br>[0032] 风机类型的选择
[0033] 风机可分为升力型风机和阻力型风机两大类。在风速较低的条件下，阻力型垂直 轴风机具有更好的自启动和扭矩特性，更适宜用在此类工况条件下。阻力型垂直轴风机有 多种叶片结构，例如萨渥纽斯（Savonius)型叶片结构、涡轮型叶片结构、塞内加尔型叶片 结构等。其中，塞内加尔型叶片结构的风机的风能利用系数（CP)可达0.3(约为萨布纽斯 型叶片结构的风机的两倍左右），而且塞内加尔型叶片结构简单、重量轻、用材少、制造与安 装难度低，因此根据本发明实施例的风力发电系统可以选择塞内加尔型叶片结构的垂直轴 风机作为风机部件（本领域技术人员可以理解的是，根据本发明实施例的风力发电系统也 可以选择其他叶片结构的风机作为风机部件）。
[0034] 图5是塞内加尔型叶片结构的风机的结构示意图。如图5所示，塞内加尔型叶片 结构的风机包括三组半圆风叶及直板风叶，其中三组风叶绕轴线均布。风机直径D= 3X 半圆风叶的直径d= 3X直板风叶长度，直板风叶位于半圆风叶开口的法线方向上，一端与 半圆风叶开口齐平。
[0035] 通过流体力学数值模拟可知，当风从左侧吹向塞内加尔型叶片结构的风机时，正 对风向的半圆风叶内侧产生很高的风压，该压力经叶片传递至风机轴转化成风叶旋转的机 械能。风机中部的空白区域为做功后的气流快速流出提供了良好的低压和负压通道，这也 是塞内加尔型叶片结构的风机的风能利用系数高于S型风机的机理所在。
[0036] 风机的布置方式
[0037]垂直轴风机通常是立式放置，这种安装方式无需对风，但风机轴处于悬臂状态，受 力状况不佳，而且这种悬臂结构也限制了风机高度的增加，不利于灵活调整风机扫掠面积。 根据本发明实施例的风力发电系统中的风机部件采用卧式安装，风机的旋转轴线与地面平 行。卧式安装将立式安装的悬臂梁变成了两端都有支撑的简支梁，其受力状态大大优于立 式安装，轴的尺寸、材质等选择难度大大降低。卧式安装还便于风机长度的拓展，可以根据 需要灵活调整风机的扫掠面积，实现不同规格装机容量的设计。此外，卧式安装时，相同位 置的叶片处于相同高度，接收的风速也基本一致，风机沿长度方向的扭矩一致、受力均衡； 而立式安装的叶片所接收的风速随着高度变化而变化（风速与高度之间成幂指数函数关 系），风机整体受力处于不均衡状态，不利于风力发电系统的稳定。
[0038] 风机卧式安装时，需要进行对风操作。根据本发明实施例的风力发电系统将风机 放置在可水平转动的转动式承载设备上，根据风力信息拟定调整策略并驱动电机动作将风 机调整至迎风位置。用于驱动转动式承载设备转动的电能可以由外部提供。
[0039] 高度及风速范围的选择
[0040] 空气是具有粘性的流体，在靠近边界层的区域由于摩擦力的影响，气流速度会减 慢，还会因为障碍物的存在而产生湍流。
[0041] 根据本发明实施例的风力发电系统适用于低风速范围发电。综合考虑风力发电系 统对野外、城市等不同地域的适用性、运输、安装、维护以及成本控制等因素，在确保风机高 于空气流动边界层高度的前提下，在根据本发明实施例的风力发电系统中风机的高度优选 不超过6米，并且该风力发电系统的总高度优选不超过10米。
[0042] 风速与风功率之间的关系可以用下式表示：
[0043]
[0044]其中，p为风功率；v为风速；S为垂直于风向的面积；P为空气密度。
[0045] 下表给出了不同风速下，直径2. 25米、长7. 2米的塞内加尔型叶片结构的垂直轴 风机的轴功率。
[0046] 表1风速与轴功率
[0047]
[0048] 从表1中可以看出，当风速达到6米/秒（m/s)后，风机输出的轴功率已经具有可 利用价值。同时，考虑到风速的可获得性，选择满发风速为9. 5m/s，即有效利用风速范围是 6-9. 5m/s，该风速范围的地理区域广泛，有利于根据本发明实施例的风力发电系统的选址 和推广。
[0049] 下面，结合附图详细说明根据本发明实施例的风力发电系统。
[0050]在给定风速下，风机的直径与转速之间成反比关系，与扭矩之间成正比关系。相同 风速下，对于不同的风机直径，风机根据转速的高低可采取直驱方式、对转方式、以及增速 方式中的任意一种与风力发电系统中的发电机连接。
