CN113638846B - 微风聚能风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微风聚能风力发电装置，解决了如何利用微风全天候持续稳定地进行风力发电的难题；包括具有聚风功能的圆桶形罩体底座（1）和拔风筒体（2），在圆桶形罩体底座（1）的顶端面上，设置有拔风筒体连通孔（3），在拔风筒体连通孔（3）上连接有拔风筒体（2），在圆桶形罩体底座（1）内的底端面中央处，设置有圆锥状引流凸起（4），在圆柱形罩体底座的外圆侧立面上，等间隔弧度地设置有微风导入叶片（5），圆锥状引流凸起（4）的顶端高于圆柱状聚风罩底座的顶端面；拔风筒体为中部细上下两端粗的筒体，在拔风筒体的中部细腰内，沿竖直向下方向迎风设置有风力发电机叶片机构（6）；实现了全天候的微风风力发电。

Description

微风聚能风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，特别涉及一种具有聚能拔风作用的风力发电装置，该装置可将微风的风速加速到可发电的额定风速。

背景技术

大型风电场通常布设在风资源较集中的地区，一般风力发电所需的额定风速为10米/每秒钟，最低的发电风速也需达到4米/每秒钟，在风电技术领域，通常认为：风速低于3米/每秒钟的微风，为不可利用的发电风能；地球上不可利用的风能占整个风能资源的70%左右，近年来，出现了一些利用微风发电的研究实验项目，例如：利用文丘里原理设置聚风筒，进行聚风发电的项目，该项目是将微风从文丘里聚风筒的上端大口引入到聚风筒中，通过聚风筒的筒口直径的变化，使微风加速，用加速后的风，来驱动风力发电机进行发电；该技术方案主要利用了空气从势能到动能的转换原理，存在微风加速不明显，加速后的风不可持续，聚风效果差等缺陷，存在无法利用微风进行持续地发电的问题；又例如：专利号为2008100621868，名称为“一种新型太阳能热气流风力发电方法”的专利文献，公开了一种利用风筒底部热空气上升，产生拔风效应的风力发电装置，该装置主要是利用太阳能，将风筒底部空气加热室内的空气加热，被加热的空气产生热气流，热气流高速上升后，驱动筒中涡轮旋转，从而实现热气流推动风机叶轮旋转而发电；这种热气流发电方法存在以下问题：（1）在夜晚和阴天时，由于没有阳光照射，无法产生热气流，存在无法实现热气流风力的持续稳定的发电缺陷；（2）它的风筒为锥形，在筒顶出口上设置有齿轮箱支架和齿轮箱，其风筒没有拔风效果，特别是风筒出口处，基本被齿轮箱所覆盖，使热气流不能顺畅地排出，严重影响到了筒内热气流的加速；（3）该方案的风筒底端连接的太阳能加热室的圆柱形侧立面上均布有进风口，通过这些进风口，进入到圆锥状太阳能加热室的风，在加热室中，乃直在上升的过程中，容易形成涡流，阻碍上升热气流的形成，并严重影响到了发电机涡轮叶片处风场的均匀性，导致微风发电的贡献率很低，另外，沿圆柱形侧立面布设的，处于同一水平面上的进风口，也容易发生风从一端进入从另一端吹出的现象，导致风能的损失；如何利用微风，全天候持续稳定地进行风力发电，并大幅提升单位时间的风电发电量，已成为微风风力发电领域的一个急需要解决的难题。

发明内容

本发明提供了一种微风聚能风力发电装置，解决了如何利用微风全天候持续稳定地进行风力发电的技术难题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

