CN108167124B - 一种单轴双式风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

一种单轴双式风力发电设备，包括有外部整流设备和内部风力发电设备，内部风力发电设备设置于外部整流设备内，内部风力发电设备包括发电机和中轴，中轴为发电机的动力输入轴，在中轴上固定阵列设置有向外延伸的水平叶片，水平叶片上下对应，在上下两个水平叶片之间固定连接有垂直叶片，垂直叶片设置于水平叶片的最外端端部，与上下两个水平叶片构成封闭的横架，使用本发明一种单轴双式风力发电设备，不仅兼具水平轴式风力发电和垂直轴式风力发电的优点，同时能够在低风速情况下提高发电能力的风力发电机设备，还提高了风力发电机的能流转化效率以适应低风速区，提高在自然环境下的生存能力，延长风力发电机的安全服务年限。

Description

一种单轴双式风力发电设备
技术领域
本发明涉及风力发电，尤其涉及一种单轴双式风力发电设备。
背景技术
随着传统能源面临枯竭和污染环境，对风资源的开采越来越重要。但是占风资源区68%的面积属于低风速区，而二级和三级风圈占风资源总量的85%，这部分资源一直是风力开采难题。而现有风力发电技术存在以下问题：
风力发电机根据旋转轴和风向的角度大致可分为两种形式：水平轴式风力发电机和垂直轴式风力发电机。其中水平轴式风力发电机的优点结构简单、技术成熟、风能利用率高，缺点是追寻风向、抗强风难度大等缺点；垂直轴式风力发电机优点无需对风，缺点是风能利用率低。现有技术中也有将两种风力发电机的叶片进行简单组合的风力发电机，但由于其只是将两种叶片进行了简单组合，不仅未能实现两种发电机的优势组合，反而将两种发电机的缺点集中为了一体。
现在主流风力发电机叶片裸露在外，以开放式结构为主；另外发展了通过导风板、导风护罩、聚风罩、导流装置等形式的风力发电机。但是对于加装上述设备的水平轴式风力发电机，由于机体重量增加，加大了对风的难度；而对于上述设备垂直轴式风力发电机集中于风能利用率低的阻力型风力发电机或者是利用形成的涡场中的涡核，并没有形成更新的技术突破及应用。
另外，垂直轴风力发电机分为阻力型、升力型。其中阻力型垂直轴式风力发电机启动力矩大，风能利用率低；升力型垂直轴式风力发电机启动困难，运行阻力小。由于阻力型垂直轴风力发电机和升力型垂直轴风力发电机叶型结构不同，很难形成既有阻力型的力矩和升力型的运行阻力的一种高效率风力发电机。
发明内容
本发明目的在于，克服现有技术的不足之处，提供一种单轴双式风力发电设备，不仅可以兼具水平轴式风力发电和垂直轴式风力发电的优点，同时能够在低风速情况下提高发电能力的风力发电机设备，还可以提高风力发电机的能流转化效率以适应低风速区，提高在自然环境下的生存能力，延长风力发电机的安全服务年限。
本发明所述的一种单轴双式风力发电设备，包括有外部整流设备和内部风力发电设备，所述内部风力发电设备设置于外部整流设备内，所述内部风力发电设备包括发电机和中轴，所述中轴为发电机的动力输入轴，在中轴上固定阵列设置有向外延伸的水平叶片，所述水平叶片上下对应，在上下两个水平叶片之间固定连接有垂直叶片，所述的垂直叶片设置于水平叶片的最外端端部，与上下两个水平叶片构成封闭的横架，此种结构避免了现有技术中风力发电机叶片的叶尖造成的能流损失，提高风能利用率。
所述外部整流设备包括若干导风板体、上顶盖、上整流支撑部、下整流支撑部和下底盖，所述导风板体由上顶盖、上整流支撑部、下整流支撑部和下底盖固定于内部风力发电设备的外围周边，每两个导风板体中间部分之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备的垂直叶片，所述导风板体与上顶盖和上整流支撑部之间以及导风板体与下整流支撑部和下底盖之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备的水平叶片，所述水平叶片和垂直叶片的翼弦长大于导风道的出风口宽度的三分之二，所述水平叶片和垂直叶片与导风道的出风口的距离小于翼弦长的五分之一。
