CN204126816U - 一种多转子导风管风力发电装置 - Google Patents

Abstract

一种多转子导风管风力发电装置，包括塔筒、机舱、叶轮、叶轮轴心、桨叶、导风管风力发电模块、转轴、轴承、制动器、电控系统、滑动控制系统以及电力输出系统；其中，所述导风管风力发电模块包括进风口、发电机、发电机叶轮、进风导管、排风口、导风管和可调进风叶瓣，多个所述导风管风力发电模块可各自在所述桨叶上依靠滑动器滑动，且所述滑动器悬挂于所述桨叶的背风面上，使得所述导风管风力发电模块通过所述叶轮移动时迎风吸入进风，以驱动所述发电机叶轮转动而发电。在同等发电量下与传统风力发电机相比，本装置在机舱里的设备数量和重量可减少一半以上，机舱体积、塔筒高度、叶轮直径可相应减少，建立成本及维护费用因此可减少40％或以上。

Description

一种多转子导风管风力发电装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种多转子导风管风力发电装置。

背景技术

传统的风力发电机，通过叶轮迎风在受扁压下转动发电，经实验证明，叶轮最高效率是在转速为20～30rpm(revolution per minute，转/分钟)；转速过低时风能效率不好，若转速过高则叶轮会变成一幅挡风墙，风能效果反会下降。现有技术的大型商业风力发电机(1MW以上)叶轮转速每分钟平均在10转运作，部分更低至每分钟8转以下，以匹配齿轮增速比与发电机的极数；以恒稳叶轮转速下产生准确的50Hz或60Hz交流电以便联网。

若叶轮以15rpm的转速运转，配合使用4极发电机(generator)在转速1800rpm的情况下可产生60Hz的交流电；齿轮增速比G为120(1800/15)。假设发电机转速为rpm_generator，极数为n，频率为f(单位Hz)，齿轮增速比为120，则具有下述关系式： $f=n\frac{\mathrm{rpm}}{120}$ 或 ${\mathrm{rpm}}_{\mathrm{generator}}=120\×\frac{f}{n}.$

若采用160极发电机，在其它相同情况下，发电机转速可下降至45rpm，即齿轮增速比G＝3。如此类推，若叶轮运转18rpm配置400极发电机可产生60Hz的交流电。按上述方程式计算，若电机转速同为18rpm，齿轮增速比这表示叶轮在转速18rpm下不需使用齿轮增速也可直接驱使发电机运作发电，这就是直驱式风力发电机的特性。

直驱式发电机虽可减省增速齿轮组，但在价格和重量方面比其它类型发电机机增加了几十个百分比，优点是减省了频繁设备维护。配备n＝400极的直驱式发电机需配有超大直径外壳(直径几乎与机舱一样大)，制造工艺需要非常精密的机械误差，以达到转子与定子之间空隙尽少，即磁隙最少；直驱式发电机在价格和重量方面比其它类型发电机分别多约30％和25％；成本昂贵，宜应用于功率3.5～10MW建立在海上的大型风力发电机上。

齿轮组是风机组最弱环节，机械耗损和能耗最大；大型风机启动发电的最低风速是4米/秒，额定发电风速在12米/秒至25米/秒，强风停机风速为25米/秒；说明风速4米/秒以下的风能全耗损在系统阻力上。系统阻力源于齿轮箱，轴承，发电机和叶轮风阻；现有技术的风力发电机叶轮需控制在恒稳和慢转速下以产生准确交流电频率输出电网和降低能耗，因为：风能耗等于系统阻力与叶轮转速的乘积。

据风洞测试报告，叶轮最佳转速在每分钟20至30转之间，但现有技术的商业风力发电机叶轮转速在制动器控制下只能在每分钟平均10转以下工作，有些甚至在低于每分钟8转以下工作。

