CN107642461A - 一种高效风力发电设备 - Google Patents

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沈宏
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Abstract

本发明公开的一种高效风力发电设备，包括支撑塔、转轴、集风罩和发电机，其中，支撑塔和转轴通过第一连接件连接，支撑塔与第一连接件可转动连接，转轴与第一连接件可转动连接，集风罩与转轴固定连接，集风罩两端分别开有第一开口和第二开口，第一开口的内径大于第二开口的内径，集风罩的内径沿着风向依次递减，转轴套设有多个转子叶轮，转子叶轮设于集风罩的内部，转轴与发电机连接。该风力发电设备能最大限度的利用风能，提高单机的功率。

Description

一种高效风力发电设备
技术领域
本发明涉及风力发电设备的技术领域，特别涉及一种高效风力发电设备。
背景技术
风力发电虽然已有长时间的发展，但和上百万千万千瓦的水利和火力设置于最近几十年才刚刚发展的核电相比都不能达到相提并论的地位。现有技术条件下，为了提高单机功率采取的方法是把风机塔架做高做大，或者是加大风机叶片直径来提高单机功率，例如现在世界上单机功率最大的6MW风机直径已达到150m，这些方法虽然可提高单机功率，但都提高了装机成本，加大占地面积。因此，如何最大限度的利用风能，来提高单机功率是本领域技术人员面临的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效风力发电设备，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。
本发明提供一种高效风力发电设备，包括支撑塔、第一连接件、转轴、集风罩和发电机，其中，支撑塔和转轴通过第一连接件连接，支撑塔与第一连接件可转动连接，转轴与第一连接件可转动连接，集风罩与转轴固定连接，集风罩两端分别开有第一开口和第二开口，第一开口的内径大于第二开口的内径，集风罩的内径沿着风向依次递减，转轴套设有多个转子叶轮，转子叶轮设于集风罩的内部，转轴与发电机连接。
在一些实施方式中，第二开口通过多个管路沿着所述集风罩的外壁与第一开口连通。
在一些实施方式中，第二开口与第二连接件相连通，第二连接件两端设有第三开口和第四开口，第三开口的内径小于第四开口的内径，第三开口与第二开口相连，第四开口通过多个管路沿着集风罩的外壁与第一开口连通。
在一些实施方式中，转轴两端分别设有第一固定件和第二固定件，第一固定件包括与转轴上可转动连接的旋转件和沿着旋转件周向等间距设置的三个连杆，连杆的另一端与所述集风罩的内壁固定连接，第二固定件和第一固定件的结构一样。
在一些实施方式中，还包括导轨、至少一个滑块和至少一个第三连接件，导轨为圆环形，滑块在导轨内沿着导轨进行圆周运动，第一连接件通过第三连接件与滑块连接，第三连接件与所述滑块一一对应，第一连接件和第三连接件固定连接。
在一些实施方式中，还包括尾翼，尾翼设于所述集风罩的端部。
有益效果：该风力发电设备的集风罩能最大限度的收集自然风，而通过多级转子叶轮的设置，能充分利用风能，提高单机发电功率，通过集风罩逐渐变小的结构，使得风压增大，以提高后置转子叶轮的转动速度，以提高最后的发电效率。
附图说明
图1为本发明一实施方式中一种高效风力发电设备的结构示意图；
图2为本发明一实施方式中一种高效风力发电设备的侧视图；
图3为本发明一实施方式中一种高效风力发电设备的正视图；
图4为本发明一实施方式中一种高效风力发电设备的背视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明进行进一步详细的说明。
如图1-4所示，
一种高效风力发电设备，包括支撑塔10、第一连接件20、转轴30、集风罩40和发电机，其中，支撑塔10和转轴30通过第一连接件20连接，支撑塔10与第一连接件20可转动连接，转轴30与第一连接件20可转动连接，集风罩40与转轴30固定连接，集风罩40两端分别开有第一开口41和第二开口42，第一开口41的内径大于第二开口42的内径，集风罩40的内径沿着风向依次递减，转轴30套设有多个转子叶轮31，转子叶轮31设于集风罩40的内部，转轴30与发电机连接。
具体的，支撑塔10可以是钢筋混凝土结构塔架、桁架塔架或钢筒结构塔架中的一种，支撑塔10需要承受整个风电机组的载荷，还要承受风轮面上的风压等载荷，因此支撑塔10需要稳固的固定在地面。
