CN204755178U - 采用集风器的直击式风力发电设备机组 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新能源产业中的风力发电机组，尤其是涉及一种采用集风器的直击式风力发电设备机组。其主要是解决现有技术所存在的风力发电设备的风力利用效率和发电效率太低，导致发电成本太高等的技术问题。本实用新型包括塔架（2），塔架（2）的后部固定有双联式的喇叭型集风器（3），塔架位于两个喇叭型集风器之间的缝隙处的正前方，喇叭型集风器的后部的中间设有出风口（4），出风口的周围设有泄风口（5），喇叭型集风器的后端连接有风叶轮箱（6）以及机舱（7），风叶轮箱的后部设有排风口。

Description

采用集风器的直击式风力发电设备机组

技术领域

本实用新型涉及一种新能源产业中的风力发电机组，尤其是涉及一种采用集风器的直击式风力发电设备机组。

背景技术

风能是一种无污染的可再生能源。它取之不尽，用之不竭，而且分布广泛，风能可以无偿地无限量任意获取。可是在现实中，风能在进行风力发电时，它的发电成本比用石油、煤炭等化工能源进行发电的成本还高。

目前社会上广泛使用的风力发电设备绝大多数采用水平轴螺旋桨升力型发电设备，但是在实际使用中，风力发电设备的风力利用效率和发电效率太低，导致发电成本太高。虽然风力发电与使用石油、煤炭等矿产资产发电相比，风力发电无污染，非常环保，但是发电成本太高，严重限制了使用风力发电的积极性和严重影响了经济效益。

由于真正能够感受风力作用而产生旋转力矩的风叶片的投影面积实在太小，仅占风叶轮总的扫掠面积的5%左右，其余的约占风叶轮总扫掠面积的95%左右的风力是白白浪费掉的，没有给与充分利用，所以说目前的风力发电设备的风力利用效率是很低很低的。

当风力作用于风叶旋转平面有一定角度（桨矩角）的螺旋桨叶片时，风力被分解为径向分力（升力）和轴向分力（阻力），而真正能够产生旋转力矩的径向分力只是风力中总的一部分分力，因此它把风力转换成旋转力矩的机械能的效率是有限的。真正能够产生旋转力矩的径向分力还要受到轴向分力的阻碍作用，所以说目前社会上广泛使用的水平轴螺旋桨升力型风力发电设备把风力的直线运动力转换成旋转力矩的机械能的效率是很低的。

大自然中的风力大小和风力方向随时都会发生变化，虽然水平轴螺旋桨升力型风力发电设备也有偏航式及尾舵等及时调准风向机构和变桨矩等调速机构，但在实际使用中它的调准风向和调整风轮转速的效果并不佳，而且机构复杂，制造及维修都很麻烦。

水平轴螺旋桨升力型风力发电设备在遇到特大的狂风时，螺旋桨叶片会扭曲变形，不但出现旋转不稳定，严重影响发电，而且还会产生严重的噪音污染。

水平轴螺旋桨升力型发电设备，安装在塔架上由于风轮的直径大，它的旋转扫掠面积也很大。例如一台风轮直径为60米的中型风力发电机组，它的规模远远超过一幢20层高的大楼。当风向改变时，风轮也随着风向改变而回转，故而它的占地面积更大。由于其单机容量低，输出功率小，如需大规模发电，必须要几十台，甚至几百台，同时运行发电，这样它的占地面积更大，严重浪费土地资源。

实用新型内容

本实用新型是提供一种采用集风器的直击式风力发电设备机组，其主要是解决现有技术所存在的风力发电设备的风力利用效率和发电效率太低，导致发电成本太高等的技术问题。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本实用新型的采用集风器的直击式风力发电设备机组，包括塔架，所述的塔架的后部固定有双联式的喇叭型集风器，塔架位于两个喇叭型集风器之间的缝隙处的正前方，喇叭型集风器的后部的中间设有出风口，出风口的周围设有泄风口，喇叭型集风器的后端连接有风叶轮箱以及机舱，风叶轮箱的后部设有排风口。

