CN117927410A - 一种适用于屋顶的风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于屋顶的风力发电系统，包括：顶板、底板和侧翼板共同围成的具有迎风口和出风口的外部气流通道；U型管道和风机管道构成的内部气流通道，U型管道具有开口，风机管道内设置有发电机组件；U型管道的深度为w1，开口内径为d1，高度为h1，侧翼板邻近U型管道的端部到远离U型管道的尾部之间的水平距离为d2，满足以下关系：0.25h1≦d1≦0.5h1，0.25h1≦w1≦0.5h1，0.5h1≦d2≦0.75h1。本发明所公开的风力发电系统结构能够改善风速的转换比，进而提高发电效率。

Description

一种适用于屋顶的风力发电系统

技术领域

本公开的实施例一般涉及风力发电技术领域，并且更具体地，涉及一种适用于屋顶的风力发电系统。

背景技术

空气流具有的动能称风能，风能的利用就是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量，如风车、风帆等都是将风能转化为机械能的装置，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。由于电力已成为现代人们生产生活的必需品，利用风力发电机将风能转化成电能成为现代风能的主要利用形式。

风力发电机通过涡轮从风中提取能量，根据贝茨定律，风能所能转换成动能的极限比值为16/27，约为59％，在此极限范围之内，风能转化量直接与空气密度、涡轮扫过的面积和风速的平方成正比。由于空气的质流穿越涡轮扫过的面积，随着风速以及空气的密度而变化，质流与风速呈线性增加，所以对涡轮有效用的风能与风速的立方成正比，风力发电技术的关键点之一就是如何捕获更大的风速，从而提升发电效率。

发明内容

本发明的目的在于提供了提供一种适用于屋顶的风力发电系统，解决目前用于屋顶的风力发电系统通过发电机的风速小，发电效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本公开提供一种适用于屋顶的风力发电系统，包括：外风道组件，包括顶板、底板和连接在所述顶板与所述底板之间的侧翼板，所述顶板、所述底板和所述侧翼板共同围成的具有迎风口和出风口的外部气流通道，所述外部气流通道由所述进风口向所述出风口方向呈扩散式结构；内风道组件，包括相互连通的U型管道和风机管道，所述U型管道和所述风机管道构成内部气流通道，所述侧翼板对称分布在所述U型管道的两侧，所述U型管道具有开口，所述开口位于所述外部气流通道的所述迎风口处，且所述开口的朝向与所述迎风口的朝向相背，所述风机管道具有与所述开口连通的进风口，所述风机管道内设置有发电机组件；其中，所述U型管道的深度为w1，所述U型管道的所述开口内径为d1，所述U型管道的高度为h1，所述侧翼板邻近所述U型管道的端部到远离所述U型管道的尾部之间的水平距离为d2，满足以下关系：0.25h1≦d1≦0.5h1，且0.25h1≦w1≦0.5h1，且0.5h1≦d2≦0.75h1。

在一些实施例中，0.35h1≦d1≦0.4h1，且0.3h1≦w1≦0.4h1，且0.6h1≦d2≦0.7h1。

在一些实施例中，h1＝1.5m～2.5m。

在一些实施例中，h1＝1.75m～2m。

在一些实施例中，所述进风口的朝向与所述迎风口的朝向相同。

在一些实施例中，还包括：基座和回转支撑，所述回转支撑的外圈固定于所述基座，所述U型管道与所述风机管道之间通过过渡管道连连接，所述过渡管道和所述底板均固定在所述回转支撑的内圈，以使所述外风道组件和所述内风道组件能够一起跟随所述内圈相对于所述外圈回转，以调整所述进风口和所述迎风口的朝向。

在一些实施例中，所述风机管道呈圆柱型，所述过渡管道的下端管口与所述风机管道上端管口匹配衔接，所述过渡管道的上个端管口与所述U型管道的下端管道匹配衔接，其中，所述过渡管道的下端管口大于所述过渡管道的上个端管口。

在一些实施例中，所述过渡管道的高度与其下端圆形截面直径D的比值大于1，所述侧翼板的高度L与弦长B的比值大于2。

在一些实施例中，所述侧翼板的截面呈圆头尖尾形，位于圆头的圆形前缘面朝向来风方向，所述侧翼板内表面的弯度大于外表面的弯度。

在一些实施例中，所述侧翼板的弦线与水平风向的夹角α小于15°，所述U形管道的宽度d与所述迎风口的宽度W的比值不小于0.5。

本发明的技术方案至少具有如下技术效果：通过对适用于屋顶的风力发电系统的结构以及各个部件位置、距离的优化，等值外部风速经过外部气流通道时，外部气流引发空气在内部流通道内加速流动时的风速能达到最大化，从而大幅提升发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。提供这些附图是为了便于读者理解所公开的技术，不应将其视为对其广度、范围或适用性的限制。

