CN101520024A - 风筒式风力发电装置 - Google Patents

Abstract

风筒式风力发电装置涉及一种发电装置，具体为一种风力发电装置。本发明的特点在于，运用风筒提高风能发电的效率风筒式集流方法，对风速有放大作用，特别是在风力较弱时也能发电，在风筒内部，设计有风向导流装置，形成风力流向上翘使出风口风向对准横流式叶轮中心线以上的半径部位，使风能的利用效率更高；运用风向标及横流式多叶片叶轮提高风能的利用率；使进风口始终能对准进风方向跟风方法简单，且速度敏捷，不消耗电能，尾舵安装及拆卸方便。缩小风能发电装置的体积，有利于风力发电装置走进偏远地区和大草原蒙古包，以及广大农村的千家万户。

Description

风筒式风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，具体为一种风力发电装置。

背景技术

风是我们日常生活中最熟悉的自然现象，地球上的风是太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力分布不均。在不均压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风，空气流动所产生的动能，就是风能。风能是一种最具活力的可再生能源，因此也可以说风能是一种取之不尽，用之不竭的能源。而石油、煤、天燃气等矿物燃料能源，在运用过程中，会排放出二氧化碳CO₂，二氧化硫SO₂，氮氧化物NO_x，一氧化碳CO，粉尘等等，造成温室效应，酸雨等现象，严重污染环境和破坏生态平衡，这使得南北二极地的冰盖面积缩小，西藏高原的雪山融雪地域增大，极地上空臭氧层被破坏的面积在扩大，这些都给我们敲响了警钟，人们必须尽快地利用可再生的风能、太阳能、海浪能量等，减少使用石油、煤、天燃气等不可再生的化石能源，而且化石能源的可开采数量已很有限，对人类的生存、发展和能源需求提出了严重的危机警告。

经过实地调查和技术资料的探究，了解到，我们国家的风能资源很丰富，可开发的装机容量约2.5亿千瓦，居世界首位，但我们国家实际风力发电装机容量仅占全国电力装机的0.11％，风力发电发展潜力巨大。

目前应用比较广泛的风能发电装置，为三叶式的采风形式居多，但随着发电装置的发电容量不断增加，三叶式风机的叶片直径必须做得很大，以扩大采风面积，来增加发电量，据资料测算，如果要做3兆瓦的风能发电机，则它的风叶直径要达100米，目的是增大叶尖周速，连风机安装支承塔架，其高度已相近于“美国华盛顿纪念塔”的高度，即总高度150米。这显然是不能实施的方案。

目前的风能发电装置，如：三叶式，双叶式，单叶式在特别强的大风情况下，叶片容易被折断，在风速特别弱的微风时，由于风叶的自重量和传动***的摩擦系数阻力，叶片就转不动，处于静止状态，在气温-20℃时，会有叶片脆化，断裂等故障发生。

目前的风能发电装置，对风向的跟踪技术较复杂，但是风的方向是多变的，有时是旋转的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风筒式风力发电装置，可以很好地收集很弱的风中之能量，自动跟踪风向的装置简单，耗能少，甚至不耗能。

本发明所提供的风筒式风力发电装置，可以采用以下技术方案来实现：

风筒式风力发电装置具有集风装置、转轮、发电机、转向装置、蓄电池，其特征在于，集风装置为大喇叭形的集流式风筒，集流式风筒固定在转盘上；集流式风筒的小端装有风向标。

集流式风筒的出风口，为矩形。

转轮为横向的多叶片叶轮。

风向标是尾舵式，其有效面积大于风筒进风口面积。

风向标固定安装在集流式风筒出风口尾部，向后延伸，并可方便拆装。

在上下转盘间设置梯形撞块，限制偏转角不大于345度。

第一，风筒式风力发电装置的集流式风筒，是采用一个大喇叭样式的圆筒，扩大进风口对风的收集面积，大幅提高出风口处的风速，不仅能解决风弱时不能发电的问题，而且在多种情况下都能应用。本风力发电装置的设计容量为500瓦，经过计算可见，本发明的风筒式发电机，已把风速提高11.29倍。