本发明的总体构思是：设置具有聚风功能的圆桶形罩体底座，在圆桶形罩体底座四周的圆周外立面上，间隔地设置微风导入叶片，相邻的两微风导入叶片，组成微风导入引气流口，将外部微风，沿风向导入到圆桶形罩体底座内的中心位置，在圆桶形罩体底座内的底端面上，设置有圆锥状引流凸起，经导入叶片进入罩体底座内的微风，沿圆锥状引流凸起的流线形外侧面，向上流动，从任意两相邻的微风导入叶片所组成的微风导入引气流口中，进入到圆桶形罩体底座的每一股微风，均是沿向上抛物线的路线方向行进的，从而最大程度地防止进入罩体底座中的各股气流，发生乱流和涡流的现象；另外，将迎风侧的所有微风导入叶片的外侧端的叶片面，设置成与风向平行的方向，将该微风导入叶片的内侧端的叶片面，指向圆桶形罩体底座的中心轴线，在微风导入叶片的内侧端叶片面与微风导入叶片的外侧端叶片面之间，设置有弧形过渡面，使罩体底座外的微风，能顺畅无阻地进入到圆桶形罩体底座中，并沿罩体的垂直中心方向平滑进行改向；本发明的结构起到了，防止了微风在导入叶片上能量的损失，以及进入罩体底座后涡流的产生；实现了微风进入到圆桶形罩体底座时的聚能作用。在圆桶形罩体底座的顶端面上，设置有拔风筒底端口的连接孔，在该拔风筒底端口上，连接有中部细上下两端粗的拔风筒，在拔风筒细腰中，设置有沿竖直向下方向的迎风的风力发电机叶片；在圆柱形罩体底座内的底部中心设置的锥体形引流凸起的正上方，各股向上流动的被导入的微风汇合，继续向上流动到拔风筒中部细腰处时，由于拔风筒细腰的横截面变小，汇合的微风会加速通过该区域，而加速通过的气流，又会在其下方产生负压现象，从而在微风导入引气流口处，产生加速吸入罩外背风处的空气的作用，进一步加大拔风筒中部细腰中气流的流量和流速，从而产生了较大的拔风作用；拔风筒中部细腰以上，设计为比中部细腰处直径略大的扩口形式，以稳定中部细腰中的气流流速；本发明通过cfd流体计算软件进行建模，并对微风经本装置后的速度场进行了计算，形成了速度场云图，本发明以该理论计算结果为依据，创造性地发明了本装置，实现了微风全天候的稳定发电。

一种微风聚能风力发电装置，包括具有聚风功能的圆桶形罩体底座和拔风筒体，在圆桶形罩体底座的顶端面上，设置有拔风筒体连通孔，在拔风筒体连通孔上连接有拔风筒体，在圆桶形罩体底座内的底端面中央处，设置有圆锥状引流凸起，在圆柱形罩体底座的外圆侧立面上，等间隔弧度地设置有微风导入叶片，圆锥状引流凸起的顶端高于圆桶状聚风罩底座的顶端面；拔风筒体为中部细上下两端粗的筒体，在拔风筒体的中部细腰内，沿竖直向下方向迎风设置有风力发电机叶片机构。

微风导入叶片是由外叶片板、中间叶片板和内叶片板组成的，中间叶片板为柔性软板，在外叶片板与内叶片板之间连接有中间叶片板；圆桶形罩体底座的外圆侧立面上的迎风处的微风导入叶片的外叶片板，是沿与风向平行的方向设置的，该微风导入叶片的内叶片板与圆桶形罩体底座的中心轴线，是设置在同一个平面内的；圆桶形罩体底座的外圆侧立面上的背风处的微风导入叶片的外叶片板、中间叶片板和内叶片板，是设置在同一各平面内的，并且该平面与圆桶形罩体底座的中心轴线，是设置在同一个平面内的。

在拔风筒体内，从下向上，依次设置有气流混合增速区间段、气流混合均匀高速区间段和气流排出减速区间段；风力发电机叶片机构是设置在气流混合均匀高速区间段中的。

拔风筒体的筒体侧壁为双曲面形的筒体侧壁，圆锥状引流凸起的外侧立面也为双曲面形的外侧立面；圆桶形罩体底座的中心轴线、圆锥状引流凸起的中心轴线和拔风筒体的中心轴线是重合在一起的；在圆锥状引流凸起的顶端设置有平台面。

拔风筒体的底端口直径D1大于拔风筒体的顶端口直径D3，顶端口直径D3大于拔风筒体的中部细腰处直径D2；当圆桶形罩体底座外侧的自然风的风速为每秒3米时，拔风筒体的中部细腰处的风速为每秒6-8米。