图1本发明一种适用于屋顶的风力发电系统立体示意图；

图2本发明一种适用于屋顶的风力发电系统前视示意图；

图3为本发明一种适用于屋顶的隐蔽式风力发电系统侧视示意图；

图4是图3中I处的局部放大图；

图5为基座立体示意图；

图6为内风道组件立体示意图；

图7为内风道组件剖视示意图；

图8为过渡管道立体示意图；

图9为过渡管道剖视立体示意图；

图10为侧翼板结构示意图；

图11为侧翼板的分布示意图；

图12为顶板为翼型结构且底板上方增加导流板的侧视图；

图13为U型管道外侧增加导流板的示意图；

图14-图26为不同条件下的通过风机风速的仿真数据图。

图中：100.顶板，101.翼型顶板，102.前缘，103上表面，104下表面，200.侧翼板，204弦线，205.前缘，206.内表面，207.外表面，300.底板，301.导流板，400.U型管道，401.弧面侧，402开口侧，403导流板，500.过渡管道，501.上端面，502.下法兰，503.下端面，600.基座，601.台面，602.回转轨道，603.支架，604.滑块，605.基座法兰，700.回转支承，701.外圈，702.内圈，703螺栓，704.螺栓，800.发电机组件，900.风机管道，901.管道上法兰，902.管道下法兰，110.进风口，111.敞口侧，120.锁定销。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

以下结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。

如图1-12所示，本公开提供一种适用于屋顶的风力发电系统，包括外风道组件和内风道组件。外风道组件包括顶板100、底板300和连接在顶板100与底板300之间的侧翼板200，顶板100、底板300和侧翼板200共同围成的具有迎风口和出风口的外部气流通道，外部气流通道由进风口向出风口方向呈扩散式结构。

内风道组件包括相互连通的U型管道400和风机管道900，U型管道400和风机管道900构成内部气流通道，侧翼板200对称分布在U型管道400的两侧，U型管道具有开口，开口位于外部气流通道的迎风口处，且开口的朝向与迎风口的朝向相背。在一个优选实施例中，该开口沿着U型管道的高度方向延伸，该开口的延伸尺寸可以小于等于U型管道的高度，例如该开口延伸的延伸尺寸为U型管道的高度的一半左右，或者该开口延伸的延伸尺寸约等于U型管道的高度h1。风机管道900具有与开口连通的进风口110，风机管道900内设置有发电机组件800。两个侧翼板200的前缘可以构成外部气流通道的迎风口，迎风口的开口方向朝向来风方向，U型管道的开口方向背离来风方向。迎风口可以是外部气流通道最狭窄窄的喉部位置。当外部风吹过外部气流通道时，在伯努利效应作用下，外部气流引发空气在内部流通道内加速流动，从而为发电机发电提供能量。

其中，如图6和图11所示，U型管道400的深度为w1，U型管道400的开口内径为d1，U型管道400的高度为h1，侧翼板200邻近U型管道400的端部到远离U型管道400的尾部之间的水平距离为d2，满足以下关系：0.25h1≦d1≦0.5h1，0.25h1≦w1≦0.5h1，0.5h1≦d2≦0.75h1。

通过上述参数的优化限制，经过实验验证，等值外部风速经过外部气流通道时，外部气流引发空气在内部流通道内加速流动时的风速能达到最大化，从而大幅提升发电效率。

具体实验数据如下表：

如图14-图26，分别是不同组通过平面分布图和矢量分布图的等值仿真数据分析。

从上表以及对应的仿真图可以看出，外部风速为5m/s工况，在0.25h1≦d1≦0.5h1，且0.25h1≦w1≦0.5h1，且0.5h1≦d2≦0.75h1范围内的第1组、第2组、第3组、第12组、第13组数据中，通过发动机风速均达到了7.7m/s以上，可见在该结构参数设计下，风速的转换比均能达到1.5倍以上，风速明显提升，该结构下的发电效率较高，从而能够获取良好的经济效益。其中，在第12组、第13组数据中通过发动机风速均达到了8.3m/s以上，此时风速的转换比达到1.6倍以上，风速提升显著，因此发电效率较高。更优选的，0.35h1≦d1≦0.4h1，且0.3h1≦w1≦0.4h1，且0.6h1≦d2≦0.7h1。

