CN106907293A - 一种分层式风机风轮及利用分层式风机风轮的风力机 - Google Patents

一种分层式风机风轮及利用分层式风机风轮的风力机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分层式风机风轮及利用分层式风机风轮的风力机，通过利用分层式风机风轮，可以有效的利用了叶片根部的风能，降低了风机的启动风速和额定风速，提高了风机的发电效率，从而达到微风启动风机的目的，同时，利用了带加长装置的风机风轮优势，可以有效的增加风轮直径或叶片的长度，可以提供一种超大型200米以上直径或100米以上长度的叶片，以及10兆瓦以上风力发电机，同时，本发明还具有抗台风的能力。

Description

一种分层式风机风轮及利用分层式风机风轮的风力机
技术领域
本发明属于风能利用技术领域，尤其是适用于风力机械及风力发电技术领域。
背景技术
目前水平轴螺旋桨式风力机多是以2叶片或3叶片式结构，由叶片安装在发电机轴或轮毂上形成风轮，这样的结构可以是风轮的转动速度达到最优，其不足之处是启动风速和额定风速要求较高，且叶片根部的风能利用效率很低，为了适应低风速风场的要求，需要不断增加叶片的长度，而增加叶片长度后，风机的抗强风能力又有所下降；因此，发明一种可以降低启动风速或额定风速，利用微风启动且又可以抗强风同时提高叶片根部的风能利用效率的风力发电机是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用微风启动且又可以抗强风同时提高叶片根部的风能利用效率的风力发电机。本发明的另一目的是提供一种适用于低风速风力资源的风力发电机，同时，本发明还可以提供一种带增长装置的风轮或叶片，所述加长装置是一种可以用来增加风轮直径或可以用来增加叶片长度的装置。可以发展超大型风力发电机。
本发明利用了两种不同长度的风机叶片，为了方便描述，本发明定义：普通长度的风机叶片称为长风机叶片，另一种长度短一些的称为短风机叶片或小风轮。
一种分层式风机风轮，包括风机轴、轮毂以及至少一个长风机叶片组成的风轮或大风轮，其特征是，在所述长风机叶片组成的风轮上，安装有至少一个短风机叶片或小风轮。
所述短风机叶片或小风轮安装在长风机叶片的轮毂上或其前面。
所述短风机叶片或小风轮安装在长风机叶片的轮毂上或其前面的风机轴上。
所述长风机叶片或短风机叶片可以是任意形状的，如普通的水平轴风机叶片或螺旋状风机叶片。
所述长风机叶片组成的风轮可以是任意形状的，如普通的水平轴风机风轮或螺旋状风机风轮。所述短风机叶片组成的风轮可以是任意形状的，如普通的水平轴风机风轮或螺旋状风机风轮。
所述分层式是指在同一风机上安装有至少两种或以上长度的风机叶片或两种或以上长度直径的风机风轮。
优选的，所述短风机叶片是多个。优选的，所述短风机叶片是2--20个，优选的，所述短风机叶片是3--15个。所述长风机叶片为2—11个。所述短风机叶片越多，所提供的转动力矩越大。
优选的，所述短风机叶片是和长风机叶片安装在同一个轮毂上形成一个长短分层的风轮结构。
优选的，所述短风机叶片是单独安装另一个轮毂上，形成双风轮结构。
优选的，所述短风机叶片组成的小风轮是安装在大风轮的前面。
所述短风机叶片或小风轮的作用是提高启动力矩，提高长风机叶片根部的风能利用率，同时提高抗风强度，降低启动风速，从而实现微风发电；其另一作用是可以安装在所述加长装置的前面或上面，用于减小加长装置对风的阻力，从而减小风力对塔杆的推到力矩。
优选的，本发明所述风轮，还可以选用带加长装置的风机风轮或叶片，所述加长装置是一种可以用来增加风轮直径或可以用来增加叶片长度的装置。
优选的，所述加长装置可以替代轮毂的作用。
一种带加长装置的风机风轮或叶片，包括至少一个风力机风轮或叶片，其特征是，在所述风轮或叶片上有至少一个加长装置，在所述加长装置的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气。
所述加长装置，可以采用任意材料，包括软性材料或硬质材料。
所述加长装置，包括壳体以及内部的密闭空间装置。
所述密度小于空气的气体，是指所有相对分子量小于29的气体的密度,都小于空气的密度，例如, 氢气、氦气、氖气、氮气、一氧化碳、甲烷,氟化氢、乙炔等。
优选的，所述密闭空间装置内盛有氢气或氦气或氖气或氮气或所述气体的任意比例混合体。
最优选的是使用氦气。但为了降低成本，也可以使用氢气和氮气或氢气和氦气的混合气体，这样既可以克服单独使用氢气容易引爆的缺点，还可以降低成本，也可以达到我们的使用目的。
所述密闭空间装置可以采用任意材料，包括软性材料或硬质材料。
当所述密闭空间装置采用软性材料时，例如，采用橡胶类膜材料或塑料类膜材料时，须在其内部充入密度小于空气的气体，例如氦气或氢气与氮气的混合体；橡胶类膜材料或塑料类膜材料体积便会膨胀，然后密封。所述密闭空间装置在空气中产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消整个加长装置向下的重力，从而降低加长装置的重量，当所述密闭空间装置体积足够大时，其所产生的浮力大于加长装置向下的重力时，所述加长装置的重量即为零或负值。如此即可以增加风轮的直径或叶片的长度，也可以减轻整体风轮的重量。
