CN102269127B - 双面多轴式的大功率风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明名称是双面多轴式的高效环保大功率风力发电机组，属于风力发电技术领域，着重解决的问题是提高风能利用率(高效)、增强环保功能和建立大功率风力发电场。这种立式装置有前、后两个工作面，两个工作面之间的中心线上竖向安装多根中心轴，两根相临中心轴之间安装隔离板，两块隔离板之间的前后工作面半面为中空面，半面安装一块折风板，风能利用率可达80％以上，是传统风电装置利用率的十几倍。中空面的外面安装铁丝网，整个装置具有很好的环保功能，在前后工作面的外边安装风向纠正板，叶片表面制成很多的凹面和凸面，可更好的提高风能利用率。可用于建立大功率风力发电场，应用范围非常广泛。

Description

双面多轴式的大功率风力发电机组

技术领域：本发明属于风力发电技术领域。 

背景技术：目前国内所有的风力发电场的风力发电机均采用扇叶式结构，外观如同立式电风扇，扇叶靠风力驱动，这种装置的缺点是：(1)扇叶面积占整个迎风面面积5-10％，即多于90％的风力都漏过去了，扇叶只有三片，扇叶本身靠风力折射产生旋转动力，如扇叶加大则立杆会发生危险，扇叶窄长又不能太厚，扇叶回转时与来风产生的阻力，因而风能利用率非常低，厂家注明的效率系数一般为0.4左右，因此此类风力发电机的迎风面风能利用率仅为2-4％。其他形式的风力发电机扇叶基本暴露在风中，都存在扇叶回转时风的阻力问题，因此风能利用效率很低。(2)立杆很高，小功率风力发电机一般在几十米，大功率风力发电机可达到百米以上，发电机置于立杆顶端，吊装很困难，后继的维护更加不方便，一旦出现故障，维修费用非常高。(3)发电机置于立杆的顶端，重心高，存在安全隐患。(4)扇叶外露，因此发电机只能安装在野外地区，无法在城市中或其他人口居住区安装使用，且环保性能差。(5)扇叶转动速度慢，因此发电电压低，以3千瓦发电机为例，输出电压一般为36伏、48伏，不能直接民用(现民用电压为220伏)。(6)发电机暴露在外，发电机定子易受外部环境影响，高温或高寒的环境下发电机则无法正常工作。(7)由于以上缺点制约，发电机不能做大，单台发电机的功率很小，仅为水力发电机和火力发电机的几十分之一。(8)受发电机外部结构影响，扇叶形状单一，无法获得较高的风能利用率。(9)风力发电机独立安装，被动受风，无法主动获取更多的风能来进行发电。(10)风力发电场规模小，一般在十万千瓦至几十万千瓦，还不如火力和水力发电机单台电机功率大。由于以上诸多缺点，风力发电机整机的制造及安装造价非常高，风电电价高于水力发电及火力发电1.7倍以上，发电场输出电力的总功率较小，又不稳定，因此电力并网成了制约风电发展的瓶颈，电价高则影响到了人民的生活和社会经济的稳定发展。这也是我国及世界上虽然风力资源丰富但风力发电却远远不及其他电能的重要原因之一。 

发明内容：本发明着重解决的问题是大大提高风能利用率(高效)、增强环保功能和建立大功率风力发电场。 

一、风力发电机组可大大提高风能利用率。如图1所示，这是一种立式的双面多轴式的风力发电机组装置。整个装置的上方安装上端盖，上端盖伸出装置前后工作面和左右外端面50cm-100cm。装置下方四边和中间安装多个支撑地脚与地面固定，支撑地脚上安装加强筋。发电机的下方建一个支撑平台。双面是 指装置有前、后两个工作面，两个工作面之间的中心线上竖向安装多根中心轴，中心轴的数量可以从二根到一万根，相邻两根中心轴之间间距相同，每根轴上面可根据需要安装不同数量的叶片，叶片的形状是矩形，叶片均布与中心轴固定。中心轴上端固定在轴承之中，轴承安装在上固定板的上面，中心轴下端与发电机转子相连，发电机固定在下固定板底端，每台发电机的功率都是相同的。两根相临中心轴之间安装隔离板，隔离板与前后工作面固定。两块隔离板之间的前后工作面半面为中空面，半面安装一块折风板，折风板向中空面倾斜，折风板的表面为光滑的平面。下固定板的上面安装一块锥形板，中心为圆孔，中心轴从圆孔通过，圆孔直径大于中心轴直径。如图2所示，前工作面是中空面时，对应的后工作面则安装折风板，前工作面安装折风板，则对应的后工作面是中空面。安装折风板的一边在隔离板和工作面的交汇处安装一块圆弧形折风板，圆弧形折风板与隔离板和工作面内侧固定。叶片的外边与前后工作面、隔离板、圆弧形折风板之间留有一定的间隙，防止叶片旋转时互相发生干涉。如图3所示，在前后工作面的外边安装风向纠正板，风向纠正板水平安装，一边与折风板固定，左右的长度与工作面长度相同，前后宽度为10cm-200cm，每块风向纠正板的间距相同，间距为10cm-100cm，风向纠正板的表面为光滑平面。如图4、5所示，风力发电机的叶片形状为矩形，内边与中心轴固定，每个中心轴上均布安装叶片，叶片数量为4片-9片，每个叶片的表面由许多的凸面和凹面组成，凸面高度和凹面深度为1cm-20cm，凸面和凹面的大小可以是全部相同的，也可以是不相同的，凸面和凹面的排列可以是规则的排列，也可以是不规则排列，叶片的外边安装一块圆弧形挡板，圆弧半径为中心轴中心点至叶片外边的距离，圆弧形挡板的高度与叶片相同，宽度(圆弧弦长)5cm-100cm。这种风力发电机组装置的特点是： 

