CN113446148A - 一种集成式风力发电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式风力发电机系统，涉及风力发电技术领域，包括集成有定子的中心立柱和集成有转子的叶轮，所述叶轮可转动地套设于所述中心立柱的周侧，所述叶轮的周侧设有多个叶片，所述叶轮设有一个或多个；当设有多个所述叶轮时，所述集成式风力发电机系统还包括整流格栅，每两个相邻叶轮之间设置一个所述整流格栅，所述整流格栅用于引导吹过前一叶轮的气流冲击后一叶轮，相邻叶轮的叶片反向设置以使相邻叶轮在风力作用下反向转动。本发明的集成式风力发电机系统，可由多组独立发电机组成，其可与集风式发电系统配套使用，提高系统运行效率。

Description

一种集成式风力发电机系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种集成式风力发电机系统。

背景技术

风力发电是无碳发电的一种，随着技术进步，风电的度电成本已经接近化石能源发电或更加低廉，是目前发展的重要方向之一。通常情况下，风力发电在电力系统中的主力风机是三叶片(开放式)的风力发电机，它以性价比高独占鳌头，是不可替代的主力军。随着风电、光伏发电在电网中的比例越来越高，对电网的安全稳定运行提出了极大的挑战和考验。特别是中国的风力和光伏发电资源都集中在经济不发达的地区，需要将大量的清洁电力输送到千里之外的经济发达地区，不仅造成了远距离输的线损；也为安全输送造成了极大的隐患(一旦一条输送通道出现故障，大量的电力就无法送出，会对电网造成极大的冲击和破环)。大力发展靠近负荷中心的分散式风力发电是有效解决上述问题的方案。但是有许多地方不适合安装大型风力发电机，有些山区道路条件不容许设备和施工机械的运输；另外，有许多地方的风力资源条件比较差(平均风速低于4米每秒)无法安装大风力发电机，但是这些地方为了碳达峰，迫切需要大力开发风力发电。

为了满足这种迫切的市场需求，一种能克服这些问题的风力发电机系统被发明。这种发电系统的特点是通过一定的装置将随意流动的风收集起来进行发电，将常规的三叶片风力发电机的“捕风设施及发电机”设立在高空，分解成“捕风在空中，但发电部分安置在地面”的形式。这种设置的优点在于，简化了支撑大型悬臂式叶轮的系统，也减少了变桨系统，大大地节约了成本。另外，将发电机安置在地面，不仅减少了支撑发电机在高空的塔筒的成本，也减少了偏航系统的成本。但是，三叶片风能(叶轮捕获的风能)的转化率低于50％。从安全角度将，这种系统没有倒塔，断叶片及坠落的安全隐患；最重要的是没有了叶轮发出的低频噪声(该噪声对人畜有害)。可以在人员密集的区域设置，因此，使用范围极其广泛。另外，这种系统也可以设置在西北高风速地区。由于它可以利用低空较低风速的空间，在大风机下方的空间进行发电，能极大的提高风场的发电能力。

发明内容

为此，本发明提供一种集成式风力发电机系统，与集风式发电系统配套使用，提高运行效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种集成式风力发电机系统，包括集成有定子的中心立柱和集成有转子的叶轮，所述叶轮可转动地套设于所述中心立柱的周侧，所述叶轮的周侧设有多个叶片，所述叶轮设有一个或多个；

当设有多个所述叶轮时，所述集成式风力发电机系统还包括整流格栅，每两个相邻叶轮之间设置一个所述整流格栅，所述整流格栅用于引导吹过前一叶轮的气流冲击后一叶轮，相邻叶轮的叶片反向设置以使相邻叶轮在风力作用下反向转动。

进一步地，所述叶片的进风端至出风端的轮廓线为两条弧形线，分别为内侧的内弧形线和外侧的外弧形线。

进一步地，所述叶片的进风端至出风端的厚度逐渐变薄。

进一步地，所述整流格栅呈环形板状，所述整流格栅套设固定于所述中心立柱。

进一步地，所述整流格栅设有多个通孔型的流道，多个所述流道的整流方向相同。

进一步地，多个所述流道在所述整流格栅上均匀分布。

进一步地，所述流道为条形孔，所述条形孔的长度方向沿所述整流格栅的法线方向设置，所述条形孔的整流方向与所述整流格栅所在平面呈锐角设置；

当所述整流格栅设有多个时，当前一所述整流格栅的所述条形孔与后一所述整流格栅的所述条形孔在相对所述中心立柱周向的位置重合时，前一所述整流格栅的条形孔的朝向与后一所述整流格栅的条形孔的朝向相对于经过所述条形孔的纵面相对称，以使相邻所述整流格栅引导不同风向的风分别反向吹动所述整流格栅后的所述叶轮。

