CN110296050A - 一种风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种风力发电装置，属于发电设备技术领域，本发明的装置包括：风车组件，风车组件包括：转轴，第一驱动组件，用于驱动转轴旋转，第一驱动组件安装于转轴端部，第二驱动组件，用于驱动转轴旋转，第二驱动组件沿转轴轴线安装于转轴上，其中，第一驱动组件包括与转轴端部连接且同轴的转盘，转盘的环绕连接有连接杆，连接杆轴线与转轴轴线垂直，连接杆上连接有第一叶片，第一叶片具有与连接杆装配的第一装配孔，第一叶片一侧面具有弧形凹面。本发明，采用多级导风，使风向沿预定方向流动并增加风力，扩大风能捕获，有效提高单机发电能力，装置整体稳定性、安全性高。

Description

一种风力发电装置
技术领域
本发明属于发电设备技术领域，具体涉及一种风力发电装置。
背景技术
风力发电正在世界上形成一股热潮，风力发电在芬兰、丹麦等国家风力发电很流行，我国也在西部地区大力提倡。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种特别好的发电方式。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
随着风力发电技术的不断成熟和发电成本的不断降低，风力发电已成为人类消耗电能中最主要来源之一。目前针对风力发电机组的主要研发方向是提高单机装机功率，通过增大风力发电机组的叶片长度，增加扫风面积，提供单机发电能力。然而，随着功率的进一步增大，叶片的直径和重量也相应地不断增加，风力发电机组的自身重量也将会大幅度增加，从而，导致各部件的制造难度和整机安装难度大幅度提高，使得风力发电机组进一步增大的潜力受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电装置，采用多级导风，使风向沿预定方向流动并增加风力，扩大风能捕获，有效提高单机发电能力，装置整体稳定性、安全性高。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：一种风力发电装置，包括：风车组件，风车组件包括：
转轴，
第一驱动组件，用于驱动转轴旋转，第一驱动组件安装于转轴端部，
第二驱动组件，用于驱动转轴旋转，第二驱动组件沿转轴轴线安装于转轴上，
其中，第一驱动组件包括与转轴端部连接且同轴的转盘，转盘的环绕连接有连接杆，连接杆轴线与转轴轴线垂直，连接杆上连接有第一叶片，第一叶片具有与连接杆装配的第一装配孔，第一叶片一侧面具有弧形凹面。
本发明采用第一驱动组件、第二驱动组件来对风能进行捕获，通过第一驱动组件对风能初步捕获使风向沿预定方向流动，同时通过第一叶片有效增加风力，使转轴产生旋转运动，经过引导的风由第二驱动组件进一步捕获，对转轴的旋转速度进一步提高，通过第一驱动组件、第二驱动组件来对风能进行二次捕获来扩大风能的捕获，有效提高单机发电能力，将第一驱动组件和第二驱动组件分别安装在转轴的不同位置降低在捕获风能时产生的扭矩，提高风力发电过程中装置整体的稳定性，采用二次捕获风能的方式无需扩大风力发电机叶片的长度依然具有较高的单机发电效率，可避免现有技术中通过增大风力发电机叶片长度来增加扫风面积导致风力发电机组的安装难度及稳定性降低的问题，进一步的，通过设计第一驱动组件中的第一叶片对风能进行捕获并引导其风向，在第一叶片一侧面设计弧形凹面来降低第一叶片的质量，同时增大第一叶片的捕风面积，这样有益于风车组件在微风环境下实现自启动，并减弱各叶片上的不平衡载荷，来减少第一驱动组件在旋转过程中的转矩波动，提高装置整体稳定性、安全性。
具体的，第一叶片长度方向尺寸H大于宽度方向K尺寸，具有弧形凹面的第一叶片横向截面为钩状。弧形凹面设置于第一叶片的背风面，第一叶片长度方向尺寸H与宽度方向K尺寸比值范围为1.3～2:1。根据风对叶片表面的合力计算公式：式中Cd是叶片阻力系数，S是叶片相对来风向的总面积，U是来风流速；θ是发电机处速度；通过控制第一叶片长度方向尺寸H与宽度方向K尺寸比值来增大叶片的捕风面积S，来使最终合力F增大以此提高风能捕获量，进一步的将第一叶片的横向截面设计成钩状，增大第一叶片的捕风面积，在第一叶片背风面受风作用时对风引流使其在弧形凹面中流动，提高捕风效果，同时使第一叶片的空气动力学特性得到提升，减弱各叶片上的不平衡载荷，来减少第一驱动组件在旋转过程中的转矩波动。
具体的，第二驱动组件安装在第一驱动组件后方，第一叶片的导流方向朝向后方的第二驱动组件。第一驱动组件受风力驱动旋转过程中对风向起引导作用使风呈螺旋气流向后流动，将第二驱动组件设置于第一驱动组件后侧用于对经第一驱动组件形成的螺旋向后的风进行二次捕获，引导风环绕第二驱动组件旋转流动，来驱动第二驱动组件内侧的第二旋转组件产生旋转，以此来提高转轴的旋转速度，实现对转轴旋转速度的增速效果。