风力发电机叶片机构为风力发电机叶片的组合单元，在同一水平面上的风力发电机叶片的组合单元中设置有风力发电机叶片组合阵列。

在拔风筒体的中部细腰处，沿竖直上下方向，设置有多层风力发电机叶片组合阵列。

风力发电机叶片机构上连接的发电机设置在拔风筒体内，也可设置在拔风筒体外。

在拔风筒体的筒体侧壁上设置有检修门，在检修门外设置有空中检修平台。

圆桶形罩体底座的顶面板为透明的双层钢化玻璃板，在圆桶形罩体底座的罩内底端面和圆锥状引流凸起的外表面上，均设置有吸热材料层。

本发明利用垂直竖立的拔风筒体和拔风筒底部连通的具有聚风功能的圆桶形罩体底座，将不可利用发电的微风导入拔风筒体中，通过对微风的聚能和拔风加速，可在拔风筒细腰部产生可利用发电的风能，推动在拔风筒内设置的风力发电机叶片旋转发电，实现了全天候的微风风力发电，大大提高了风力发电装置的单位小时的发电量；本发明具有组合模块化特点，可根据安装场地和现场需要，进行优化组合。

本发明在对微风聚能的同时，也可将圆桶形罩体底座设计为太阳能空气加热室，在有阳光的条件下，实现对罩内空气的太阳能加热，使罩中产生上升的热气流，当圆柱形罩体底座外侧无风时，被太阳光加热的罩内空气会加速上升，在拔风筒体的细腰部产生加速的热气流，该热气流也可推动风力发电机的叶片旋转发电；另外，圆桶形罩体中的吸热层还会将白天的太阳能所产生的热能吸收，在夜晚时将热量释放出，在夜晚时段对罩内空气进行加热，实现夜晚时段的风力发电。

本发明更多时候是将微风聚能与太阳能对罩内空气加热的聚能叠加在一起，聚风罩中被加热的上升热空气与导入的微风叠加后，会进一步加大对风力发电机旋转叶片的推动力，大幅增加发电量。

附图说明

图1是本发明在主视方向上的结构示意图；

图2是本发明的圆桶形罩体底座1的外圆侧立面上的迎风面处和背风面处的微风导入叶片5在工作状态下的结构示意图；

图3是本发明的圆桶形罩体底座1与圆锥状引流凸起4的配合关系图；

图4是本发明的拔风筒体2中的气流混合增速区间段7、气流混合均匀高速区间段8和气流排出减速区间段9的区间布设示意图；

图5是本发明的风力发电机叶片组合单元的结构示意图；

图6是本发明的立体结构示意图；

图7是对本发明的结构进行数字建模后利用cfd流体计算软件对微风经本装置后的速度场进行计算后，当微风进入罩体27.8秒时，所形成的速度场云图，其中风力较大的白色云团部分在圆锥状引流凸起4外表面处，此时风力约为每秒为0.996米；

图8是对本发明的结构进行数字建模后利用cfd流体计算软件对微风经本装置后的速度场进行计算后，当微风进入罩体85.88秒时，所形成的速度场云图，其中风力较大的白色云团部分已上升到拔风筒体2的细腰处，此时风力约为每秒为7.626米；

图9是对本发明的结构进行数字建模后利用cfd流体计算软件对微风经本装置后的速度场进行计算后，当微风进入罩体111.2秒时，所形成的速度场云图，其中风力较大的白色云团部分已上升到拔风筒体2的细腰及以上处，此时风力约为每秒为6.272米。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种微风聚能风力发电装置，包括具有聚风功能的圆桶形罩体底座1和拔风筒体2，圆桶形罩体底座1为圆柱状空腔封闭型壳体，在圆桶形罩体底座1的顶面上，设置有拔风筒体连通孔3，在拔风筒体连通孔3上连接有拔风筒体2，拔风筒体2为烟囱式筒体，在圆桶形罩体底座1内的底端面中央处，设置有圆锥状引流凸起4，圆锥状引流凸起4为山头形形状，在圆桶形罩体底座1的外圆侧立面上，等间隔弧度地设置有微风导入叶片5，圆柱形罩体底座1上的迎风面180弧度范围内的微风导入叶片5，将微风最大程度地导入到圆桶形罩体底座1中，圆锥状引流凸起4的顶端要高于圆桶状聚风罩底座1顶面一定距离，并且顶部为一平台，使从迎风面导入的微风与背风面吸入的气流不会水平方向交汇，而产生涡流；拔风筒体2为中部细上下两端粗的导风筒体，筒内气流在细腰处会加速上升，对筒底气流产生负压虹吸现象，在拔风筒体2的中部细腰内，设置有沿竖直向下方向的迎风设置的风力发电机叶片机构6；在细腰处的加速均匀气流会推动风力发电机叶片旋转，进行风力发电。

