CN108953069A - 室内环境人造风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室内环境人造风力发电系统，包括进风装置、出风装置、Z字形输风管道、风力发电装置、感应消雷装置以及分别设置在低位和高位的第一室内空间和第二室内空间，进风装置的进风口与第一室内空间相通，进风装置的出风口通过输风管道连接出风装置的进风口，出风装置的出风口与第二室内空间相通并对准风力发电装置的风叶进风侧，风力发电装置设置在第二室内空间内，感应消雷针装置安装在第二室内空间的屋顶上，第一室内空间设有室内空气能加热装置。本发明利用自然环境中固有的绿色能量，利用感应消雷针消除雷电隐患的能力，就地取材实现持续可靠的不间断电力供应，且结构简单，适用于野外高山环境，安全性和经济性综合考量性价比高。

Description

室内环境人造风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，特别涉及一种在室内环境中通过人造风发电的风力发电系统，适合应用于地势有高差的野外环境，例如高山、坡地等。

背景技术

随着各种野外生态资源的发展，需要大量的野外相关信息的采集、交换和传输，所要用到的各种信息化节点系统设备几乎都需要电力供应。现有的电力供给方式往往在同时满足安全性和经济性要求方面效果不理想。特别是一些环境恶劣的高山主峰，电力供给的实现都很难。

现有的电力供给方式中，常规的市电线路供电需要供电线路，对于无人的高山环境，线路长，成本高，架空线路有雷患，地埋电缆有野猪等野生动物的破坏隐患，线路损耗大，建设、维护和使用成本特别高，而保证持续供电的安全可靠性较差。

在高山主峰环境，温度低，雾气大，雷击严重，太阳能发电能够发挥作用的时间很短，在这种场合，太阳能系统建设维护和使用成本高，保证持续供电的安全可靠性差。

一般的燃料电池和人工发电根本不适合这种无人偏远环境的需要。

对这些高山主峰环境，尽管风力资源丰富，但野外风力发电系统易遭雷击，特别是高山主峰雷患更大，在有些地区的高山环境，有严重的冻雨冻害，在冰冻季节，风机不能正常工作，一般的高山室外风力发电系统，其建设、维护和使用成本很高，保证持续供电的安全可靠性差。

风力发电的效率取决于吃风面积和风速，人造风速在加速度一定的情况下取决于行程，一些直线型输风管道构造的人造风发电装置，管道出口速度提升小，且装置采用外露的金属材料，易遭雷击，即使采用国际IEC防雷标准和国家防雷标准规定的引雷泄放防雷措施，一旦发生雷击，系统设备就要损坏，根本不具备野外条件的使用条件。

应该说，现有这些能够采用的供电手段都无法满足这种恶劣高山环境的连续供电要求，严重制约了这种场合的各种信息的采集和传输。

发明内容

本发明旨在提供一种室内环境人造风力发电系统，能够提供持续可靠的不间断电力供应，且结构简单，适用于野外高山环境，安全性和经济性综合考量性价比高。

本发明的主要技术方案有：

一种室内环境人造风力发电系统，包括进风装置、出风装置、Z字形输风管道、风力发电装置、感应消雷装置以及分别设置在低位和高位的第一室内空间和第二室内空间，所述进风装置的进风口与所述第一室内空间相通，所述进风装置的出风口通过所述Z字形输风管道连接所述出风装置的进风口，所述出风装置的出风口与所述第二室内空间相通并对准所述风力发电装置的风叶进风侧，所述风力发电装置设置在所述第二室内空间内，所述第二室内空间建筑的屋顶最高处安装所述感应消雷装置。

所述第一室内空间优选设有室内空气能加热装置。

所述室内空气能加热装置可以采用以下任意一种：（1）由PVC材质的外层薄膜和革类材质的内层薄膜复合而成的多层复合膜结构，铺设在相应室内空间的结构的顶部；（2）内置于室内空间的室内空气能加热管。