$=\frac{\mathrm{\π}{R}^2}{B\×C}\×80\%$

$=\frac{3.1416\×{0.562m}^2}{0.5m\×0.25m}=11.29$

上式中，R²是进风口半径0.75米的(m²)

B—为出风口矩形的长边0.5m

C—为出风口矩形的宽边0.25m

η—利用系数为80％

设计进风口的风速为4m/s，即V₁＝4m/s

出风口的风速等于进风口的风速乘以提高风速倍数，即出风口的风速V₂＝4m/s×11.29＝45.19m/s在单位时间内流过垂直于风速截面积A(m²)的风能：

风能ω＝1/2ρV³A

上式中：ρ-为空气密度kg/m³

V-为风速m/s

A-为截面积单位m²

ω-风能单位为kg、m²、s^-3(即W)

从上述风能公式W＝1/2ρv³A可以看出，增加风轮扫掠面积A和提高来流风速V都可增大所获的风能。

把上式风能公式，除以相应的面积A，便得到风能密度公式，它是气流在单位时间内垂直通过单位截面积的风能。

$\mathrm{\ω}=\frac{1/2\mathrm{\ρ}{v}^{3}A}{A}=1/2\mathrm{\ρ}{v}^3$

空气密度ρ是气压，气温和温度的函数，不同地区的空气密度都不相同，可查表得知ρ的数值。

海拔高度与大气压、大气密度关系[大气温度15℃＝288k]

本项目风筒出风口的风能为：

W＝1/2ρV³A

 ＝1/2×1.224×45.19³×3.14×(0.5²—0.45²)×1/5

 ＝1685.59W

上式中：ρ——以上海为例，大气密度取1.224

V——为经风筒集流提速后，出风口风速

A——为风轮扫掠面积，本项目采用横流式多叶片叶轮，风轮扫掠面积为圆环，外圆半径0.5m，内圆半径0.45m，风吹在风轮上的面积为整个圆环的1/5

无论从上述风能计算公式W＝1/2ρV³A还是风能密度，计算公式W＝1/2ρV³中可看到，因V³的缘故，即在风速上有少量的增加会导致在风能上有大量的增加，本项目设计的风筒集风的方法增大风筒进风口面积，缩小出风口面积，从而加大风速提高倍数，也就是提高了出风口风速，即达到了放大风速的关键目的。

第二，采用喇叭形式的集流式风筒，它的出风口，做成矩形并缩小出风口的有效面积，以便出风口的风速提高，及风能的充分利用，去吹动横流式多叶片叶轮。该叶轮的摩擦系数小，自重量轻，使用寿命长，以此设计来克服三叶式风能机叶片易被强风折断而不能发电的问题，本发明的横流式多叶片叶轮，这也决定了风筒出风口为矩形，以达到完全匹配从而使风能充分利用的目的，此风力机的旋转轴与风向垂直。由于出风口面积的缩小，通过计算可知，风能密度是评定风能发电机做功能力的关键参数，风速V₂越高，风能发电机可能提取的风能越大，且成三次方的关系。

为了在风速较低时进一步增大风流密度，在集流式风筒中后部设置可以改变出风口大小的导流装置。

本发明能有效地提高横流式多叶片叶轮的转速，以此提高发电量，提高经济效益。

第三，采用风向标自动导向的方法，风向标固定安装在集流式风筒出风口尾部向后延伸的尾舵，尾舵有效面积大于风筒进风口面积。风向标由尾部向后延伸钢管，并在机架平台上竖立一根高1.5m的方钢，该方钢顶部由钢丝绳牵引在延伸钢管的五分之四的位置。更有利于可转动盘被风向标带动，使进风口始终都能跟踪、对准进风方向，从而提高风能发电装置的风能利用率和提高发电效率，以此替代目前风力发电机复杂的跟风装置，节省风能发电设备的成本和维修费用。