一般风机工作寿命为25年，据美国风力发电机设备保险维修条款规定每五年需更换整套齿轮组；齿轮组可占风机成本13％，故障率约占5％，但一旦需维修时费用比维修其它组件往往是最高昂的，停机期间损失不计算在内。系统机械阻力大、高能耗、昂贵的建立成本和高昂且频繁的维护和操作费是现有技术的风力发电机普遍存在的缺点和亟待突破的技术瓶颈。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提出一种多转子导风管风力发电装置，以解决上述背景技术中提到的传统风力发电机存在的技术问题。

本实用新型提供以下技术方案：

一种多转子导风管风力发电装置，包括塔筒、机舱、叶轮、叶轮轴心、桨叶、导风管风力发电模块、转轴、轴承、制动器、电控系统、滑动控制系统以及电力输出系统；其中，所述导风管风力发电模块包括进风口、发电机、发电机叶轮、进风导管、排风口、导风管和可调进风叶瓣；多个所述导风管风力发电模块可各自在所述桨叶上依靠滑动器滑动，且所述滑动器悬挂于所述桨叶的背风面上，使得所述导风管风力发电模块通过所述叶轮移动时迎风吸入进风，以驱动所述发电机叶轮转动而发电。

在具体的一种实施例中，本实用新型的多转子导风管风力发电装置是应用多个各自悬挂在桨叶背风面上的导风管风力发电模块以2πrv的速度环绕所述叶轮轴心(31)同步移动而发电，其中r为所述导风管风力发电模块与所述叶轮轴心之间的距离，v为所述叶轮的转速，且v为10rpm～30rpm(转/分钟)。若：r例如为20米，叶轮转速例如为10rpm或15rpm，导风管风力发电模块则会分别以21米/秒或31.4米/秒的速度移动，有需要时，叶轮转速更可调至最佳效率即转速每分钟30转，此时导风管风力发电模块的移动速度达62米/秒。导风管风力发电模块是设计在高风速高转速下运作，因此可省去现有技术的风力发电机必需的增速齿轮箱，高速传输轴和大直径发电机，而且，现有技术的商业型风力发电机叶轮只能在平均每分钟10转下运作，需使用增速齿轮箱把转速提升至每分钟1500转或1800转以上，然后使用高速传输轴把动能传至配置有4极的发电机才可分别发出50Hz或60Hz的交流电输出至电网。

本实用新型的装置与传统风力发电机相比，具有以下优点：

1)可选用多个价廉、高效且转速超过每分钟万转的小型发电机来取代单个昂贵而转速只有千多转或以下的大直径4极发电机；若采用极数较多的发电机，发电机体积和直径会越庞大。

2)本实用新型的装置的机舱无需设置增速齿轮箱、高速传输轴、发电机，从而使装置内的设备数量和重量大大减少，因此可相应减小发电机舱的体积，降低塔筒的结构强度要求。

3)本装置的导风管风力发电模块可在风速40米/秒以上或在转速每分钟万转以上工作，因此不需使用增速齿轮箱和配高速传输轴也可直接发电；因系统阻力小，导风管风力发电模块的叶轮转速可在最高效率每分钟30转下运作；反之，传统风力发电机叶轮只能在每分钟平均10转下工作因系统阻力过大；若在高转速下运作会降低风能效益，因为：风能耗等于系统阻力与叶轮转速的乘积。叶轮转速越慢，风耗能越少。

4)本装置的导风管风力发电模块可在2πrv的速度下移动，设叶轮半径是20米，若叶轮转速每分钟30转情况下，导风管风力发电模块的移动速度可达62米/秒，因此流进导风管风力发电模块的风速也可达62米/秒，这62米/秒的进风风速与环境周边流经叶轮的风速无直接关系；相比之下，传统风力发电机启动发电的风速在4米/秒，因此4米/秒以下的风能全耗在系统阻力上，额定风速在12米/秒，安全停机风速在25米/秒。而本装置没有齿轮箱和慢转速发电机，系统阻力极少，即使在风速1.5米/秒以下，导风管风力发电模块也可运作发电，可在风速1.5米/秒至40米/秒范围内工作，比传统风力发电机的工作风速4米/秒至25米/秒广泛多一倍，更加不受风速的限制。