微风导入叶片5是由外叶片板51、中间叶片板52和内叶片板53组成的，中间叶片板52为柔性软板，在外叶片板51与内叶片板53之间连接有中间叶片板52；圆桶形罩体底座1的外圆侧立面上的迎风处的微风导入叶片5的外叶片板51，是沿与风向平行的方向设置的，该微风导入叶片5的内叶片板53与圆桶形罩体底座1的中心轴线O，是设置在同一平面内的；圆桶形罩体底座1的外圆侧立面上的背风处的微风导入叶片5的外叶片板511、中间叶片板522和内叶片板533，是设置在同一平面内的，并且该平面与圆桶形罩体底座1的中心轴线O，是设置在同一个平面内的；圆桶状聚风罩底座1的外圆周侧立面上的两相邻的微风导入叶片，组成了引导微风顺畅进入的进气流口；在迎风面的进气流口上的外叶片板51与风向平行布设，使微风沿外叶片板51的平面表面不受阻的进入，然后在弧形布设的中间叶片板52的引导下改变方向，再沿内叶片板53的平面表面，吹向圆锥状引流凸起4的中心轴线方向，由所对应的圆锥状引流凸起4的外立面曲面引导向上改变方向，进气流口与所对应的圆锥状引流凸起4的曲面，以及拔风筒体2侧壁的双曲面内侧面，为导入的微风提供了一个抛物线形的流线形气流通道，最大程度地避免了微风在此过程中产生涡流和乱流现象，实现了对导入微风的能量损耗最小的聚能作用。

在拔风筒体2内，从下向上，依次设置有气流混合增速区间段7、气流混合均匀高速区间段8和气流排出减速区间段9；风力发电机叶片机构6是设置在气流混合均匀高速区间段8中的；迎风向180弧度范围内的微风，通过迎风向的微风导入叶片进入到圆桶状聚风罩底座1内，并经圆锥状引流凸起4的双曲面导流面，上升到拔风筒体2的筒内细腰处，并加速上升，从而对拔风筒体2底部的圆桶状聚风罩底座1内的空气产生负压作用，从而将圆桶状聚风罩底座1上背风面的微风导流叶片外的空气吸入圆桶状聚风罩底座1中，被动吸入的这部分气流，经背风处的圆锥状引流凸起4的双曲面导流面导流上升，在圆锥状引流凸起4上方的筒体中的气流混合增速区间段7与迎风面导入的气流混合后，继续上升，形成气流混合均匀高速区间段8，在此段气流推动风力发电机叶片机构6作功发电，然后，顺畅地经过气流排出减速区间段9排出到拔风筒体2外。