不在0.25h1≦d1≦0.5h1，或者0.25h1≦w1≦0.5h1，或者0.5h1≦d2≦0.75h1任一范围内的第4组、第5组、第6组、第7组、第8组、第9组数据中，通过发动机风速绝大部分均低于7.3m/s，大多数情况下风速转换比为1.2倍左右，可见风速提升不显著，发电效率较低。

在一些实施例中，h1＝1.5m～2.5m。从上表以及对应的仿真图可以看出，在h1＝1.5m～2.5m范围内的第1组、第2组、第3组、第12组、第13组数据中，通过发动机风速均达到了7.7m/s以上，可见在该结构参数设计下，风速的转换比均能达到1.5倍以上，风速明显提升，该结构下的发电效率较高，从而能够获取良好的经济效益。其中，在第12组、第13组数据中通过发动机风速均达到了8.3m/s以上，此时风速的转换比达到1.6倍以上，风速提升显著，因此发电效率较高。更优选的，h1＝1.75m～2m。

不在h1＝1.5m～2.5m范围内的第10组、第11组数据中，通过发动机风速仅为7.2m/s左右，此时风速转换比为1.2倍左右，可见风速提升不显著，发电效率较低。

在一些实施例中，进风口110的朝向与迎风口的朝向相同。例如都正对来风方向，内部气流通道内同时通过进外部气流以及外部气流引发空气在内部流通道内加速的气流，进一步提高经过风机的风速，提升发电效率。

如图10所示，侧翼板200整体由蒙皮201、肋板202和立柱203构成，蒙皮201的功能是形成流线型的光滑表面；肋板202有若干层，用来支撑蒙皮201以维持侧翼板200的截面形状；立柱203是若干层筋板的串联连接元件，同时，立柱203上、下端分别连接顶板100和底板300。

在一些实施例中，风力发电系统还包括：基座600和回转支撑700，回转支撑700的外圈701固定于基座600，U型管道400与风机管道900之间通过过渡管道500连连接，过渡管道500和底板300均固定在回转支撑700的内圈702，以使外风道组件和内风道组件能够一起跟随内圈702相对于外圈701回转，以调整进风口110和迎风口的朝向。

在一些实施例中，风机管道900呈圆柱型，过渡管道500的下端管口与风机管道900上端管口匹配衔接，过渡管道500的上个端管口与U型管道400的下端管道匹配衔接，其中，过渡管道500的下端管口大于过渡管道500的上个端管口。通过该下宽上窄的过渡管道结构能够提高伯努利效应的效果，能够提高风速的转换比。

示例地，回转支承700的外圈701固定在基座600的台面601的上方的基座法兰605上，内圈702贯穿基座台面601，底板300和过渡管道500的下法兰均固定于回转支承内圈702的上端面；基座台面601上方设有回转轨道602以支撑底板300，底板300通过固定于其下方的滑块604沿回转轨道602运转；回转支承700的内圈702的下端面连接圆柱形管道900，圆柱形管道(风机管道)900下端连接进风口110；对风时，底板300连同其上面的侧翼板200和顶板100、过渡管道500连同其上面的U型管道400、圆柱形管900连同其下面的进风口110将会同步围绕回转支承700的外圈701回转，以确保内部流通道与外部流通道的相对位置而达到最佳的流体力学性能。

为了避免反复对风引起的线路缠绕问题，可以根据当地的季风特征确定主风向后，通过锁定销120将底板300与基座600上方的回转轨道锁定。

U型管道400的弧面侧401和迎风口的敞口侧面向来风方向，U型管道的开口402面向风离开的方向，即背离来风方向。

圆柱形管道900的上下两端均设有连接法兰，上法兰901通过螺栓704与回转支承内圈702的下端面固定，下法兰902连接进风口110。

进风口110整体呈敞口式结构，敞口侧111面对来风方向，在上端面较靠后的位置上开设圆形的洞口，该洞口大小与圆柱形管道900相一致，圆柱形管道900的下法兰902通过螺栓705固定于洞口外缘。

过渡管道500为U形过渡到圆柱形的一段管道，通过上端面501与U型管道400连接，连接方式为焊接或法兰连接，也可以将与过渡管道U型管道设计为一个整体。

过渡管道的下法兰502位于底板300的上方，和底板300共用一组固定螺栓703固定于回转支承内圈702的上端面。

在一些实施例中，过渡管道500的高度与其下端圆形截面直径D的比值大于1。

在一些实施例中，侧翼板200的弦长B与高度L的乘积是风轮扫掠面积的20倍以上。

在一些实施例中，所述侧翼板的高度L与弦长B的比值大于2，从而优化侧翼板的过风效率，能够提高伯努利效应的效果。

在一些实施例中，所述侧翼板的弦线与水平风向的夹角α小于15°，所述U形管道的宽度d与所述迎风口的宽度W的比值不小于0.5，通过该结构同样可以优化侧翼板的过风效率，能够提高伯努利效应的效果。

