CN114576082B - 风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电装置，所述风力发电装置包括风轮机构以及双轴发电机；所述风轮机构包括前风轮(100)和后风轮(200)；所述双轴发电机的两端分别设置第一转子和第二转子，所述前风轮(100)通过第一转轴与所述第一转子连接，所述后风轮(200)通过第二转轴与所述第二转子连接；所述前风轮(100)包括多个前叶片(101)；其中，所述前叶片(101)包括依次连接的内段叶展、中段叶展和外段叶展，中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向所述后风轮(200)。本发明的风力发电装置具有发电效率高、可紧凑布置、节约用地的优点。

Description

风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电装置。

背景技术

风是没有公害的能源之一，它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合。另外，海上风电也是可再生能源发展的重要领域，是推动风电技术进步和产业升级的重要力量，是促进能源结构调整的重要措施。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。

风力发电装置是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电装置一般包括风轮、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等构件。

虽然现有技术的风力发电装置具有清洁、环境效益好、可再生、基建周期短、装机规模灵活等优点，但是，现有的风力发电装置还存在发电效率低、占地面积广、不稳定的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种风力发电装置，该风力发电装置具有发电效率高、可紧凑布置、节约用地的优点。

根据本发明实施例的风力发电装置，所述风力发电装置包括风轮机构以及双轴发电机；所述风轮机构包括前风轮和后风轮；所述双轴发电机的两端分别设置第一转子和第二转子，所述前风轮通过第一转轴与所述第一转子连接，所述后风轮通过第二转轴与所述第二转子连接；所述前风轮包括多个前叶片；其中，所述前叶片包括依次连接的内段叶展、中段叶展和外段叶展，中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向所述后风轮。

本发明实施例的风力发电装置，通过设置中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长，使得当气流从前风轮流经时，未被前叶片阻挡的气流能够继续向后风轮流动，这部分气流的动能损失较小，因此能够有效地带动后风轮转动，提高后风轮的旋转速度，因此使得风轮组件整体的发电效率得以提高。

可选的，所述前叶片设置为：所述中段叶展的最大弦长小于内段叶展的最小弦长。

可选的，所述后风轮包括多个后叶片，所述后叶片的中段叶展的最小弦长大于所述前叶片的中段叶展的最大弦长。

可选的，所述前叶片设置为：所述内段叶展的最小弦长大于所述外段叶展的最大弦长，且所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展之间为平滑曲线过渡。

可选的，所述后叶片设置为：所述内段叶展的最小弦长分别大于所述中段叶展、所述外段叶展的最大弦长，且所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展之间为平滑曲线过渡。

可选的，所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展的展长之比的范围为1：1：1至1：1：1.3。

可选的，所述前叶片的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/5至2/5处。

可选的，所述后叶片的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/10至3/10处。

可选的，沿内段叶展至外段叶展的方向，所述前叶片的厚度逐渐减小；和/或，沿内段叶展至外段叶展的方向，所述后叶片的厚度逐渐减小。

可选的，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为50％的位置在距离叶片根部15％至17％处，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为40％的位置在距离叶片根部19％至21％处，所述前叶片的内叶展的相对厚度D/L为35％的位置在距离叶片根部23％至25％处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长。

可选的，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为25％的位置在距离叶片根部52％至54％处，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为21％的位置在距离叶片根部66％至72％处，所述前叶片的外叶展的相对厚度D/L为15％的位置在叶片的末端。

可选的，所述后叶片的展长为所述前叶片的展长的60％至80％。

通过上述技术方案，由于风力发电装置的风轮机构包括同轴设置的前风轮和后风轮，所述前风轮和所述后风轮能够同时被风力驱动而旋转，当所述前风轮旋转时，其驱动与之连接第一转轴旋转，带动双轴发电机中的第一转子转动进行发电，当所述后风轮旋转时，其驱动与之连接第二转轴旋转，带动双轴发电机中的第二转子转动进行发电，因此当上述的前风轮和后风轮同时转动时，双轴发电机的第一转子和第二转子同时转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮和后风轮能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

在一种实施例中，所述前叶片设置为：中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向所述后风轮。因此，当气流从所述前叶片的中段叶展处流经时，未被所述前叶片的中段叶展阻挡的气流能够继续向所述后风轮流动，这部分气流的动能损失较小，因此能够有效地带动所述后风轮转动，提高所述后风轮的旋转速度，因此使得风轮组件整体的发电效率得以提高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例的风力发电装置的立体示意图；

