CN101063438A - 定向风多层式风轮及其风电场的佈局 - Google Patents

Abstract

风能是可再生绿色能源，有巨大的开发利用潜力。本发明申请定向风多层式风轮及其风电场的佈局，以定向风多层式高捕捉率风轮(见附图)为基本设备，提出两种与发电机相连接的方式(直连式与高架式)。本发明申请以(风轮+发电机)为基本单元机组，提出风电场的三种佈局(棋盘式佈局、挡风墙式佈局和风洞式佈局)。在风洞式佈局中，又提出四种风洞结构，即直筒式风洞、束腰式风洞、前喇叭式风洞和后喇叭式风洞。本发明申请之所以提出丰富多彩的风电场佈局创意，是为了适应风电场建场当地的具体地理和气象条件，为实施者提供宽广的选择余地，建成最具特色的风电场。

Description

定向风多层式风轮及其风电场的佈局

风能是绿色可再生能源，其巨大的潜力可用于发电事业。我国幅员辽阔，地理和气象环境千姿百态，因而风能资源表现为多样性。我国西北部以及浩瀚的大北方地区，有大片的沙漠和沙化平原，有连绵千里的山脉，造成这些地区风能资源的定向性。本专利申请提出定向风风轮的设计，和以这种风轮为主体，提出形式多样化的风电场佈局。

多层式风轮(图1)是本专利申请的主体设备，其结构特点是以轮毂(中心轴，件1)为中心，以等距离佈置若干个同心风轮圈(件2)，在风轮圈之间佈置若干个翼片(件3)，其最外层则以风轮箍(件4)圈定，形成一个完整的风轮。风轮轴两端用风轮托架(件5)托住，牢固地固定在地基上。轮轴之一端以机械传动机构(件6)与发电机(件7)相连接(见图2)，合成一套(风轮+发电机)单元机组。图2显示，风轮与发电机的连接有落地式连接与高架式连接两种方式。

定向风风轮采用多层式高捕捉率设计。采用多层式，使大型、特大型单元高捕捉率风轮成为可能。翼片(件3)在层与层之间有序排列，翼片与风轮中心轴(件1)线成一稳定的倾斜角α(见图3)。每层的翼片形状完全相同，而各层的翼片则基本相似，只是每层按轮圈直径的差异，佈置不同数量的翼片，因此整个风轮迎面望去类似于鱼类身披井然有序的鳞片。翼片群基本上覆盖了整个迎风面，故称之为高捕捉率。当风能接触到风轮时，由于翼片有一个倾角α，使风能流经风轮时发生一个转向运动，其结果是产生了一个沿风轮切向的分力，它推动了风轮的旋转运动。这个旋转运动通过风轮轴和发电机之间的机械传动，(件6)带动了发电机(件7)产生电能。

在定向风地区，往往有定时性反向风的特点。本专利申请提出的风轮设计完全适应于这项定时性反向风的特点，只是风轮在反向风时作反向旋转。本专利申请为此，提出在风轮轴和发电机轴之间佈置一个反转切换排档(见图4)，无论风轮是正转抑或是反转，发电机始终作同一方向的旋转，使其发电功能较为稳定。

采用定向风风轮后，风电场的佈局随地理和气象条件的差异，有丰富多彩的形式。本专利申请提出三大类佈局：

第一类  棋盘式佈局(图5A型)  如果定向风地区有成片的平原，可采用棋盘式佈局，使每个风轮都能承接到较为稳定、均衡的风能。

第二类  挡风墙式佈局(图5B型)  采用多台风轮排成直线的，或某种弧线的长蛇阵般的挡风墙，挡住风的去路，迫使它给出动能。这种风墙般的电场，正面面对风的方向，一方面产生电能，另一方面也产生迫使风所携带沙尘产生沉降的作用。如果这种挡风墙般的风电场，沿由西向东的万里疆土上，每隔一个距离佈设一堵，有阻止沙化向东扩展的作用。如果在东部地区的特大城市的上风面，佈设若干道这种面对来风的挡风墙型风电场，可有效地防止沙尘暴的侵袭和沙化的东渐。