[0051]在风机采取直驱方式与发电机连接时，风机的转矩可以不通过齿轮箱增速而直接 传递到发电机的转轴，发电机的转轴带动转子旋转并切割磁力线产生电能。风机采取直驱 方式与发电机连接的风力发电系统的结构最为简洁，降低了故障几率，但仅适于采用转速 较高的风机。
[0052]在风机米用对转方式与发电机连接时（此时发电机为双转子发电机），双转子发 电机的两侧分别设置有一台风机，双转子发电机的线圈和励磁部件分别被其两侧的风机驱 动，且这两台风机的旋转方向相反，形成2倍增速的效果。在风机采取对转方式与发电机 连接的风力发电系统中，风机的增速无齿轮传动环节，效率、寿命和可靠性高于采用增速方 式与发电机连接的风机，但增速幅度有限，安装调试稍显复杂，并且适于采用转速中等的风 机。
[0053]在风机采用增速方式与发电机连接时，风机的转速由齿轮增速机提高，其增速比 最大，适于采用大直径、低转速的风机。
[0054] 下面对采用对转方案和增速方案的实施例进行说明。
[0055] 紧凑布置对转方案
[0056]在卧式安装垂直轴风机（S卩，安装水平轴风机）时，为避免前方风机对后方风机的 影响，通常需要将两台风机间隔6倍风机直径的距离，因此两台风机无法邻近安装（在现有 的风力发电系统中，两台风机的直径大致相当）。
[0057] 鉴于上述问题，提出了根据本发明实施例的风力发电系统。图6是根据本发明实 施例的风力发电系统的示例结构示意图。如图6所示，根据本发明实施例的风力发电系统 包括风机601和602、以及转动式承载设备603 (为了清楚，图中未示出发电机）。其中，风机 601和602均为卧式安装的阻力型垂直轴风机，并且前后相邻且高低交错地放置在转动式 承载设备603上。风机601和风机602之间的旋转轴线高度差约等于位于上方的风机602 的半径。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明实施例的风力发电系统可以根据需要 包括三套、四套、甚至更多套风机，并且这些风机可以被前后相邻且高度交错地布置在给定 区域内。
[0058] 在根据本发明实施例的风力发电系统中，利用前方风机601遮挡后方风机602的 下半部分，从而降低后方风机602的旋转阻力；同时实现高度方向上风能资源的最大化利 用。与包括一台相同功率、但直径增加一倍的风机的风力发电系统相比，根据本发明实施例 的风力发电系统的用材、重量、制造和安装难度等都大大降低。以风机侧板为例，风机直径 增加一倍，其面积增加4倍，风机侧板的用材重量将增加4倍，若考虑直径变大后的变形抑 制，用材厚度还需增加。用材增加不仅导致物料成本上升，还会导致风机主轴、轴承、支架等 一系列部件的设计、制造和安装的困难。
[0059] 应该理解的是，在根据本发明实施例的风力发电系统包括两套以上风机时，位于 上风向的前方风机和与其紧密相邻的位于下风向的后方风机之间的旋转轴线高度差大约 与后方风机的半径相当（即，只要能大致遮盖住后方风机的下半部分即可）。尽管图6中所 示的风机601和风机602的半径相当，但是风机601和风机602的半径也可以显著不同，只 要位于上风向的风机601的高度与位于下风向的风机602的旋转轴线高度相当即可。
[0060] 在根据本发明实施例的风力发电系统中，风机601和风机602可前后紧凑布置是 由这两个风机的特性所保证的。水平轴风机由于前后风机的扫掠面积重叠，因此前后风机 之间的影响难以消除。为了尽可能地减小前后风机之间的影响，根据本发明实施例的风力 发电系统可以采用卧式放置的塞内加尔型叶片结构的风机。塞内加尔型叶片结构的风机主 要是半圆风叶凹面一侧迎风时吸收风能，流出的空气则主要是通过风机中间部分的空旷区 域，因此对高于风机上边缘的空气扰动非常小，所以在根据本发明实施例的风力发电系统 采用塞内加尔型叶片结构的风机时可以将从风机旋转轴线到风机上边缘这一高度范围内 的风能进行利用（如图6中的hi所示），而极少扰动相邻高度的空气流动，这就给后方的风 机利用风能提供了条件，后方风机主要利用h2高度范围内的风能。同时，后方风机下侧的 风叶所受气流是前方风机所排出的尾流，该气流已经都被前方风机大大削弱，这就降低了 后方风机下侧风叶所受的阻力，有利于增加风机出力。
[0061] 进一步地，根据本发明实施例的风力发电系统可以采用同向布置+换向齿轮来实 现对转发电。图7是根据本发明实施例的风力发电系统中的风机与发电机的双向对转实 现方案的示意图。如图7所示，根据本发明实施例的风力发