CN112412695A - 一种基于低速风的风力发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于低速风的风力发电方法，包括以下步骤：安装风力发电装置、安装聚风装置、风能汇聚输送、风能驱动叶轮旋转和发电机发电；本发明在风力发电装置的进风口安装聚风装置，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果，基于狭管效应理论提高进入风力发电装置进风口的低速风的风速，使叶轮的转动更为高效，便于在高层住宅楼顶等低风速区域实现大规模高效发电，避免了传统风力发电方法在低风速环境下无法持续稳定输出电能的问题，一定程度上保证了后端用电设备的供电稳定性，极大程度的满足了低风速区域的风能开发和利用。

Description

一种基于低速风的风力发电方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于低速风的风力发电方法。
背景技术
风能是空气流动所产生的动能，是太阳能的一种转化形式，由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成风，风能是可再生的清洁能源，储量大、分布广，但它的能量密度低，并且不稳定，在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发利用，中国有着丰富的风能资源，但由于经纬度跨越较大，各地区之间的地理环境也各不相同，从而导致风能资源的差异性也较大；
对于风能资源充裕并且风力特征稳定的盛行风向型地区，风能利用难度较小，传统的风力发电方法都可满足其要求，而对于高层住宅楼顶等一些低风且风向不稳定的区域，风力较小时，无法驱动风力发电设备的扇叶转动，而风力若断断续续，也会造成风力发电设备的发电机的电能无法持续、稳定地输出，导致电能产出不稳定，对于后端用电设备也会有供电不稳的问题，所以仅靠传统的风力发电方法则无法满足低风区域风能的开发和利用，因此，本发明提出一种基于低速风的风力发电方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于低速风的风力发电方法，该方法基于狭管效应理论和流量守恒的连续原理，使低速风在聚风装置中进行两次汇聚加速，并转换为高速风，从而高效驱动风力发电机的叶轮旋转，进而实现低风速的风力发电。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于低速风的风力发电方法，包括以下步骤：
步骤一：安装风力发电装置
先将风力发电装置运送至高层住宅楼顶，接着通过膨胀螺栓将风力发电装置安装在高层住宅楼顶，再对安装好的风力发电装置进行功能调试，最后对功能调试完毕后的风力发电装置进行性能检测；
步骤二：安装聚风装置
根据步骤一，先将聚风装置运送到高层住宅楼顶的风力发电装置旁边，接着将聚风装置安装到风力发电装置的进风口上，安装完毕后对聚风装置进行稳定性检测，最后对聚风装置和风力发电装置的连接处进行密封性检测,所述聚风装置的入口直径大于出口的直径，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果；
步骤三：风能汇聚输送
根据步骤二，先启动风力发电装置使其工作，接着通过聚风装置上的集风罩对高层住宅楼顶的低速风进行汇聚，并将汇聚的风传输至聚风装置中的狭管稳定段，此时，根据狭管效应理论，低速风在集风罩内完成初次汇聚加速，成为中速风，接着中速风经狭管稳定段传输至增速段，然后在增速段内导风锥的作用下中速风再次汇聚，并进行二次汇聚加速，成为高速风，基于流量守恒的连续原理，开阔地带上平缓的气流流经狭窄的集风罩时，气流受到强烈的挤压，且由于气流无法堆积，风速得到初次显著增加，再流经更为狭窄的导风锥，风速得到再次增加，最后实现低速风的两次提速，狭管效应中狭管特征综合因素与集风罩入风口风速差间ΔV(m/s)的关系为
Figure BDA0002789129920000031
式中ΔV为狭管效应的风速增值，B为集风罩的入口宽度，L为集风罩的长度，D为集风罩的入口高度；
步骤四：风能驱动叶轮旋转
根据步骤三，所述导风锥将中速风汇聚加速成高速风后将高速风输送至风力发电装置的进风口中，此时，进风口中的叶轮在高速风的高速气流作用下在叶片正反面形成压差，并产生升力驱动叶轮不断横切分流，以实现叶轮旋转；
步骤五：发电机发电
根据步骤四，叶轮旋转后先驱动转子转动，转子再驱动发电机运转发电，接着风力发电装置中的储能装置对发电机产生的电流进行存储，最后风力发电装置中的变压器根据实际需要对储能装置中的电流进行相应变频并将变频后的电流输送至用电设备。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述风力发电装置包括叶轮、转子、发电机、变压器和储能装置，所述叶轮设于风力发电装置的进风口内，所述储能装置分别与发电机和变压器电性连接。
进一步改进在于：所述叶轮周围设有叶片，所述叶片设有八组且等距分布于叶轮周围，所述叶轮通过转子与发电机机械连接。