1.风能利用率高。两块隔离板之间的工作面为一台发电机的工作面，不论风从前面或后面吹入，当风力通过中空面到达叶片表面时，叶片可全部直接利用风力，利用率接近50％，倾斜的折风板可将另半面的风力折向叶片，风力利用率可达到30％以上，同时折风板的作用可消除这半面风力给叶片回转带来的阻力，因此每台发电机工作面的风能利用率可达80％以上，是传统发电装置利用率的十几倍，真正高效。 

2.这种风力发电机组装置使用时，前后方向来风均可发电。 

3.装置采用组装式结构，安装维修方便、快捷。 

4.装置整体结构大小可灵活多变。单台发电机功率小的时侯，叶片的面积减小了，装置外观结构的高度和前后工作面的宽度可减小，反之，单台发电机功率增大，叶片的面积相应加大，则装置外观结构的高度和前后工作面的宽度加大。外观结构的高度可从一米至两百米，前后工作面之间的宽度可从一米 至一百米，工作面的左右长度可从一米至十万米。 

5.叶片数量可灵活多样，单台发电机功率小(一千瓦以下时)，叶片数量最少可以为4片，发电机功率增加时，叶片数量可以最多增加到9片。 

6.装置的下方安装四个或更多的支撑和地脚与地面固定，支撑和下固定板之间安装加强筋，整体结构非常牢固安全。 

7.发电机安装在下固定板上，重心低，消除了安全隐患，发电机下面有支撑平台，可以消除发电机重量对结构的影响，保证发电机整体稳固性。 

8.圆弧形折风板的作用是：当风力吹过叶片后，它可以继续将风力折向，使风力继续吹向叶片，这样叶片在旋转圆周的二分之一范围内，均可受到风力推动，圆弧形折风板延长了风力对叶片的推动行程。 

9.上端盖的作用是遮挡尘土、沙粒、雨雪进入装置内部，对中心轴和叶片以及发电机都起到很好的保护作用。 

10.锥形板的作用是使进入装置内部的尘土、沙粒不堆积，滑落到装置外面，从而在很大程度上消除了电机的故障隐患，延长了电机工作寿命。 

11.发电机安装在结构的底部，发电机本身与支撑地脚之间有较大间隙，因此发电机外面可加装保温层，这样风力发电机在高寒地区应用成为可能。在夏季高温时节，发电机置于结构底部可防止太阳的暴晒，可有效保护定子线圈。 

12.叶片回转半径小，中心轴转速快，可以获得较高的输出电压，使直接民用成为可能。 

13.倾斜式折风板与来风方向的角度为30-60度，最大程度将风力折向叶片，提高发电机风力利用率。 

14.传统的风力发电机由于扇叶外露不安全只能安装在野外无人区，而本发明的结构装置由于其叶片内置不外露，应用地区不受限制，只要有风力条件的地区均可安装，不仅在野外，在人口居住的农村、城市中和道路两旁等均可安装使用。 

15.装置的前后工作面可保证将全部经过的风力均用来进行发电，因此在风力较大的地区，大面积的叶片就可以驱动超大功率的发电机，使建立大型风力发电场成为可能。 

16.风是从高气压的地区吹向低气压的地区，总体来说，风向具有一定的方向性，但是在局部地区，风向是忽上忽下、忽左忽右的，具有不确定性。风向纠正板的作用就是将吹向叶片的方向不确定的风纠正成为方向确定的风，使风力能够基本垂直作用于叶片，达到提高风力利用率的作用。 

