，所有风力涡轮机的设计为具有一水平旋转轴，于 其上附接二或四个翼部或螺旋桨叶片。利用一种倾斜式传动装置，水平旋转转 移至一垂直旋转轴，此轴具有必要长度以达到地面的设备，其于地面运用旋转 功率。

随着公元1973年的石油危机，恢复对运用风力电厂(特别是其具有水平 旋转轴的设计)以产生电力的关注。随着约二十年的开发，北欧国家已经开发 一种标准为针对于安装于40-50公尺高的塔的风力涡轮机，且关于具有约为相 同尺寸的直径的一种风力涡轮机。

具有水平轴的风力电厂系通常设计为针对于达到12-14m/s的风速。欲确 定该较高的风速为并未超载所附接的发电机，风力涡轮机的转速必须限制。通 常通过转向这些涡轮机叶片(将其放平)或通过设计为停止于高风速而作成的 涡轮机叶片。不论采用何种设计，都是为了对该风力涡轮机的转速进行限制， 并且结合该涡轮机的轴备有一机械制动器，以保护发电机免于过载。

理论背景

韦布尔(Weibull)分布

若测量在不同地区或地方一年之间的风速，需要注意的是：多数区域，强 烈八级风力(gale force)的风很罕见，而中级与强级的风则相当普遍。针对于 一地区的风变化，通常运用如于图1所示的所谓的韦布尔分布来描述。韦布尔 分布是一机率密度分布。在该曲线图之下的面积总是为1，由于风将吹送包括 0m/s的一些风速的机率必须为100％。

图1的曲线图下的一半面积于6.6m/s的垂直线的左侧，其中，6.6m/s为 该分布的中线。这指的是：一半时间将相对于6.6m/s而较慢吹送，且另一半 时间将相对于6.6m/s而较快吹送。由图1而为明显的是：最普遍的风速系5.5 m/s。若是相乘各个微小的风速区间与针对该风速的机率，然后将其加总，可 得到平均风速；针对图1，得到平均风速为7m/s。由该韦布尔分布而明显的 是：大多数时间，风是在相对于平均风速为低的一速度下吹送。

风速的统计分布于全球各地，尤其是，取决于当地气候状况与地形。这致 使韦布尔分布改变其形状与平均值。

平均风力

由图1的韦布尔分布，明显的是：较低的风速相对于较高的风速较为普遍， 另一方面，风的能量值随着风速的一体积函数而增大，即：若风速为二倍，则 风的能量值增大为八倍。因此，即使风在高风速吹送不常见，八级风力的风含 有大量的能量。若风况诸如图1，显然的是：风在区间1m/s至17m/s的风速 下吹送。在1m/s的风速下，风具有0.61W/m²掠过面积的功率，而在17m/s 的风速下，则高为约4900倍，即：约为3000W/m²。

若风况由具有平均风速7m/s与形状参数2的一种韦布尔分布所描述，平 均风力将等于风速8.7m/s且保持风力为402W/m²。

贝兹-落后(Betz-lag)