本实用新型提供的发电装置，风流经叶轮使其受扁压而转动，流入导风管风力发电模块的进风速度为2πrv，且进风与从正面流经叶轮的风互成直角，两者风速没有直接关联。导风管风力发电模块可在桨叶背风面上移动滑向叶轮轴心或向桨叶端外移。当导风管风力发电模块移向叶轮轴心时r值减少，从而减少导风管风力发电模块移动速度，进风量和发电量。反之，当导风管风力发电模块滑向桨叶端时，r值增加，相应增加导风管风力发电模块的移动速度，进风量和发电量。鉴此，调整r值或叶轮转速可相应调整导风管风力发电模块的发电量以符合电量需求或适应环境周边的风速。按贝兹定律(Betz’s Law),水平轴风力发电机最高效率为59.4％；现有技术的商业风力发电机最佳效率约38％。本实用新型提供的多转子导风管风力发电模块由于在动态过程中高速移动进行发电，进风可达设备的临界进风风速，因此不需要使用重型扭力传转轴、重力型轴承、重型制动器、高速传输轴、增速齿轮组和大直径发电机，只需选用高效高速体积小的交流发电机，因此设备数量和重量可减少一半以上，整套发电装置的建立成本和日后运作维护费相应可省40％以上。

综上所述，本实用新型提供的发电装置的发电效率比传统风力发电机高得多；在同等发电量下，本实用新型的装置可选用直径较小的叶轮，较矮的塔筒，较小的发电机舱，较小的高转速发电机，建立成本和维护费用可减少40％以上。

附图说明

图1是本实用新型提供的多转子导风管风力发电装置的一种具体实施方式；

图2是现有技术的风力发电机系统示意图；

图3是多转子导风管风力发电机系统示意图1；

图4是多转子导风管风力发电机系统示意图2；

图5-1是沿剖视线A-A、用以显示进风叶瓣全开的剖视图；

图5-2是沿剖视线A-A、用以显示进风叶瓣半开的剖视图；

图5-3是沿剖视线A-A、用以显示多个导风管风力发电机重叠悬挂在桨叶上，进风叶瓣全开的剖视图；

图6是导风管风力发电机空气流动方向示意图；

图7是多转子导风管风力发电机机舱设备示意图；

图8是现有技术的风力发电机机舱设备示意图。

需要说明：附图中的曲线箭头表示空气流动的方向。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本实用新型作进一步说明。

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式：

如图1所示，为由本实用新型多转子风力发电装置的一个具体实施方式的示意图，参考图1至图7：该装置包括塔筒10、机舱20、叶轮34、叶轮轴心31、桨叶33、导风管风力发电模块40、转轴52、轴承51、制动器70、电控系统101、滑动控制系统102以及电力输出系统103；其中，所述导风管风力发电模块40包括进风口41、发电机42、发电机叶轮43、进风导管44、排风口45、导风管46和可调进风叶瓣48，多个所述导风管风力发电模块40可各自在所述桨叶33上依靠滑动器47滑动，且所述滑动器47悬挂于所述桨叶33的背风面上，使得所述导风管风力发电模块40通过所述叶轮34移动时迎风吸入进风，以驱动所述发电机叶轮43转动而发电。

参考图1至图3，叶轮34迎风转动使导风管风力发电模块40以2πrv的速度环绕叶轮轴心31移动，r为所述导风管风力发电模块40与所述叶轮轴心31之间的距离，v为所述叶轮34的转速(转/分钟)。

如图2所示，为传统风力发电机系统示意图，风流经叶轮34使受扁压驱使叶轮34转动，传转轴把风能输至齿轮箱经提速后驱使发电机运作发电。每片桨叶33的等效力点位于桨叶中段32，为桨叶33总长一半。