第四，采用集流式风筒的转向装置偏转角在345度的范围内自由偏转的限位装置，以此解决风力发电装置存在的发电机的连接电线被多次同一方向转动而绕断电线的问题。如此，可大大减少对风力发电机的维修工作量，降低了风力发电***的运行成本。限制偏转角不大于345度的撞块、设计为梯形，取其几何结构稳定的特性，在固定的转盘上设置的梯形撞块两侧的被撞击面上设置20mm厚的缓冲橡胶，在可转动转盘的梯形两侧撞击面，就不再设置缓冲橡胶。

转向装置设有固定机构，固定机构由转盘上以转盘的圆心为中心，相互间呈45度角的圆孔和钢肖组成。只要***钢肖，可确保转盘不再转动。

第五，在集流式风筒中后部有分流窗口，分流窗口有在7级风以上自动开启泄风的分流窗口闸门。

第六，在集流式风筒中后部有阻风移门，可关闭出风口，使电机停止工作。

有益效果：

本发明的特点在于，运用风筒提高风能发电的效率；运用风向标及横流式多叶片叶轮提高风能的利用率；缩小风能发电装置的体积；尾舵容易拆卸及安装方便整台风筒式发电装置搬迁和组装，减小风能发电装置的，维护工作量；降低风能发电装置的造价。

附图说明

图1为本发明整体结构俯视示意图；

图2为本发明整体结构侧视示意图；

图3为分流装置电气部分原理示意图：

DC——蓄电池，本风筒发电装置的一部分。

DL、DH——风动测速机的逻辑电路的开关接点。DL在风速大于7级以上时闭合，DH在风速小于7级以下时闭合。

AK1至AK6——小型直流电动机，起动运转时，通过传动螺杆移开或闭合风筒上的六个窗口移门。AK1至AK6是分别独立控制六个分流窗口移门，RB及LB限位开关由AK1进行接触控制。

LB、RB——常闭限位开关接点具有自复位功能。

DN——直流接触器线圈，测速计在风速高于7级大风时，逻辑电路闭合DL接点至使DN吸合，DN的吸合动作，同时断开DN1、DN2及闭合DN3、DN4触点对直流电动机AK1～AK6反极性的供电，以达到打开六扇分流窗口移门。

图4为检修辅助电气部分和蓄电池保护部分结构图：

TD、ED——手动可选择开关

FA1、FA2——启动使移动门向风筒内移入的电动机的继电器

FA3、FA4——启动使移动门向风筒外移出的电动机的继电器

FB1、FB2、是FAR1的——行程限位开关

FB3、FB4、是FAR2的——行程限位开关

SC——刹车接触器

TD——暂停控制开关

ED——进入正常运行控制开关

图5为风筒式风力发电装置的电器原理结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

风筒式风力发电装置具有集风装置、转轮、发电机、转向装置、蓄电池，集风装置为大喇叭形的集流式风筒1，集流式风筒1固定在可转动转盘5上；集流式风筒1的小端装有风向标2。集流式风筒1的出风口3，为矩形。转轮为横向的多叶片叶轮4。风向标2固定安装在集流式风筒出风口，尾部后的延伸处。

一、喇叭式集流式风筒1，用铝合金材料制造，取其密度小，价格低廉的特性，并在风筒内外涂上防腐蚀涂料，以提高使用寿命。

二、为匹配横流式多叶片叶轮4，风力机的出风口3做成矩形，以使出风口3的风能得以充分利用。又因为几何图形中，圆的面积最大，所以进风口做成圆形，以扩大进风口对风能的收集面积。用缩小出风口3的面积，来提高风速，即提高了风能发电装置的发电效率，提高电能的输出量。

