CN1746489A - 缩放型集能增速风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缩放型集能增速的风力发电装置，它包括塔架、安装在塔架顶部的风力机和由风力机驱动的发电机，所述的风力机安装在一个缩放喷管内而与缩放喷管同轴线；所述的缩放喷管进口面积A₁较大，沿着气流方向，通流面积先逐渐变小，到达喉部A₂时最小，喉部过后，通流面积逐渐变大，到达出口A₃。通过一个缩放喷管，对能量密度不高的风能进行增速，可以提高风能利用率，减小风力机尺寸，大大降低风力发电成本。

Description

缩放型集能增速风力发电装置

技术领域：

本发明涉及一种风力发电装置，特别是一种缩放型集能增速的风力发电装置。

技术背景

风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。1993年到2003年的10年间，世界风力发电的年增长率达到29.7％。到2003年末，全球风电装机容量达到4,030万千瓦，风力发电量占到世界总电量的0.5％。其中欧洲总装机容量为2,871万千瓦，占世界风电装机容量的73％。2003年德国风力发电累计装机容量达到1,461万千瓦，占全世界的1/3以上。2003年印度累计风力发电装机容量也已达到213万千瓦，排世界第5位，居发展中国家的首位。欧洲风能协会在近期的一份报告中，用详实的数据和精辟的分析描述了未来世界风力发电的情景，并预计到2020年风力发电将占世界电力总量的12％。风能作为未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。

我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面10米高度层的风能资源可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。到2004年底，我国风力发电累计装机容量达到76.4万千瓦，国家发改委规划2005年并网风电装机将达到100万千瓦，2010年达到300万千瓦，2020年达到2,000万千瓦。

由于风能资源的能量密度低，当代MW级主流风力机转子直径和塔高已超过百米、叶片重量已超过10吨、塔顶重量已超过百吨，材料强度、制造安装能力几乎已近极限。无论如何优化设计叶片与自适应变浆距控制，都无法保证这种风力机浆叶在不同相位角时都处于最优工况。

发明内容

本发明目的在于针对上述根本性的问题而提供一种缩放型集能增速风力机装置，通过缩放喷管，收集较大范围内的风能，在缩放喷管内加速，使得较小尺寸的风力机实现大功率输出。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种缩放型集能增速风力发电装置，包括塔架、安装在塔架顶部的风力机和由风力机驱动的发电机，其特征在于所述的风力机安装在一个缩放喷管内而与缩放喷管同轴线；所述的缩放喷管进口面积A₁较大，沿着气流方向，通流面积先逐渐变小，到达喉部A₂时最小，喉部过后，通流面积逐渐变大，到达出口A₃。

上述的缩放喷管的中剖面型线由一段或若干段弧线光滑过渡连接而成，每段弧线的曲率圆心都位于喷管外。

上述的风力机安装在缩放喷管的靠近喉部A₂处。

上述的缩放喷管通过一个水平旋转的滚动支承机构固定在塔架顶部，实现自动对风。

上述的水平旋转的滚动支承机构是单向推力球轴承、或双向推力球轴承、或推力向心对称球面滚子轴承。

本发明的工作原理阐明如下：

对常规风速，一般在12m/s以内，当风速为u₁时，图1：进口截面积为A₁，喉部截面积为A₂，风力机安装在喉部截面处。假定流动无粘等熵，进出风力机的速度全为轴向(与同向u₁)，对于常规风力机，由于速度较低，可以认为不可压流动，但对于这种新型增速风机，由于速度可以增到相当大的程度，缩放喷管内的流动是可压缩流动。

在收缩段，连续方程为：

ρ₁A₁u₁＝ρ₂A₂u₂

能量方程：

$\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{p_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}+\frac{u_1^2}{2}=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{p_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}+\frac{u_2^2}{2}$

等熵条件：

$\frac{p_2}{p_1}={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}\right)}^{\mathrm{\γ}}$

有连续方程得到：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{A}_1{u}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2{A}_2}=u_2$

代入能量方程有

$\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{p_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1^2}({\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}\right)}^{\mathrm{\γ}+1})={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2-{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}\right)}^2$

令

$\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1+\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1}=1+x,x=\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1}\\ \frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{p_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1^2}[{(1+x)}^2-{(1+x)}^{\mathrm{\γ}+1}]={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2-{(1+x)}^2\end{array}$

