CN102444548A - 风力发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种风力发电设备，包括扩散型的集风罩、至少两级共转轴地设置于所述集风罩内部且直径沿风向依次递增的风轮以及转子由所述风轮带动转动的发电机。本发明采用了扩散型的集风罩及多级直径沿风向依次递增的风轮，克服了传统风力发电设备的风能转换效率不高的技术问题，最大限度地接收了强排风口的风能并最大程度地提高了风能利用效率，转换后的电能可存储和应用，响应了国家节能环保、可持续发展的政策，经济效益可观；进一步地，还设置了配重锤，使得本发明转轴两端重量平衡，运转更平稳，且具有储能作用。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术，尤其涉及一种风能转换效率高的风力发电设备。
背景技术
现有的商场、超市、办公室、宾馆、医院、车站、矿山等地方，以及高温或有异味的工业车间，如化工厂、纺织厂、电子厂、机械厂、服装厂、鞋厂等都设有强排风口，日夜不停地排出很多风，这些风所具有的风能没有利用而白白地浪费掉了。而发明人在实施本发明过程中，发现现有的风力发电设备不能很好地利用上述强排风口的风能，存在风能转换效率低的技术问题。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种风力发电设备，以有效利用强排风口的风能，并提高风能转换效率。
为解决上述技术问题，提供了一种风力发电设备，包括：扩散型的集风罩、至少两级共转轴地设置于所述集风罩内部且直径沿风向依次递增的风轮以及转子由所述风轮带动转动的发电机。
进一步地，所述集风罩由至少两个直径沿风向依次递增的圆环状套筒依次衔接组成。
进一步地，所述风力发电设备还包括设置于所述风轮的转轴末端的配重锤。
进一步地，所述风力发电设备还包括固定于所述集风罩的出风端并位于所述风轮及配重锤外侧的安全网，所述安全网的直径与所述集风罩出风端直径相匹配。
进一步地，所述风力发电设备还包括与所述转轴垂直设置的支撑固定所述风力发电设备的塔架。
进一步地，所述各级风轮对应的风轮叶片数量沿风向依次递增。
进一步地，所述风力发电设备的风轮为三级，第一级风轮叶片为3个，第二级风轮叶片为4个，第三级风轮叶片为6个。
进一步地，所述第一级风轮和第二级风轮之间还设有固定件，所述固定件由套设固定于所述第一级风轮和第二级风轮之间的转轴的轴承座、径向发散地活动连接于所述轴承座的至少三个连杆、设置于所述连杆中段的旋转调心装置及设置于所述连杆末端固定于所述集风罩的铰结构组成。
进一步地，所述集风罩进风端外侧活动连接至少两个支撑架。
上述技术方案至少具有如下有益效果：因为采用了扩散型的集风罩、多级直径沿风向依次递增的风轮，所以克服了传统风力发电设备的风能转换效率不高的技术问题，进而最大程度地提高了风能利用效率，减少了风能浪费。
附图说明
图1是本发明实施例的风力发电设备的结构示意图。
图2是本发明实施例的风力发电设备的斜视图。
图3是本发明实施例的风力发电设备的爆炸图。
具体实施方式
请参考图1-图3，本发明的实施例的风力发电设备包括转轴10、固定于所述转轴上的风轮20、发电机30及设置于所述风轮末端的配重锤40。
所述转轴10水平设置，固定于一套筒11内，所述转轴10与所述套筒11为滚动摩擦，可在所述套筒11内灵活转动。
所述风轮20为至少有两级的共转轴风轮，直径沿风向依次递增地固设于所述转轴10上，与所述转轴10同步转动。所述各级风轮20对应的风轮叶片数量沿风向依次递增。
所述发电机30与所述套筒11固定连接，与所述转轴10通过齿轮或皮带传动，即所述风轮20因风吹旋转时，带动所述转轴10同步转动，并传动给所述发电机30的转子同步转动进而发电。
所述配重锤40设置于所述转轴10的末端。本实施方式中，根据风向来定义始末端。在此，所述转轴10的风吹来的一端定义为所述转轴10的始端，风吹走的一端定义为所述转轴10的末端。所述配重锤40具有一定重量，不仅平衡了所述转轴10对应所述套筒11两侧的重量，而且其转动时的惯性力可以使所述转轴10平稳地转动，也具有储能作用。
所述风力发电设备还包括环绕所述风轮20设置的集风罩50、固定于所述集风罩50出风端的安全网60及支撑固定所述风力发电设备的塔架70。
所述集风罩50为扩散型集风罩，由至少两个直径沿风向依次递增的圆环状套筒51依次衔接组成，方便引导风通过。
所述安全网60固定于所述集风罩50的出风端并位于所述风轮20及配重锤40外侧，且直径与所述集风罩50出风端直径相匹配，有效防止人或动物碰触到高速旋转的风轮20而损伤。
所述塔架70与所述转轴10垂直设置，且与所述套筒11固定连接，用于支撑固定所述风力发电设备。
本发明的另一实施方式中，所述风力发电设备还包括支撑架71。所述支撑架71活动连接于所述集风罩50进风端外侧，所述支撑架71末端可固定于墙面或地面，与所述塔架70配合使所述风力发电设备在高速运转时更加稳固，有效减少震动及噪声。