此举尤如水轮发电机，利用水库蓄水，提高水位差，从而提高了水对水轮发电机的驱动力，又尤如晶体三极管，利用在基极输入一个小的电信号，就能在发射极至集电极之间产生一个大于基极输入信号的几十倍至几百倍的电信号，达到信号的放大作用，本发明的集流式风筒也是基于以上思路，集流式风筒对风速有放大作用。众所周知，如果喇叭式集流式风筒的进风口收集进的风力动能全部被转动的风叶轮叶片所吸收，那么横流式风轮后面的空气就不动了，然而空气不可能完全停止，所以风力机的效率总是小于1的。

横流式风轮从风筒中吸收的功率可以用下面的公式计算：P＝1/2CpAρV3上式中P—为风轮输出的功率

Cp—为风轮的功率系数

Cp.max＝0.593

A—为风轮扫掠面积

R—为风轮半径

V—为风速

ρ—为空气密度

上式可见：风轮的输出功率和风速的立方成正比和空气密度及风轮扫掠面积成正比，因此横流式多叶片叶轮4的直径设计为50cm。

三、采用横流式多叶片叶轮4能减轻叶轮的自重量和减小叶轮转动***的摩擦系数，且横流式多叶片叶轮4坚固，不易被折断。叶轮采用不锈钢薄板制造，转轴部分用轴承轴瓦封闭式润滑，出轴通过联轴器，连接升速变速箱及永磁直流发电机，由于横流式多叶片叶轮4本身转速已很高，所以升速变速箱的升速范围会较小，减少了齿轮传动的级数，从而降低了***的摩擦系数，降低了升速变速箱的体积、重量和制造成本。

四、参照图1，采用风向标自动导向的方法，风向标2固定安装在集流式风筒出风口尾部。风向标2的延伸尾舵长为2.8米，平均宽为0.95米，尾舵有效面积大于进风口面积。风向标2的伸展尾舵安装在机架平台上，更有利于可转动上盘被风向标2带动，使进风口始终都能跟踪、对准进风方向，从而提高风能发电装置的风能利用率和提高发电效率，以此替代目前风力发电机复杂的跟风装置，节省风能发电设备的成本和维修费用。

风向标2简单而实用，风向标2采用铝合金材料制造，并可方便地拆卸和安装。

五、设计限制集流式风筒偏转角度不大于345度的装置。固定转盘上的，梯形撞块两侧设置有20mm缓冲橡胶，在可转动盘的梯形撞块则不设置缓冲橡胶。限位装置的设立，避免了发电机连接电线，由于多次同一方向转动而绕断线的事故，大大减少了发电装置的故障和维修、维护的工作量，降低了风力发电***的运行成本。

六、由于风筒式集流方法，对风速有放大作用所以本设计的风力发电装置，可降低风力发电装置塔架的安装高度，节省安装材料和费用。

七、所设计的风力发电装置，已考虑到维修和维护时的操作技术人员的安全，在出风口3附近有两块可移动的闸门，移出时(即平常不维修时)和风向标2共同导向，移进时起到隔绝从进风口到闸门的风量，也就是隔绝了进风口对出风口3的风量影响。

在固定转盘和可转动转盘上各有8个直径为20mm的相同的圆孔，每个圆孔间距为450，孔中心离园盘边缘25mm，只要上下圆孔对准，将插梢***，就能锁定住上转盘的转动，确保检修人员安全。

在升速变速箱与横流式风叶轮的连轴器处，设置一个刹车SC，检修时可刹定横流式风叶轮的转动。

为方便检修人员的工作，在固定平台上，延伸一个钢结构的检修平台，其平台高度设计，以满足1.65米身高的检修人员，站在平台上，伸出双手能方便接触到所需维修的任何部件。检修人员的工作平台要设计有安全栏杆。

以上四点，为检修人员的安全操作而设置。

八、参照图5，永磁式直流发电机发出的电能，对蓄电池充电，再经直流变交流的逆变器，向交流电网输送恒定频率的交流电能。供给用电设备使用，同时在电气控制***中，设置对蓄电池的过充电保护及蓄电池的过放电保护，以延长蓄电池的使用寿命，确保***的正常运行。