所述出风装置的出风口的横截面形状为圆形或矩形，其大小不小于所述风叶的风叶受风面积。

所述出风装置的出风口可以直接制成密闭管道，且所述风力发电机的风叶部分设置在该密闭管道内。

所述出风装置的出风口和所述风力发电装置的风叶部分也可以集成在另外一个封闭的连接结构内。

所述进风装置的进风口可以设置在所述第一室内空间的侧壁上。

所述Z字形输风管道优选为一端粗一端细，管道加工安装成Z字形连续结构，管道材料采用非金属材质，考虑非金属材料的加工成本，Z字形输风管道也可以在出风口最后一段至少10米长的管段上采用非金属材质，其他仍采用金属材质，并在金属材质管道的最高处安装所述感应消雷装置，所述Z字形输风管道从粗端到细端管径逐渐递减，所述进风装置的出风口连接所述Z字形输风管道的粗端，所述出风装置的进风口连接所述Z字形输风管道的细端。

所述第二室内空间优选设有防冻措施。

所述第二室内空间的结构顶部不设置金属设施包括金属材料的避雷带、引下线和接地体系统。

所述感应消雷装置可以包括用于感应空间雷云电场的能量的感应消雷针接闪体和用于消耗雷电的作用能量的消雷电阻，所述感应消雷针上锥形表面的金属接闪体与所述消雷电阻电气串联连接。

本发明的有益效果是：

本发明利用第二室内空间提供的室内工作环境消除了冰冻对风力发电装置的冻害隐患，采用感应消雷针装置，主动引雷、主动消耗雷电的作用能量，最低要求是消除雷击的高电压危害隐患，最理想要求是消除第二室内空间处的雷击发生可能，考虑到Z字形输风管道的感应叠加引雷能力，需要在金属输风最后位置处设置感应消雷针装置，以消除雷击对风力发电装置的危害隐患，解决了室外环境下一般的风力发电机易遭雷击、冻害等自然灾害而损坏的问题。所获取的人工风能可在室内环境下直接推动发电机工作，避免室外环境的直接雷击和冰冻的自然环境的影响的同时，实现了不间断的电力供应。

本发明通过设置分别处在低位和高位的第一室内空间和第二室内空间，并从第一室内空间用加长人造风行程的Z字形输风管道送风到第二室内空间，直接利用了高山海拔自然高差所形成的温度能量差、输风管道管径体积差所形成的压力能量差及加长行程所获取的风速动能，获取人造的持续自然风能，进而推动室内的风力发电装置持续发电，是对自然环境具有的固有绿色能量的直接利用，具有重大的经济和社会效益。

本发明的第一室内空间配备室内空气能加热装置，使第一室内空间的空气能升温，可安全低成本利用自然空气热能提升进风装置的空气温度，从而获得更大的温差动能，提高出风装置的出风口的出风速度，利用多层不同材质的复合膜结构的空气能加热、隔热保温功能，提高了空气能的利用效益，加强了强度。

本发明通过利用感应消雷的创新防雷成果，解决了传统防雷标准规定的引雷泄放保护措施保护可靠性差的难题。

本发明能够提供持续可靠的不间断电力供应，且结构简单，方便实施，建设、维护成本低，适用场合广，具有安全性和经济性综合考量性价比高的优点。

本发明采用就地发电、就地利用的方式，减少了电力传输环节，因此减少了电力传输过程可能的损失。可根据用电系统的用电功率进行针对性地设计本发明的发电系统图，实现环境能源利用率最大化。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的另一个实施例的结构示意图。

附图标记：A、第二室内空间；B、出风装置；C、出风装置的出风口；D、风力发电装置；E、Z字形输风管道；F、第一室内空间；G、第一室内空间出风口；J、出风装置和风力发电装置相集成的一体结构；M、内置空气能加热管；N、感应消雷针装置；T、第一室内空间立面墙体。

具体实施方式

本发明公开了一种室内环境人造风力发电系统，如图1、2所示，包括进风装置、出风装置B、Z字形输风管道E、风力发电装置D、感应消雷装置N以及分别设置在低位和高位的第一室内空间F和第二室内空间A，所述进风装置的进风口与所述第一室内空间相通，所述进风装置的出风口通过Z字形输风管道E连接所述出风装置的进风口，所述出风装置的出风口C与所述第二室内空间相通并对准所述风力发电装置的风叶进风侧，由风叶带动发电机发电，所述风力发电装置设置在所述第二室内空间内，在所述第二室内空间的结构的顶部的最高处安装所述感应消雷装置。

可以把第一室内空间设置在山地低处，把第二室内空间设置在山地高处，利用山地垂直高度差h、上下风口的自然温度差、Z字形管道加长的路径，在输风管道内形成管道内空气的动力加速，即人造风，作为风力发电的动力源，实现了就地取材、本地发电、本地使用。

