CN103122830B - 涡轮式聚风发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮式聚风发电系统，它包括集风筒和基座，集风筒呈竖向罩于基座上方，集风筒上端有集风头。其特点是所述集风筒内基座上端面有圆形凹槽，圆形凹槽上有支撑轴，支撑轴上套有轮筒，轮筒的外表面沿周向均布有涡轮叶片，轮筒与支撑轴间呈可转动状配合。所述轮筒的下端固定有涡齿盘，涡齿盘锯齿下方对应的圆形凹槽壁或圆形凹槽壁和集风筒壁的同一水平面上均布有径向的转轴，转轴的一端均固定有锥齿轮，该锥齿轮与涡齿盘啮合在一起，转轴的另一端均连接有发电机。集风筒内在轮筒的上方设置有导风罩，该导风罩为圆锥形，其下端与所述支撑轴的顶端间呈固定连接，且导风罩下端的外径与轮筒的外径相等。采用这种发电系统，能够提高风能的利用率，结构稳定性高，系统能够连续不间断运转，而且不需另外设置降温设备，可降低成本。

Description

涡轮式聚风发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统。具体说，是具有对气体进行聚集、收储、增速、转换功能的大功率涡轮式风力发电系统。

背景技术

众所周知，为减少对自然资源的过度开发、利用，目前世界各国都比较重视利用风力来进行发电。传统风力发电系统的发电机都是利用空气在大尺度范围内不同地点之间压强差形成的势能引起的宏观流动进行发电，这种方式对于风能的应用几乎已经达到极限，而对于空气本身所携带的静压力势能则无法被利用。为了提升这类风力发电机的功率，就只能一味增加扫风面积，结果是必须配备巨大的风叶，从而导致风力发电机的体形巨大。目前最大的风力发电机的单机功率不超过7兆瓦，但其直径已经超过120米，不仅制造、安装、维护起来比较麻烦，而且制造成本较高。另外如在1平方公里的土地上布场建站，风塔竖直高度120米范围内以平均风速7米每秒的风来说，携带的动能约有20兆瓦，按照通常布局，在这样的面积内也就能布置9-12台兆瓦级水平轴风力发电机，且单机的风能利用率不到5%，在7米每秒的风速下每台机的发电功率不会超过1兆瓦，在这个范围内由于风机对风的影响，总发电量不会超过9兆瓦，对风的动能利用率较小。

为解决以上问题，中国201210282851.0号专利公开了一种自启动式狭管聚风风力发电系统，该系统利用一端到另一端口径由大逐渐变小的管道来进行聚风，将自然风的风速提高了10倍以上后送给风力发电机，充分利用空气中蕴含的巨大静压力势能，使得与相同进风口面积的传统风力发电机相比，风的动能提高到100倍，相当于将单机的风能利用率提高到了500%。但这种风力发电系统仍存在以下问题：一是为保证进风口与风向的一致，聚风管道的进风口到风力发电机的进风口之间需要设置多个弯头，使得风能经多次转向后损耗较大，难以对其充分利用；二是为了适应聚风管道出口较小的需要，风力发电机的叶片也较小，而叶片一小，其力臂就短，并且往往在管道中心风速虽然最高，却由于力臂极短而无法产生力矩，因此，这种发电系统的力矩仍旧较小，中心处的风几乎不产生作用，在管道横截面内能够利用的风的动能不足50%；三是由于上述风力发电系统所用聚风管道自进风口一端到出风口一端由大到小逐渐变小，体积大、重量较重、不仅不易制造、不易运输、不易施工，而且设置时呈上大下小的状态，结构稳定性较低；四是对发电系统进行保养或出现故障需要维修时，必须停止整个系统的运转才能完成，不但浪费了资源，而且系统无法实现连续运转。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种涡轮式聚风发电系统，采用这种发电系统，能够提高风能的利用率，结构稳定性高，系统能够连续不间断运转，而且不需另外设置降温设备，可降低成本。