风筒发电机的检修暂停(手动)状态。

手动开关如选择TD闭合的暂停状态，继电器FA1、FA2及刹车接触器SC同时吸合，FA1、FA2分别起动直流电动机，把阻风移门向风筒内移入，当移到触碰行程限位开关FB3、FB4时，FB3及FB4的常闭接点断开，电动机停止运转，而此时SC仍吸合对刹车电动线圈供电，制动器对横流式风轮和升速变速箱的联轴器制动刹车。

检修完毕手动开关选择ED闭合，同时断开TD，SC断电，其触头断开，停止对刹车线圈供电，刹车松开。

ED闭合使风筒发电装置进入正常运行状态此时继电器FA3、FA4吸合，分别起动直流电动机，并反极性对直流电动机供电，阻风移门向风筒外移出。当移到触碰行程限位开关FB1、FB2时FA1、FA2常闭接点断开，电动机停止运行。此时进风和出风贯通。

九、由于风力发电机组安装在野外，因此对雷击应采取防范措施，对风力发电机组加以保护，在桁架基础施工中，沿地基安装铜导体，沿地基周围(放射10m范围内)1米深地下埋设，以降低接地电阻满足接地电阻值小于10Ω的标准，并在固定转盘处用50mm2铜导线，沿桁架引下，连接地下埋设的防雷击接地铜排。

十、在集流式风筒内部的出风口3处，设计风向导流装置AH该AH导向装置是本发明重要举措之一。它的作用：

其一，造成出风口3的有效面积缩小，使风速加大，并在风筒内造成风向上翘流动，这样可使出风口3风向对准横流式叶轮中心线以上的半径部位。减少风在横流式叶轮的叶片之间的二次穿越即减少风在叶轮中的阻尼作用。从计算设计原理可见，横流式风轮从风筒中吸收的功率和速度的立方成正比，只要风速提高很小数量级，就能得到功率输出很大的数量增加。此是本发明所致力于提高风力发电机效率的最根本思想。

其二，设计风在集流式风筒中的风动能上翘流动，能具有更好的自启动性能，更高地提升横流式叶轮的旋转速度，有更大的力矩去驱动直流发电机，提高本风力发电装置的效率和功率输出，确保较高的发电量。

十一、参见图3，本设计的风筒式风力发电装置，计算设定顺风3至7级风都能正常运行发电，并能确保很好的自启动，在低空气密度地区，例如高原地区，新疆及内蒙古的大草原地区等等，仍可达到额定功率输出，在额定风速范围内，输出功率可保持相对稳定。但有时风速大于7级时，会造成输出功率超过设计允许值，此时设于风筒发电机固定平台上的风动测速计，会发出逻辑指令信号，DL闭合使AK1至AK6直流电动机启动，移开风筒发电机前部的窗口移门，以分流方法，减小强风吹入风筒出口处的风量，来保证本***的正常稳定地发电运行，及整套风筒发电装置的稳定和安全。本发明的风筒发电装置，适合于额定风速范围及额定风速以上的不同风资源地区，并可提升在夏季发电量低及平衡冬季超发电的问题。

风力测速计的逻辑电路设定风力天于7级时DL闭合，风力小于7级时DH闭合，测速计DH闭合，对AK1至AK6全部六台直流电动机供电，电动机顺时针运转，关闭全部六扇分流窗口移门直到移门移动的距离，触碰限位行程开关LB，使其常闭接点断开，6台直流电动机才停止运转。风力大于7级时，测速计接点DL闭合，使直流接触器DN吸合动作，DN的吸合，同时断开两对常闭触头DN1、DN2，接通两对常开触头DN3、DN4，对六台直流电动机AK1至AK6实行反极性供电，直流电动机逆时针运转，开启全部六扇分流窗口移门，当六扇窗口移门，移到触碰常闭限位开关RB时，直流接触器DN失去供电而断开，AK1至AK6直流电动机停止运转。