具体的，第二驱动组件包括：
限位体，限位体成对、同轴设置在转轴上，限位体对向面具有限位环槽，限位环槽的环心与转轴同轴，
导流叶片，呈折弯状，导流叶片两端部分别与两端的限位环槽面固定连接，导流叶片绕限位环槽的环心环形布设在限位环槽内。
通过设计第二驱动组件对不同风向的风进行捕获，并进一步对第一驱动组件形成的螺旋向后的风进行二次捕获提高风能捕获效果，实现在微风条件下也可以进行风力发电，具体的在每秒三公尺的风速即可进行发电工作，第二驱动组件的捕风原理为：对流经第二驱动组件的的风导流，使其沿导流叶片流入第二驱动组件内，并形成环形风流驱动第二驱动组件的第二叶片旋转，来提高转轴的旋转速度，实现增速效果。
具体的，限位体为圆盘状，限位体采用轴承与转轴连接，限位体、轴承、转轴同轴线设置。通过轴承来实现限位体可绕转轴旋转，这样在面对风力较大的情况时，限位体和导流叶片可绕转轴旋转，以便于风经导流叶片在第二驱动组件内形成环形风流驱动第二叶片旋转，也便于其内部风向外流动。
具体的，第二驱动组件内侧的转轴上装配有第二旋转组件，第二旋转组件包括与转轴固接套接的连接套筒，连接套筒侧面环绕连接第二叶片。通过将连接套筒与转轴固定连接，在第二叶片在受风力驱动情况下，带动转轴旋转，转轴处于旋转状态下时对转轴的旋转速度起到提速效果。
具体的，第二叶片的叶面与转轴轴线垂直，第二叶片为长板状，与连接套筒连接端的宽度小于另一端宽度。通过设定第二叶片首端和末端的宽度比，扩大第二叶片上半部分的面积，增大第二叶片受风力驱动的力，来实现转轴的旋转。
具体的，风车组件的转轴与增速机连接，增速机与发电机连接，风车组件、增速机、发电机均设置在风电塔筒上。通过风力带动风车组件旋转，再通过增速机将旋转速度提升，来使发电机进行发电。
具体的，风电塔筒上、中部各安装有一风车组件，两风车组件的迎风方向相反，通过设置两个风车组件来提高发电效率，同时设定两个风车组件的迎风方向来降低设备在运转状态下旋转扭矩，提高发电装置整体的稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过采用第一驱动组件、第二驱动组件来对风能进行捕获，通过第一驱动组件对风能初步捕获使风向沿预定方向流动，同时通过第一叶片有效增加风力，使转轴产生旋转运动，经过引导的风由第二驱动组件进一步捕获，对转轴的旋转速度进一步提高，通过第一驱动组件、第二驱动组件来对风能进行二次捕获来扩大风能的捕获，有效提高单机发电能力，将第一驱动组件和第二驱动组件分别安装在转轴的不同位置降低在捕获风能时产生的扭矩，提高风力发电过程中装置整体的稳定性，采用二次捕获风能的方式无需扩大风力发电机叶片的长度依然具有较高的单机发电效率，解决了现有技术中通过增大风力发电机叶片长度来增加扫风面积导致风力发电机组的安装难度及稳定性降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施方式的一种风力发电装置框图；
图2是本发明一实施方式的风车组件结构示意图；
图3是本发明一实施方式的转轴与第一驱动组件、第二旋转组件的连接示意图；
图4是本发明一实施方的第一驱动组件与转轴的连接示意图；
图5是本发明一实施方式的第二旋转组件的结构示意图；
图6是本发明一实施方式的第一叶片结构示意图；
图7是本发明一实施方式的第二驱动组件结构示意图；
图8是风在第二驱动组件内的流动示意图；
图9是本发明实施例3中第一叶片的力矩特性曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见图1-8所示，一种风力发电装置，包括：风车组件200，风车组件200包括：
转轴10，
第一驱动组件，用于驱动转轴10旋转，第一驱动组件安装于转轴10端部，
第二驱动组件20，用于驱动转轴10旋转，第二驱动组件20沿转轴10轴线安装于转轴10上，
其中，第一驱动组件包括与转轴10端部连接且同轴的转盘30，转盘30的环绕连接有连接杆31，连接杆31轴线与转轴10轴线垂直，连接杆31上连接有第一叶片40，第一叶片40具有与连接杆31装配的第一装配孔41，第一叶片40一侧面具有弧形凹面42。
