CN109322783B - 一种多孔型风力机增能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔型风力机增能装置，包括有均匀分布孔洞的多孔导流板、基座和设置在多孔导流板与基座之间用于缓冲或限制多孔导流板左右转动的阻尼限位装置；多孔导流板的中心设有主轴，所述多孔导流板通过主轴及滚动轴承与基座相连接；阻尼限位装置包括阻尼限位装置本体、多个挡板和布置在相邻挡板之间的弹簧；可以缓冲和限定多孔导流板的左右转动，所述挡板沿圆周方向均匀布置在主轴及阻尼限位装置本体上。本发明能高效利用风力机下方的低速空气能量，可以有效地提高风力机输出功率，同时又可以减少风力机载荷波动，并且可以将对环境的影响降到最小化。

Description

一种多孔型风力机增能装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种多孔型风力机增能装置。
背景技术
作为一种清洁、可再生能源，风力发电产业在全球取得飞速发展。据全球风能委员GWEC统计，截止2017年底，全球风电累计装机容量539GW，其中，我国累计装机容量188.4GW，风力发电量约占全国用电量的4.8％。风力发电仍有很大的发展前景，尤其是在分布式风力发电以及低风速风力发电领域，前景非常可观。
风力发电机通常运行在大气边界层的底层，而底层大气边界层具有风切变较大、风速较低以及湍流强度较大等诸多不利因素，因此为了高效、平稳地发电，往往不得不提高风力机塔架的高度，从而大大地增加了风力机的建设成本。2018年，国家能源局又先后发布了逐步取消风电补贴及实现风电平价上网的征求意见函，因此，在这种情况下，进行技术革新、降低风电建设成本、提高风资源利用率对于风电企业的发展显得更为迫在眉睫。
CN108204330A公开了一种风力机增能器，在风力机前方设置流线型的导流板，以提高风力机叶轮区域的空气流速，达到提高风力机发电量的目的，同时在具体实施例中还涉及到环绕式风力增能器以及适用于多机组的排列式风力增能器。但是该增能器存在以下不足：1)导流板与地面均具有倾角，一方面有效挡风面积较小，对上方空气增速效果不明显，另一方面极易造成竖向荷载波动；2)导流板为不透风实体结构，一方面导流板上下游压力差会很大，另一方面会在导流板后方和风力机下方之间形成高剪切力层；3)环绕式布局中，处于风力机旋转平面后方的导流板会导致风力机功率下降。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔型风力机增能装置，能高效利用风力机下方的低速空气能量，可以有效地提高风力机输出功率，同时又可以减少风力机载荷波动，并且可以将对环境的影响降到最小化。
为实现上述目的，本发明的一种多孔型风力机增能装置，包括有均匀分布孔洞的多孔导流板、基座和设置在多孔导流板与基座之间用于缓冲或限制多孔导流板左右转动的阻尼限位装置；多孔导流板的中心设有主轴，所述多孔导流板通过主轴及滚动轴承与基座相连接；阻尼限位装置包括阻尼限位装置本体、多个挡板和布置在相邻挡板之间的弹簧；可以缓冲和限定多孔导流板的左右转动，所述挡板沿圆周方向均匀布置在主轴及阻尼限位装置本体上。
上述多孔导流板为等厚度或上薄下厚结构，与厚度方向垂直的截面为矩形或梯形；所述多孔导流板的高度与风力机轮毂高度的比值为0.05～0.35，且低于风力机下叶尖高度；所述多孔导流板的长度与风力机直径的比值为0.9～2.0。
上述基座中心位置的切线方向和风力机的旋转平面平行，所述基座的长度与多孔导流板长度的比值为0.6～1.05，经济有效地实现对多孔导流板的支撑；所述基座的中心位置与风力机旋转平面之间的距离为多孔导流板高度的0～7倍，当数值为0时，所述多孔导流板处于风力机正下方，可保证风力机运行在高风速流动区。
上述基座为刚性结构，分为移动式和固定式，所述固定式为基座通过地基、柱销或螺栓固定在地表，所述移动式为通过万向轮作为支撑沿地面移动或转动。
上述多孔导流板采用直板或圆弧形式，当采用圆弧形式时对应的半径大于或等于多孔导流板与风力机旋转平面之间的距离，且风力机风轮中心点在地面上的垂直投影点和多孔导流板侧边形成的连线与风力机旋转平面之间的夹角为0～60度。
上述多孔型风力机增能装置安装在风力机迎风面，与地面垂直，且沿风力机旋转中心线对称。
上述多孔导流板的两侧安装有作为辅助支撑的支架，所述支架的数量大于或等于2个，所述支架的根部设有随多孔导流板运动的万向轮。
上述多孔导流板和基座可通过锁死装置相对静止，所述锁死装置采用的是圆柱销或螺栓。
上述多孔导流板的孔隙度为5％～35％；所述孔洞的形状为蜂窝形、圆形或矩形。既能有效增加多孔导流板上方流速，还能保证导流板承受较小的推力，而且还可减少多孔导流板后方极端低风速区对当地环境的影响；孔洞在多孔导流板上近似均匀分布，孔洞形状任意，如蜂窝形、圆形和矩形等。
上述主轴上的挡板与阻尼限位装置本体上的挡板数量相等且均大于或等于2；所述弹簧的数量为大于等于4的偶数。
