CN101876295A - 哑铃式风洞增压风能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风能发电系统，尤其是采用哑铃状集风式风洞，通过口径变化对自然风进行收缩加压，具有提高风速、控制气流、增强风压，利用采能叶轮获得大规模风能的风力发电装置。本发明选择适宜的风电场，在迎风方向建造哑铃状风洞，经过稳定段、收缩段，过渡到采能段，后端设置尾流段、出口段。在采能段安装可调谐风轮，驱动发电机组，获得电能。本发明配置测速调速装置、安全装置、减压装置、防冻防雪防雷装置。

Description

哑铃式风洞增压风能发电系统

[所属技术领域]

本发明涉及一种风能发电系统，尤其是采用哑铃状集风式风洞，具有提高风速、控制气流、增强风压，利用采能叶轮获得大规模风能的风力发电装置。

[背景技术]

能源是人类生存发展的重要基础资料。近百年来，随着人类生活需求的不断提高和生产规模的扩大，对能源的需求也越来越殷切。进入二十一世纪，能源危机正在日益制约社会经济活动，传统使用的化石能源日益匮乏，价格不断攀升，成为引起世界经济动荡和影响和平的重要因素。而且，化石能源的大量使用，Co₂、So₂等温室气体大量排放，导致气候变暖，生态变迁，危及人类生存环境。

为了解决日益严重的能源危机，缓解由于大量使用化石能源带来的环境污染，长期以来，世界各国纷纷投入巨资寻找开发可再生能源。目前列入重点研究开发的清洁能源有水能、风能、太阳能、潮汐能、生物质能等。

风能的开发利用已有很长的历史。近年来，风力发电作为可再生的清洁能源受到世界各国政府、能源界和环保界的高度重视。地球上风力资源蕴藏量大，清洁无污染，施工周期短，投资灵活，占地少，具有较好的经济效益和社会效益。

风能利用在一些欧洲国家已初具规模，欧洲风力发电设备生产也已进入快速增长时期。德国是发展和利用风能较早的国家，自上世纪90年代以来，德国总共建立了6600座风力电站。德国政府计划，今后每年都将以30％的速度增长，每年增长的风力发电量超过100万千瓦。丹麦靠近北海，是多风之国，也是最早发展风力发电站的国家。20多年来，丹麦在利用风能方面一直处于领先地位。20世纪90年代以来，特别是近10年，丹麦风力发电量的增长率均在30％以上。除德国和丹麦外，荷兰、瑞典、法国、挪威、芬兰、意大利和西班牙等国家也出台了5年、10年风力发电普及计划。

我国风能资源丰富。据中国气象科学研究院的初步测算，我国陆地10米高度处实际可开发风能储量为2.53亿千瓦，海上实际可开发风能储量为7.5亿千瓦，总计约10亿千瓦，风能利用潜力巨大。中国风能资源丰富的地区主要在华北、西北和东北的草原、新疆、内蒙和甘肃走廊、青藏高原以及东部、东南部的沿海地带及附近岛屿上。且风能资源丰富区每年风速在3m/s以上的时间近4000小时，一些地区年平均风速可达7m/s以上，具有很大的开发利用价值。风电项目通常要求年利用小时数高过2000小时，目前中国已经建成的风电场平均利用小时约2300小时，主要位于“三北”地区(西北、东北和华北)及东南沿海。我国并网风电建设规模较大的省份为：新疆、内蒙古、河北、广东、辽宁、浙江、江苏、宁夏、甘肃、福建等。

目前风力发电的普遍方式是采用架空式三叶风轮。轮轴通过变速装置驱动发电机。单机发电功率普遍为2MW以下。国际上最大的海上风力发电机为5MW。

本发明采用风洞增压原理，使自然界气流在风洞结构装置中加压，聚集能量，经适当导流后到达采能风轮，获得大规模电能。

本发明采用的哑铃状风洞，通过设置渐开形的尾流段，扩大尾流空间，使尾流区的流场条件处于比来风段低的气压状态，减少湍流干扰，有利于降低风洞内高压气流出口的气体壅塞。对提高风洞内气体通量起到重要作用。

[发明内容]

本发明内容有风洞装置、采能叶轮、测速和调速装置、动力输出装置和安全减灾装置构成，按以下步骤说明：

1.风洞装置

(1)风洞外形：本装置外形为哑铃状对称的喇叭形风洞结构。顺置地面。入风口朝向来风方向。入风口为喇叭大头端(入口端)，出风口为倒置喇叭端(出口端)。风洞总长度约为入风口周长的0.25-5倍。