本发明采用第一驱动组件、第二驱动组件20来对风能进行捕获，通过第一驱动组件对风能初步捕获使风向沿预定方向流动，同时通过第一叶片40有效增加风力，使转轴10产生旋转运动，经过引导的风由第二驱动组件20进一步捕获，对转轴10的旋转速度进一步提高，通过第一驱动组件、第二驱动组件20来对风能进行二次捕获来扩大风能的捕获，有效提高单机发电能力，将第一驱动组件和第二驱动组件分别安装在转轴10的不同位置降低在捕获风能时产生的扭矩，提高风力发电过程中装置整体的稳定性，采用二次捕获风能的方式无需扩大风力发电机叶片的长度依然具有较高的单机发电效率，可避免现有技术中通过增大风力发电机叶片长度来增加扫风面积导致风力发电机组的安装难度及稳定性降低的问题，进一步的，通过设计第一驱动组件中的第一叶片40对风能进行捕获并引导其风向，在第一叶片40一侧面设计弧形凹面42来降低第一叶片40的质量，同时增大第一叶片40的捕风面积，这样有益于风车组件200在微风环境下实现自启动，并减弱各叶片上的不平衡载荷，来减少第一驱动组件在旋转过程中的转矩波动，提高装置整体稳定性、安全性。
第一叶片40长度方向尺寸H大于宽度方向K尺寸，具有弧形凹面42的第一叶片40横向截面为钩状。弧形凹面42设置于第一叶片40的背风面，第一叶片40长度方向尺寸H与宽度方向K尺寸比值优选为1.5:1。根据风对叶片表面的合力计算公式：式中Cd是叶片阻力系数，S是叶片相对来风向的总面积，U是来风流速；θ是发电机处速度；通过控制第一叶片40长度方向尺寸H与宽度方向K尺寸比值来增大叶片的捕风面积S，来使最终合力F增大以此提高风能捕获量，进一步的将第一叶片40的横向截面设计成钩状，增大第一叶片40的捕风面积，在第一叶片40背风面受风作用时对风引流使其在弧形凹面42中流动，提高捕风效果，同时使第一叶片40的空气动力学特性得到提升，减弱各叶片上的不平衡载荷，来减少第一驱动组件在旋转过程中的转矩波动。
第二驱动组件20安装在第一驱动组件后方，第一叶片40的导流方向朝向后方的第二驱动组件20。第一驱动组件受风力驱动旋转过程中对风向起引导作用使风呈螺旋气流向后流动，将第二驱动组件20设置于第一驱动组件20后侧用于对经第一驱动组件形成的螺旋向后的风进行二次捕获，引导风环绕第二驱动组件20旋转流动，来驱动第二驱动组件20内侧的第二旋转组件50产生旋转，以此来提高转轴10的旋转速度，实现对转轴10旋转速度的增速效果。
第二驱动组件20包括：
限位体21，限位体21成对、同轴设置在转轴10上，限位体21对向面具有限位环槽24，限位环槽24的环心与转轴10同轴，
导流叶片23，呈折弯状，导流叶片23两端部分别与两端的限位环槽24面固定连接，导流叶片23绕限位环槽24的环心环形布设在限位环槽24内。
参见图8所示，通过设计第二驱动组件20对不同风向的风进行捕获，并进一步对第一驱动组件形成的螺旋向后的风进行二次捕获提高风能捕获效果，实现在微风条件下也可以进行风力发电，具体的在每秒三公尺的风速即可进行发电工作，第二驱动组件20的捕风原理为对流经第二驱动组件20的的风导流，使其沿导流叶片23流入第二驱动组件20内，并形成环形风流驱动第二驱动组件50的第二叶片52旋转，来提高转轴10的旋转速度，实现增速效果。
限位体21为圆盘状，限位体21采用轴承22与转轴21连接，限位体21、轴承22、转轴22同轴线设置。通过轴承22来实现限位体21可绕转轴10旋转，这样在面对风力较大的情况时，限位体21和导流叶片23可绕转轴10旋转，以便于风经导流叶片23在第二驱动组件20内形成环形风流驱动第二叶片52旋转，也便于其内部风向外流动。
第二驱动组件20内侧的转轴10上装配有第二旋转组件50，第二旋转组件50包括与转轴10固接套接的连接套筒51，连接套筒52侧面环绕连接第二叶片52。通过将连接套筒51与转轴10固定连接，在第二叶片52在受风力驱动情况下，带动转轴10旋转，转轴10处于旋转状态下时对转轴10的旋转速度起到提速效果。
第二叶片52的叶面与转轴10轴线垂直，第二叶片52为长板状，与连接套筒52连接端的宽度小于另一端宽度。通过设定第二叶片52首端和末端的宽度比，扩大第二叶片52上半部分的面积，增大第二叶片52受风力驱动的力，来实现转轴10的旋转。
风车组件200的转轴100与增速机300连接，增速机300与发电机400连接，风车组件200、增速机300、发电机400均设置在风电塔筒100上。通过风力带动风车组件200旋转，再通过增速机将旋转速度提升，来使发电机400进行发电。
风电塔筒100上、中部各安装有一风车组件200，两风车组件20的迎风方向相反，通过设置两个风车组件200来提高发电效率，同时设定两个风车组件200的迎风方向来降低设备在运转状态下旋转扭矩，提高发电装置整体的稳定性。
实施例2：
本发明的连接杆31为圆柱杆，其环绕设置在转盘30环形侧面上，各连接杆31之间的夹角为60°，当然还可以是120°，但各连接杆31之间的夹角应相等。导流叶片23为折弯板状，折弯角度为75°～135°之间用于实现对风的引流，导流叶片23两端部与限位体21的限位环槽24的槽面之间采用粘接或焊接方式固定连接，第一叶片40通过第一装配孔41与连接杆31为过盈装配，必要时还可进行焊接。