当大自然的自然风通过喇叭型集风器逐渐缩小的体积，使风速加快，风力加强。风叶轮是设置在塔架后面，即属于下风式（顺风式）。下风式风叶轮机在运行时，会产生一种风筝效应，它会顺着风向的改变而自动跟随风向而转变，始终自动对准风向，不需要任何调整风向设施，故而结构简单，而又对准风向，效果可靠。

本实用新型采用平列的双联式喇叭型集风器，采用两个半球型风叶轮机风力发电机组，塔架位于双喇叭型集风器中间的空隙的正前方，这样气流经过塔架而造成的紊流是在双喇叭型集风器中间的空隙处穿过的，不会造成对风叶轮机的能量转换效率产生影响。

本实用新型的双喇叭型集风器的集聚自然风的面积要比水平轴螺旋桨升力型风力发电机捕获风力的螺旋桨投影面积要大很多。

如一台直径为100m的大型风水平轴螺旋桨型风力发电机的总扫掠面积为50×50×3.14≈7850m²。但是螺旋桨投影面积仅占总扫掠面积的5%左右，即7850m²×5%=392.5m²。

由于本实用新型的喇叭型集风器结构的特殊性，一般不可能建造超过直径40米的大型喇叭型集风器（一般直径30-40米的为大型，直径20-30米的为中心，直径10-20米的为小型，直径10米以下的为微型），现以直径25米的中型喇叭型集风器为例，即其捕获风能面积为980m²，是大水平轴螺旋桨升力型风力发电机的螺旋桨投影面积392.5m²的2.5倍。

以此可以说明本实用新型的采用集风器的直击式风力发电机组比水平轴螺旋桨型风力发电机组的捕获风力的效率要高很多，远超过水平轴螺旋桨型风力发电机组的100%，那么它的风能利用效率也超过100%。

由于本实用新型的喇叭型集风器的底部体积逐渐缩小，对通过的自然风的风速造成逐步加快、加强，然后通过喇叭型集风器底部的一个较小的出风口，集中风力对准半球型风叶的凹面处直接冲击，风叶在增强后的风力冲击作用下，是去平衡，风叶轮顺着风力的冲击势能绕着风叶轮转轴转动，迫使直线运动的风力能转换成旋转力矩的机械能。

作为优选，所述的风叶轮箱内设有风叶轮转轴，风叶轮转轴通过风叶轮滚筒连接有多个半球型风叶，半球型风叶与风叶轮滚筒通过断面为中空三角形的支撑架连接。

本实用新型的半球型风叶轮机，其实也属于阻力型风轮机，它与萨伏纽斯风轮机的原理基本相同。但是萨伏纽斯风轮机在运行发电时是完全裸露的，它的S形风叶的一边凹面与另一边凸面同时受到风力的冲击。只是凹面受到风力的冲击作用力要大于凸面受到风力的冲击作用力，于是风叶失去平衡顺着风力冲击作用力的动势绕着风叶轮轴转动，这就是萨伏纽斯风轮机将直线运动的风流转换成旋转力矩的机械能的基本原理。但是萨伏纽斯风轮机的净旋转力矩是凹面受到的阻力力矩减去凸面受到的阻力力矩。这是所有阻力型风轮机的基本情况。

作为优选，所述的排风口包括有设置在风叶轮箱前后部的前主排风口、后次排风口，出风口、泄风口处分别设有滑动连接在风叶轮箱上的出风口门、泄风口门，出风口门、泄风口门分别连接出风口门控制机构、泄风口门控制机构。