当所述密闭空间装置采用硬质材料时，其有两种选择，即可以采用在其内部充入密度小于空气的气体产生浮力，也可以将其内部空间内的空气抽出，形成稀薄气体，也即在其内部形成真空状态，也可以产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消加长装置向下的重力，从而降低风轮或叶片的重量。
当所述密闭空间装置内的气体压力足够大时，其完全可以替代或部分替代加长装置内部的支撑体，从而减少支撑体材料，降低加长装置本身的重量。
我们通过大量的计算及模拟实验得出结论，当密闭空间装置内的气体压力大于1.5—2个大气压时，其完全可以替代或部分替代加长装置内部的支撑体。
所述密闭空间装置也可以是所述加长装置壳体本身，在所述壳体内部，设置好一定的区域，充满密度小于空气的气体，然后密封。
所述密闭空间装置是密封后气体不再外泄的装置。
优选的，本发明风机叶片是安装在所述加长装置上。所述加长装置与风机叶片之间是可伸缩的，在所述带加长装置的风机风轮或叶片上包括控制系统、加长装置及叶片，其特征是，所述控制系统连接叶片或加长装置，所述控制系统可以将叶片收缩到加长装置内或从加长装置内伸出叶片，使叶片变短或增长。
优选的，在所述加长装置的内部，安装有载体，所述载体，是可以将叶片收缩到载体内或从载体内将叶片伸出的装置。
所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片收缩到加长装置内的长度，或控制叶片从加长装置内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，是可以根据风力的大小和方向任意调节的。所述控制系统可以安装在风机的任意位置。
当风力不足时，信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片伸长到最长位置，可以最大限度的利用风能；当风力超过额定风速时，控制器可以通过动力装置控制叶片收缩到一定位置，使输出功率达到最大；可以将叶片的最短位置设计到完全可以抗台风的位置，当台风来临时，收缩到最短位置，仍然可以继续工作。例如：如果一台普通1.5兆瓦的风机，叶片长度为36米，当台风来临时，只能通过变桨系统停机；如果采用本发明风轮或叶片时，就可以将叶片的长度缩短到20米或者更短的长度，因此，其抗强风能力就会大大提高，就可以在台风中继续工作，充分利用台风的能量，同时，还可以保护设备的安全，提高发电效率。
所述动力装置，可以采用电动机动力，也可以采用液压动力装置或任意公知动力装置。
本发明所述信号接收器也可以接收叶片转动的位置信息，可以根据叶片旋转到不同的位置，任意调节叶片收缩或伸长的距离。
对于水平轴风力发电机来说，当叶片转动到下半圈或下半圈的设定位置时，可以将叶片收缩；当叶片转动到上半圈或上半圈的设定位置时，可以将叶片伸长；这样就可以在设计时有效的降低塔筒的高度；同时，上半圈的风力资源大，下半圈的风力资源小，这样就可以最大限度的提高风能利用率，提高发电效率。
当台风来临时，可以将叶片同时收缩。
所述加长装置可以是独立的，也可以是叶片的一部分。所述可伸缩的部位，可以是在叶片的根部，也可以是在叶片的尖部或任意位置。所述加长装置，可以安装在轮毂上或风机上任意位置。所述风轮，可以包括叶片连杆。
优选的，所述短风机叶片组成的小风轮是安装在所述加长装置的前面或结构面上。
所述加长装置的形状，可以采用任意形状，优选的，可以做成和相应的风机叶片相同。
优选的，所述加长装置为椭球型或椭球型的一部分或球型或球型的一部分或任意形状。
优选的，在本发明所述风轮或叶片的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气。
一种利用分层式风机风轮的风力机，包括风轮或叶片、发电机系统，其特征是，所述风轮是本发明所述分层式风机风轮。拥有本发明所述分层式风机风轮的一切优势。
本发明中，将公知风力发电机系统分为两部分，其一是风轮或叶片，另一部分统称为发电机系统，不做一一细分，其工作过程为由风轮或叶片将风的动能转换为机械能并带动发电机系统发电。
本发明的有益效果是：
本发明通过利用分层式风机风轮，可以有效的利用了叶片根部的风能，降低了风机的启动风速和额定风速，提高了风机的发电效率，从而达到微风启动风机的目的，同时，利用了带加长装置的风机风轮优势，可以有效的增加风轮直径或叶片的长度，可以提供一种超大型200米以上直径或100米以上长度的叶片，以及10兆瓦以上风力发电机，所述加长装置，可以在增加长度的同时，不增加或可以减小风轮整体的重量。
四、附图说明：
图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；