第一室内空间和第二室内空间可以通过实地建造建筑物实现，建筑结构根据实际环境状况确定，以保障安全、避免环境对本发明的系统中其他设备设施造成危害为准。另外，用于营造第一室内空间和第二室内空间的相应结构不限定为普通的钢筋混凝土结构，甚至可以不限定为现有建筑物的结构。所述第一室内空间优选设有室内空气能加热装置，以进一步提升进风装置的空气温度，从而获得更大的温差动能，提高出风装置的出风口的出风速度。

所述室内环境人造风力发电系统可以从以下一个或多个方面进行进一步的优化。

所述室内空气能加热装置可以是以下任意一种装置：（1）由PVC材质的外层薄膜和革类材质的内层薄膜复合而成的多层复合膜结构，整体可以是双层或多于双层的结构，主要用于覆盖相应室内空间的结构的顶部，例如建筑物的屋面结构的顶部；相邻层之间可形成空气膜，可进一步改善对室内空间的加热、保温效果。（2）内置于室内空间的室内空气能加热管M，例如可以采用太阳能作为能源的空气散热管道或热水散热管道。

所述出风装置的出风口的横截面形状及大小与所述风叶的受风面形状和风叶受风面积相适应，即二者形状和大小基本相同或者二者形状相同（例如二者均为圆形或矩形）同时前者的面积不小于后者的风叶受风面积，所述出风装置的出风口刚好正对最大风叶工作状态下所占据的平面区域，使所述出风装置送出的风几乎无损失地全部吹向风叶用于发电机发电。

为了进一步提高人造风的利用率，有效提高本发明的风力发电系统的效益，所述出风装置和风力发电装置可以集成为一体结构J，即所述出风装置的出风口直接制成密闭管道，且所述风力发电机的风叶部分设置在该密闭管道内，出风装置的出风直接推动风力发电装置的风叶转动发电。或者，所述出风装置的出风口和所述风力发电装置的风叶部分也可以集成在独立于二者而存在的另外一个封闭的连接结构内。

所述进风装置的进风口通常设置在所述第一室内空间的某一侧侧壁上，即第一室内空间立面墙体T上，与图示的第一室内空间出风口G相连并相通。

所述Z字形输风管道E一端粗一端细，采用加长管道路径的相同构造的Z字形状，且从粗端到细端管径逐渐递减，所述进风装置的出风口连接所述Z字形输风管道的粗端，所述出风装置的进风口连接所述Z字形输风管道的细端。所述Z字形输风管道的管径递减优选为连续渐变式的递减，相应的管道壁表面连续过渡，风阻小。根据实际情况，所述Z字形输风管道也可以采用阶跃式的，即分段变径，例如可以利用现有规格的等径管道逐段安装，用变径接头连接。通过采用上述管径递减的输风管道，可以利用输风管道梯次减少体积差进一步加大人造风的出风速度。

所述Z字形输风管道所谓的“Z字形”主要指管道铺设的路径不是一条直线，而是可以有任意多个转折。

所述Z字形输风管道优选采用非金属材质的管道，也可以一部分采用非金属材质的管道、其余部分采用金属材质的管道，例如优选为离出风装置的出风口至少10米范围内采用非金属材质管道，并在金属材质管道的最高处（通常是金属材质管道与非金属材质管道衔接处）安装所述感应消雷装置。

根据Z字形输风管道的长度和管径选择合适的风叶结构和尺寸，可以满足不同的用电功率需要。

所述第一室内空间和所述第二室内空间中至少第二室内空间应设置安全防范措施，包括防冻措施和/或感应消雷装置措施。当只有一个采取上述安全措施时，所述第二室内空间优先设置，以消除冰冻和雷击对风力发电装置的冻害和雷击危害隐患。

防雷措施必须选用感应消雷装置，提高系统的安全性和可靠性，因为雷击过程是有害的超高压，高电压是危险的，低电压才是安全的，现有防雷标准规定的引雷泄放防雷措施，是把雷电能量用人为方法引到接地系统后面消耗，在整个雷电流流经途径的前面都是有害的超高电压，这种防雷措施存在保护可靠性差的技术缺陷，感应消雷（感应消雷针）装置由感应接闪体和消雷电阻二个部件组成，安装在保护位置的最高处，主动用感应消雷针的金属接闪体（锥形表面结构）感应空间雷云电场的能量，主动用连接在感应接闪体后的大功率、大阻抗、大体积消雷电阻消耗雷电的作用能量，使得感应消雷装置的后面都成为安全保护范围，能够满足本发明系统的防雷安全要求。