第三类  风洞式佈局(图5 C型)在多山地区选择适当山体，开凿前后贯通的岩洞，其中佈设一套风轮发电机组。山体面对定向风，因而风洞有明显的聚风效果。风洞中的风速往往大于山前的风速，更有利于风轮发电机组的发电功能。本专利申请提出四种风洞的造型，即直筒型风洞、束腰型风洞、前喇叭型风洞和后喇叭型风洞，为实施者提供更多的选择。当今，机械化的隧道凿岩机国内已有能力进行批量生产，为风洞式风电场的建设提供了有效的技术支持。

                                特别提示

①多层式高捕捉率风轮在本专利申请人的前一宗专利申请(申2006 10067799.1)中已经有过详细的介绍。该专利申请是专门为非定向风的风能利用而提出来的。本专利申请为定向风的风能利用再次提出了同一设计原理和基本结构的多层式风轮，清楚地说明了这项风轮的设计，可广泛应用于定向风和非定向风，因此本专利申请人认为这项风轮的设计有能力完全替代目前国内、外通用的各式风轮。

②多层式高捕捉率风轮是本专利申请(以及上述专利申请2006 10067799.1)的创新性设计，根本区别于目前常用的各式设计。因此，在实施时，比之于单纯的采用引进设备，或基于国外技术进行的“国内创造”，肯定会有各种困难和不确定因素。以本专利申请人个人的观察，目前国内标榜“开发风电技术”的单位不少，但是有足够技术力量独立开发创新技术的风电成套设备的单位可谓凤毛麟角。因此，本专利申请人殷切地盼望这项事业有国家的政策扶持，筹组一个强有力的领导班子，组建一个高水平的技术核心队伍，指定主要生产单位，併力攻关，才能尅日奏效。

③本专利的说明书中，关于翼片的介绍只用了短短的一句话，说“有一个固定的倾斜角α……”这并不意味本专利技术将翼片限定于有一个有倾斜角α的平面。翼片的实际型线不可能用一句话来界定，也不可能用一个简单的理论计算来确定。翼片的型线关系到风轮的阻力和风能的有效吸收。当今世界科技界对此类课题都必需采用模型的流体力学测试来求解。本专利技术的实施者应该做的基础性工作之一，就是对各种风轮和各种翼片型线作技术测试和比较。这种测试为争取时间和减低费用计，建议以定性的、或至多是半定量的试验为目标。

④本专利申请的名称虽以“定向风”为前提，但本专利申请人必须申明：“定向风”一词的采用，并不意味着本专利技术只局限于理论上严格的风的“定向性”。在实际上，根本不可能指望有什么绝对的“定向性”，大自然的瞬息变化是万难严格限定的。这里所谓的“定向风”，只是想说明风的走向基本上是稳定的，而不是东、西、南、北任意变迁的。本专利申请提出的多层式高捕捉率风轮单以轴中心线而言是定向的，其轴中心线正对设定的风向。如果在运行中实际风向偏离设定的风向，在一定范围内风轮仍可有效运作。譬如实际风向偏离设定风向±(0～30°)，风轮的出力可能是在90％上下波动。如果偏离±(30°～60°)，风轮出力的波幅可能逐步扩大到50％左右。如果风电场场址地点，风向经常有如此大范围的波动，风轮则应考虑采用非定向风的设计，更为稳妥。实际上在所谓的“定向风区域”，这种经常达到±(30°～60°)的风向波动范围的情况是非常罕见的，并不致于影响定向风风轮的采用。

Claims (4)

1、本专利申请提出了定向风、多层式和高捕捉率三项概念，是本专利申请的核心技术和创新性设备设计的基础。以这三项概念设计的风轮，是本专利申请的基础。

2、本专利申请提出了直接式与高架式两种风轮与发电机的连接方式。

3、本专利申请提出风电场的棋盘式佈局、挡风墙式佈局和风洞式佈局三种定向风风电场的基本佈局。

4、本专利申请提出定向风风电场风洞式佈局的直筒型风洞、束腰式风洞、前喇叭型风洞和后喇叭型风洞四种风洞的基本造型型式。

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