进一步改进在于：所述步骤二中，所述聚风装置包括集风罩和狭管，所述集风罩固定连接于狭管的进风口，所述狭管内设有导风锥，所述导风锥通过周围均匀分布的导风板与狭管内壁固定连接。
进一步改进在于：所述步骤三中，所述集风罩包括环形骨架和壁面板，所述壁面板与环形骨架匹配且贴合于环形骨架内侧，所述集风罩进风口的直径大于狭管进风口的直径。
进一步改进在于：所述步骤三中，所述狭管包括稳定段和增速段，所述稳定段与集风罩固定连接，所述增速段与风力发电装置进风口密封连接，所述导风锥设于增速段内。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述风力发电装置底端设有转向装置，所述转向装置用于在风向改变时驱动风力发电装置进行相应旋转。
本发明的有益效果为：本发明基于狭管效应理论和流量守恒的连续原理，使低速风在聚风装置中进行两次汇聚加速，并转换为高速风，从而高效驱动风力发电机的叶轮旋转，进而实现低风速的风力发电，本发明通过在风力发电装置的进风口安装聚风装置，所述聚风装置的入口直径大于出口的直径，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果，基于狭管效应理论提高了进入风力发电装置进风口的低速风的风速，从而提高了低风速区域的风能利用率，便于在高层住宅楼顶等低风速区域实现大规模高效发电，避免了传统风力发电方法在低风速环境下无法持续稳定输出电能的问题，一定程度上保证了后端用电设备的供电稳定性，极大程度的满足了低风速区域的风能开发和利用，且本发明的风力发电方法流程简单明了，易于操作，制得推广和应用。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的狭管效应示意图。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1，本实施例提供了一种基于低速风的风力发电方法，包括以下步骤：
步骤一：安装风力发电装置
先将风力发电装置运送至高层住宅楼顶，接着通过膨胀螺栓将风力发电装置安装在高层住宅楼顶，再对安装好的风力发电装置进行功能调试，最后对功能调试完毕后的风力发电装置进行性能检测，所述风力发电装置包括叶轮、转子、发电机、变压器和储能装置，所述叶轮设于风力发电装置的进风口内，所述储能装置分别与发电机和变压器电性连接，所述叶轮周围设有叶片，所述叶片设有八组且等距分布于叶轮周围，所述叶轮通过转子与发电机机械连接，所述风力发电装置底端设有转向装置，所述转向装置用于在风向改变时驱动风力发电装置进行相应旋转；
步骤二：安装聚风装置
根据步骤一，先将聚风装置运送到高层住宅楼顶的风力发电装置旁边，接着将聚风装置安装到风力发电装置的进风口上，安装完毕后对聚风装置进行稳定性检测，所述聚风装置的入口直径大于出口的直径，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果，最后对聚风装置和风力发电装置的连接处进行密封性检测，所述聚风装置包括集风罩和狭管，所述集风罩固定连接于狭管的进风口，所述狭管内设有导风锥，所述导风锥通过周围均匀分布的导风板与狭管内壁固定连接；
步骤三：风能汇聚输送
根据步骤二，先启动风力发电装置使其工作，接着通过聚风装置上的集风罩对高层住宅楼顶的低速风进行汇聚，并将汇聚的风传输至聚风装置中的狭管稳定段，此时，根据狭管效应理论，低速风在集风罩内完成初次汇聚加速，成为中速风，接着中速风经狭管稳定段传输至增速段，然后在增速段内导风锥的作用下中速风再次汇聚，并进行二次汇聚加速，成为高速风，基于流量守恒的连续原理，开阔地带上平缓的气流流经狭窄的集风罩时，气流受到强烈的挤压，且由于气流无法堆积，风速得到初次显著增加，再流经更为狭窄的导风锥，风速得到再次增加，最后实现低速风的两次提速，狭管效应中狭管特征综合因素与集风罩入风口风速差间ΔV(m/s)的关系为
Figure BDA0002789129920000081
式中ΔV为狭管效应的风速增值，B为集风罩的入口宽度，L为集风罩的长度，D为集风罩的入口高度，所述集风罩包括环形骨架和壁面板，所述壁面板与环形骨架匹配且贴合于环形骨架内侧，所述集风罩进风口的直径大于狭管进风口的直径，所述狭管包括稳定段和增速段，所述稳定段与集风罩固定连接，所述增速段与风力发电装置进风口密封连接，所述导风锥设于增速段内；
步骤四：风能驱动叶轮旋转
根据步骤三，所述导风锥将中速风汇聚加速成高速风后将高速风输送至风力发电装置的进风口中，此时，进风口中的叶轮在高速风的高速气流作用下在叶片正反面形成压差，并产生升力驱动叶轮不断横切分流，以实现叶轮旋转；
步骤五：发电机发电
根据步骤四，叶轮旋转后先驱动转子转动，转子再驱动发电机运转发电，接着风力发电装置中的储能装置对发电机产生的电流进行存储，最后风力发电装置中的变压器根据实际需要对储能装置中的电流进行相应变频并将变频后的电流输送至用电设备。
如图2所示，低风速区域的低速风气流进入截面突然减小的通道受到挤压作用，于是在通道中加速，狭管特征综合因素与集风罩入风口风速差间ΔV(m/s)的关系为