图2是本发明的风力发电装置的前风轮的一种实施方式的示意图；

图3是本发明的风力发电装置的后风轮的一种实施方式的示意图。

附图标记：

100-前风轮，101-前叶片，200-后风轮，201-后叶片，

D-叶片的厚度，L-叶片的展长。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图3所示，本发明的风力发电装置包括风轮机构以及双轴发电机；风轮机构包括前风轮100和后风轮200；双轴发电机的两端分别设置第一转子和第二转子，前风轮100通过第一转轴与第一转子连接，后风轮200通过第二转轴与第二转子连接；前风轮100包括多个前叶片101；其中，前叶片101包括依次连接的内段叶展、中段叶展和外段叶展，中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向后风轮200。

在一种实施例中，由于风轮组件包括同轴设置的前风轮100和后风轮200，前风轮100和后风轮200能够同时被风力驱动而旋转，当前风轮100旋转时，其驱动与之连接第一转轴旋转，带动双轴发电机中的第一转子转动进行发电，当后风轮200旋转时，其驱动与之连接第二转轴旋转，带动双轴发电机中的第二转子转动进行发电，因此当上述的前风轮100和后风轮200同时转动时，双轴发电机的第一转子和第二转子同时转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮100和后风轮200能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

在一种实施例中，前叶片101设置为：中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向后风轮200。也就是说，当气流从前风轮100流经时，未被前叶片101阻挡的气流能够继续向后风轮200流动，这部分气流的动能损失较小，因此能够有效地带动后风轮200转动，提高后风轮200的旋转速度，因此使得风轮组件整体的发电效率得以提高。

应当理解的是，前叶片101可以设计成多种形式，只要前叶片101的中段叶展的弦长小于外段叶展的弦长即可。

在一些实施方式中，可以将前叶片101的内段叶展的最大弦长设置为最小，即，中段叶展的最小弦长大于内段叶展的最大弦长，使得前叶片101整体上呈弦长自外段叶展至内段叶展逐渐减小的形状，这种形状的叶片由于中段叶展的弦长小于外段叶展，因此也能够允许较多的气流通过中段叶展部分，从而提高后风轮200的旋转速度。但是，由于内段叶展的弦长较小，导致内段叶展处的机械强度较低，从而可能会造成叶片从根部弯折甚至断裂的问题。

在另一些实施方式中，可以将前叶片101的内段叶展的弦长设置为与中段叶展的弦长相同，使得前叶片101整体上呈外段叶展大、中段内段叶展小的形状，这种形状的叶片由于中段叶展的弦长小于外段叶展，因此也能够允许较多的气流通过中段叶展部分，从而提高后风轮200的旋转速度。但是，这种形状的叶片其内段叶展的弦长仍然较小，导致内段叶展处的机械强度较低，从而可能会造成叶片从根部弯折甚至断裂的问题。

因此，为了解决上述问题，在本发明的一种优选实施方式中，前叶片101设置为：中段叶展的最大弦长小于内段叶展的最小弦长。也就是说，这种形状的叶片整体上呈外段叶展大、中段叶展小、内段叶展大的类似波浪形状，这种形状的叶片由于中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长，因此也能够允许较多的气流通过中段叶展部分，从而提高后风轮200的旋转速度，并且，这种形状的叶片由于其内段叶展的最大弦长较大，从而保证了内段叶展处的机械强度，从根本上解决了叶片从根部弯折甚至断裂的问题。

另一方面，前叶片101的外段叶展的最大弦长大于中段叶展的最大弦长的另一个好处是：由于外段叶展的弦长更大，因此前叶片101的外段叶展能够接触到更多的气流，而外段叶展到第一转轴的力臂比中段叶展到第一转轴的力臂要长，从而使得外段叶展处的力矩更大，力矩能使物体获得角加速度，并可使物体的动量矩发生改变，对同一物体来说力矩愈大，转动状态就愈容易改变，因此，这种设置方式能够使得前风轮100更加容易转动，也能够进一步提高前风轮100的转动速度。