优选的，所述上顶盖、导风板体和上整流支撑部组成上部整流结构，所述上部整流结构位于外部整流设备上端，所述上部整流结构的导风板体朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述上顶盖为喇叭型结构，所述上部整流结构的底端固定设置有上整流支撑部，所述上整流支撑部为喇叭型结构，所述上整流支撑部的中心一体设置有通孔，所述通孔从上整流支撑部的顶端贯穿至底端，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备上部的水平叶片。
优选的，所述上整流支撑部、导风板体和下整流支撑部组成中部整流结构，所述中部整流结构位于外部整流设备中部，所述中部整流结构的导风板体朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述中部整流结构的收敛口朝向内部风力发电设备的垂直叶片。
优选的，所述下整流支撑部、导风板体和下底盖组成下部整流结构，所述下部整流结构位于外部整流设备的下部，所述下整流支撑部为倒喇叭型结构，所述下整流支撑部的中心一体设置有通孔，所述通孔从下整流支撑部的顶端贯穿至底端，所述下部整流结构的导风板体朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备的水平叶片。
优选的，所述水平叶片8、垂直叶片9选用NACA中技术成熟的S型翼型叶片，S型翼型叶片的凹面朝外，并且在运行过程中迎风面积小，运行过程阻力小，获得最大升阻比。
本发明所述的一种单轴双式风力发电设备，整体结构简单，操作使用方便，稳定性好，可靠性高，使用本发明所述的一种单轴双式风力发电设备，不仅兼具水平轴式风力发电风能利用率高的优点和垂直轴式风力发电的无需追寻风向的优点；同时还兼具了垂直轴风力发电机升力型运行阻力小和垂直轴风力发电机阻力型运行力矩大的优点，能够在低风速情况下提高发电能力的风力发电机设备，还提高了风力发电机的能流转化效率以适应低风速区，提高在自然环境下的生存能力，延长风力发电机的安全服务年限。
附图说明
附图1是本发明所述的一种单轴双式风力发电设备的正视结构示意图。附图2是本发明所述的一种单轴双式风力发电设备的立体结构示意图。附图3是本发明所述的一种单轴双式风力发电设备的剖视结构示意图。附图4是本发明所述的一种单轴双式风力发电设备的内部风力发电设备结构示意图。附图5是本发明所述的一种单轴双式风力发电设备的力学转化示意图。
1－外部整流设备 2－内部风力发电设备 3－上顶盖 4－上整流支撑部 5－下整流支撑部 6－下底盖 7－导风板体 8－水平叶片 9－垂直叶片 10－中轴 11－发电机。
具体实施方式
现参照附图1、附图2、附图3、附图4和附图5，结合实施例说明如下：一种单轴双式风力发电设备，包括有外部整流设备1和内部风力发电设备2，所述内部风力发电设备2设置于外部整流设备1内，所述内部风力发电设备2包括发电机11和中轴10，所述中轴10为发电机11的动力输入轴，在中轴10上固定阵列设置有向外延伸的水平叶片8，所述水平叶片8与中轴10固定连接，所述水平叶片8上下对应，在上下两个水平叶片8之间固定连接有垂直叶片9，所述水平叶片8与垂直叶片9固定连接，所述的垂直叶片9设置于水平叶片8的最外端端部，与上下两个水平叶片8构成封闭的横架，此种结构避免了现有技术中风力发电机叶片的叶尖造成的能流损失，提高风能利用率。
所述外部整流设备1包括若干导风板体7、上顶盖3、上整流支撑部4、下整流支撑部5和下底盖6，所述导风板体7由上顶盖3、上整流支撑部4、下整流支撑部5和下底盖6固定于内部风力发电设备2的外围周边，每两个导风板体7中间部分之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备2的垂直叶片9，所述导风板体7与上顶盖3和上整流支撑部4之间以及导风板体7与下整流支撑部5和下底盖6之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备2的水平叶片8，高速运行的气流受到导风板体7的限制，只能向叶片传递动能，减少了绕流，当叶片快速运行到导风道出风口时，会在叶片的背风面形成负压区域，增加叶片两侧的压力差，使气流作用在叶片上的力矩增大，风能转化率提高，由于叶片采用薄翼型，叶片前缘小，易切入气流，运行阻力小。所述水平叶片8和垂直叶片9的翼弦长大于导风道的出风口宽度的三分之二，所述水平叶片8和垂直叶片9与导风道的出风口的距离小于翼弦长的五分之一，当气流吹向叶片时，在叶片迎风面形成面涡，叶片涡强度急剧增加，叶片前端气流加速，形成强劲的前缘吸力，。