为解决上述问题，采取以下方案：

本发明的涡轮式聚风发电系统包括集风筒和基座，集风筒的内径大于基座上端的外径，集风筒呈竖向罩于基座上方，且集风筒与基座间呈同心固定配合。所述集风筒上端有集风头，该集风头为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒上端间呈可旋转状活动配合。其特点是所述集风筒内基座上端面有圆形凹槽，圆形凹槽的中心位置处有支撑轴，该支撑轴上套有轮筒，轮筒的外表面沿周向均布有涡轮叶片，轮筒与支撑轴间呈可转动状配合。所述轮筒的下端固定有涡齿盘，涡齿盘的锯齿呈向下布置，涡齿盘锯齿下方对应的圆形凹槽槽壁或圆形凹槽槽壁和集风筒筒壁的同一水平面上均布有径向的转轴，转轴的一端均固定有锥齿轮，该锥齿轮与所述涡齿盘啮合在一起，转轴的另一端均连接有发电机。所述集风筒内在轮筒的上方设置有导风罩，该导风罩为圆锥形，其下端与所述支撑轴的顶端间呈固定连接，且导风罩下端的外径与所述轮筒的外径相等。

本发明的进一步改进方案是所述轮筒的外表面轴向有不少于两组涡轮叶片，每组涡轮叶片均沿轮筒外表面周向均匀布置，且涡轮叶片的倾斜方向均相同。相邻的两组涡轮叶片之间对应的集风筒内壁上固定有沿周向均布的第一导流板，第一导流板的倾斜方向与涡轮叶片的倾斜方向相反。即在轮筒的外表面轴向采用多级涡轮叶片串联，并在相邻的上下级涡轮叶片之间设置第一导流板来调整气流方向，使得气流与多级涡轮叶片撞击后才能排出，从而对风能进行充分的利用。

本发明的进一步改进方案是所述导风罩的底部连接有短直筒，短直筒的外壁上沿周向均布有第二导流板。这样，可以在气流冲击涡轮叶片前，利用第二导流板对其进行规整，避免乱流和涡流的出现，使气流沿着第二导流板的表面冲击涡轮叶片，从而减少风能的损耗。

本发明的跟进一步改进方案是所述轮筒下方的基座外表面与集风筒内壁间均布有径向的整流板，整流板均呈竖向布置。该整流板能够将经过涡轮叶片的气流进行规整后排出，可避免集风筒下部产生乱流、涡流，而影响气流的整体流动性。

采取上述方案，具有以下优点：

本发明的涡轮式聚风发电系统采用在集风筒内设置锥形导风罩的方式来实现聚风、增速的功能，无需设置多个弯头，与狭管聚风相比，可减少风能在管道内的损耗；与此同时，自然风经过集风头进入集风筒后，能够通过锥形的导风罩将其分流到集风筒内壁附近，并直接作用在涡轮叶片上，避免了叶轮中心的风力无法产生力矩的情况，使其最大限度的转化为机械能，使得风能得到充分的利用，其管道横截面内能够对涡轮叶片产生作用的风的动能可达到50%以上。采用集风筒内设置锥形导风罩来代替现有的狭管，在缩小管道体积和重量的同时，可避免头重脚轻的问题，具有较高的结构稳定性。另外，由于本发明的涡轮式聚风发电系统利用涡齿盘和锥齿轮将机械能传递给了多个发电机，当对发电机进行维修、保养时，可以将发电机与转轴脱离后进行，而不会影响系统和其他发电机的运转，使得系统具有连续不间断的运转特性。