实施例3：
本发明的风力发电装置实际使用时：第一驱动组件受风力驱动产生旋转运动，带动转轴10旋转，再通过增速机将旋转速度提升，来使发电机400进行发电，在风力发电过程中第二驱动组件20对不同风向的风进行捕获，并进一步对第一驱动组件形成的螺旋向后的风进行二次捕获，对流经第二驱动组件20的的风导流，使其沿导流叶片23流入第二驱动组件20内，并形成环形风流驱动第二驱动组件50的第二叶片52旋转，来提高转轴10的旋转速度，实现增速效果。
为测试第一叶片40的受力情况，本发明采用ANSYS Workbench软件中的fluent模块模拟风车组件200的第一叶片40在流场中的受力情况，得到作用于第一叶片40的力矩特性曲线，参见图9所示，测试风速为V＝6m/s。通过tu9可知，力矩幅值的波动较小，无负力矩，表明第一叶片40可有效应对叶片在旋转过程中产生的不平衡载荷，来减少第一驱动组件在旋转过程中的转矩波动。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种风力发电装置，包括：风车组件(200)，其特征在于，所述风车组件(200)包括：
转轴(10)，
第一驱动组件，用于驱动转轴(10)旋转，所述第一驱动组件安装于转轴(10)端部，
第二驱动组件(20)，用于驱动转轴(10)旋转，所述第二驱动组件(20)沿转轴(10)轴线安装于转轴(10)上，
其中，所述第一驱动组件包括与转轴(10)端部连接且同轴的转盘(30)，所述转盘(30)的环绕连接有连接杆(31)，所述连接杆(31)轴线与转轴(10)轴线垂直，所述连接杆(31)上连接有第一叶片(40)，所述第一叶片(40)具有与连接杆(31)装配的第一装配孔(41)，所述第一叶片(40)一侧面具有弧形凹面(42)。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述第一叶片(40)长度方向尺寸(H)大于宽度方向(K)尺寸，具有弧形凹面(42)的第一叶片(40)横向截面为钩状。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述第二驱动组件(20)安装在第一驱动组件后方，所述第一叶片(40)的导流方向朝向后方的第二驱动组件(20)。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述第二驱动组件(20)包括：
限位体(21)，所述限位体(21)成对且同轴设置在转轴(10)上，所述限位体(21)对向面具有限位环槽(24)，所述限位环槽(24)的环心与转轴(10)同轴，
导流叶片(23)，呈折弯状，所述导流叶片(23)两端部分别与两端的限位环槽(24)面固定连接，所述导流叶片(23)绕限位环槽(24)的环心环形布设在限位环槽(24)内。
5.根据权利要求4所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述限位体(21)为圆盘状，所述限位体(21)采用轴承(22)与转轴(21)连接，所述限位体(21)、轴承(22)、转轴(22)同轴线设置。
6.根据权利要求4所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述第二驱动组件(20)内侧的转轴(10)上装配有第二旋转组件(50)，所述第二旋转组件(50)包括与转轴(10)固接套接的连接套筒(51)，所述连接套筒(52)侧面环绕连接第二叶片(52)。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述第二叶片(52)的叶面与转轴(10)轴线垂直，所述第二叶片(52)为长板状，与连接套筒(52)连接端的宽度小于另一端宽度。
8.根据权利要求1所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述风车组件(200)的转轴(100)与增速机(300)连接，所述增速机(300)与发电机(400)连接，所述风车组件(200)、增速机(300)、发电机(400)均设置在风电塔筒(100)上。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电装置，其特征在于：所述风电塔筒(100)上、中部各安装有一风车组件(200)，两风车组件(20)的迎风方向相反。
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