作为优选，所述的风叶轮箱连接有风叶轮箱架，风叶轮箱架的下端设有回转轮，回转轮连接在风力发电机组回转轨道上，风叶轮箱架与塔架之间固定有风叶轮箱支撑档。

对于坚固的房屋及坚固的厂房的屋顶平台，或者海岛小山头的山顶平台，或者沿海海塘大坝顶上平台，由于这些地方的地形已比周围要高出很多，没有必要把风力发电机组架设在高高的塔架上，由于本低位风力发电机组的位置较低，而且遇到风向转变而自动跟随风向转变的回转机构、回转轨道等比较低，重心也低，因而本实用新型的低位风力发电机组在运行发电时，特别是风向频繁改变时期或风速风力较大时，更稳定实用。

作为优选，所述的风叶轮箱连接有风叶轮箱架，风叶轮箱架内设有风叶轮垂直转轴，风叶轮垂直转轴连接有增速齿轮箱、发电机，风叶轮箱架下端设有回转轮，回转轮连接在风力发电机组回转轨道上，风叶轮箱架与塔架之间固定有风叶轮箱支撑档。

作为优选，所述的机舱内设有与风叶轮转轴连接的制动器，制动器连接增速齿轮箱、发电机，发电机连接智能控制器。

作为优选，所述的发电机通过线路连接有整流器，整流器通过充电器连接蓄电池，整流器还通过逆变器连接交流负载，逆变器连接智能控制器，智能控制器通过线路分别连接风叶轮转速监测仪及传感器、制动器控制机构、风速监测仪及传感器、出风口门控制机构、泄风口门控制机构。

当大自然中的风突然变成狂风时，本实用新型的喇叭型集风器上方的风速监测仪，通过风速传感器将超高的风速的信息传递给智能控制器。同时在风轮附近的风轮转速监测仪监测到的超高转速信息通过转速传感器传递给微机处理器的智能控制器。智能控制器在收到超高风速及超高转速的信息后，立即指令出风口调整机构，适当关小出风口以减少进入风叶轮箱冲击风叶的风力，同时指令喇叭型集风器的泄风口门的调整机构，让超强风力从泄风口泄出，降低狂风时风轮机的超强压力，保证发电机的正常稳定。