在一些实施例中，侧翼板200的截面呈圆头尖尾形，位于圆头的圆形前缘面朝向来风方向，侧翼板内表面的弯度大于外表面的弯度。

侧翼板200的截面呈圆头尖尾形，圆形的前缘面205向来风方向，侧翼板200内表面206的弯度大于其外表面207的弯度；侧翼板对称分布于U型管道400的侧后方，侧翼板弦线204与风向的夹角即攻角α小于15度，U形管的宽度d与迎风面宽度W的比不小于0.5，通过该结构同样可以优化侧翼板的过风效率，能够提高伯努利效应的效果。

在一些实施例中，如图13，可以在U型管道400的外侧壁增设导流板403，以改善外部流通道的流体力学特征，从而提高风速转换比，提高发电效率。例如，可以沿着U型管道400的外侧壁的高度方向均匀分布多个U型的导流板403，能够使来风更均匀地导向U型管道400的开口，使经过开口的沿着管道400的高度方向的各个位置处的来风更均匀，以改善外部流通道的流体力学特征，从而提高风速转换比，提高发电效率。

在另一些实施例中，如图12，可以在底板300上位于U型管道400相对两侧分别增设导流板301，导流板301具有弧形的导流面，该导流面使得来风向着U型管道400的开口方向引导，以改善外部流通道的流体力学特征，从而提高风速转换比，提高发电效率。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于屋顶的风力发电系统，其特征在于，包括：

外风道组件，包括顶板、底板和连接在所述顶板与所述底板之间的侧翼板，所述顶板、所述底板和所述侧翼板共同围成的具有迎风口和出风口的外部气流通道，所述外部气流通道由所述进风口向所述出风口方向呈扩散式结构；

内风道组件，包括相互连通的U型管道和风机管道，所述U型管道和所述风机管道构成内部气流通道，所述侧翼板对称分布在所述U型管道的两侧，所述U型管道具有开口，所述开口位于所述外部气流通道的所述迎风口处，且所述开口的朝向与所述迎风口的朝向相背，所述风机管道具有与所述开口连通的进风口，所述风机管道内设置有发电机组件；

其中，所述U型管道的深度为w1，所述U型管道的所述开口内径为d1，所述U型管道的高度为h1，所述侧翼板邻近所述U型管道的端部到远离所述U型管道的尾部之间的水平距离为d2，满足以下关系：0.25h1≦d1≦0.5h1，且0.25h1≦w1≦0.5h1，且0.5h1≦d2≦0.75h1。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，0.35h1≦d1≦0.4h1，且0.3h1≦w1≦0.4h1，且0.6h1≦d2≦0.7h1。

3.根据权利要求1或2所述的风力发电系统，其特征在于，h1＝1.5m～2.5m。

4.根据权利要求3所述的风力发电系统，其特征在于，h1＝1.75m～2m。

5.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述进风口的朝向与所述迎风口的朝向相同。

6.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，还包括：基座和回转支撑，所述回转支撑的外圈固定于所述基座，所述U型管道与所述风机管道之间通过过渡管道连连接，所述过渡管道和所述底板均固定在所述回转支撑的内圈，以使所述外风道组件和所述内风道组件能够一起跟随所述内圈相对于所述外圈回转，以调整所述进风口和所述迎风口的朝向。

7.根据权利要求5所述的风力发电系统，其特征在于，所述风机管道呈圆柱型，所述过渡管道的下端管口与所述风机管道上端管口匹配衔接，所述过渡管道的上个端管口与所述U型管道的下端管道匹配衔接，其中，所述过渡管道的下端管口大于所述过渡管道的上个端管口。

8.根据权利要求7所述的风力发电系统，其特征在于，所述过渡管道的高度与其下端圆形截面直径D的比值大于1，所述侧翼板的高度L与弦长B的比值大于2。

9.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述侧翼板的截面呈圆头尖尾形，位于圆头的圆形前缘面朝向来风方向，所述侧翼板内表面的弯度大于外表面的弯度。

10.根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述侧翼板的弦线与水平风向的夹角α小于15°，所述U形管道的宽度d与所述迎风口的宽度W的比值不小于0.5。