本发明的又一实施方式中，所述风力发电设备还包括固定件80。所述固定件80设置于所述第一级风轮和第二级风轮之间，所述固定件80由套设固定于所述第一级风轮和第二级风轮之间的转轴10的轴承座81、径向发散地活动连接于所述轴承座81的至少三个连杆82、设置于所述连杆82中段的旋转调心装置83及设置于所述连杆82末端固定于所述集风罩80的铰结构84组成。所述旋转调心装置83内侧设有旋转方向相反的螺纹分别与所述连杆82的两端螺合，拧动可调节所述连杆82的长度。使用时，所述铰结构84与所述集风罩50进风端的内侧壁相适应地铰合固定，调节所述旋转调心装置83使所述连杆82长度变长或缩短，从而使所述轴承座81与所述套筒11相对应，从而使所述转轴10保持水平且位于所述集风罩50内部中心位置，也支撑平衡了所述转轴10对应所述套筒11两侧的重量，所述风轮20旋转时更加平稳且震动噪音减小。
本发明的一较佳实施例中，所述风力发电设备的风轮为三级，设置于所述转轴10始端的第一级风轮的叶片为3个，第二级风轮叶片为4个，第三级风轮叶片为6个，此时的风力发电设备的风能转换效率最高。下面通过实验和理论计算来对比说明风轮级数与风机能量转换效率的关系：
一、实验条件：
1.强排风口的截面的直径为0.8米，即迎风面积为0.5027平方米；
2.出风口风速：最大为25米/秒；最小为18米/秒；取平均风速为21米/秒。
二、实际测量的数据：
1.一台具有扩散型集风罩、串联安装三个风轮的风机，实际测得的总功率为2100瓦；
2.计算该风机的总效率：
1)理论上强排风口的截面处具有的最大功率：
Pmax=1/2*r*V3*A=2463瓦；
2)总效率=2100/2463=85%；
小结：总效率大于经典贝兹极限59.3%，而通常水平风机的最佳效率只有45%左右。由此可见，采用三级串联风轮后，风机的效率增加了40%左右。
3.拆除第二、第三个风轮对风机效率的影响试验结果：
1)完整的、具有三个串联风轮的风机的实测功率为2100瓦；
2)拆除第三个风轮后，实测得风机电压降低30%；
3)同时拆除第三个和第二个风轮后，实测得风机电压降低43%。换言之，增加第二个和第三个风轮使风机电压提高43%；
4)这个结果和上面的计算结果的趋势基本符合。
三、根据广义贝兹极限公式计算具有多级串联风轮的风力发电机的效率：
1)贝兹极限公式：
经典贝兹理论极限eB=59.3%；
广义贝兹理论极限eG=S(1-eB)i-1eB；
其中，i=2时，二级风机效率e2=83.4%；i=3时，三级风机效率e3=93.2%。
2)由上面的广义贝兹理论极限公式可推断出增加了两个风轮后风机的效率是如何变化的。
A.传统的单级风轮风力发电机的理论最大效率是：59.3%。
B.增加一级风轮后, 使风机效率提高24.1%，总效率变成83.4%。
C.增加第三级风轮后,使风机效率提高9.8%，总效率变成93.22%。
3)由此可以看出，具有三级风轮的风机，使总的效率增加了约33%。这个数据和上述实验结果（40%）基本上一致。
综上，本发明采用了扩散型的集风罩及多级直径沿风向依次递增的风轮，克服了传统风力发电设备的风能转换效率不高的技术问题，最大限度地接收了强排风口的风能并最大程度地提高了风能利用效率，转换后的电能可存储和应用，响应了国家节能环保、可持续发展的政策，经济效益可观；进一步地，还设置了配重锤，使得本发明转轴两端重量平衡，运转更平稳，且具有储能作用。
以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种风力发电设备，其特征在于，包括：扩散型的集风罩、至少两级共转轴地设置于所述集风罩内部且直径沿风向依次递增的风轮以及转子由所述风轮带动转动的发电机。
2.如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述集风罩由至少两个直径沿风向依次递增的圆环状套筒依次衔接组成。
3.如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电设备还包括设置于所述风轮的转轴末端的配重锤。
4.如权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电设备还包括固定于所述集风罩的出风端并位于所述风轮及配重锤外侧的安全网，所述安全网的直径与所述集风罩出风端直径相匹配。
5.如权利要求3所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电设备还包括与所述转轴垂直设置的支撑固定所述风力发电设备的塔架。
6.如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述各级风轮对应的风轮叶片数量沿风向依次递增。
7.如权利要求6所述的风力发电设备，其特征在于，所述风力发电设备的风轮为三级，第一级风轮叶片为3个，第二级风轮叶片为4个，第三级风轮叶片为6个。
8.如权利要求7所述的风力发电设备，其特征在于，所述第一级风轮和第二级风轮之间还设有固定件，所述固定件由套设固定于所述第一级风轮和第二级风轮之间的转轴的轴承座、径向发散地活动连接于所述轴承座的至少三个连杆、设置于所述连杆中段的旋转调心装置及设置于所述连杆末端固定于所述集风罩的铰结构组成。
9.如权利要求1所述的风力发电设备，其特征在于，所述集风罩进风端外侧活动连接至少两个支撑架。
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