CN207145131U - 一种挡风装置大型化的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种挡风装置大型化的装置，本实用新型通过采用采用密闭装置的方法，有效的解决了以前挡风装置无法达到大型化和实用性的难题；可以有效地解决空气动力制动系统的问题，同时，也可以解决风力过大时的强风保护问题，遇到超级强风时也可以正常发电，不用停机；本实用新型由于消除了逆向风所产生的动力脉冲问题，还可以大大的提高风能利用效率；本实用新型还特别适用于高空风力发电。

Description

一种挡风装置大型化的装置

技术领域

本发明属于风能利用技术领域，尤其是适用于风力机械及风力发电技术领域。

背景技术

世界上并不是每一种东西都是越大越好，但是风力发电机却是个例外，风力发电机单机功率越大，其单位发电的成本就越低，因此，世界上许多著名的风机企业，都在不遗余力的进行大型机或超大型机的研制与开发，垂直轴风力发电机安装挡风装置后具有许多水平轴风机无法比拟的优势，然而，其也存在明显不足，其不足之处就是由于所述挡风装置与风轮或叶片相比，体积或重量十分巨大，风吹过来后晃动巨大，带动整个发电机系统晃动，控制装置也不能做到准确控制挡风装置的方向及位置，因此，无法正常工作，带来了一系列的问题，无法真正达到大型化实用性的目的。世界上许多著名企业都在研究开发大型或超大型垂直轴风机，然而，到目前为止，还没有任何一家企业可以真正开发成功1兆瓦以上的大型垂直轴风机在实际应用当中，本发明目的就是为了开发一种1-2兆瓦以上甚至10兆瓦以上垂直轴风力发电机型的应用。

公告号为：CN 201486752 U，公告日是2010年05月26日，发明名称：“一种遮流式垂直轴风力发电机”，公开了一套风力发电机，它在叶片外侧加装遮流罩，挡住吹向轴向叶片的气流，使叶片回旋时不受逆时针方向的阻滞回旋的负推力，可以提高风能利用效率。其不足之处在于，当风力过大时，不能解决发电机的制动问题。同时，也无法解决大型化的问题。

本发明人于2010年8月26日申请的，公告号为：CN 201982245 U，公告日是2011年09月21日，发明名称：“一种聚风装置”，公开了一种聚风装置，所述装置包括风导流面，偏航装置以及支撑装置，所述导流面安装在风机风轮的逆向风部位的前面；所述装置不仅可以挡住吹向轴向叶片的气流，使叶片回旋时不受逆时针方向的阻滞回旋的负推力，并同时可以将这部分气流导向风机叶片的顺时针方向，使得本来产生负推力的风转而产生了正向风力，可以更大的提高风能利用效率。然而，其不足之处也在于，当风力过大时，不能解决发电机的制动问题或减速问题。同时，也无法解决大型化的问题。

本发明人一直持续研究这个课题，又于2013年6月20日申请的，公告号为：CN201310245680.9，公告日是2014年12月24日，发明名称：“一种挡风装置及方法及应用”，通过将一挡风物体安装在风机风轮的正向风部位的前面，当风力过大时，用以阻挡吹向风轮并使风轮旋转做正功的风力气流，从而实现为垂直轴风力发电机制动或减速的。虽然从理论上既解决了发电效率的问题，又解决了制动的问题，但是，本发明人做了大量的实验，由于所述挡风装置与风轮或叶片相比，体积或重量十分巨大，风吹过来后晃动巨大，带动整个发电机系统晃动，控制装置也不能做到准确控制挡风装置的方向及位置，因此，无法正常工作，带来了一系列的问题，无法真正达到大型化、实用性的目的。

本发明人又持续研究了3年多，经过长期的分析研究，做了大量实验研究，终于通过采用密闭空间装置的方法，成功解决了这一问题。

目前我国的专利申请量非常大，但是实际转化率非常低，使得大量的专利无人问津，甚至被废弃，而这些专利实际上是具有非常大的价值的，只是可能由于存在某一点小小的缺陷，造成整个专利无人问津，无法真正为国家创造财富，因此，提高现有专利的实用性或转化率是十分有必要的和具有重大技术进步的。

发明内容

本发明的目的是解决本发明人自己申请的发明名称：“一种聚风装置”和“一种挡风装置及方法及应用”这两项专利无法达到实际应用的大型化、实用性的目的，解决现有专利实际转化率低的问题，使得真正有价值的发明创造能够得到实际的应用，从而为国家创造财富。