如图3所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的多转子导风管风力发电机系统示意图，包括一个或多个重叠一起悬挂在桨叶33背风面上可向叶轮轴心31移动或向桨叶33端移动的导风管风力发电模块40。叶轮34迎风转动使导风管风力发电模块40以2πrv/2的速度环绕叶轮轴心31移动；在图3中，导风管风力发电模块40刚好位于桨叶33的总长度一半处。导风管风力发电模块40轴心与桨叶33中轴互成直角，导风管风力发电模块40吸进的进风与导风管风力发电模块40到叶轮轴心31之间的距离和叶轮34的转速成正比，与正面流经叶轮34的风速没有直接关联。

如图4所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的多转子导风管风力发电机系统示意图，包括一个或多个重叠一起悬挂在桨叶33背风面上可向叶轮轴心31移动的导风管风力发电模块40。叶轮34迎风转动使导风管风力发电模块40以2πrv的速度环绕叶轮轴心31移动；r是导风管风力发电模块40与叶轮轴心31的距离,图4中导风管风力发电模块40刚好移动至桨叶33的末端处，因此此例中r值即桨叶33的总长。导风管风力发电模块40轴心与桨叶33中轴互成直角，吸进导风管风力发电模块40的进风与r值乘叶轮34转速成正比，但与正面流经叶轮34的风速没有直接关联。

如图5-1所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的导风管风力发电模块沿剖视线A-A、用以显示进风叶瓣全开的剖视图，显示导风管风力发电模块40使用滑动器47悬挂在桨叶33背风面上；导风管46外壳在发电机叶轮43位置向后以20°往外扩大延伸以符合空气动力学；进风口41，可调进风叶瓣48，发电机42，发电机叶轮43，排风口45，进风导管44之间的连接和位置关系为：进风口41与发电机叶轮43之间的距离占导风管总长1/4；可调进风叶瓣48位于进风口41与发电机叶轮43之间；发电机叶轮43与排风口45之间的距离占导风管46总长的3/4；多个进风导管44位于导风管46后部聚集在导风管46总长1/4范围内。

如图5-2所示，为本实用新型多转子风力发电机装置优选实施例提供的导风管风力发电模块沿剖视线A-A、用以显示进风叶瓣半开的另一剖视图，显示导风管风力发电模块40使用滑动器47悬挂在桨叶33背风面上；导风管46在发电机叶轮43位置向后以20°往外扩大延伸以符合空气动力学；进风口41，可调进风叶瓣48半开，发电机42，发电机叶轮43，排风口45，进风导管44之间的位置和连接关系为：进风口41与发电机叶轮43之间的距离占导风管总长1/4；可调进风叶瓣48位于进风口41与发电机叶轮43之间；发电机叶轮43与排风口45之间的距离占导风管总长的3/4；.进风导管44位于导风管46后部聚集在导风管46总长1/4范围内。

如图5-3所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的导风管风力发电模块40沿剖视线A-A、用以显示多个导风管风力发电机重叠悬挂在桨叶上，进风叶瓣全开的剖视图，显示多个导风管风力发电模块40重叠一起使用滑动器47悬挂在桨叶33背风面上示意图。

如图6所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的导风管风力发电模块40空气流动示意图，显示风从进风口41流入聚在集风区A增压后再流过发电机轮叶轮43，驱使发电机42运作发电；当进风经过发电机叶轮43进入排风区后会急速膨胀成为第一负压区，第一负压区协助从进风口41吸入更多更高速的进风；当导风管风力发电模块40在移动时，位于后部的进风导管44从外界吸入进风使导风管46后部成为第二负压区，第二负压区协助从进风口41吸入更多更高速的进风。这两个程序不断重复，吸入的风量风速不断增加直至进风达到导风管风力发电模块40的临界进风风速为止。

如图7所示，为本实用新型多转子风力发电机装置的优选实施例提供的多转子导风管风力发电机机舱主设备示意图，显示机舱20里包括：转轴52，轴承51，制动器70，支撑90，控制箱101,102和103等。

如图8所示，为现有技术的风力发电机机舱设备示意图，机舱20a里包括重型慢转速传输轴52a，重型轴承51a，齿轮箱60，重型制动器70a，高速传输轴53,庞大发电机80，重型支撑90a及控制箱101a,102a和103a等。