Figure BDA0002789129920000091
式中ΔV为狭管效应的风速增值，B为集风罩的入口宽度，L为集风罩的长度，D为集风罩的入口高度。
该基于低速风的风力发电方法基于狭管效应理论和流量守恒的连续原理，使低速风在聚风装置中进行两次汇聚加速，并转换为高速风，从而高效驱动风力发电机的叶轮旋转，进而实现低风速的风力发电，本发明通过在风力发电装置的进风口安装聚风装置，所述聚风装置的入口直径大于出口的直径，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果，基于狭管效应理论提高了进入风力发电装置进风口的低速风的风速，从而提高了低风速区域的风能利用率，便于在高层住宅楼顶等低风速区域实现大规模高效发电，避免了传统风力发电方法在低风速环境下无法持续稳定输出电能的问题，一定程度上保证了后端用电设备的供电稳定性，极大程度的满足了低风速区域的风能开发和利用，且本发明的风力发电方法流程简单明了，易于操作，制得推广和应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：安装风力发电装置
先将风力发电装置运送至高层住宅楼顶，接着通过膨胀螺栓将风力发电装置安装在高层住宅楼顶，再对安装好的风力发电装置进行功能调试，最后对功能调试完毕后的风力发电装置进行性能检测；
步骤二：安装聚风装置
根据步骤一，先将聚风装置运送到高层住宅楼顶的风力发电装置旁边，接着将聚风装置安装到风力发电装置的进风口上，安装完毕后对聚风装置进行稳定性检测，最后对聚风装置和风力发电装置的连接处进行密封性检测,所述聚风装置的入口直径大于出口的直径，根据伯努利定理，在流体的无黏无热传导的定常运动中，单位质量流体的总能量沿同一条流线维持不变，导致低速风在聚风装置中的流速增大，实现提高风能的效果；
步骤三：风能汇聚输送
根据步骤二，先启动风力发电装置使其工作，接着通过聚风装置上的集风罩对高层住宅楼顶的低速风进行汇聚，并将汇聚的风传输至聚风装置中的狭管稳定段，此时，根据狭管效应理论，低速风在集风罩内完成初次汇聚加速，成为中速风，接着中速风经狭管稳定段传输至增速段，然后在增速段内导风锥的作用下中速风再次汇聚，并进行二次汇聚加速，成为高速风，基于流量守恒的连续原理，开阔地带上平缓的气流流经狭窄的集风罩时，气流受到强烈的挤压，且由于气流无法堆积，风速得到初次显著增加，再流经更为狭窄的导风锥，风速得到再次增加，最后实现低速风的两次提速，狭管效应中狭管特征综合因素与集风罩入风口风速差间ΔV(m/s)的关系为
Figure FDA0002789129910000021
式中ΔV为狭管效应的风速增值，B为集风罩的入口宽度，L为集风罩的长度，D为集风罩的入口高度；
步骤四：风能驱动叶轮旋转
根据步骤三，所述导风锥将中速风汇聚加速成高速风后将高速风输送至风力发电装置的进风口中，此时，进风口中的叶轮在高速风的高速气流作用下在叶片正反面形成压差，并产生升力驱动叶轮不断横切分流，以实现叶轮旋转；
步骤五：发电机发电
根据步骤四，叶轮旋转后先驱动转子转动，转子再驱动发电机运转发电，接着风力发电装置中的储能装置对发电机产生的电流进行存储，最后风力发电装置中的变压器根据实际需要对储能装置中的电流进行相应变频并将变频后的电流输送至用电设备。
2.根据权利要求1所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述步骤一中，所述风力发电装置包括叶轮、转子、发电机、变压器和储能装置，所述叶轮设于风力发电装置的进风口内，所述储能装置分别与发电机和变压器电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述叶轮周围设有叶片，所述叶片设有八组且等距分布于叶轮周围，所述叶轮通过转子与发电机机械连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述步骤二中，所述聚风装置包括集风罩和狭管，所述集风罩固定连接于狭管的进风口，所述狭管内设有导风锥，所述导风锥通过周围均匀分布的导风板与狭管内壁固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述步骤三中，所述集风罩包括环形骨架和壁面板，所述壁面板与环形骨架匹配且贴合于环形骨架内侧，所述集风罩进风口的直径大于狭管进风口的直径。
6.根据权利要求1所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述步骤三中，所述狭管包括稳定段和增速段，所述稳定段与集风罩固定连接，所述增速段与风力发电装置进风口密封连接，所述导风锥设于增速段内。
7.根据权利要求1所述的一种基于低速风的风力发电方法，其特征在于：所述步骤一中，所述风力发电装置底端设有转向装置，所述转向装置用于在风向改变时驱动风力发电装置进行相应旋转。
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