附图说明

图1是本发明的涡轮式聚风发电系统的结构示意图；

图2是图1中圆圈部分的局部放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1和图2所示，本发明的涡轮式聚风发电系统包括集风筒2和基座11，集风筒2为直筒状，基座11的上端为柱状，集风筒2的内径大于基座11上端的外径，集风筒2呈竖向罩于基座11上方，且集风筒2与基座11间呈同心固定配合。这种固定配合可以是本实施例中的集风筒2的底部和基座11的底部间通过支柱12连接，也可以是利用支柱将集风筒2固定在地面上，并将基座11也固定在地面上，使得集风筒2和基座11呈相对固定配合，并保证集风筒2和基座11同心。所述集风筒2上端有集风头1，该集风头1为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒2上端间呈可旋转状活动配合。所述集风筒2内基座11上端面有圆形凹槽，圆形凹槽的中心位置处有支撑轴18，该支撑轴18上套有轮筒6，轮筒6和支撑轴18间通过轴承15固定，使得轮筒6能够以支撑轴18为中心转动，轮筒6的外表面沿周向均布有涡轮叶片6，涡轮叶片16的倾斜方向均相同。所述轮筒6的下端固定有涡齿盘7，涡齿盘7的锯齿呈向下布置，涡齿盘7锯齿下方对应的圆形凹槽槽壁和集风筒2筒壁的同一水平面上均布有径向的转轴8，转轴8与圆形凹槽槽壁、集风筒2筒壁间均呈可旋转状配合，转轴8的一端均固定有锥齿轮10，该锥齿轮10与所述涡齿盘7啮合在一起，转轴8的另一端均伸出在集风筒2外，且与发电机9的输入轴呈固定连接。为防止外界阳光、雨水或气流对发电机9的侵蚀，本实施例在发电机9外设置了机房14对其进行保护。当然，也可以缩短转轴8的长度，使其仅分布在涡齿盘7锯齿下方对应的圆形凹槽槽壁四周，并将转轴8的一端与发电机9的输入轴相连，即将发电机9设置在基座11和集风筒2的内壁之间，这样就无需再发电机9外设置机房14了。所述集风筒2内在轮筒6的上方设置有导风罩3，该导风罩3为圆锥形，其尖锥部位于上方，导风罩3的下端与所述支撑轴18的顶端间呈固定连接，且导风罩3下端的外径与所述轮筒6的外径相等。

为了更好的对风能进行充分利用，在所述轮筒6的外表面上可沿轴向设置多组涡轮叶片16，每组涡轮叶片16均沿轮筒6外表面周向均匀布置，且涡轮叶片16的倾斜方向均相同。相邻的两组涡轮叶片16之间对应的集风筒2内壁上固定有沿周向均布的第一导流板17，第一导流板17的倾斜方向与涡轮叶片16的倾斜方向相反。本实施例中，在轮筒6的四周外表面轴向设置有两级涡轮叶片16串联，并在上下级涡轮叶片16之间的集风筒2内壁上设置第一导流板17来调整气流方向，经检测，这种组合方式，对应两级涡轮叶片所在的管道横截面，能够对涡轮叶片产生作用的风的动能总和在65%以上，若采用更多级的涡轮叶片16和第一导流板17组合的方式，其风能利用率将更高。

在气流进入集风筒2并经过导风罩3分流后，可能会出现乱流、涡流，如直接冲击涡轮叶片，不仅会损耗风能，而且会造成涡轮叶片16受力不均而易损坏。因此，本实施例在所述导风罩3的底部还连接有短直筒4，该短直筒4与导风罩3可以是一体结构。所述短直筒4的外壁上沿周向均布有第二导流板5，第二导流板5的倾斜方向与涡轮叶片16的倾斜方向相反。这样，可以在气流冲击涡轮叶片16前，利用第二导流板5对其进行规整，避免乱流和涡流的出现。

另外，当气流经过全部涡轮叶片16后，在从集风筒2底部排出前，也可能会出现乱流、涡流的现象，从而影响气流在集风筒2内的整体流动性。因此，本实施例在轮筒6下方的基座11外表面与集风筒2内壁间还连接有径向的整流板13，整流板13均呈竖向布置，且沿周向均匀分布。该整流板13能够将经过涡轮叶片16的气流进行规整后排出，从而避免集风筒2下部产生乱流、涡流。