转轴30的材质可以是不锈钢材质，用于连接转轴30和支撑塔10的第一连接件20，具有转向的作用，因此需要呈L型。第一连接件20与支撑塔10的可转动连接由固定套、回转圈以及他们之间的轴承完成，固定套销定在塔架上部，回转圈与第一连接件20相连，通过他们之间的轴承，完成第一连接件20相对于支撑塔10的转动，在风向变化时，第一连接件20就可以带动整个集风罩40水平回转，使得集风罩40迎风工作。而第一连接件20与转轴30可转动连接的原理一致，使得转轴30在转子叶轮31的带动下相对于第一连接件20进行旋转运动。
集风罩40为伞型或者圆锥体型，两端设有第一开口41和第二开口42，迎着风的第一开口41的内径大于排出风的第二开口42的内径，且沿着风向集风罩40的内径逐渐减少，使得风进入集风罩40以后，由于受力面积变小，其风压变大。
集风罩40内设有多个转子叶轮31，转子叶轮31包括了叶片、叶柄和轮毂，叶片通过叶柄与轮毂连接，轮毂固定套设在转轴30上，轮毂通过键连接与转轴30连接。其中，叶片可以是不锈钢材质、铝合金材质或者玻璃钢材质，叶片的横截面为流线型。叶轮叶片的数量可以是3个、4个、6个或8个。
在理想情况下，风通过转子叶轮，叶轮能利用转化成动能的风能P＝1/2mVin 2-1/2mVout 2，Vin为风通过转子叶轮前的初始风速，Vout为风通过转子叶轮后的残余风速。从上述公式可知，Vin越大，Vout越小，风能利用率越高，如果Vout为0，则风能的利用率可达到100％。但是，事实上Vout不可能达到0。德国物理学家Albert Betz于1919年提出贝兹理论，单个叶轮转子对风能的利用率在理论上的极限值为16/27约为59％，而目前现实中，单个叶轮转子对风能的利用率大约45％。
进一步的，集风罩40内等间距一次安装有三个转子叶轮31，从第一开口处分别为第一转子叶轮、第二转子叶轮和第三转子叶轮，由于集风罩40的内径逐渐减小，第一转子叶轮到第三转子叶轮的直径逐渐减小，当风进入集风罩通过第一个转子叶轮时，带动转子叶轮转动，从而失去部分风能，经过第一个转子叶轮后的风由于集风罩内径减少，使得风压增加，使得第二转子叶轮加速转动，同样的道理，经过第二转子叶轮后，风继续通过第三转子叶轮，最后通过集风罩的第二开口排出。使其最后排出的风的风速降至最低，根据P＝1/2mVin 2-1/2mVout 2，使得风能的利用率达到最高。由于采取多级转子叶轮利用风能的结构，使其风能的利用率超过单个叶轮转子对风能的利用率的极限，在理论上，增加一个叶轮转子，对风能的利用率可达到83.4％，增加两个叶轮转子，对风能的利用率可达到93.2％，而本申请实施例的集风罩的设计能最大限度的将对风能的利用率逼近理论值。
最后，通过转轴30的带动，通过发电机转化为电能则是比较成熟的技术。具体来讲，转轴与齿轮箱相连，通过齿轮箱将转轴的转速提高至原来的50倍，来驱动发电机，而高速轴和发电机之间还设有刹车结构。发电机采用异步发电机，具有体积小、重量轻、结构简单等优点，最大电力输出通常为1000-1500千瓦。由于采用了交流发电机，在储存电能的过程中，需要采用整流器将交流电变为直流电，通过沿着支撑塔10的线路，将电能通过设于地面的蓄电池来储存。
进一步的，第二开口42通过多个管路43沿着所述集风罩40的外壁与第一开口41连通。风从第一开口41进入通过转子叶轮31，从第二开口42排出残余的风，此时，通过多个管路43与第二开口42连通，将残余的风通过管路43回收至第一开口41进一步利用，多个管路43的管口的总面积和第二开口42的面积一样。
进一步的，第二开口42与第二连接件相连通，第二连接件两端设有第三开口和第四开口，第三开口的内径小于第四开口的内径，第三开口与第二开口相连，第四开口通过多个管路43沿着集风罩40的外壁与第一开口连通41。
具体的，第二连接件为两端开口的管路，其中从残余的风从小口径的第三开口通入，从大口径的第四开口排出，由于风的受力面积突然增大，风压减小，使其风速减缓，再通过外置管路43，将残余的风回收至集风罩的第一开口。
进一步的，转轴30两端分别设有第一固定件32和第二固定件，第一固定件32包括与转轴30上可转动连接的旋转件和沿着旋转件周向等间距设置的三个连杆，连杆的另一端与集风罩40的内壁固定连接，第二固定件和第一固定件32的结构一样。第一固定件32包括与转轴30上可转动连接的旋转件，可通过轴承与转轴转动连接，旋转体固定焊接有三个连杆，三个连杆之间的角度为60°，三个连杆的另一端与集风罩40内壁通过焊接或螺栓固定连接，采用三根连接最稳固。