(2)风洞分段：全程分为入口段、稳定段、收缩段、采能段、尾流段、出口段。

入口段为圆形、方形或其它依地形而建造的形状，面积按照拟发电规模需求折算而得(参考公式：S＝0.495W·L，式中：S为入风口面积M²，W为拟发电规模kw，L为当地风能单位面积蕴藏量kw/M²)。长度为总体长度的1/10。轻微收缩；

稳定段的外形为入口段向圆形的过渡。长度为总体长度的1/10。收缩比(入口段与该段出口的面积比)为10∶7，收缩角(入口面垂线与该段联线的外夹角)为15°。此段安装安全防护网、防冻防雪装置；

收缩段的外形为圆锥形。长度为总体长度的3/10。收缩比为5∶1，收缩角为45°。此段安装减压口、导流装置；

采能段的外形为圆筒形。长度为总体长度的1/10。此段安装风轮、轮轴和动能输出装置。

尾流段为和入口段对称的导致喇叭形圆筒，长度为总体的3/10。

出口段的外形为圆筒形。长度为总体长度的1/10。此段不安装器械。

(3)材质：风洞装置采用钢筋混凝土、钢材或其他材料。可以按照不同分段的风压选取不同材料构建。原则上应采用坚固、耐用、经济的材料。

(4)导流装置：为更好地控制气流，减少湍流紊流，风洞装置内需要安装导流装置。该装置由导流板、导流槽或导流管构成，材质为钢材或其他硬质材料。

(5)风压调节装置：为更好地获得稳定的风能，避免灾害气候对系统设备的损害，风洞装置需要安装风压调节装置，通过改变气道大小控制气流流量。该设备为多层网栅结构，横向或竖向为具有一定宽度的板形材料，通过调节重叠面控制气流量。

(6)移动装置：为更好地适应风电场的有所变化的风向，最大限度地采集风能，风洞装置需要安装方向移动设备。该移动设备保证风洞以采能段为轴心，入风口作小幅度(＜90°)的绕轴移动。应在风洞下构建坚固的基础，安装移动动力装置。

2.采能叶轮

叶轮由轮轴、轮毂、辐条、内外双轮环、叶片、攻角调节装置、制动装置等组成；

(1)轮轴：为轮毂支持部分。钢材或其他高强度材质构造。横置在风轮支架上。安装有动力输出齿轮；

(2)轮毂：为叶轮支持部分，前后两组按轮轴径向排列。钢材或其他高强度材质构造。环形结构，内侧与轮轴啮合。可以调节后轮毂与轮轴的啮合角度。外侧连接辐条；

(3)辐条：为叶片支持部分，前后两组按轮轴径向排列。钢材、碳钢或其他高强度材质构造。内端连接轮毂，外端连接轮环。数量满足构建密集风障需要，放射状均匀排列；

(4)内外双轮环：轮环是叶轮的外周支持和轮毂固定装置，前后两组按轮轴径向排列。钢材、碳钢或其他高强度材质构造；

(5)叶片：为内凹形抛物面结构，高度略低于轮环半径，前后长度以5～20米为宜，应在轴线上充分覆盖后片叶轮。叶片前缘由前辐条固定，后缘开槽，连接后辐条。后辐条可以沿槽前后滑动，以改变叶片攻角。叶片沿气流方向设置导流槽，深5～10厘米；

(6)攻角调节装置：是调节叶片迎风面角度的装置，风电机组可以通过调节来风攻角获得相对稳定的风能。攻角调节装置通过调节后轮毂在轮轴上的位置实现。在前轮毂位置不变的情况下，后轮毂的相对径向位置改变，叶片的迎风角就发生改变；

(7)制动装置：叶轮需要制动装置，以便随时需要停止叶轮转动。叶轮制动装置采用卸载后轮毂载荷、在轮轴上安装制动刹，或在轮环上装备制动刹实现。

3.测速和调速装置：风电机组要保持相对恒定的输出扭力和转速，就需要安装测速和调速装置。测速装置安装在叶轮或轮轴上，测定叶轮或轮轴转速，当转速高于设定值时，调速装置通过调节轮毂啮合角度减小叶片攻角。当转速低于设定值时，调速装置通过调节轮毂啮合角度增大叶片攻角。

4.动力输出装置：为动力输出齿轮，安装在轮轴上，位于叶轮后方。连接变速装置和发电机组。

5.安全减灾装置

(1)安全网：为钢材或其他材料制成的防护网，位于风洞的适当位置。防止人、动物或其他物体被高速气流卷进风洞，伤及生命和叶轮设施；

(2)减压装置：为适应极端气候条件，避免在飓风吹袭下损坏风洞和风轮等设施，需要在风洞上设置减压口。减压口设置在收缩段。为混凝土结构或钢结构。每个减压口大小约5～10平米。减压口设有风压自动测量系统，当局部风压超过设定量值时，减压口可以自动开启，开启程度大小根据风压调节。