本发明的原理在于：空气流经多孔导流板，会在导流板的后方形成低速尾流区，基于能量守恒方程，在导流板尾流上方会出现局部的加速效应，导流板尾流上方的速度相比来流较大，从而提高了风力机叶轮迎风面的平均来流速度，进而提高风力发电机组的输出功率。
本发明的有益效果是：
1.提高了风能的利用率。通过多孔导流板，将大气边界层底部的低速空气的动能输运到风力机叶轮区域，提高了风力机叶轮区迎风面的平均速度，提高了机组的输出功率。
2.降低了机组的载荷波动。由于靠近风力机叶轮区下半部分的空气流速得到了提高，从而降低了风力机叶轮区迎风面的平均剪切力，同时，还一定程度上降低了来流的湍流强度，降低了风力机叶片受力的不均匀性，提高了使用寿命。
3.结构简单，经济成本低，安全性高。导流板采用多孔结构，用材较少，成本低，同时多孔结构承受来自空气的推力较小，利于导流板结构的稳定性和机组运行的安全性，可用于已建、在建及未建风电项目。
4.环境友好。一方面，多孔导流板可以发挥防风墙的作用，减小风沙对近地面的影响；另一方面，在导流板后方不会形成无风区和无光区，对局部土壤和植物影响较小。
5.适应多种风况。风向变化小时，多孔导流板可以绕主轴在小范围旋转，风向变化大时，可通过移动可调式基座整体移动增能装置，从而保证在风向小范围变化情况下，导流板有效挡风面积较大，同时采用的阻尼限位措施可以对导流板的转动形成保护和限定。
6.能够适用于不同形式、不同尺寸的的未建或已建的风力机组，具有结构简单、装备成本低的优点，用以充分实现风资源的高效利用。本发明特别适用于分布式风电的开发应用中。
附图说明
图1为本发明提出的一种多孔型风力机增能装置原理示意图；
图2为本发明的一种移动式多孔型风力机增能装置的结构示意图；
图3为本发明的一种移动式多孔型风力机增能装置中主轴连接部分竖直剖视图；
图4为图3的A-A水平剖视图；
图5为本发明实施例1的一种移动式多孔型风力机增能装置的安装示意主视图；
图6为图5的侧视图；
图7为本发明实施例2的一种固定式多孔型风力机增能装置的安装示意主视图(直板式)；
图8为本发明实施例3的一种固定式多孔型风力机增能装置的安装示意图(圆弧式)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
根据本发明的一种多孔型风力机增能装置的原理如图1所示。来流空气流到导流板前方时，受导流板的阻塞效应，部分流体会向导流板四周汇聚，特别地，在导流板后上方形成局部高速流动区，风力机叶片在高速流动区运行，输出功率会得到提升，而受能量守恒影响，导流板正后方则会形成低速尾流区。
结合图2至图4，本发明提供了一种多孔型风力机增能装置包括：多孔导流板1，基座2，支架3以及阻尼限位装置4，其中多孔导流板1上具有均匀分布的孔洞5，并通过其中心主轴6及滚动轴承7和基座2连接，可绕基座2光滑旋转，多孔导流板1相对于基座2的旋转运动受到多孔导流板1和基座2之间阻尼限位装置4的调控，亦可通过锁死装置(如：圆柱销、螺栓等)使得多孔导流板1和基座2相对静止。同时在多孔导流板1的两侧布置支架3做辅助支撑，支架3根部为万向轮10，可跟随多孔导流板1运动，基座2为刚性结构，为移动式或固定式两种，所述的固定式为基座直接通过地基、柱销或螺栓等固定在地表，移动式为通过万向轮10作为支撑，可沿地面移动或转动。
所述阻尼限位装置4包括阻尼限位装置本体4-1、多个挡板9和布置在相邻挡板9之间的弹簧8，可以缓冲和限定多孔导流板1的左右转动，挡板9沿圆周方向均匀布置在主轴6及阻尼限位装置本体4-1上。
在本发明技术方案中，多孔导流板1为等厚度或上薄下厚结构，和厚度方向垂直的截面为矩形或梯形；多孔导流板1的高度h1和风力机轮毂高度H的比值为0.05～0.35，且低于风力机下叶尖位置；多孔导流板1的长度l1与风力机直径D的比值为0.9～2.0；多孔导流板1整体布置在风力机的迎风面，与地面垂直，且关于风力机旋转中心线对称；
在本发明技术方案中，多孔导流板1的孔隙度为5％～35％；孔洞5在多孔导流板1上近似均匀分布，孔洞5可采用各种形状，如：蜂窝性状、圆形、矩形和其他多边形等。
结合图5至图8，所述的基座2中心位置的切线方向和风力机的旋转平面平行，基座2的长度l2与多孔导流板1长度l1的比值为0.6～1.05，基座2的中心位置和风力机旋转平面之间的距离L为多孔导流板1高度h1的0～7倍。
结合图3至图4，在本发明技术方案中，所述的阻尼限位装置4为双向限位装置，可缓冲或限制多孔导流板1的左右转动，相邻挡板9之间均布置弹簧8，弹簧8具有较小弹性模量，主要起缓冲作用，数量为4、6、8和10等偶数个，可使多孔导流板1相对于基座2旋转0～60度。
结合图2和图6，在本发明技术方案中，所述的支架3分别布置于多孔导流板1两侧，数量不少于2个。
实施例1：
按照本发明上述的设计方案，结合图5和图6，以半径为4.5m，轮毂高度为8.3m的水平轴风力机为例：采用移动式多孔导流板布置型式，导流板长度为11.2m，高度为1.8m，孔隙度为35％，基座长度为11.7m，导流板和风力机旋转平面之间间距为8.3m，阻尼限位装置采用6根弹簧，支架为6套。