优选的，所述上顶盖3、导风板体7和上整流支撑部4组成上部整流结构，所述上部整流结构位于外部整流设备1上端，所述上部整流结构的导风板体7朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体7之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述上顶盖3为喇叭型结构，所述上部整流结构的底端固定设置有上整流支撑部4，所述上整流支撑部4为喇叭型结构，所述上整流支撑部4的中心一体设置有通孔，所述通孔从上整流支撑部4的顶端贯穿至底端，所述通孔为喇叭型，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备2上部的水平叶片8，由于导风进口逐渐向内侧收敛，在收敛口最窄位置的风速高于自然风速，并且气流经过从宽到窄的加速过程，同时还增加了能流密度，在背风面，由于收敛结构的扩散作用，会在收敛结构的最窄位置形成高速气流，即使迎风面不能达到最佳迎风角，由于背风面收敛结构数量多于迎风面的收敛结构，加上收敛结构的扩散作用，也能使迎风面气流形成吸入式，进入外部整流设备内腔。
优选的，所述上整流支撑部4、导风板体7和下整流支撑部5组成中部整流结构，所述中部整流结构位于外部整流设备1中部，所述中部整流结构的导风板体7朝向外侧的高度尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体7之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述中部整流结构的收敛口朝向内部风力发电设备2的垂直叶片9，由于导风进口逐渐向内侧收敛，在收敛口最窄位置形成加速气流，并且气流经过从宽到窄的加速过程，同时还增加了能流密度，同时，经过中部整流结构的加速的气流，会在外部整流设备1内腔的上部和下部的通孔处形成负压引射区域，有利于上下部整流结构的气流的吸入，减少了因喇叭形结构的上部整流结构和下部整流结构形成的风阻，能够提高作用在上、下支撑叶片的动能转化，在背风面，由于收敛结构的扩散作用，会在收敛结构的最窄位置形成高速气流。
优选的，所述下整流支撑部5、导风板体7和下底盖6组成下部整流结构，所述下部整流结构位于外部整流设备1的下部，所述下整流支撑部5为倒喇叭型结构，所述下整流支撑部5的中心一体设置有通孔，所述通孔从下整流支撑部5的顶端贯穿至底端，所述通孔为倒喇叭型，所述下部整流结构的导风板体7朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体7之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备2的水平叶片8，由于导风进口逐渐向内侧收敛，在收敛口最窄位置的风速高于自然风速，并且气流经过从宽到窄的加速过程，同时还增加了能流密度，在背风面，由于收敛结构的扩散作用，会在收敛结构的最窄位置形成高速气流，即使迎风面不能达到最佳迎风角，由于背风面收敛结构数量多于迎风面的收敛结构，加上收敛结构的扩散作用，也能使迎风面气流形成吸入式，进入外部整流设备内腔。
优选的，所述水平叶片8、垂直叶片9选用NACA中技术成熟的S型翼型叶片，S型翼型叶片的凹面朝外，并且在运行过程中迎风面积小，运行过程阻力小，获得最大升阻比。
本发明所述的一种单轴双式风力发电设备，整体结构简单，操作使用方便，稳定性好，可靠性高，使用本发明所述的一种单轴双式风力发电设备，不仅兼具水平轴式风力发电风能利用率高的优点和垂直轴式风力发电的无需追寻风向的优点；同时还兼具了垂直轴风力发电机升力型运行阻力小和垂直轴风力发电机阻力型运行力矩大的优点，能够在低风速情况下提高发电能力的风力发电机设备，还提高了风力发电机的能流转化效率以适应低风速区，提高在自然环境下的生存能力，延长风力发电机的安全服务年限。

