CN1746493A - 收缩型集能增速风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种收缩型集能增速风力发电装置，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，风力机同轴安装在一个收缩喷管内；收缩喷管为轴对称型收缩喷管，其进口面积A₁大，出口面积A₂小，即沿着流动方向，截面积逐渐变小。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

收缩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，特别是一种收缩型集能增速风力发电装置。

技术背景

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

本发明的目的在于针对上述根本性的问题而提供一种收缩型集能增速风力发电装置，通过收缩喷管，收集较大范围内的风能，在收缩喷管内加速，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：

一种收缩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，其特征在于风力机同轴安装在一个收缩喷管内；收缩喷管为轴对称型收缩喷管，其进口面积A₁大，出口面积A₂小，即沿着流动方向，截面积逐渐变小。

上述的收缩喷管的中剖面型线由若干段弧线或曲线光滑连接而成，每段弧线或曲线的曲率圆心都位于喷管外侧。

上述的风力机安装在收缩喷管出口的内侧。

上述的收缩喷管通过一个能水平旋转的滚动支承机构固定在塔架顶部，实现自动对风。

上述的能水平旋转的滚动支承结构可以是单向推力球轴承、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述如下：

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，出口截面积为A₂，风力机安装在出口截面处。假定流动无粘等熵，进出口速度全为轴向(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，收缩喷管内的流动是可压缩流动，则：

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

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

对收缩喷管，由于 $A_1>A_2,1-\frac{{\mathrm{\&gamma;p}}_1}{{\mathrm{\&rho;}}_1{u}_1^2}<0,$ 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。

风场中的物体，总是趋向于流动阻力最小的状态。对于图2所示的收缩喷管，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)，收缩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收缩喷管内，通过收缩喷管收集大范围的风能，并在收缩喷管内加速，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结构示意图

图2是收缩喷管形状示意图

具体实施方式

实施例1：

参见图1与图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机构6，该滚动支承结构采用单向推力球轴承，收缩喷管1支承在滚动支承结构6上，收缩喷管1的进口截面A₁处直径为100m，出口A₂处的直径为25m，收缩喷管中剖面的弧线7采用1段圆弧，圆弧曲率中心在流道外侧，圆弧曲率半径80m，喷管采用复合材料制成，壁厚0.007m。

实施例2：

参见图1与图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，收缩喷管1支承在滚动支承结构6上，收缩喷管1的进口截面A₁处直径为1m，出口A₂处的直径为0.1m，收缩喷管中剖面的弧线7采用1段圆弧，圆弧的曲率中心在流道外侧，圆弧曲率半径为2m，喷管采用复合材料制成，壁厚0.003m。

Claims (5)

1、一种收缩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)，其特征在于风力机(2)同轴安装在一个收缩喷管(1)内；收缩喷管(1)为轴对称型收缩喷管，其进口面积(A1)大，出口面积(A2)小，即沿着流动方向，截面积逐渐变小。

2、根据权利要求1所述的收缩型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的收缩喷管(1)的中剖面型线(7)由若干段弧线或曲线光滑连接而成，每段弧线或曲线的曲率圆心都位于喷管外侧。

3、根据权利要求1所述的收缩型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的风力机(2)安装在收缩喷管(1)出口的内侧。

4、根据权利要求1所述的收缩型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的收缩喷管(1)通过一个能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3的收缩型集能增速风力发电装置，其特征在于所述的能水平旋转的滚动支承结构可以是单向推力球轴承、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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