17.叶片表面有许多的凸面和凹面，其作用也是为了提高风力利用率。当风力接触叶片表面时，如果表面是平面，则风就在表面四散了，而遇到凹面和凸面时，风四散时就遇到了阻挡，进而折返，折返的风与后面继续吹来的风相遇 会产生二次风压，二次风压对叶片的作用力要大于第一次风对叶片的作用力，叶片外边安装的圆弧形挡板的作用也是为了防止风力扩散。叶片不断受到连续的风压作用力，达到了提高风力利用率的目的。 

二、风力发电机组具有较好的环保功能。 

1.据媒体报道，人们发现传统风电机的地面上有许多被杀死了的鸟类，说明飞鸟有时是避不开外露的旋转的扇叶的，所以有一定的危险性。本发明风力发电机组是一种相对封闭型的结构，叶片全部安装在结构的内部，在所有中空面的外部安装铁丝网，这样就完全可以避免各种鸟类及大型动物进入风力发电机组内部，提高了环保性能。 

2.在城市或乡村等居民区安装，铁丝网可有效保护人类安全。 

3.铁丝网可有效阻止塑料袋、树叶等垃圾物品进入风力发电机组内部，保证中心轴和叶片正常工作。 

4.传统风电机扇叶外露视觉效果很差，晃来晃去，不能在城市等居民区应用，新型风力发电机组叶片内置，消除了这种可以说是一种视觉干扰的缺陷。 

5.发电机底部建支撑平台，使发电机更加稳固，有效消除了噪音。 

6.在草原上安装应用，风力发电机组能起到防护林的作用，可以有效减弱风势，能降低沙尘暴的生成，帮助保护环境，有助于牧草生长。 

7.不占用公共空间，包括人类空间和植物空间。风力发电机组可以在任何地方安装，房前屋后、楼房之间、楼房顶、绿地上方、道路两旁等等，即使与树木并排安装也不会妨碍树木生长。 

三、可建立大功率风力发电场。传统风力发电机受结构限制，单台功率很小，目前世界上最大的单台功率为5000千瓦，而我国为2500千瓦。每个风力发电场的总功率一般在几十万千瓦左右，尚不及火力发电和水力发电的单台发电机功率，但风力发电场的造价却远高于火力发电和水力发电。 

下面简单的进行一下数据对比：以现在常用的1.5MW(即1500kw)风电机为例，基本参数为： 

塔高：80米，叶片旋转直径77米，额定扭矩8208Nm，额定风速12m/s； 

即风力发电机工作范围是77*118.5米。 

新型风力发电机组只计算一根中心轴驱动一台发电机。以工作范围是70*100米为例，以风速v＝12m/s计算，风力吹到叶片上的风压为：q＝v²/1600＝12²÷1600＝0.09KN/m²＝90N/m²； 

叶片宽度1＝35m；高度h＝100m； 

中空面叶片受到风压后对中心轴产生的扭矩为： 

$M_1={\∫}_0^{100}\frac{1}{2}{\mathrm{ql}}^2\mathrm{dh}=\frac{1}{2}\×90\×{35}^2\×100=5512500\mathrm{Nm};$