进一步地，后一所述叶轮的所述叶片数量多于前一所述叶轮的所述叶片数量。

进一步地，所述叶轮可单独拆卸地套设于所述中心立柱的周侧。

本发明具有如下优点：

本发明提供的集成式风力发电机系统，其相邻的两个叶轮的转动方向相反，避免了共轴叶轮的转动方向必须一致造成的大量风能损失；吹过前一叶轮的风(叶轮尾部)是湍流状态，但也有很大一部分风的风向与叶片的角度几乎相同，此时吹入后一叶轮，风向与叶片角度基本相同，风能利用率极低，整流格栅的重要作用就是破除叶片尾部的湍流，并将尾部气流整流成稳定气流并沿能够冲击后一叶轮的叶片的角度冲出，而前后两叶轮的叶片方向相反、转动方向相反，克服常规风力发电机前一叶轮尾部气流与后一叶轮的叶片作用力小的缺陷，加之整流格栅的作用，前后叶轮反向转动加之整流格栅破除湍流、整流作用，增大提高风能利用率。后面叶轮的叶片数量依次增加，以增加叶轮的受风面积，以便在风速逐级降低的情况下，保证足够好的发电量。每个叶轮均采用独立支撑，使所述叶轮的重量不作用于中心立柱，避免共轴转子对同心度的高要求，可以降低成本；另外，当其中之一的转子损坏时，可以单独卸下或单独替换，其它部分可以继续工作，降低发电损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本发明具体实施方式提供的一种集成式风力发电机系统的定子和转子的装配示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的集成式风力发电机系统的三组独立发电机的装配示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的集成式风力发电机系统三组独立发电机的各级叶轮的叶片与各级整流格栅的流道的方向示意图。

图中：1-定子，2-转子，3-叶轮，4-叶片，5-一级叶轮，6-一级整流格栅，7-二级叶轮，8-二级整流格栅，9-三级叶轮，10-流道，11-中心立柱，12-气道，13-空气压力流。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做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。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-3所示，一种集成式风力发电机系统，包括集成有定子1的中心立柱11和集成有转子2的叶轮3。

中心立柱11内集成有永磁体，或中心立柱11采用永磁体制成，从而可作为定子1使用。中心立柱11内也可集成有线圈以做定子1使用。

叶轮3集成有线圈，对应集成有永磁体或采用永磁体制成的中心立柱11使用；叶轮3也可以集成有永磁体或采用永磁体制成，对应集成有线圈的中心立柱11使用。叶轮3可转动地且可单独拆卸地套设于中心立柱11的周侧。叶轮3的周侧设有多个叶片4，叶片4的尺寸不大，一般采用最高效的叶型，例如叶片4的进风端至出风端的轮廓线为两条弧形线，分别为内侧的内弧形线和外侧的外外弧形线，且叶片4的进风端至出风端的厚度逐渐变薄，甚至在叶片4内还设有空型腔以降低叶片4质量。

叶轮3可仅设一个，也可设置多个。当设有多个叶轮3时，每两个相邻叶轮3之间设置一个整流格栅，整流格栅用于引导吹过前一叶轮3的气流冲击后一叶轮3，相邻叶轮3的叶片4反向设置以使相邻叶轮3在风力作用下反向转动，后一叶轮的叶片数量多于前一叶轮的叶片数量。

整流格栅呈环形板状，整流格栅套设固定于中心立柱11。整流格栅设有多个通孔型的流道10，多个流道10的整流方向相同，多个流道10在整流格栅上均匀分布。流道10为条形孔，条形孔的长度方向沿整流格栅的法线方向设置，条形孔的整流方向与整流格栅所在平面呈锐角设置。若整流格栅设有多个，即叶轮3设有至少三个，此时有两个整流格栅，当前一整流格栅的条形孔与后一整流格栅的条形孔在相对中心立柱11周向的位置重合时，前一整流格栅的条形孔的朝向与后一整流格栅的条形孔的朝向相对于经过条形孔的纵面相对称，以使相邻整流格栅引导不同风向的风分别反向吹动整流格栅后的叶轮。