本发明的目的在于改进现有技术的不足，真正解决挡风装置大型化、高空化、实用性的问题以及利用100或150米以上高空风能资源的问题；以及垂直轴风力发电机当风速超过设计所需风速或超过工作风速时的制动系统的问题，当超过安全风速时的对风机的强风保护问题以及在超强风力时仍然可以正常工作问题；本发明的另一目的是解决消除周期性扭矩“脉冲”的影响问题，并同时提高垂直轴风机或风力发电机的效率；本发明的再一目的是当风力不足时，将吹响风轮的逆向风导流到正向风部位，从而提高风力发电机效率；本发明的再一目的是解决安装聚风装置或挡风装置后，振动过大控制装置不能做到准确控制聚风装置或挡风装置的方向及位置问题；本发明的再一目的是解决在实用时可以将聚风装置或挡风装置安装在高空100米或150米以上的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种挡风装置大型化的装置或方法，包括支撑装置、控制器、挡风装置；其特征是：在垂直轴风机或风力发电机风轮外面安装有挡风物体，所述挡风物体安装在支撑装置上，当风速过低时，通过控制器将所述挡风物体移动到风轮的前面部位，所述部位可以将吹向风轮的逆向风阻挡住或将所述逆向风导流到风轮的正向风部位，提高风轮转速，从而提高发电效率；当风速过高时，通过控制器将所述挡风物体移动到风轮的前面部位，所述部位可以将吹向风轮的正向风阻挡住或将所述正向风导流到风轮的逆向风部位，降低风轮的转速，从而可以实现在台风或强风当中继续发电不用停机。

所述风速过低，是指风速低于额定风速或根据工程技术要求制定的风速。

所述风速过高，是指风速高于切出风速或根据工程技术要求制定的风速。

所述逆向风，是指吹向风轮，其作用是降低风轮的转速，阻碍风轮做正功的风。

所述正向风，是指吹向风轮，其作用是推动风轮转动或提高风轮的转速，提高风轮做正功的风。

在所述挡风装置上，安装有控制器，所述控制器，是根据风向或风速的大小，用来控制所述挡风物体转动方向和位置的。

所述控制器可以是包括风速或/和风向测量仪，测量仪连接传感器，传感器连接电动控制仪，根据风速或向测量仪测出的风速或风向，传感器将信息传递给电动控制仪，电动控制仪控制支撑装置，挡风物体按控制器要求移动或转动到所需位置及方向。

所述控制器，可以有多种型式，凡是能满足上述功能的控制器，都在本发明保护范围之内。

所述挡风物体，可以是任意形状任意材料，如平面型、曲面型、柔性材料或硬质材料等；所述挡风物体，是可以根据风速的不同而任意调节挡风面积或挡风部位的；或所述挡风物体，可以是一个或多个。

优选的，所述挡风装置包括两个曲面，包括聚风面和挡风面，所述两个曲面，形成一个尖头夹角，所述夹角大于零度，小于90度。

所述挡风装置，由于体积或/和重量十分巨大，如果用普通材料及工艺会产生一系列的问题，例如，风吹过来后晃动巨大，带动整个发电机系统晃动，控制装置也不能做到准确控制挡风装置的方向及位置，因此，无法正常工作，带来了一系列的问题，无法真正达到大型化、高空化、实用性的目的。

目前世界上主要风力发电机利用的风力资源是在20米—160米的高度，而这一高度，也是大多数城市楼群建筑的平均高度范围，风力发电大量的消耗了这一高度的风力资源，因此，形成了容易产生严重雾霾的静稳气候条件，因此，只要避开这一高度范围的风力资源，停止使用这一高度的风力资源，放行这一高度的风力资源进入广大内陆地区，就可以彻底消除雾霾问题。 因此，为了降低雾霾，需要将挡风装置的最低点，安装在100或150米以上的高空中，利用普通材料，现有的工艺也是无法做到的。

因此，我们需要使用特殊的结构和方法制作。

优选的，所述挡风装置包括壳体，在所述壳体的内部或外部，安装有密闭装置，在所述密闭装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄气体。所述稀薄气体，是密度小于空气的空气。

所述密度小于空气的气体，是指所有相对分子量小于29的气体的密度,都小于空气的密度，例如, 氢气、氦气、氖气、氮气、一氧化碳、甲烷,氟化氢、乙炔等。

优选的，所述密闭装置内盛有氢气或氦气或氖气或氮气或所述气体的任意比例混合体。

最优选的是使用氦气。但为了降低成本，也可以使用氢气和氮气或氢气和氦气的混合气体，这样既可以克服单独使用氢气容易引爆的缺点，还可以降低成本，也可以达到我们的使用目的。