Claims (5)

1.一种单轴双式风力发电设备，包括有外部整流设备（1）和内部风力发电设备（2），所述内部风力发电设备（2）设置于外部整流设备（1）内，其特征在于，所述内部风力发电设备（2）包括发电机（11）和中轴（10），所述中轴（10）为发电机（11）的动力输入轴，在中轴（10）上固定阵列设置有向外延伸的水平叶片（8），所述水平叶片（8）上下对应，在上下两个水平叶片（8）之间固定连接有垂直叶片（9），所述的垂直叶片（9）设置于水平叶片（8）的最外端端部，与上下两个水平叶片（8）构成封闭的横架；
所述外部整流设备（1）包括若干导风板体（7）、上顶盖（3）、上整流支撑部（4）、下整流支撑部（5）和下底盖（6），所述导风板体（7）由上顶盖（3）、上整流支撑部（4）、下整流支撑部（5）和下底盖（6）固定于内部风力发电设备（2）的外围周边，每两个导风板体（7）中间部分之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备（2）的垂直叶片（9），所述导风板体（7）与上顶盖（3）和上整流支撑部（4）之间以及导风板体（7）与下整流支撑部（5）和下底盖（6）之间形成的导风道呈顺时针方向倾斜指向内部风力发电设备（2）的水平叶片（8），所述水平叶片（8）和垂直叶片（9）的翼弦长大于导风道的出风口宽度的三分之二，所述水平叶片（8）和垂直叶片（9）与导风道的出风口的距离小于翼弦长的五分之一。
2.根据权利要求1所述的一种单轴双式风力发电设备，其特征在于，所述上顶盖（3）、导风板体（7）和上整流支撑部（4）组成上部整流结构，所述上部整流结构位于外部整流设备（1）上端，所述上部整流结构的导风板体（7）朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体（7）之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述上顶盖（3）为喇叭型结构，所述上部整流结构的底端固定设置有上整流支撑部（4），所述上整流支撑部（4）为喇叭型结构，所述上整流支撑部（4）的中心一体设置有通孔，所述通孔从上整流支撑部（4）的顶端贯穿至底端，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备（2）上部的水平叶片（8）。
3.根据权利要求1所述的一种单轴双式风力发电设备，其特征在于，所述上整流支撑部（4）、导风板体（7）和下整流支撑部（5）组成中部整流结构，所述中部整流结构位于外部整流设备（1）中部，所述中部整流结构的导风板体（7）朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体（7）之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述中部整流结构的收敛口朝向内部风力发电设备（2）的垂直叶片（9）。
4.根据权利要求1所述的一种单轴双式风力发电设备，其特征在于，所述下整流支撑部（5）、导风板体（7）和下底盖（6）组成下部整流结构，所述下部整流结构位于外部整流设备（1）的下部，所述下整流支撑部（5）为倒喇叭型结构，所述下整流支撑部（5）的中心一体设置有通孔，所述通孔从下整流支撑部（5）的顶端贯穿至底端，所述下部整流结构的导风板体（7）朝向外侧一端尺寸大，并以流线型逐渐向内收敛，并且每两个导风板体（7）之间形成的导风进口也是其外部间隔尺寸大，逐渐向内收敛，所述导风进口朝内的一端形成收敛口，所述的收敛口朝向内部风力发电设备（2）的水平叶片（8）。
5.根据权利要求1—4中任意一项所述的一种单轴双式风力发电设备，其特征在于，所述上下两个水平叶片（8）和垂直叶片（9）为S型翼型叶片。
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