拔风筒体2的筒体侧壁10为双曲面形的筒体侧壁，圆锥状引流凸起4的外侧立面11也为双曲面形的外侧立面；圆桶形罩体底座1的中心轴线、圆锥状引流凸起4的中心轴线和拔风筒体2的中心轴线是重合在一起的；在圆锥状引流凸起4的顶端设置有平台面12，该平台面12的设置是为了最大程度避免导入的迎风面气流与背风面气流在水平面上相互扰流；拔风筒体2的筒体侧壁10的双曲面与圆锥状引流凸起4的外侧曲面11的双曲面可以彼此平行设置，使从圆桶形罩体底座1的每个进气流口进入到罩内的气流，均可顺畅地通过等宽度通道进入到筒体中的气流混合增速区间段7中，最大程度地防止涡流的产生；本发明通过动态地控制设置迎风处的微风导入叶片5中的外叶片板51、中间叶片板52和内叶片板53，以及背风处的微风导入叶片5中的外叶片板511、中间叶片板522和内叶片板533的姿态，首先实现微风导入本发明装置的微风风力能量的聚能，各微风导入叶片5的布设位置控制，可通过风速及风向传感器的测定信号，并通过控制装置来动态控制各叶片的摆动位置，并进行风向的动态跟随调整；在圆桶形罩体底座1的外圆立面上所设置的微风导入叶片5不可过于密集，以微风导入时风力损耗最小为原则，并兼顾安装现场的场地条件而定。

拔风筒体2的底端口直径D1要大于拔风筒体2的顶端口直径D3，顶端口直径D3要大于拔风筒体2的中部细腰处直径D2；当圆桶形罩体底座1外侧的自然风的风速为每秒3米时，拔风筒体2的中部细腰处的风速为每秒6-8米；拔风筒体2的底端口直径D1与拔风筒体2的中部细腰处直径D2的确定主要以产生最大的拔风力为原则，拔风筒体2的中部细腰处直径D2与拔风筒体2的顶端口直径D3之间的尺寸确定主要以使中部细腰处的风速稳定为原则；本发明附图7、8、9所公开的对本发明的结构进行数字建模后利用cfd流体计算软件对微风经本装置后的速度场进行计算后，所形成的速度场云图，是在以下条件下获得的：即，圆桶形罩体底座1的直径为200米，圆桶形罩体底座1的高度为20米，拔风筒体2的高度为200米，拔风筒体2的底端口直径为100米，拔风筒体2的细腰部直径为35米，拔风筒体2的顶端口直径为50米，进入圆桶形罩体底座1中的外界微风为每秒3米时，建立数字模型，并利用cfd流体计算软件对微风经本装置后的速度场进行计算，所形成的速度场云图；在此尺寸结构下，外界微风的风速为每秒3米时，在拔风筒体2的中部细腰处的风速稳定在每秒6米左右，完全可实现稳定发电；本发明所涉及的装置内风场的核心保护的技术特征在于：将每秒3米或小于每秒3米的自然界的微风，通过本发明的聚风罩和拔风筒体，拔风到可利用发电的风能，基于本发明所披露的结构的建模方式和拔风计算方法所形成的稳定可发电的速度场云图，均属本申请人的知识产权的原创；本发明原创保护的技术方案，并不局限于所公开的实施例的本装置的具体尺寸，任何在拔风筒体2可生成气流混合增速区间段7、气流混合均匀高速区间段8和气流排出减速区间段9的风场的技术方案，均落入本发明保护范围。

风力发电机叶片机构6为风力发电机叶片的组合单元，在同一水平面上的风力发电机叶片的组合单元中设置有风力发电机叶片组合阵列；在拔风筒体2的中部细腰处，沿竖直上下方向，设置有多层风力发电机叶片组合阵列；根据筒体的尺寸，在同一水平面内并列设置多个风力发电机叶片，或多组风力发电机，这些风力发电机叶片组成一个发电单元，此种设计可大幅降低风力发电机组的体积和制作难度，同时，还有利于安装、维护、更换，大幅节约设备的运维成本。

每片风力发电机叶片上连接的发电机可设置在拔风筒体2内，也可设置在拔风筒体2外；在优先考虑筒内风场条件下，结合空中发电机安装难度，确定电机安装位置。

在风力发电机叶片的组合体外侧的筒体侧壁10上设置有检修门，在检修门与风力发电机叶片的组合体之间设置有检修轨道，每层单元上的风力发电机叶片机构6均可通过检修门和检修轨道进行更换；本发明的风机单元可设计成组合装配式，通过检修轨道可将筒内风力发电单元的各组合体，推出到平移到检修门外的空中平台上进行检修和更换。