所述壳体，可以采用柔性材料，例如，采用橡胶类膜材料或塑料类膜材料；也可以采用玻璃钢或合金材料或公知硬质材料。

所述密闭装置可以采用任意材料，包括软性材料或硬质材料。

当所述密闭装置采用软性材料时，例如，采用橡胶类膜材料或塑料类膜材料时，须在其内部充入密度小于空气的气体，例如氦气或氢气与氮气的混合体；橡胶类膜材料或塑料类膜材料体积便会膨胀，然后密封。所述密闭装置在空气中产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消壳体向下的重力，从而降低壳体的重量，当所述密闭装置体积足够大时，其所产生的浮力大于壳体向下的重力时，所述壳体的重量即为零或负值。为了达到实用性，只有当 壳体或/和密闭装置体积大于1000立方米以上时，本发明才具有实用性。

当所述密闭装置采用硬质材料时，其有两种选择，即可以采用在其内部充入密度小于空气的气体产生浮力，也可以将其内部空间内的空气抽出，形成稀薄气体或真空状态，所述稀薄气体的密度小于空气的密度，也可以产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消壳体向下的重力，从而降低壳体的重量。由于氦气成本较高，氢气易爆，因此，采用稀薄气体的优点是，既降低了成本，又解决了氢气易爆的问题。

所述密闭装置，还可以作为壳体的内部支撑体，当所述密闭装置内的气体压力足够大时，其完全可以替代或部分替代壳体内部的支撑体，从而减少支撑体材料。所述密闭装置就是密封后气体不再外泄。

我们通过大量的计算及模拟实验得出结论，当密闭空间装置内的气体压力大于1.5—2个大气压时，其完全可以替代或部分替代风轮或叶片内部的支撑体。

当所述密闭装置采用软性材料时，由于其可以和壳体的内部更紧密的贴合，当其充满压力时，可以紧密的贴合在壳体的内壁上且对内壁形成非常均匀的压力，形成支撑体。本发明采用密闭空间装置，既解决了挡风装置重量大的问题，又解决了体积大结构上的问题。

所述支撑装置，是可以将所述挡风物体固定支撑并可以使所述挡风物体按需要移动的；或所述支撑装置，是可以将所述挡风物体稳定支撑并可以使所述挡风物体绕一个轴旋转的装置；所述轴可以是风轮叶片的中心轴；所述支撑装置，是可以安装在风机或风力发电机的塔杆上，也可以安装在另外的支撑物体上，如轨道支撑等。

由于大型挡风装置非常高，其顶部所受任何一个微小的风吹力，在底部将会产生一个巨大的力矩，为了解决挡风装置晃动时，带动整个发电机系统晃动，在挡风装置和支撑装置之间，安装有缓冲装置或弹性装置，所述弹性装置可以是弹簧等；使得当挡风装置因风吹过产生晃动时，可以有一定程度的自由晃动，这样就可以消耗一部分晃动能量。

经大量的理论研究及试验验证，我们得到了十分精确的数据，当垂直轴风机为升力型风机时，聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角，为20—39度角时，其导流效果最好，湍流最小，当风速过低时，聚风面位于这个位置时，可以最大限度的将逆向风导流到正向风部位，提高发电效率最好；当垂直轴风机为阻力型风机时，聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角，为0—20度角时，其导流效果最好，湍流最小，当风速低时，聚风面位于这个位置时，可以最大限度的将逆向风导流到正向风部位，提高发电效率最好。

本发明适用于任意类型的垂直轴风机或风力发电机，包括但不限于升力型和/或阻力型垂直轴风机或风力发电机。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用采用密闭装置的方法，有效的解决了以前挡风装置无法达到大型化和高空化、实用性的难题；所述挡风物体，可以有效地解决空气动力制动系统的问题，同时，也可以解决风力过大时的强风保护问题，无论多大的强风，都可以控制到达风轮叶片的风量为一恒定值，因此，遇到超级强风时也可以正常发电，不用停机；本发明由于消除了逆向风所产生的动力脉冲，因此，可以消除周期性扭矩“脉冲”的影响问题，还可以大大的提高风能利用效率，本发明通过大量的实验研究，找到了风导流面与风轮轴之间的连线与竖轴之间的最佳夹角角度，使风导流面能够最大限度的发挥效能；本发明还特别适用于高空风力发电。

四、附图说明

图1是本发明实施例一的一种结构原理俯视图示意图；

图2是本发明实施例一的另一种结构原理俯视图示意图；

图3是本发明实施例二的一种结构原理俯视图示意图；

图4是本发明实施例三的一种结构原理正视图示意图；

附图标志

1风导流面 2挡风面 3密闭装置 4支撑装置 5风叶 6风轮轴 7正向风

8聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线 9聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角 10逆向风 11来风方向 12挡风装置 13缓冲装置或弹性装置 14风力发电机塔杆 15控制器