(3)防雪防冻装置：为电加热网，布置在安全网后方和叶片上。

(4)避雷装置：安装在风洞上方。

[有益效果]

本发明所提供的风能发电系统具有以下应用效果：

1.提供大规模能源。本发明可以大量聚集自然界风能，形成大功率发电，为人们生产生活提供大量电能，缓解目前地球上日益严重的能源危机；

2.清洁环保。本发明的风能发电系统是完全的环境友好能源，不会给环境带来任何的污染；

3.投资省。依据本发明建造的风能发电机组投资省，每千瓦装机投资额远低于现行的火电、核电、水电、太阳能发电和风电等。

[实施例]

1.选择风电场

本发明理想的风电场选址应是场地开阔、风力均匀、常年主导风向比较稳定的区域。

2.建造风洞

(1)钢筋混凝土结构。

(2)尺寸：

总长度400米；

入口段(正方形)边长200米，长度40米；

稳定段(渐圆形)半径：94米，长度40米；

收缩段(圆形)半径：36米，长度120米；

采能段(圆形)半径：36米，长度40米；

尾流段(圆形)：渐开形喇叭状，长度120米；

出口段(圆形)：长度40米；

风压测量装置：

数量：10台；

位置：安装在入口段、稳定段、收缩段、采能段；

(3)导流管

尺寸：3×3×10米；

材质：不锈钢板；

数量：4个；

位置：安装在收缩段出口、采能段入口部分；

(4)减压口：

尺寸：3×3米；

位置：安装在风洞的收缩段上方，均匀排列；

数量：10个；

(6)安全网：

为4毫米钢筋网；

安装在收缩段前端；

(7)风压调节装置：

面积为50×50米。为5层横向板栅。共四组。

(8)防冻防雪网：

为电热网；

安装在安全网后；

(9)避雷装置：

安装在风洞上方；

3.建造、安装风轮：

(1)轮轴基座：

高度：100米；

材质：钢筋混凝土；

(2)轮轴：

尺寸：直径3米，长度15米；

材质：钢材；

(3)轮毂：

尺寸：厚度50cm，宽度30cm；

材质：铸钢；

(4)轮环：

尺寸：半径35.5米，前后轮距5米；

后轮可调角度：10°；

材质：不锈钢；

(5)辐条

数量：40；

材质：碳钢；

(6)叶片

尺寸：高度33米，前后长度8米；

数量：40；

材质：碳钢板；

(7)风轮测速装置：

为光电结构测速装置，安装在轮环上；

4.动力输出装置

动力输出齿轮，固定安装在轮轴上，连接变速齿轮；

5.发电机组

功率：500MW。

[附图简要说明]

图1是效果图，图2是正视图，图3是风洞左视图，图4是剖视图。

Claims (10)

1.一种风力发电系统，其特征在于：将哑铃式风洞装置的一端朝向来风方向。在采能段安装叶轮。叶轮的转动轴驱动发电机组。

2.权利要求1中的哑铃式风洞装置，是指进风段口径逐渐收缩的敞口构件，中间部分为收缩为狭窄的管状结构，尾流段为和进风段对称的敞口构件。

3.权利要求2中的哑铃式风洞装置，是由钢筋混凝土、钢材、塑料、木材或其他材料构成，形状是方形、圆形、扁形或其它形状，可以根据来风方向移动朝向。

4.权利要求2中的哑铃式风洞装置，可以是任意收缩比和收缩方式。人为分为入口段、稳定段、收缩段、采能段、尾流段、出口段。

5.权利要求2中的敞口构件上，安装一定数量的减压口。减压口可以人为控制或根据内部风压自动开启。

6.权利要求1中的风洞装置，内部安装导流系统，是导流片、导流管、导流槽或其他形式的气体导流装置。用以调节气流方向。

7.权利要求1中的风洞装置，内部安装气道调节装置，调节气道大小。

8.权利要求1中的风洞装置，内部安装安全网、防冻防雪网、避雷装置。

9.权利要求1中的叶轮，是指朝向来风方向、吸收风压、获得风能的装置。由若干叶片组成。

10.权利要求9中的叶片，是由钢材、塑料、尼龙、碳钢或其他材料构成。可以人为调节或根据风压自动变动迎风倾角。

Images