本发明的涡轮式聚风发电系统，可根据风向旋转定位集风头1，使得水平360°任意方向的风都能顺畅地进入集风筒2内。由于在低速下空气具有不可压缩性，使得后续不断进入的空气在集风筒2内持续挤压不断推进，再经设置在集风筒2内的锥形导风罩3时，与集风筒2的直立管筒产生内变径，形成特有的环形狭管效应，提升风速，使得气流成喷射状作环向运动，再经过设置在锥形导风罩3下方的第二导流板5对气流进行定向导流，消除涡流、乱流之后的气流冲击在上级的涡轮叶片16上，强大的风能促使上级的涡轮叶片16带动轮筒6转动。与此同时，做功后的尾流再通过第一导流板17的实时定向导流，又一次冲击在下级的涡轮叶片16上，由于所有涡轮叶片16的倾斜方向都相同，因此，下级的涡轮叶片16也会带动轮筒6同向转动，从而可提高轮筒6的转动速度。轮筒6的转动通过设置其下的涡齿盘7带动多组锥齿轮10旋转，锥齿轮10再带动与其相连的发电机9运转，将机械能转换成电能输出。第二次做功后的尾流通过设置在下方的整流板13消除乱流、涡流，避免对集风筒2内气流整体流动性的影响，最后剩余较少能量的风通过排风口回归大自然。

本发明的涡轮式聚风发电系统可以在外形尺寸不变的情况下，根据不同的使用场合，来确定轮筒6直径和涡轮叶片16长度的配比，设计制造出十兆瓦、几十兆瓦以上的大型风力发电机，从而实现发电功率的要求，极大地省去了占地面积，减少输电电缆，建站容易。以背景技术中所述的1平方公里面积为例，采用本发明的涡轮式聚风发电系统建站时，可以布置80台以上，在7米/秒风速时，经检测，其增速效果可达到8~12倍，同样以10倍计算，自然风的动能提高到100倍，并且在风的动能利用率65%的情况下，相当于将单机的风能利用率提高到650%以上，每台发电功率在30兆瓦左右，也就是总共有2400兆瓦的发电量，是通常风力发电站总功率的240多倍。充分利用空气中蕴含的巨大静压力势能，使得与相同进风口面积的传统风力发电机相比，发电功率可提高到240倍以上，正是依靠提取那极其巨大的静压力势能来完成的。

Claims (4)

1.涡轮式聚风发电系统，包括集风筒（2）和基座（11），集风筒（2）的内径大于基座（11）上端的外径，集风筒（2）呈竖向罩于基座（11）上方，且集风筒（2）与基座（11）间呈同心固定配合；所述集风筒（2）上端有集风头（1），该集风头（1）为弯头，其两端的轴向中心线相垂直，其一端与集风筒（2）上端间呈可旋转状活动配合；其特征在于所述集风筒（2）内基座（11）上端面有圆形凹槽，圆形凹槽的中心位置处有支撑轴（18），该支撑轴（18）上套有轮筒（6），轮筒（6）的外表面沿周向均布有涡轮叶片（16），轮筒（6）与支撑轴（18）间呈可转动状配合；所述轮筒（6）的下端固定有涡齿盘（7），涡齿盘（7）的锯齿呈向下布置，涡齿盘（7）锯齿下方对应的圆形凹槽槽壁或圆形凹槽槽壁和集风筒（2）筒壁的同一水平面上均布有径向的转轴（8），转轴（8）的一端均固定有锥齿轮（10），该锥齿轮（10）与所述涡齿盘（7）啮合在一起，转轴（8）的另一端均连接有发电机（9）；所述集风筒（2）内在轮筒（6）的上方设置有导风罩（3），该导风罩（3）为圆锥形，其下端与所述支撑轴（18）的顶端间呈固定连接，且导风罩（3）下端的外径与所述轮筒（6）的外径相等。

2.如权利要求1所述的涡轮式聚风发电系统，其特征在于所述轮筒（6）的外表面轴向有不少于两组涡轮叶片（16），每组涡轮叶片（16）均沿轮筒（6）外表面周向均匀布置，且涡轮叶片（16）的倾斜方向均相同；相邻的两组涡轮叶片（16）之间对应的集风筒（2）内壁上固定有沿周向均布的第一导流板（17），第一导流板（17）的倾斜方向与涡轮叶片（16）的倾斜方向相反。

3.如权利要求1所述的涡轮式聚风发电系统，其特征在于所述导风罩（3）的底部连接有短直筒（4），短直筒（4）的外壁上沿周向均布有第二导流板（5）。

4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮式聚风发电系统，其特征在于所述轮筒（6）下方的基座（11）外表面与集风筒（2）内壁间均布有径向的整流板（13），整流板（13）均呈竖向布置。