之所以优先考虑前风轮100的转速是因为前风轮100首先与气流接触，能够最大化转换气流的动能，从而有效地利用风力。

进一步的，后风轮200包括多个后叶片201，后叶片201的中段叶展的最小弦长大于前叶片101的中段叶展的最大弦长。这样设置能够使得从前叶片101流向后叶片201的气流能够更加充分地接触后叶片201的中段叶展，从而驱使后叶片201提高转动速度。

进一步的，在本发明的一种实施方式中，前叶片101设置为：内段叶展的最小弦长大于外段叶展的最大弦长，且内段叶展、中段叶展以及外段叶展之间为平滑曲线过渡。这样设置的好处是：首先，前叶片101呈内段叶展的弦长最大的形状，也就是说，前叶片101的根部的机械强度得到最大化提高，从而能够完全避免叶片从根部弯折甚至断裂的问题。其次，前叶片101内段叶展、中段叶展以及外段叶展之间为平滑曲线过渡使得叶片整体呈流线型，在叶片转动时有效地降低阻力，从而保证前风轮100的转速。

另一方面，后叶片201也可以设置为：内段叶展的最小弦长分别大于中段叶展、外段叶展的最大弦长，且内段叶展、中段叶展以及外段叶展之间为平滑曲线过渡。同样的，通过上述设置，后叶片201的根部的机械强度得到最大化提高，从而能够完全避免叶片从根部弯折甚至断裂的问题。其次，后叶片201的内段叶展、中段叶展以及外段叶展之间为平滑曲线过渡使得叶片整体呈流线型，在叶片转动时有效地降低阻力，从而保证后风轮200的转速。

由于外段叶展接触到更多的气流，其力矩更大，使得前风轮100更加容易转动，也能够进一步提高前风轮100的转动速度。因此，在本发明的一种实施方式中，内段叶展、中段叶展以及外段叶展的展长之比的范围为1：1：1至1：1：1.3。这样设置能够保证外段叶展的尽可能接触到更多的气流，从而保证前风轮100的转动速度。

为了进一步提高叶片根部的机械强度，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/5至2/5处，优选地，前叶片101的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的3/10处，从而有助于在满足流体性能的前提下尽可能地提高叶片根部的机械强度。

另一方面，后叶片201的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/10至3/10处，优选地，后叶片201的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/5处，从而有助于在满足流体性能的前提下尽可能地提高叶片根部的机械强度。

另外，也可以将前叶片101的外段叶展的最大弦长设置为与内段叶展的最大弦长相同，该外段叶展的最大弦长处可以位于外段叶展的任意位置，例如，该最大弦长处可以位于外段叶展的末端，也就是说，该最大弦长处可以位于叶片的末端。但是，叶片转动时，其末端也会受到气流的阻力，为了有效地降低叶片末端所受的阻力，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的外段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的3/5至4/5处，优选地，前叶片101的外段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的7/10处。换言之，该最大弦长处大致位于外段叶展的中间部分，使得外段叶展的一侧边的曲线呈近似圆弧的形状，这样就能够使外段叶展的末端(即该叶片的末端)，具有较小的弦长，从而降低其与气流的接触面积，减少叶片末端所受的阻力。

应当理解的是，前叶片101的内段叶展的纵截面形状可以设置为多种形状，例如，前叶片101的内段叶展的纵截面可以呈波浪形、三角形或梯形。

为了降低叶片的重量，提高叶片的转动效率，在本发明的一种实施方式中，沿内段叶展至外段叶展的方向，前叶片101的厚度逐渐减小，同样的，沿内段叶展至外段叶展的方向，后叶片201的厚度也逐渐减小。借助于逐渐减小的厚度，叶片的重量得以有效地降低，并且，叶片的根部(即内段叶展的最大厚度部位)具有一定的厚度以防止叶片发生弯折、断裂。

为了提高后风轮200的转动速度，在本发明的一种实施方式中，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为50％的位置在距离叶片根部15％至17％处，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为40％的位置在距离叶片根部19％至21％处，前叶片101的内叶展的相对厚度D/L为35％的位置在距离叶片根部23％至25％处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长。这样设置使得内叶展的相对厚度的变化速率较快，进一步减少内叶展给气流造成的能量衰减，从而给后风轮200更多的气流以提高其转速。

