CN117662364A - 一种大气自流风力发电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种大气自流风力发电装置及方法。该装置包括，两端开口的风电塔筒、风斗和涡轮发电机，所述风斗安装在地面上，所述风斗上安装有风电塔筒，所述风斗的侧面安装有若干两端开口的壳体，每个壳体内安装有一个涡轮发电机，壳体的一端连接至风电塔筒内，每个涡轮发电机转子的转子转盘上安装有驱动轴，用于驱动涡轮发电机转子转动，以所述驱动轴为圆心在转子转盘上均匀安装若干个鱼鳃状层叠气囊。

Description

一种大气自流风力发电装置及方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种大气自流风力发电装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

申请号为“2009101048064”的中国专利，公开了一种气流发电系统及方法，该专利需要在气流出口处安装一个无动力抽风装置，从原理上来说是自相矛盾的，因为下面的涡轮机需要的气流被该装置阻挡了，其发电的气流取决于抽风风量，如果是无动力，则需要下面的气流自然推动，相当于风道中的气流既要推动涡轮机，又要推动抽风装置，抽风的装置需要风来推动，从原理上自相矛盾。

申请号为“2018110418074”的中国专利，公开了一种沙漠中的塔式涡轮风力发电综合利用设施及控制方法，其外形结构为倒置漏斗形状，其原理是光伏加热内部空气，锅炉余热也加热内部空气，但漏斗出口直径比例太小，热风风流因口径小而流通不畅，不会产生强大的气流，热气流难以推动涡轮机发电，因此，从原理上分析，该装置是不能发电的，即便能发电也入不敷出。

据研究，很多现有技术通过利用大棚集热，再利用这种热量产生热气流推动涡轮机发电，但这种技术在增加风速、风量方面的作用也很微弱，不足以用于工业发电，投资大，产出低，性价比很低，得不偿失。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种大气自流风力发电装置及方法，本发明提供的大气自流风力发电装置结构简单，维护工作量小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种大气自流风力发电装置。

一种大气自流风力发电装置，包括：两端开口的风电塔筒、风斗和涡轮发电机，所述风斗安装在地面上，所述风斗上安装有风电塔筒，所述风斗的侧面安装有若干两端开口的壳体，每个壳体内安装有一个涡轮发电机，壳体的一端连接至风电塔筒内，每个涡轮发电机转子的转子转盘上安装有驱动轴，用于驱动涡轮发电机转子转动，以所述驱动轴为圆心在转子转盘上均匀安装若干个鱼鳃状层叠气囊。

进一步地，所述壳体左右对称包裹涡轮发电机转子。

进一步地，所述涡轮发电机通过基础底座安装在壳体内部。

进一步地，涡轮发电机定子安装在地面上。

进一步地，所述风斗对接风电塔筒的端口内径大于对接地面的端口内径。

进一步地，所述风电塔筒采用八角钢结构的风电塔筒。

进一步地，所述风电塔筒内衬内胆，所述内胆采用钢板焊接制成，所述内胆的四周密封，两端开放，一端朝向天空，另一端对接风斗。

进一步地，每台所述涡轮发电机的三相交流输出端连接整流器，并以直流正、负母线的方式并联，并将并联后的母线直流依次经DC/AC逆变器和升压变压器后，接入电网。

进一步地，所述风电塔筒的筒高至少500米，内部截面积不低于200平方米。

本发明的第二个方面提供一种大气自流风力发电方法。

一种大气自流风力发电方法，采用第一个方面所述的大气自流风力发电装置，包括：

设置两端开口的风电塔筒，所述通道一端朝向天空，另一端对接风斗；

在风斗的侧面上设置多个壳体；

在壳体内安装涡轮发电机；

通过增加风电塔筒的高度，增大涡轮发电机入口处与风斗间的压差，产生气流推动涡轮发电机的鱼鳃状层叠气囊转动，以驱动涡轮发电机进行发电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的大气自流风力发电装置在原理上利用地球自然存在的大气压差，可不分季节、昼夜，永续发电，结构简单，后期维护工作量小。