发出的电先通过整流器，整流成直流电，将其中部分直流电通过充电器给蓄电池充电，得以保存电力。而其余直流电通过逆变器成为交流电，供给交流负载用电。

作为优选，所述的风叶轮转轴上连接有风叶轮转轴轴承。

作为优选，所述的塔架上设有避雷针，塔架前端设有平衡重锤。

作为优选，所述的泄风口为上下左右均布的4个，喇叭型集风器的开口处平面为长方形、正方形、圆形或椭圆形。

作为优选，所述的塔架下部固定有塔筒，塔筒连接有斜拉杆。

因此，本实用新型采用集风的直击式发电机组，能极大提高风能利用效率，将风力发电效率提高100%以上，最终使发电成本降低50%以上，而且易于制造，结构简单、合理。

附图说明

附图1是本实用新型实施例1的一种结构示意图；

附图2是图1的侧面结构示意图；

附图3是图2的俯视结构示意图；

附图4是本实用新型实施例2的一种结构示意图；

附图5是图4的侧面结构示意图；

附图6是图5的俯视结构示意图；

附图7是本实用新型风叶轮箱的内部结构示意图；

附图8是图7的侧面结构示意图；

附图9是图7的A-A剖面结构示意图；

附图10是本实用新型实施例3的结构示意图；

附图11是本实用新型实施例4的结构示意图；

附图12是本实用新型风叶轮箱和机舱的内部结构示意图；

附图13是本实用新型发电流程示意图。

图中零部件、部位及编号：塔筒1、塔架2、喇叭型集风器3、出风口4、泄风口5、风叶轮箱6、机舱7、风叶轮转轴8、风叶轮滚筒9、半球型风叶10、前主排风口11、后次排风口12、出风口门13、泄风口门14、出风口门控制机构15、泄风口门控制机构16、风叶轮箱架17、回转轮18、风力发电机组回转轨道19、风叶轮箱支撑档20、风叶轮垂直转轴21、增速齿轮箱22、发电机23、制动器24、智能控制器25、整流器26、充电器27、蓄电池28、逆变器29、交流负载30、传感器31、制动器控制机构32、风速监测仪及传感器33、风叶轮转轴轴承34、避雷针35、平衡重锤36、支撑架37、斜拉杆38。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本例的采用集风器的直击式风力发电设备机组，如图1、图2、图3，包括塔筒1，塔筒连接有斜拉杆38，塔筒上固定有塔架2，塔架上设有避雷针35，塔架前端设有平衡重锤36。塔架的后部固定有双联式的喇叭型集风器3，喇叭型集风器的开口处平面为圆形。塔架位于两个喇叭型集风器之间的缝隙处的正前方，喇叭型集风器的后部的中间设有出风口4，出风口的周围设有泄风口5，泄风口为上下左右均布的4个，喇叭型集风器的后端连接有风叶轮箱6以及机舱7，风叶轮箱的后部设有排风口。如图7、图8、图9，风叶轮箱内设有风叶轮转轴8，风叶轮转轴上连接有风叶轮转轴轴承34，风叶轮转轴通过风叶轮滚筒9连接有多个半球型风叶10，半球型风叶与风叶轮滚筒通过断面为中空三角形的支撑架37连接。排风口包括有设置在风叶轮箱6前后部的前主排风口11、后次排风口12，出风口4、泄风口5处分别设有滑动连接在风叶轮箱上的出风口门13、泄风口门14，出风口门、泄风口门分别连接出风口门控制机构15、泄风口门控制机构16。如图12，机舱内设有与风叶轮转轴8连接的制动器24，制动器连接增速齿轮箱22、发电机23，发电机连接智能控制器25。如图13，发电机通过线路连接有整流器26，整流器通过充电器27连接蓄电池28，整流器还通过逆变器29连接交流负载30，逆变器连接智能控制器25，智能控制器通过线路分别连接风叶轮转速监测仪及传感器31、制动器控制机构32、风速监测仪及传感器33、出风口门控制机构15、泄风口门控制机构16。

使用时，大自然中的自然风通过喇叭型集风器3的集聚后，变成较为高速、高压的风力，从出风口4进入风叶轮箱6。风力直接冲击半球型风叶10的凹面，半球型风叶在风力冲击下失去平衡，顺着风力的冲击动势能，绕着风叶轮转轴8旋转，再通过增速齿轮箱22增速后，达到符合发电机23所需的转速，传发电机发电，发出的电经过整流器26整流后，直流电的一部分经过充电器27给蓄电池28充电，另一部分直流电经过逆变器29后供给交流负载30。

当突遇大风来袭时，喇叭型集风器3顶上的风速监测仪及传感器33将大风信息及时反馈到微机处理器的智能控制器25，而且同时将风叶轮转速监测仪及传感器31的信息反馈到微机处理器的智能控制器25，智能控制器立即指令出风口门控制机构15控制关小出风口门13，以减少进入风叶轮箱6冲击半球型风叶10的风力，达到降低风叶轮机的转速的目的。同时指令喇叭型集风器上下左右四边靠近底部的4个泄风口门控制机构16控制泄风口门14适当开启，让大风从泄风口外泄，以降低大风对风力发电机组的压力，防止大风对风力发电机组进行伤害。以上两措施的目的是当大风突然来袭时，仍能保证风力发电机组的持续稳定运行发电。

当突遇狂风来袭时，微机处理器的智能控制器25收到信息后，立即指令喇叭型集风器3底部的出风口门13完全关闭，停止运行发电，同时指令泄风口门14完全打开，让狂风从泄风口排出外泄，以降低狂风对喇叭型集风器及风力发电机组的压力，防止狂风对风力发电机组的损害，一旦狂风过去后，恢复平静时，风力发电机组仍可继续运行发电。