五、具体实施方式

实施例一：

如图1、图2所示；图1是本发明之一种结构原理俯视图示意图；所述位置为当风力不足时挡风装置12的位置，风导流面1在风机风轮接收逆向风部位的前面，当风力不足时，风导流面不仅可以阻挡逆向风，而且还可以将吹向风力发电机风轮的逆向风导流至风轮做正功的部位，从而使气流的逆向推力转化为正向推力，提高风机或风力发电机效率；同时可以消除逆向风所产生的动力脉冲；优选的，所述聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角9为20—39度；本发明所述风导流面可以有多种变型，如曲率半径的变化或风导流面为平面等，凡是能起到上述作用的物体，都在本发明保护范围之内。当风力过大时，控制器控制支撑装置4旋转，带动挡风装置旋转到正向风的位置，如图2所示；标志2为挡风面，当风速过大时，挡风物体可以将风轮保护起来，由于挡风物体可以设计成曲面形状，气流可以顺曲面流走，不会产生正面的风压或破坏性的风力，因此，当遇到超强风时，可以有效地保护风机；控制器可以根据风力的强弱调节挡风装置的具体位置来控制挡住的风量，可以使风机在台风状态下继续工作，不用停机。所述挡风装置壳体采用硬质材料，如玻璃钢或合金材料，在所述壳体的内部或外部，安装有密闭装置，所述密闭装置采用软性材料，例如，采用橡胶类膜材料或塑料类膜材料时；在所述密闭装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是稀薄气体。所述挡风装置的最低点，距离地面的垂直距离大于100米或150米。

所述图1或图2，风力发电机系统为公知升力型垂直轴风力发电机；图 1、图2为俯视图示意图，其正视图与左视图属于公知常识，因此，省略。所述挡风装置为按此俯视图截面上下一致，为一柱状体。故此，其正视图与左视图也属于公知常识，因此，省略。

实施例二：

如图3所示；图3是本发明实施例二的一种结构原理俯视图示意图；所述风力发电机系统为公知阻力型垂直轴风力发电机；控制器也可以控制所述挡风装置调整到逆向风位置或正向风位置；优选的，当风力不足时，所述聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角9为0—20度。

实施例三：

如图4所示；图4是本发明实施例三的一种结构原理正视图示意图；在挡风装置和支撑装置之间，安装有缓冲装置或弹性装置，使得当挡风装置因风吹过产生晃动时，可以有一定程度的自由晃动，这样就可以消耗一部分晃动能量。因此不会带动风机塔杆晃动。

Claims (10)

1.一种挡风装置大型化的装置，包括支撑装置、控制器、挡风装置；其特征是：在垂直轴风机或风力发电机风轮外面安装有挡风装置，其上具有聚风面和挡风面，所述挡风装置安装在支撑装置上，当风速过低时，控制器将所述挡风装置移动到风轮的前面部位，所述前面部位可以将吹向风轮的逆向风阻挡住或将所述逆向风导流到风轮的正向风部位；当风速过高时，控制器将所述挡风装置移动到风轮的前面部位，所述前面部位可以将吹向风轮的正向风阻挡住或将所述正向风导流到风轮的逆向风部位；所述挡风装置包括壳体，在所述壳体的内部或外部，安装有密闭装置，在所述密闭装置内盛有密度小于空气的气体；所述支撑装置，是可以将挡风装置稳定支撑并可以是能满足所述挡风装置移动或绕轴转动的任意装置；所述挡风装置或支撑装置连接有控制器。

2.根据权利要求1所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述在挡风装置和支撑装置之间，安装有缓冲装置或弹性装置。

3.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述挡风装置的最低点，安装在距离地面的垂直距离大于100米。

4.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述挡风装置包括聚风面和挡风面，所述聚风面和挡风面，形成一个尖头夹角，所述夹角大于零度，小于90度。

5.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，当风力不足以及所述挡风装置应用于升力型垂直轴风力发电机时，所述聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角为20—39度；当风力不足以及所述挡风装置应用于阻力型垂直轴风力发电机时，所述聚风面临近风轮主轴的边与风轮轴之间的连线与来风方向之间的夹角为0—20度。

6.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述壳体，采用柔性材料，所述密闭装置采用柔性材料。

7.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述壳体，采用硬质材料，所述密闭装置采用柔性材料。

8.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述壳体或/和密闭装置体积大于1000立方米。

9.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述控制器包括风速或/和风向测量仪，测量仪连接传感器，传感器连接电动控制仪；根据风速或风向测量仪测出的风速或风向，传感器将信息传递给电动控制仪，电动控制仪控制支撑装置，所述控制器既可以将挡风装置移动到逆向风位置，也可以将挡风装置移动到正向风位置。

10.根据权利要求1或2所述一种挡风装置大型化的装置，其特征是，所述密闭装置内是氢气和氮气或氢气和氦气的混合气体。