由于移门的开启，解除了原先对限位开关LB的触碰，LB又自复位到闭合状态，为下次的工作做好准备，同样的原理，如移门关闭，解除了对原先限位开关RB的触碰，RB又自复位到闭合状态。

十二、本项目的风筒集流式发电装置，由于横流式多叶片叶轮4的转速很高，约在800～1100r/min之间，而发电机的转速为1500r/min，所以配置的升速变速箱的速比很小，大大降低了齿轮箱的造价和缩小了齿轮箱的体积使整个集流式风筒1装置的重量减轻，有利于风向标2带动自由旋转。

十三、风筒发电装置的手动暂停状态

此时检修人员闭合TD开关，电动机移进FAR1及FAR2移门，阻断风筒的进风口对出风口3区域的影响，同时对制动刹车送电进行电器刹车，以确保检修工作的安全展开，检修完毕，断开暂停机开关TD，解除刹车的工作电源，起动闭合正常运行开关ED，使阻风移门移出，使进风和出风口3贯通。待阻风移门移出到位，限位行程开关FB1、FB2自动切断电源。此时限位行程开关FB3，FB4恢复闭合状态，为下一次动作做好准备。

发电机发出的直流电，对蓄电池组进行充电，控制逆变器将蓄电池组输出的直流电转换成220V50赫兹的交流电，并提供给用电器，现在多数厂家都采用控制器和逆变器一体化的方案，筒称“控制逆变器”。

控制逆变器的保护功能有：1、对蓄电池的过充电保护，当风速持续较高，蓄电池充电很足，蓄电池组电压超过额定电压的1.25倍时，控制器停止向蓄电池充电，多余的电流，流向卸荷器。2、对蓄电池的过放电保护，当风力发电机，长期处在风速较低的情况下，蓄电池充电不足，蓄电池组电压低于额定电压的85％时，逆变器停止工作，不再向外供电，当风速再增高，蓄电池组电压恢复到额定电压的1.1倍时，逆变器自动恢复工作，向外供电。

由于风能的间歇性和不稳定性，如果用电器直接由风力发电机来供电，会出现供电时有时无，忽高忽低现象，这种电能是无法使用的，为建立一个供电电压稳定，能够全天候提供均衡供电的电源***，就必须在风力发电机和用电器之间设置储能装置，把风力发电机所发出的电储存起来，稳定地向用电器供电。

目前理想的储能装置，应当具有大的储能密度和容量，储存和供电具有良好的可逆性，有高的转换效率和低的转换损耗，有良好的经济性和较长的使用寿命，便于控制和维护。

本风筒式直流风力发电机***中，应用二极管DH来防止蓄电池电压比发电机电压高时，蓄电池会对发电机供电的可能性被二极管的单向导电性能所阻断。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1、风筒式风力发电装置具有集风装置、转轮、发电机、转向装置、蓄电池，其特征在于，集风装置为大喇叭形的集流式风筒；集流式风筒的小端装有风向标；集流式风筒中后部设有分流窗口闸门，分流窗口闸门有出风口。

2、根据权利要求1所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的集流式风筒的出风口为矩形，用不锈钢薄钢板制作。

3、根据权利要求1所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的转轮为横向的多叶片叶轮。

4、根据权利要求1所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的风向标固定安装在集流式风筒尾部。

5、根据权利要求1所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的转向装置的最大转角为345度，设置梯形撞块及缓冲橡胶。

6、根据权利要求1，所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的分流窗口闸门，在7级大风以上，移开分流窗口闸门。

7、根据权利要求1，所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的阻风移门，向风筒外移出时，和尾舵共同起导向作用，阻风移门向风筒内移入时，阻断进风口和出风口之间的风力。

8、根据权利要求1，所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的转向装置设有固定机构，固定机构由转盘上以转盘的圆心为中心，相互间呈45度角的圆孔和钢肖组成。

9、根据权利要求1所述的风筒式风力发电装置，其特征在于，所述的出风口处设有可以改变出风口大小的导流装置。

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