中心立柱11做定子1共用，叶轮3做转子2与中心立柱11配合使用，每个叶轮3与共用的中心立柱11均为一个独立的发电机，叶轮3转动时与设置在中央的做定子1的中心立柱11相互作用而发电。参照图2，以三组独立发电机为例，压力空气流13在气道12中流动，经过多个叶轮及整流格栅后流出；具体的，中心立柱11外沿长度方向依次设置一级叶轮5、一级整流格栅6、二级叶轮7、二级整流格栅8和三级叶轮9；其中，一级叶轮5和三级叶轮9转向相同，二级叶轮7与一级叶轮5、三级叶轮9的转向相反，且三级叶轮的叶片数量最多，一级叶轮的叶片数量最少；风吹入一级叶轮5，推动一级叶轮5转动从而发电；从一级叶轮5出来的风呈湍流状，被一级整流格栅6将湍流态加以破除，并引导气流沿统一方向流出；从一级整流隔栅喷出的气流再次冲击二级叶轮7，二级叶轮7发生转动从而发电，它的转动方向与一级叶轮5的转动方向相反；从二级叶轮7出来的风呈湍流状，被二级整流格栅8将湍流态加以破除，并引导气流沿统一方向流出；从二级整流隔栅喷出的气流再次冲击三级叶轮9，三级叶轮9发生转动从而发电，它的转动方向与二级叶轮7的转动方向相反。这种组合可以根据需要一直设置下去，极大的提高风能的利用率。经测试，三组及以上独立发电机的形式，能将收集的风能的转化率提升到87.5％以上。

相邻的两个叶轮3的转动方向相反，避免了共轴叶轮3的转动方向必须一致造成的大量风能损失；吹过前一叶轮的风(叶轮尾部)是湍流状态，但也有很大一部分风的风向与叶片的角度几乎相同，此时吹入后一叶轮，风向与叶片角度基本相同，风能利用率极低，整流格栅的重要作用就是破除叶片尾部的湍流，并将尾部气流整流成稳定气流并沿能够冲击后一叶轮的叶片的角度冲出，而前后两叶轮的叶片方向相反、转动方向相反，克服常规风力发电机前一叶轮尾部气流与后一叶轮的叶片作用力小的缺陷，加之整流格栅的作用，前后叶轮反向转动加之整流格栅破除湍流、整流作用，增大提高风能利用率。后面叶轮的叶片数量依次增加，以增加叶轮的受风面积，以便在风速逐级降低的情况下，保证足够好的发电量。每个叶轮3均采用独立支撑，使叶轮3的重量不作用于中心立柱11，避免共轴转子2对同心度的高要求，可以降低成本；另外，当其中之一的转子2损坏时，可以单独卸下或单独替换，其它部分可以继续工作，降低发电损失。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种集成式风力发电机系统，其特征在于，包括集成有定子的中心立柱和集成有转子的叶轮，所述叶轮可转动地套设于所述中心立柱的周侧，所述叶轮的周侧设有多个叶片，所述叶轮设有一个或多个；

当设有多个所述叶轮时，相邻叶轮的叶片反向设置，相邻叶轮之间均设置一个整流格栅，所述整流格栅用于引导吹过前一叶轮的气流冲击后一叶轮，以使相邻叶轮在风力作用下反向转动。

2.根据权利要求1所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，所述叶片的进风端至出风端的轮廓线为两条弧形线，分别为内侧的内弧形线和外侧的外弧形线。

3.根据权利要求2所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，所述叶片的进风端至出风端的厚度逐渐变薄。

4.根据权利要求1所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，所述整流格栅呈环形板状，所述整流格栅套设固定于所述中心立柱上。

5.根据权利要求4所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，所述整流格栅设有多个通孔型的流道，多个所述流道的整流方向相同。

6.根据权利要求5所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，多个所述流道在所述整流格栅上均匀分布。

7.根据权利要求5或6所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，所述流道为条形孔，所述条形孔的长度方向沿所述整流格栅的法线方向设置，所述条形孔的整流方向与所述整流格栅所在平面呈锐角设置；

若所述整理格栅设有多个，当前一所述整流格栅的所述条形孔与后一所述整流格栅的所述条形孔在相对所述中心立柱周向的位置重合时，前一所述整流格栅的条形孔的朝向与后一所述整流格栅的条形孔的朝向相对于经过所述条形孔的纵面相对称，以使相邻所述整流格栅引导不同风向的风分别反向吹动所述整流格栅后的所述叶轮。

8.根据权利要求1所述的集成式风力发电机系统，其特征在于，后一所述叶轮的所述叶片数量多于前一所述叶轮的所述叶片数量。

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