鱼鳃状层叠气囊是一种前气囊嵌套到后气囊中，前后气囊有一定间隙，气流进入外罩进风口后立即通过间隙充满气囊，气囊具有涡流作用，增大了风的阻力，阻力即气流的推动力。随着鱼鳃状层叠气囊转子的转动，气流在出风口通过风斗流向高空，这种左右对称鱼鳃状层叠气囊转子，最大程度地利用了气流推力，工程上便于构成中心为驱动圆盘，剖面为菱形外型的超大转子。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明示出的风电塔筒的结构图；

图2是本发明示出的风电塔筒与风斗的结构图；

图3是本发明示出的涡轮发电机转子的结构图；

图4是本发明示出的多台涡轮发电机连接并网示意图；

图5是本发明示出的壳体内安装涡轮发电机的示意图；

图中，1、风电塔筒，2、风电塔筒内丹的上部，3、风斗，4、涡流发电机，5、涡流发电机转子，5-1、转子转盘，5-2、鱼鳃状层叠气囊，5-3、驱动轴，2-1、交流发电机，2-2、整流器，2-3、逆变器，2-4、并网变压器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

高低空大气压差的变化规律是，海拔高度每上升12米，大气压力就降低133帕。如果在地面和高空之间架设一个直通密封的空心高塔，因两端压差的关系，高塔底部将产生强大的吸风气流，高塔就相当于一个微型的飓风眼，因此，利用加高风塔的方式可以制造强大的空气流，强大的气流可以带动空气涡轮机发电。

实施例一

如图1、图2、图3所示，本实施例提供了一种大气自流风力发电装置，包括：两端开口的风电塔筒1、风斗3和涡轮发电机4，所述风斗3安装在地面上，所述风斗3上安装有风电塔筒1，所述风斗3的侧面安装有若干两端开口的壳体，每个壳体内安装有一个涡轮发电机4，壳体的一端连接至风电塔筒1内，每个涡轮发电机转子5的转子转盘5-1上安装有驱动轴5-3，用于驱动涡轮发电机转子转动，以所述驱动轴为圆心在转子转盘上均匀安装若干个鱼鳃状层叠气囊5-2。

在本实施例中，风电塔筒1为内部的横截面积在200平方米以上的八角钢结构高塔，风电塔筒的高度不低于500米。风电塔筒内衬内胆2，内胆采用钢板焊接，内胆四周密封，两端开放，顶端朝向天空，底端与风斗对接。

风斗3采用八角风斗，形状为喇叭口状，上大下小，风斗底部的八个方向均安装一台涡轮发电机。

涡轮发电机4的转子5采用左右对称鱼鳃状层叠气囊5-2，中间为转子转盘5-1，鱼鳃气囊以转子转盘5-1的中心为圆心，均匀层叠地密布于圆盘周围，圆盘中心安装驱动轴，驱动涡轮发电机的转子转动。涡轮发电机外部套设有壳体，壳体左右对称包裹转子，壳体外侧上部设进风口，内侧下部设出风口，出风口对接风斗。壳体安装在基础底座上，涡轮发电机的定子安装在地面基础上。因地表与高空存在着大气差压，涡轮发电机的入风口将产生强大的吸力，气流推动涡轮转子旋转，带动涡轮发电机发电。

如图4所示，交流发电机2-1的励磁电流可根据涡轮发电机的最佳转速而定，以使涡轮发电机一直处于最大出力状态。八台涡轮发电机的三相交流输出首先通过整流器2-2整流成直流DC，以直流正、负母线的方式并联。将八台涡轮发电机并联后的母线直流DC，用直流-交流DC/AC逆变器2-3变换成三相交流电，然后再经升压变压器2-4升压并网。

如图5所示，根据大气压与海拔高度的关系，在3000米以下，每升高12米，大气压减小约1mmHg，约133Pa。因此高塔底部与顶部的差压，简单来说符合以下关系：(H表示高度，单位：米)

高度越高，差压越大，对本实施例来说，即涡轮发电机的入口处与风斗间的压差也就越大。

V₀为无涡斗，只有涡轮截面节流孔时的最大流速，根据经典的流体流量计算公式：

其中，c表示流出系数(无量纲)，d表示涡斗直径，r表示涡斗半径，q_m表示质量流量Kg/s，q_v表示体积流量m³/s，β表示涡斗节流孔直径比，d/D无量纲，D表示高塔直径，此处约等于0。ρ表示流体的密度Kg/m³，