在本实用新型多转子导风管风力发电装置中采用多个高效价廉体型小的高速发电机在高速移动下取代了现有技术的风力发电机必需采用的大型发电机，省掉了齿轮箱和高速传输轴。与现有技术的风力发电机相比，机舱内设备数量和重量可减一半；因此，塔筒的高度和强度，叶轮直径，机舱空间和结构强度可相应减少；在相同发电量条件下，本实用新型多转子导风管风力发电装置的建立成本和日后操作维护费可减省40％以上，对现有技术的风力发电机设计有革命性的改进。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种多转子导风管风力发电装置，包括塔筒(10)、机舱(20)、叶轮(34)、叶轮轴心(31)、桨叶(33)、导风管风力发电模块(40)、转轴(52)、轴承(51)、制动器(70)、电控系统(101)、滑动控制系统(102)以及电力输出系统(103)；其中，所述导风管风力发电模块(40)包括进风口(41)、发电机(42)、发电机叶轮(43)、进风导管(44)、排风口(45)、导风管(46)和可调进风叶瓣(48)，其特征在于：多个所述导风管风力发电模块(40)可各自在所述桨叶(33)上依靠滑动器(47)滑动，且所述滑动器(47)悬挂于所述桨叶(33)的背风面上，使得所述导风管风力发电模块(40)通过所述叶轮(34)移动时迎风吸入进风，以驱动所述发电机叶轮(43)转动而发电。

2.根据权利要求1所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：所述导风管风力发电模块(40)的轴心与所述桨叶(33)的中轴互成直角；各所述导风管风力发电模块(40)以2πrv的速度环绕所述叶轮轴心(31)同步移动，其中：r为所述导风管风力发电模块(40)与所述叶轮轴心(31)之间的距离，v为所述叶轮(34)的转速，且v为10～30转/分钟。

3.根据权利要求2所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：各所述导风管风力发电模块(40)通过环绕所述叶轮轴心(31)移动时各自吸入所述进风而运作发电，且所述进风的风速与流经所述叶轮(34)周边的环境风速没有直接关联；所述进风流经所述发电机叶轮(43)后在第一区膨胀后形成第一负压区以使所述进风口(41)吸入更多风；多个所述进风导管(44)设于所述导风管(46)后部，各所述进风导管(44)从外界抽取更多风进入第二区，并在第二区和所述排风口(45)形成第二负压区以使所述进风口(41)吸入更多风；所述第一负压区与所述第二负压区使得所述导风管(40)的进风不断增强并达到临界风速。

4.根据权利要求3所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：所述进风口(41)与所述发电机叶轮(43)之间形成进风聚集区，所述进风聚集区的长度为所述导风管(46)总长的25％以避免所述导风管(46)移动时把进风挡走；所述发电机叶轮(43)与所述排风口(45)之间形成排风区以容纳所述第一负压区和所述第二负压区；所述导风管(46)在所述发电机叶轮(43)位置处向后端以20°向外扩大延伸以符合空气流体动力学；所述可调进风叶瓣(48)位于所述进风聚集区内，用于调整进风量以防止所述装置受损。

5.根据权利要求4所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：所述进风导管(44)位于所述排风区内，且位于所述发电机叶轮(43)与所述排风口(45)之间；当所述导风管风力发电模块(40)移动时所述进风导管(44)从外界吸入进风使得所述排风区形成所述第二负压区。

6.根据权利要求2所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：所述导风管发电模块(40)通过以逐渐减小的速度滑向所述叶轮轴心(31)来减小进风量，以降低发电功率；反之，所述导风管风力发电模块(40)通过以逐渐增加的速度滑向所述桨叶(33)端来增加进风量，以增加发电功率。

7.根据权利要求2至6任一项所述的多转子导风管风力发电装置，其特征在于：所述导风管风力发电模块的进风风速可调控于r值、所述叶轮(34)转速和所述可调进风叶瓣(48)的开关大小。