另一方面，也可以对前叶片101的外叶展进行设计，例如，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为25％的位置在距离叶片根部52％至54％处，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为21％的位置在距离叶片根部66％至72％处，前叶片101的外叶展的相对厚度D/L为15％的位置在叶片的末端。这样设置使得前叶片101的外叶展的相对厚度的变化速率较慢，进一步提高外叶展与气流的接触时间，从而增加前风轮100的转速。

应当理解的是，上述前叶片101的两侧均可以设计为波浪形的曲线，只要保证上述叶片的内段叶展、中段叶展、外段叶展三者之间的弦长关系即可。

为了进一步优化前风轮100的转动性能，在本发明的一种实施方式中，将前叶片101计为：其纵截面呈一侧边为直线、另一侧边为向外突出的曲线的异形。向外突出的部分能够有效地与气流接触，而呈直线的一侧也可以更好地降低叶片转动时所受的阻力。

由于前风轮100首先与气流接触，因此，前风轮100对于气流动能的利用率最大，为此，在本发明的一种实施方式中，将前风轮100设计成比后风轮200更大的形式，例如，后叶片201展长为前叶片101展长的60％至80％，优选地，后叶片201展长为前叶片101展长的70％。

进一步的，在本发明的一种实施方式中，前风轮100和后风轮200的间距为前风轮100的直径的0.25倍。在该范围内，能够满足前后风轮的安装要求，且前后风轮的相互干扰较小，提高风能的利用率。

通过上述技术方案，本发明的风力发电装置的风轮机构的前风轮100和后风轮200同时转动时，能够同时驱动双轴发电机的第一转子和第二转子转动进行发电，提高了发电量，并且由于前风轮100和后风轮200能够共同设置在同一个风力发电装置的支柱上，因此能够极大地减少风力发电装置的数量，使得风力发电所需面积减小。

另外，由于前叶片101设置为：中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向后风轮200，因此能够有效地改善前后风轮组合效率低的问题，使得风轮组件整体的发电效率得以提高。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“展长”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种风力发电装置，其特征在于，所述风力发电装置包括风轮机构以及双轴发电机；

所述风轮机构包括同轴设置的前风轮（100）和后风轮（200）；

所述双轴发电机的两端分别设置第一转子和第二转子，所述前风轮（100）通过第一转轴与所述第一转子连接，所述后风轮（200）通过第二转轴与所述第二转子连接；

所述前风轮（100）包括多个前叶片（101），所述后风轮（200）包括多个后叶片（201）；

其中，所述前叶片（101）包括依次连接的内段叶展、中段叶展和外段叶展，所述中段叶展的最大弦长小于外段叶展的最大弦长以能够引导流体流向所述后风轮（200）；

所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为50%的位置在距离叶片根部15%至17%处，所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为40%的位置在距离叶片根部19%至21%处，所述前叶片（101）的内叶展的相对厚度D/L为35%的位置在距离叶片根部23%至25%处，其中，D为叶片的厚度，L为叶片的弦长，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为25%的位置在距离叶片根部52%至54%处，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为21%的位置在距离叶片根部66%至72%处，所述前叶片（101）的外叶展的相对厚度D/L为15%的位置在叶片的末端，所述后叶片（201）的展长为所述前叶片（101）的展长的60%至80%。

2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）设置为：所述中段叶展的最大弦长小于内段叶展的最小弦长。

3.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）的中段叶展的最小弦长大于所述前叶片（101）的中段叶展的最大弦长。

4.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）设置为：所述内段叶展的最小弦长大于所述外段叶展的最大弦长，且所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展之间为平滑曲线过渡。

5.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）设置为：所述内段叶展的最小弦长分别大于所述中段叶展、所述外段叶展的最大弦长，且所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展之间为平滑曲线过渡。

6.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，所述内段叶展、所述中段叶展以及所述外段叶展的展长之比的范围为1：1：1至1：1：1.3。

7.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，所述前叶片（101）的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/5至2/5处。

8.根据权利要求7所述的风力发电装置，其特征在于，所述后叶片（201）的内段叶展的最大弦长处位于该叶片整体展长的1/10至3/10处。

9.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，沿内段叶展至外段叶展的方向，所述前叶片（101）的厚度逐渐减小；和/或，沿内段叶展至外段叶展的方向，所述后叶片（201）的厚度逐渐减小。

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