实施例2：
按照本发明上述的设计方案，结合图7，以半径为6cm，轮毂高度为12.5cm的模型风力机为例：采用固定式多孔导流板布置型式，不需要基座、主轴及阻尼限位装置，多孔导流板直接建在地表，多孔导流板高度为1.2cm，厚度为0.4cm，孔隙度为15％，多孔导流板与风力机旋转平面之间的距离为6cm，在4.0、5.3、7.5以及9.3m/s风速下的风洞试验中，模型风力机输出功率增长率均在5％以上。
实施例3：
按照本发明上述的设计方案，在图5至6或图7基础上，结合图8，采用圆弧式多孔导流板替代直板式多孔导流板，导流板关于风力机转轴中心线对称布置，风力机风轮中心点在地面上的垂直投影点和导流板一端形成的连线与风力机旋转平面之间的夹角α为0～60度。
根据实际情况，在根据本发明的另一个具体实施中，直接在风力机前面种植适宜高度、枝干结实的树木(如松树等)，实现资源开发和植被绿化双赢。
在具体的实施过程中，多孔导流板的厚度、材料，支架的材料，基座的宽度、材料等，可根据实际情况而定。
本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多孔型风力机增能装置，其特征在于，包括有均匀分布孔洞(5)的多孔导流板(1)、基座(2)和设置在多孔导流板(1)与基座(2)之间用于缓冲或限制多孔导流板(1)左右转动的阻尼限位装置(4)；
所述多孔导流板(1)的中心设有主轴(6)，所述多孔导流板(1)通过主轴(6)及滚动轴承(7)与基座(2)相连接；
所述阻尼限位装置(4)包括阻尼限位装置本体(4-1)、多个挡板(9)和布置在相邻挡板(9)之间的弹簧(8)；
所述挡板(9)沿圆周方向均匀布置在主轴(6)及阻尼限位装置本体(4-1)上；
所述多孔导流板(1)的高度与风力机轮毂高度的比值为0.05～0.35，且低于风力机下叶尖高度；
所述基座(2)为刚性结构，分为移动式和固定式，所述固定式为基座(2)通过地基、柱销或螺栓固定在地表，所述移动式为通过万向轮(10)作为支撑沿地面移动或转动；
布置在所述主轴(6)上的挡板(9)与布置在阻尼限位装置本体(4-1)上的挡板(9)交错布置，且所述弹簧(8)设置在相邻的主轴(6)上的挡板(9)与阻尼限位装置本体(4-1)上的挡板(9)之间。
2.根据权利要求1所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔导流板(1)为等厚度或上薄下厚结构，与厚度方向垂直的截面为矩形或梯形；所述多孔导流板(1)的长度与风力机直径的比值为0.9～2.0。
3.根据权利要求1所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述基座(2)中心位置的切线方向和风力机的旋转平面平行，所述基座的长度与多孔导流板(1)长度的比值为0.6～1.05；所述基座(2)的中心位置与风力机旋转平面之间的距离为多孔导流板(1)高度的0～7倍，当数值为0时，所述多孔导流板(1)处于风力机正下方。
4.根据权利要求1所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔导流板(1)采用直板或圆弧形式，当采用圆弧形式时对应的半径大于或等于多孔导流板(1)与风力机旋转平面之间的距离，且风力机风轮中心点在地面上的垂直投影点和多孔导流板(1)侧边形成的连线与风力机旋转平面之间的夹角为0～60度。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔型风力机增能装置安装在风力机迎风面，与地面垂直，且沿风力机旋转中心线对称。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔导流板(1)的两侧安装有作为辅助支撑的支架(3)，所述支架(3)的数量大于或等于2个，所述支架(3)的根部设有随多孔导流板(1)运动的万向轮(10)。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔导流板(1)和基座(2)可通过锁死装置相对静止，所述锁死装置采用的是圆柱销或螺栓。
8.根据权利要求1至4任意一项所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述多孔导流板(1)的孔隙度为5％～35％；所述孔洞(5)的形状为蜂窝形、圆形或矩形。
9.根据权利要求1至4任意一项所述的多孔型风力机增能装置，其特征在于，所述主轴(6)上的挡板(9)与阻尼限位装置本体(4-1)上的挡板(9)数量相等且均大于或等于2；所述弹簧(8)的数量为大于等于4的偶数。
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