折风板将风力折向叶片后产生的扭矩按0.7系数计算， 

M₂＝5512500×0.7＝3858750Nm； 

总扭矩：M＝M₁+M₂＝5512500+3858750＝9371250Nm； 

扭矩是1.5MW风力发电机的：9371250÷8208＝1142倍； 

那么它可以驱动的发电机功率是：1142×1500＝1712582kw； 

即：171万千瓦； 

所以新型风力发电机组可驱动大功率的发电机。 

下面再反推一下新型风电机驱动1.5MW电机的工作面大小： 

假定叶片宽3米，M＝M₁+M₂＝8208Nm； 

M₂＝0.7M₁＝283.5h； 

M₁+M₂＝688.5h＝8208；则：h＝11.9m； 

每个工作面：6*12米即可，相比传统风力发电机工作面77*118米，优劣立分。因此，应用新型风力发电机组可建立大功率风力发电场，造价将大大降低。 

附图说明：图1为风力发电机组正面视图，以4根中心轴驱动4台发电机为例，1是上端盖，覆盖整个装置的上方，伸出装置前后工作面和左右外端面50cm-100cm；2是折风板；3是装置下方左右两边的支撑地脚和加强筋；4是发电机；5是支撑平台；6是锥形板；7是中空面，中空面的外边安装铁丝网；8是叶片；9是装置下方中间的支撑地脚和加强筋；10是地面；11是下固定板；12是装置左右外端面；13是上固定板；14是中心轴；15是轴承。图2为风力发电机组俯视剖面图，以安装4根中心轴为例，1是后工作面；2是后工作面上的折风板；3是隔离板；4是圆弧形折风板；5是前工作面上的折风板；6是前工作面；7是叶片，以每根中心轴上安装4片为例；8是中心轴。图3为风力发电机组左侧视图，1是上端盖；2是后工作面上的折风板；3是后工作面上的风向纠正板；4是后工作面；5是装置下方前后两边的支撑地脚和加强筋；6是支撑平台；7是发电机；8是地面；9是前工作面；10是前工作面上的风向纠正板；11是前工作面上的折风板。图4为风力发电机组中心轴与叶片的安装示意图，1是中心轴；2是叶片；3是叶片外边的圆弧形挡板。图5为风力发电机组中心轴与叶片的安装俯视示意图，以中心轴上安装4片为例，1是中心轴；2是叶片表面的凸面；3是叶片表面的凹面；4是叶片表面；5是叶片外边的圆弧形挡板。 

具体实施方式：

在风力条件达到风力发电要求的地区均可安装使用，(1)安装在居民区房前屋后、屋顶楼顶上、两楼之间，发出的电力可用于家用电器、照明；(2)安装在公共场所，如公园、学校、企事业单位、道路两旁，发出的电力可用于各种公用电器、设施用电；(3)建立风力发电场，如在海上或海岸线上，在草原地区，在平原地区，在迎风的山坡上，在山顶上，在两山之间的峡谷中，在河流两岸，在高速路和铁路两边，在海岛上，发出的电力并入电网使用。(4)安装在科研院所用于科研使用，安装在极地用于考察研究，安装在边防哨所解决无法使用其他电能的问题。 

Claims (1)

1.双面多轴式的大功率风力发电机组，其特征是：这是一种立式的双面多轴式的风力发电机组装置，该装置整体结构大小可灵活多变，单台发电机功率小的时侯，叶片的面积减小了，该装置外观结构的高度和前后工作面的宽度可减小，反之，单台发电机功率增大，叶片的面积相应加大，则该装置外观结构的高度和前后工作面的宽度加大，该装置外观结构的高度范围为一米至两百米，前后工作面之间的宽度范围为一米至一百米，工作面的左右长度范围为一米至十万米，整个装置的上方安装上端盖，上端盖伸出装置前后工作面和左右外端面50cm-100cm，装置下方四边和中间安装多个支撑地脚与地面固定，支撑地脚上安装加强筋，发电机的下方建一个支撑平台，双面是指该装置有前、后两个工作面，两个工作面之间的中心线上竖向安装多根中心轴，中心轴的数量为二根到一万根，相邻两根中心轴之间间距相同，中心轴的上端固定在轴承中，轴承安装在上固定板的上面，中心轴下端与发电机转子相连，发电机固定在下固定板底端，每台发电机的功率都是相同的，两根相临中心轴之间安装隔离板，隔离板与前后工作面固定，两块隔离板之间的前后工作面半面为中空面，半面安装一块折风板，折风板向中空面倾斜，折风板与来风方向的角度为30-60度，折风板的表面为光滑的平面，前后工作面上的中空面和折风板的数量与中心轴数量相同，下固定板的上面安装一块锥形板，中心为圆孔，中心轴从圆孔通过，圆孔直径大于中心轴直径0.5cm-1cm，前工作面半面是中空面时，对应的后工作面半面则安装折风板，前工作面半面安装折风板，则对应的后工作面半面是中空面，在所有中空面的外部安装铁丝网，安装折风板的一边在隔离板和工作面的交汇处安装一块圆弧形折风板，圆弧形折风板与隔离板和工作面内侧固定，圆弧半径为中心轴中心点至工作面内侧的距离，风向纠正板安装在前后工作面的外边，风向纠正板水平安装，一边与折风板固定，左右的长度与工作面左右长度相同，前后宽度为10cm-200cm，每块风向纠正板的间距相同，间距为10cm-100cm，风向纠正板的表面为光滑平面，叶片的形状为矩形，内边与中心轴固定，每个中心轴上均布安装叶片，叶片数量为4、5、6、7、8或9片，每个叶片的表面由许多的凸面和凹面组成，凸面高度和凹面深度为1cm-20cm，凸面和凹面的大小是全部相同的，凸面和凹面的排列是规则的排列，叶片的外边安装一块圆弧形挡板，圆弧半径为中心轴中心点至叶片外边的距离，圆弧形挡板的高度与叶片相同，圆弧弦长5cm-100cm，圆弧形挡板的外边与前后工作面、隔离板、圆弧形折风板之间留有1cm-5cm的间隙，防止叶片旋转时互相发生干涉。

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