除设置所述感应消雷装置外，在防雷方面还需要注意的是，在相应室内空间的结构的顶部不设置金属设施，包括不设置金属材料的避雷带、引下线和接地体系统等。

本发明通过将进风装置设置在山地低处位置，将出风装置设置在山地高处位置，在进风装置的出风口和出风装置的进风口间连接管径递减的加长输风行程的Z字形输风管道，输风管道利用山地垂直高度差h、输风管道梯次减少体积差、上下出风口的自然温度差及加速行程，形成管道内空气的动力加速——人造风，再辅以进风装置前端连接的自然空气能加热资源设施，进一步提升了进风口的空气温度，从而形成更大的出口风速，即提高了人造风的风速。可见本发明直接、高效地利用了自然环境固有的绿色能量，并能够就地解决恶劣环境下系统设备的持续供电问题，具有重大的经济效益和社会效益。

Claims (10)

1.一种室内环境人造风力发电系统，其特征在于：包括进风装置、出风装置、Z字形输风管道、风力发电装置、感应消雷装置以及分别设置在低位和高位的第一室内空间、第二室内空间，所述进风装置的进风口与所述第一室内空间相通，所述进风装置的出风口通过所述Z字形输风管道连接所述出风装置的进风口，所述出风装置的出风口与所述第二室内空间相通并对准所述风力发电装置的风叶进风侧，所述风力发电装置设置在所述第二室内空间内，所述第二室内空间的屋顶最高处安装所述感应消雷装置。

2.如权利要求1所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述第一室内空间设有室内空气能加热装置。

3.如权利要求2所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述室内空气能加热装置采用以下任意一种装置：（1）由PVC材质的外层薄膜和革类材质的内层薄膜复合而成的多层复合膜结构，铺设在相应室内空间的结构的顶部；（2）内置于室内空间的室内空气能加热管。

4.如权利要求1所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述出风装置的出风口的横截面形状为圆形或矩形，其大小不小于所述风叶的风叶受风面积。

5.如权利要求1所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述出风装置的出风口直接制成密闭管道，且所述风力发电机的风叶部分设置在该密闭管道内；或者，所述出风装置的出风口和所述风力发电装置的风叶部分集成在另外一个封闭的连接结构内。

6.如权利要求1所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述进风装置的进风口设置在所述第一室内空间的侧壁上。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述Z字形输风管道一端粗一端细，且从粗端到细端管径逐渐递减，所述Z字形输风管道为Z字形连续曲线形延伸的结构，所述进风装置的出风口连接所述Z字形输风管道的粗端，所述出风装置的进风口连接所述Z字形输风管道的细端，所述Z字形输风管道为非金属材质的管道，或离出风装置的出风口至少10米范围内采用非金属材质管道，其它采用金属材质管道，并在金属材质管道的最高处安装所述感应消雷装置。

8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述第二室内空间设有防冻措施，同时所述第二室内空间的结构顶部除设置所述感应消雷装置外，不设置金属设施包括金属材料的避雷带、引下线和接地体系统。

9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述Z字形输风管道一端粗一端细，且从粗端到细端管径逐渐递减，所述Z字形输风管道为Z字形连续曲线形延伸的结构，所述进风装置的出风口连接所述Z字形输风管道的粗端，所述出风装置的进风口连接所述Z字形输风管道的细端，所述Z字形输风管道为非金属材质的管道，或离出风装置的出风口至少10米范围内采用非金属材质管道，其他采用金属材质管道，并在金属材质管道和非金属材质管道衔接处安装所述感应消雷装置，所述第一室内空间和第二室内空间均设有防冻措施，同时所述第二室内空间的结构顶部除设置所述感应消雷装置外，不设置金属设施包括金属材料的避雷带、引下线和接地体系统。

10.如权利要求1-9中任意一项权利要求所述的室内环境人造风力发电系统，其特征在于：所述感应消雷装置包括用于感应空间雷云电场的能量的感应消雷针接闪体和用于消耗雷电的作用能量的消雷电阻，所述感应消雷针上锥形表面的金属接闪体与所述消雷电阻电气串联连接。