进一步的，还包括导轨60、至少一个滑块61和至少一个第三连接件50，导轨60为圆环形，滑块61在导轨内60沿着导轨60进行圆周运动，第一连接件20通过第三连接件50与滑块61连接，第三连接件50与滑块61一一对应，第三连接件50和第一连接件20固定连接。
具体的，由于支撑塔1承受的载荷大，因此，需要设置拉线或拉杆对支撑塔1进行进一步的固定。其中，导轨60固定在地面上，导轨60内的滑块61可沿着导轨60做轴向运动，第三连接件50为钢丝拉绳，至少设置两根，钢丝拉绳可通过拉钩和滑块61上的拉环固定连接，也可通过拉钩与第一连接件20上设置的拉环固定连接。当风向改变时，集风罩会根据风向进行旋转，而与第一连接件20固定的拉绳也会被带动旋转，通过底部的导轨配个拉绳做周向运动，否则拉绳会被不断拧紧，导致磨损而断裂。
进一步的，还包括尾翼，尾翼设于集风罩40的端部。
自然界的风，方向和速度经常变化，为了使风力发电设备能有效捕捉风能，就需要跟踪风向的变化，保证集风罩40基本上始终处于迎风状态。采用现有技术比较成熟的尾翼，可以采用风向标等自动控制设备，当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统根据风向传感器的信号，按照一定的逻辑控制规律控制风力发电设备的集风罩调整至风向一致的方位。
本申请实施例的风力发电设备发的电能，可以通过蓄电池储备或者直接经过逆变器转化为交流电进行并网使用。在一些工况中，可以该风力发电设备和路灯或红绿灯结合使用，将该风力发电设备经过整流器转换的直流电，直接与路灯或红绿灯的灯源通过电路相连，以为路灯或红绿灯提供电能。
本发明提供的实施方案中的风力发电设备能最大限度的利用风能，提高单机的功率，且能跟踪风向以适应自然风的转向。
以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效风力发电设备，其特征在于，包括支撑塔(10)、第一连接件(20)、转轴(30)、集风罩(40)和发电机，所述支撑塔(10)和所述转轴(30)通过第一连接件(20)连接，所述支撑塔(10)与所述第一连接件(20)可转动连接，所述转轴(30)与所述第一连接件(20)可转动连接，所述集风罩(40)与所述转轴(30)固定连接，所述集风罩(40)两端分别开有第一开口(41)和第二开口(42)，所述第一开口(41)的内径大于所述第二开口(42)的内径，所述集风罩(40)的内径沿着风向依次递减，所述转轴(30)套设有多个转子叶轮(31)，所述转子叶轮(31)设于所述集风罩(40)的内部，所述转轴(30)与所述发电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效风力发电设备，其特征在于，所述第二开口(42)通过多个管路(43)沿着所述集风罩(40)的外壁与所述第一开口(41)连通。
3.根据权利要求2所述的一种高效风力发电设备，其特征在于，所述第二开口(42)与第二连接件相连通，所述第二连接件两端设有第三开口和第四开口，所述第三开口的内径小于所述第四开口的内径，所述第三开口与第二开口相连，所述第四开口通过多个管路(43)沿着所述集风罩(40)的外壁与所述第一开口(41)连通。
4.根据权利要求1所述的一种高效风力发电设备，其特征在于，所述转轴(30)两端分别设有第一固定件(32)和第二固定件，所述第一固定件(32)包括与所述转轴(30)上可转动连接的旋转件和沿着所述旋转件周向等间距设置的三个连杆，所述连杆的另一端与所述集风罩(40)的内壁固定连接，所述第二固定件和所述第一固定件(32)的结构一样。
5.根据权利要求1所述的一种高效风力发电设备，其特征在于，还包括导轨(60)、至少一个滑块(61)和至少一个第三连接件(50)，所述导轨为圆环形(60)，所述滑块(61)在所述导轨(60)内沿着所述导轨(60)进行圆周运动，所述第一连接件(20)通过所述第三连接件(50)与所述滑块(61)连接，所述第三连接件(50)与所述滑块(61)一一对应，所述第一连接件(30)和第三连接件(50)固定连接。
6.根据权利要求1所述的一种高效风力发电设备，其特征在于，还包括尾翼，所述尾翼设于所述集风罩(40)的端部。
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