图2是本发明所述水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；
图3是本发明所述水平轴风机风轮结构原理左视图示意图；
图4是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理主视图示意图；
图5是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理左视图示意图；
图6是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；
图7是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；
图8是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；
图9是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；
图10是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；
图11是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；
图12是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；
图13是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；
附图标志
1长风机叶片 2加长装置 3密闭空间装置 4长风机叶片 5塔杆 6发电机系统 7轮毂 8风机轴 9短风机叶片
五、具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
如图1所示，图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；在所述叶片1的根部安装有加长装置2，在所述加长装置2的内部安装有一个或多个密闭空间装置3，所述密闭空间装置3是充满氦气的橡胶密封袋或塑料密封袋，其可以替代或部分替代原有的内部填充物如轻木或泡沫材料或肋板。当叶片运转时，橡胶密封袋或塑料密封袋在加长装置2内产生向上的浮力，托举住加长装置2内壁，可以抵消一部分加长装置2的重力，降低叶片的总体重量，降低运动中产生的震动，提高发电效率。所述加长装置2的形状，与叶片1的根部吻合。
实施例二：
如图2--9所示，图2是本发明所述水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；图3是本发明所述水平轴风机风轮结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。本实施例为在水平轴风轮的轮毂7外面，安装有加长装置2，所述加长装置2为椭球型或半椭球型或任意可以将风有利于吹向叶片的形状，所述叶片1或/和4安装在所述加长装置2上。在所述加长装置2的内部安装有一个或多个密闭空间装置3，所述密闭空间装置3是充满氦气的橡胶密封袋或塑料密封袋，其可以替代或部分替代原有的内部填充物如轻木或泡沫材料或肋板。
图4是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理主视图示意图；图5是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。本实施例为在水平轴风力机的轮毂7外面，安装有加长装置2，所述加长装置2为椭球型或椭球型的一部分或球型或球型的一部分或任意可以将风有利于吹向叶片的形状，所述叶片1或/和4安装在所述轮毂7上。在所述加长装置2的内部安装有一个或多个密闭空间装置3，所述密闭空间装置3是充满氦气的橡胶密封袋或塑料密封袋。
图6是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；图7是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。本实施例为在水平轴风力机的风轮上，安装有加长装置2，所述加长装置2为环形管状，所述加长装置与轮毂相连，所述叶片1或/和4安装在所述加长装置2上。在所述加长装置2的内部安装有一个或多个密闭空间装置3，所述密闭空间装置3是充满氦气的橡胶密封袋或塑料密封袋。
图8是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；图9是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。本实施例为在水平轴风力机的叶片上，安装有加长装置2，所述加长装置2为环形管状，所述叶片1或/和4安装在所述轮毂7上。在所述加长装置2的内部安装有一个或多个密闭空间装置3，所述密闭空间装置3是充满氦气的橡胶密封袋或塑料密封袋。
实施例三：