对上式用台劳展开得：

$x=\frac{{\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2-1}{2(1-\frac{\mathrm{\γ}{p}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1^2})}$

即

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1}=1+\frac{{\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2-1}{2(1-\frac{\mathrm{\γ}{p}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1{u}_1^2})}$

在收缩段，由于A₁＜A₂，通常风况下， $1-\frac{{\mathrm{\&gamma;p}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_1{u}_1^2}<0,$ 故ρ₂＜ρ₁由连续方程，可以看出，ρ₂＜ρ₁，这一效果将使气流进一步被加速。

$u_2=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_1{A}_1{u}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_2{A}_2}$

风力发电机的基本原理告诉我们：风力发电机的功率与速度的三次方成正比，速度的增大，不但可以减小风力机的直径，降低制造成本，还可以显著增大风力发电机的功率。

气流对风力透平做功以后，进入扩张管道，在扩张管道内，通流面积渐渐变大，速度渐渐变小，压力渐渐回升到大气压，因此，风力透平后带有扩张管道，可以使风力透平出口位置上的压力维持比较低的值(要是不带扩张管道，风力透平出口就是大气压)，使得风力透平做功更大。

风场中的物体，总是趋向于流动阻力最小的状态。对于图1所示的缩放喷管，当喷管口正对着来风，即来风u₁与A₁面垂直时，流动阻力最小。如图2，在塔架4的顶端，固定一个滚动支承结构6上，缩放喷管支承在该滚动支承结构上，可以水平旋转。该水平旋转的滚动支承结构可以是单向推力球轴承、双向推力球轴承、推力向心对称球面管自轴承。实现自动对风。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性突出特点和显著的优点：本发明的风力机安装在一个缩放喷管内，通过缩放喷管收集大范围的风能，并在缩放喷管内加速，使得较小尺寸的风力机实现大功率输出。

附图说明

图1是本发明集能增速型风力发电装置的结构示意图

图2是缩放喷管形状示意图

具体实施方式

实施例1：

参见图1和图2，本风力发电装置是在基础5上，固定塔架4，塔架4的顶部固定一个滚动支承结构6，该滚动支承结构采用单向推力球轴承，缩放喷管1支承在滚动支承结构6上，缩放喷管1的进口截面A₁处直径为100m，喉部A₂处的直径为20m，缩放喷管中剖面的弧线7采用1段圆弧，圆弧曲率中心在流道外侧，圆弧曲率半径60m。风力透平被安装在缩放喷管的喉部。

实施例2：

参见图1和图2，本风力发电装置是在基础5上，固定塔架4，塔架4的顶部固定一个滚动支承结构6，该滚动支承结构采用单向推力球轴承，缩放喷管1支承在滚动支承结构6上，缩放喷管1的进口截面A₁处直径为1m，喉部口A₂处的直径为0.1m，缩放喷管中剖面的弧线7采用任意曲线，所有曲线的曲率中心在流道外侧。风力透平被安装在缩放喷管的喉部。

Claims (5)

1、一种缩放型集能增速风力发电装置，包括塔架(4)、安装在塔架(4)顶部的风力机(2)和由风力机(2)驱动的发电机(3)，其特征在于所述的风力机(2)安装在一个缩放喷管(1)内而与缩放喷管(1)同轴线；所述的缩放喷管(1)进口面积(A₁)较大，沿着气流方向，通流面积先逐渐变小，到达喉部(A₂)时最小，喉部过后，通流面积逐渐变大，到达出口(A₃)。

2、根据权利要求1所述的缩放型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的缩放喷管(1)的中剖面型线(7)由一段或若干段弧线光滑过渡连接而成，每段弧线的曲率圆心都位于喷管外。

3、根据权利要求1所述的缩放型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的风力机安装在缩放喷管(1)的靠近喉部(A₂)处。

4、根据权利要求1所述的缩放型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的缩放喷管(1)通过一个水平旋转的滚动支承机构(6)固定在塔架(4)顶部，实现自动对风。

5、根据权利要求4所述的缩放型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的水平旋转的滚动支承机构(6)是单向推力球轴承、或双向推力球轴承、或推力向心对称球面滚子轴承。

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