实施例2：本例的采用集风器的直击式风力发电设备机组，如图1、图2、图3，喇叭型集风器3的开口处平面为正方形，其余同实施例1。

实施例3：本例的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其为低位水平轴机组，如图10，风叶轮箱6连接有风叶轮箱架17，风叶轮箱架的下端设有回转轮18，回转轮连接在风力发电机组回转轨道19上，风叶轮箱架与塔架2之间固定有风叶轮箱支撑档20。

其余同实施例1。

实施例4：本例的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其为低位垂直轴机组，如图11，风叶轮箱6连接有风叶轮箱架17，风叶轮箱架内设有风叶轮垂直转轴21，风叶轮垂直转轴连接有增速齿轮箱22、发电机23，风叶轮箱架下端设有回转轮18，回转轮连接在风力发电机组回转轨道19上，风叶轮箱架与塔架2之间固定有风叶轮箱支撑档20。

其余同实施例1。

以上所述仅为本实用新型的具体实施例，但本实用新型的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。

Claims (11)

1.一种采用集风器的直击式风力发电设备机组，包括塔架（2），其特征在于所述的塔架（2）的后部固定有双联式的喇叭型集风器（3），塔架位于两个喇叭型集风器之间的缝隙处的正前方，喇叭型集风器的后部的中间设有出风口（4），出风口的周围设有泄风口（5），喇叭型集风器的后端连接有风叶轮箱（6）以及机舱（7），风叶轮箱的后部设有排风口。

2.根据权利要求1所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的风叶轮箱（6）内设有风叶轮转轴（8），风叶轮转轴通过风叶轮滚筒（9）连接有多个半球型风叶（10），半球型风叶与风叶轮滚筒通过断面为中空三角形的支撑架（37）连接。

3.根据权利要求1或2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的排风口包括有设置在风叶轮箱（6）前后部的前主排风口（11）、后次排风口（12），出风口（4）、泄风口（5）处分别设有滑动连接在风叶轮箱上的出风口门（13）、泄风口门（14），出风口门、泄风口门分别连接出风口门控制机构（15）、泄风口门控制机构（16）。

4.根据权利要求1或2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的风叶轮箱（6）连接有风叶轮箱架（17），风叶轮箱架的下端设有回转轮（18），回转轮连接在风力发电机组回转轨道（19）上，风叶轮箱架与塔架（2）之间固定有风叶轮箱支撑档（20）。

5.根据权利要求1或2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的风叶轮箱（6）连接有风叶轮箱架（17），风叶轮箱架内设有风叶轮垂直转轴（21），风叶轮垂直转轴连接有增速齿轮箱（22）、发电机（23），风叶轮箱架下端设有回转轮（18），回转轮连接在风力发电机组回转轨道（19）上，风叶轮箱架与塔架（2）之间固定有风叶轮箱支撑档（20）。

6.根据权利要求2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的机舱（7）内设有与风叶轮转轴（8）连接的制动器（24），制动器连接增速齿轮箱（22）、发电机（23），发电机连接智能控制器（25）。

7.根据权利要求6所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的发电机（23）通过线路连接有整流器（26），整流器通过充电器（27）连接蓄电池（28），整流器还通过逆变器（29）连接交流负载（30），逆变器连接智能控制器（25），智能控制器通过线路分别连接风叶轮转速监测仪及传感器（31）、制动器控制机构（32）、风速监测仪及传感器（33）、出风口门控制机构（15）、泄风口门控制机构（16）。

8.根据权利要求2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的风叶轮转轴（8）上连接有风叶轮转轴轴承（34）。

9.根据权利要求6所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的塔架（2）上设有避雷针（35），塔架前端设有平衡重锤（36）。

10.根据权利要求1或2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的泄风口（5）为上下左右均布的4个，喇叭型集风器（3）的开口处平面为长方形、正方形、圆形或椭圆形。

11.根据权利要求1或2所述的采用集风器的直击式风力发电设备机组，其特征在于所述的塔架（2）下部固定有塔筒（1），塔筒连接有斜拉杆（38）。