如图10、11所示，图10是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；图11是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。
本实施例中，所述加长装置2可以替代了轮毂的作用，所述加长装置2为椭球状或部分椭球状或球状或部分球状结构；所述加长装置2安装在风机轴8上，在所述加长装置2的结构上，安装一组长风机叶片1或4，在所述加长装置2的前面，安装一组短风机叶片9。
本实施例为安装了3个短风机叶片，所述短风机叶片9的长度小于长风机叶片1或4；所述小风轮可以降低风力发电机的额度风速，提高发电效率，又可以减小阻力风对塔杆的推倒力矩。
实施例四：
如图12、13所示，图12是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理主视图示意图；图13是本发明所述水平轴风机风轮再一结构原理左视图示意图；俯视图为公知常识，省略。
本实施例中，所述加长装置2为圆环状结构；所述加长装置2安装在风机轴8或轮毂7上，在所述加长装置2的结构上，安装一组长风机叶片1或4，在所述加长装置2的前面，安装一组短风机叶片9。所述加长装置2也可以安装在长风机叶片1和4上。
本实施例为安装了3个短风机叶片，所述短风机叶片9的长度小于长风机叶片1或4；所述小风轮可以降低风力发电机的额度风速，提高发电效率，又可以减小阻力风对塔杆的推倒力矩。

Claims (10)

1.一种分层式风机风轮，包括风机轴、轮毂以及至少一个长风机叶片组成的风轮，其特征是，在所述长风机叶片组成的风轮上，安装有至少一个短风机叶片或短风机叶片组成的小风轮。
2.根据权利要求1所述一种分层式风机风轮，其特征是，所述短风机叶片或小风轮安装在长风机叶片的轮毂上。
3.根据权利要求1所述一种分层式风机风轮，其特征是，所述短风机叶片组成的小风轮是安装在大风轮的前面。
4.根据权利要求1所述一种分层式风机风轮，其特征是，在所述风轮或叶片上有至少一个加长装置，在所述加长装置的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气。
5.根据权利要求1所述一种分层式风机风轮，其特征是，所述加长装置可以替代轮毂。
6.根据权利要求1所述一种分层式风机风轮，其特征是，在所述风轮或叶片的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的一种分层式风机风轮，其特征是，所述叶片是安装在所述加长装置上；所述加长装置与风机叶片之间是可伸缩的，在所述带加长装置的风机上包括控制系统、加长装置及叶片，所述控制系统连接叶片或加长装置，所述控制系统可以将叶片收缩到加长装置内或从加长装置内伸出叶片，使叶片变短或增长。
8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的一种分层式风机风轮，其特征是，所述风轮或叶片是水平轴风轮或叶片，在水平轴风轮的轮毂外面或风机轴上，安装有加长装置，所述加长装置为椭球型或椭球型的一部或球型或球型的一部分或圆环状或任意形状，所述长风机叶片安装在所述加长装置或轮毂上；在所述加长装置的内部安装有一个或多个密闭空间装置；所述短风机叶片安装在所述加长装置的前面。
9.一种利用分层式风机风轮的风力机，包括风机轴、轮毂以及至少一个长风机叶片组成的风轮、发电机系统，其特征是，在所述长风机叶片组成的风轮上，安装有至少一个短风机叶片或短风机叶片组成的小风轮。
10.根据权利要求9所述一种利用分层式风机风轮的风力机，其特征是，所述短风机叶片或小风轮安装在长风机叶片的轮毂上或所述短风机叶片组成的小风轮是安装在大风轮的前面；或在所述风轮或叶片上有至少一个加长装置，在所述加长装置的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置，在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气；或所述加长装置可以替代轮毂；或在所述风轮或叶片的内部或外部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄空气；或所述叶片是安装在所述加长装置上；所述加长装置与风机叶片之间是可伸缩的，在所述带加长装置的风机上包括控制系统、加长装置及叶片，所述控制系统连接叶片或加长装置，所述控制系统可以将叶片收缩到加长装置内或从加长装置内伸出叶片，使叶片变短或增长；或所述风轮或叶片是水平轴风轮或叶片，在水平轴风轮的轮毂外面或风机轴上，安装有加长装置，所述加长装置为椭球型或椭球型的一部或球型或球型的一部分或圆环状或任意形状，所述长风机叶片安装在所述加长装置或轮毂上；在所述加长装置的内部安装有一个或多个密闭空间装置；所述短风机叶片安装在所述加长装置的前面。
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