圆桶形罩体底座1的顶面板14为透明的双层钢化玻璃板，太阳的光照通过透明的钢化玻璃板将圆桶状聚风罩底座1内的空气加热，在圆桶形罩体底座1的罩内底面和锥体形导流凸起4的外表面上均设置有吸热材料层，在吸热材料层上可设置太阳光反光板，以增加对圆桶形罩体底座1内空气的加热速度，提升加热空气的温度；可将本发明的圆桶形罩体底座1作为一个太阳能空气加热室进行研究，增加更多的加热空气的措施和技术手段。

Claims (9)

1.一种微风聚能风力发电装置，包括圆桶形罩体底座（1）和拔风筒体（2），在圆桶形罩体底座（1）的顶端面上，设置有拔风筒体连通孔（3），在拔风筒体连通孔（3）上连接有拔风筒体（2），其特征在于，在圆桶形罩体底座（1）内的底端面中央处，设置有圆锥状引流凸起（4），在圆桶形罩体底座（1）的外圆侧立面上，等间隔弧度地设置有微风导入叶片（5），圆锥状引流凸起（4）的顶端高于圆桶状聚风罩体 底座（1）的顶端面；拔风筒体（2）为中部细，上端和下端粗的筒体，在拔风筒体（2）的中部细腰内，向下迎风设置有风力发电机叶片机构（6）；微风导入叶片（5）是由外叶片板（51）、中间叶片板（52）和内叶片板（53）组成的，中间叶片板（52）为柔性软板，在外叶片板（51）与内叶片板（53）之间，连接有中间叶片板（52）；圆桶形罩体底座（1）的外圆侧立面上的迎风处的微风导入叶片（5）的外叶片板（51），是沿与风向平行的方向设置的，微风导入叶片（5）的内叶片板（53）与圆桶形罩体底座（1）的中心轴线（O），是设置在同一个平面内的；圆桶形罩体底座（1）的外圆侧立面上的背风处的微风导入叶片（5）的外叶片板（51）、中间叶片板（52）和内叶片板（53），是设置在同一个平面内的，并且该平面与圆桶形罩体底座（1）的中心轴线（O），是设置在同一个平面内的。

2.根据权利要求1所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，在拔风筒体（2）内，从下向上，依次设置有气流混合增速区间段（7）、气流混合均匀高速区间段（8）和气流排出减速区间段（9）；风力发电机叶片机构（6）是设置在气流混合均匀高速区间段（8）中的。

3.根据权利要求1所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，拔风筒体（2）的筒体侧壁（10）为双曲面形的筒体侧壁，圆锥状引流凸起（4）的外侧立面（11）也为双曲面形的外侧立面；圆桶形罩体底座（1）的中心轴线（O）、圆锥状引流凸起（4）的中心轴线和拔风筒体（2）的中心轴线，是重合在一起的；在圆锥状引流凸起（4）的顶端设置有平台面（12）。

4.根据权利要求3所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，拔风筒体（2）的底端口直径D1大于拔风筒体（2）的顶端口直径D3，顶端口直径D3大于拔风筒体（2）的中部细腰处直径D2；当圆桶形罩体底座（1）外侧的自然风的风速为每秒钟3米时，拔风筒体（2）的中部细腰处的风速为每秒钟6-8米。

5.根据权利要求4所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，风力发电机叶片机构（6）为风力发电机叶片的组合单元，在同一水平面上的风力发电机叶片的组合单元中设置有风力发电机叶片组合阵列。

6.根据权利要求5所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，在拔风筒体（2）的中部细腰处，沿竖直上下方向，设置有多层风力发电机叶片组合阵列。

7.根据权利要求4或5或6所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，风力发电机叶片机构（6）上连接的发电机设置在拔风筒体（2）内，也可设置在拔风筒体（2）外。

8.根据权利要求4或5或6所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，在拔风筒体（2）的筒体侧壁（10）上设置有检修门，在检修门外设置有空中检修平台（13）。

9.根据权利要求1所述的一种微风聚能风力发电装置，其特征在于，圆桶形罩体底座（1）的顶面板（14）为透明的双层钢化玻璃板，在圆桶形罩体底座（1）的罩内底端面和圆锥状引流凸起（4）的外表面上，均设置有吸热材料层。

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