则节流孔流速V₀：

V₀只与高塔两端的差压的有关。

这里，为简便计算，取空气密度ρ＝1.2kg/m³，K＝1.0。

当涡斗处于静止状态，涡斗受力最大，图5中，P1≈P0，涡斗运动时，受力减小。单位面积受力大小为(公开的物体迎风阻力计算公式)：

Wp＝0.5ρ(V₀-V₁)²

涡轮机设计转速15rpm(0.25Hz)，涡斗半径为r，涡轮机半径为3r(涡轮机直径D＝6r)，涡斗中心(受力中心)每秒的运动距离L(1/4中心运动圆的圆弧长度，大小等于速度V₁)：

L＝π·r(V₁＝L)

转动状态的涡斗所受风的压力F：

F＝Wp·S＝0.5ρ(V₀-π·r)²S

其中，S表示单个涡斗的有效面积。

涡斗运动状态的每秒出力(功，G)计算公式为：

G＝F·L＝(Wp·S)·π·r＝Wp·π·r²·π·r＝Wp·π²·r³

G＝0.5ρ(V₀-V₁)²π²r³

其中，F表示力，单位：公斤；r表示涡斗半径，单位：m，米。

考虑到涡轮机效率η小于1，涡轮机实际出力应乘以效率系数η。

如按图2所示，底部安装8台涡轮发电机，高塔高度与整个机组的出力的关系的计算结果如表1所示。

功率是功单位时间的变化，1千瓦(kW)＝102公斤*米/秒。

表1高塔不同高度时的涡轮机出力计算表

每台所述涡轮发电机的三相交流输出端连接整流器，并以直流正、负母线的方式并联，并将并联后的母线直流依次经DC/AC逆变器和升压变压器后，接入电网。

实施例二

本实施例提供了一种大气自流风力发电方法

一种大气自流风力发电方法，采用实施例一所述的大气自流风力发电装置，包括：

设置两端开口的风电塔筒，所述通道一端朝向天空，另一端对接风斗；

在风斗的侧面上设置多个壳体；

在壳体内安装涡轮发电机；

通过增加风电塔筒的高度，增大涡轮发电机入口处与风斗间的压差，产生气流推动涡轮发电机的鱼鳃状层叠气囊转动，以驱动涡轮发电机进行发电。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种大气自流风力发电装置，其特征在于，包括：两端开口的风电塔筒、风斗和涡轮发电机，所述风斗安装在地面上，所述风斗上安装有风电塔筒，所述风斗的侧面安装有若干两端开口的壳体，每个壳体内安装有一个涡轮发电机，壳体的一端连接至风电塔筒内，每个涡轮发电机转子的转子转盘上安装有驱动轴，用于驱动涡轮发电机转子转动，以所述驱动轴为圆心在转子转盘上均匀安装若干个鱼鳃状层叠气囊。

2.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述壳体左右对称包裹涡轮发电机转子。

3.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述涡轮发电机通过基础底座安装在壳体内部。

4.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，涡轮发电机定子安装在地面上。

5.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述风斗对接风电塔筒的端口内径大于对接地面的端口内径。

6.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述风电塔筒采用八角钢结构的风电塔筒。

7.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述风电塔筒内衬内胆，所述内胆采用钢板焊接制成，所述内胆的四周密封，两端开放，一端朝向天空，另一端对接风斗。

8.根据权利要求1所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，每台所述涡轮发电机的三相交流输出端连接整流器，并以直流正、负母线的方式并联，并将并联后的母线直流依次经DC/AC逆变器和升压变压器后，接入电网。

9.根据权利要求1-8任一项所述的大气自流风力发电装置，其特征在于，所述风电塔筒的筒高至少500米，内部截面积不低于200平方米。

10.一种大气自流风力发电方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的大气自流风力发电装置，包括：

设置两端开口的风电塔筒，所述通道一端朝向天空，另一端对接风斗；

在风斗的侧面上设置多个壳体；

在壳体内安装涡轮发电机；

通过增加风电塔筒的高度，增大涡轮发电机入口处与风斗间的压差，产生气流推动涡轮发电机的鱼鳃状层叠气囊转动，以驱动涡轮发电机进行发电。