CN2795476Y - 带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置 - Google Patents

Abstract

带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置。二道钢筋混凝土的集风墙与一个钢结构的风道出风口框架连接，按一定集风墙长度和风道夹角组成喇叭口型的集风风道，风道进风口朝向风电场主导风向，风道进风口截面面积是风道出风口框架截面面积的2倍，风道出风口框架风速比风道进风口风速增大1倍。几台风力发电机组安装在风道出风口框架上。每台风轮前方，安装有与风道出风口框架连接的多层阻风移门水平导轨，各风轮前面两侧对称安装多层自动折叠式阻风移门，当风轮风速增大接近关机风速，各层自动折叠式阻风移门向中间关闭，阻遏风力，减小过大风速使保持在有效风速范围内，充分利用风能，并实现大功率风力发电机的风轮小型化。

Description

带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置

所属技术领域

本实用新型涉及一种利用风力发电的的带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置，尤其是能充分利用风能，并提高风力发电机发电能力的带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置。

背景技术

风力是地球上蕴藏量十分巨大的能源资源。估计我国的风能资源实际可开发量大于2.53亿千瓦。作为如此有价值的可再生的清洁能源，至今其实际利用却很少，究其原因，主要是受到一些瓶颈因素的制约，如：

1.空气密度低，所以风能的功率密度低，要有效获得风能，需要大面积的受风机械；

2.风力的特点是方向和风速不稳定，正常风速较小。

目前，风力发电主要采用水平轴风力发电机组，由旋转的风轮、发电机机舱、塔架及控制系统组成。风轮叶片受风后转动，通过低速轴联接变速箱，能量传递到低压发电机，经过升压并入电网。

由于风力的不稳定，需要将叶片做得很长，塔架很高。直径几十至上百米的风轮和几十吨重的机舱支撑在几十至百余米高的尖塔顶端，强风的阻力，风轮和机舱的重力对塔架会产生巨大的载荷，各种振动和弯矩对塔架造成的破坏性作用也是严重的。叶片断裂，控制系统失灵等事故常有发生，并影响发电机的寿命。

细高的塔架支撑沉重的载荷，长期运行在强大的风力下，这本身是一种稳定性较差的结构。

由于叶片难以做得太长，塔架也不能太高，因此风力发电机的输出功率受到一定限制。如国外较大功率的2000kw风力发电机，叶片直径80米左右，塔架高80米左右。现有的3000kw风力发电机，叶片直径长达100米，塔架高达100米(德国Growian公司)。继续扩展，难度上升。

风力发电机的巨大叶片不能在风速太高下工作，风速太高也对传动系统工作不利。所以，在风速太大，达到一定速度时，风力发电机要关机，这个速度就是关机风速或切出风速。

风电场均有盛行主风向。因为全年的风，通常方向性较强，风力大部分局限于一些特定的方向。如福建平潭，东山等地的全年的风能，大部分都是集中分布在某一不大的方位角范围内(两地均在45度角左右)。所以，风电场设计都要根据风向玫瑰图确定一个主导风向。多台风力发电机组群的排列阵列应迎向主导风向。

风力机理论指出当风速提高一倍，风能可大8倍，即风轮输出功率大8倍。

从上述说明可以得到以下几点认识：

1.要有效利用风能，最好的办法是提高风速；

2.风力发电机的塔架结构有很大缺陷，要找到稳定性和强度更好的结构；

3.风速太大，风力发电机要关机，所以要限制风速小于切出风速；

4.提高风速，可以使风力发电机的输出功率提高，而风轮直径可以减小，因而可以实现新型的风轮小型化的大功率风力发电机。

受到自然界峡谷风的启发，有一些研究提出了用喇叭口的集风装置增加风速的设想。但是这些方案很少考虑解决提高风速后，风速太大怎么办的问题。目前的大型风力发电机，通常的有效风速范围约为：3-25米/秒，即开机风速3米/秒，关机风速25米/秒。假定利用喇叭口的集风装置使风速增加一倍，则当自然风风速达到12.5米/秒时，到达风力发电机的风速增加为25米/秒，这时风力发电机只得关机。也就是大于12.5米/秒风速的自然风这一部分强大的风力就不能利用而浪费了。目前大型风力发电机的额定风速约在15米/秒左右，将12.5--25米/秒的自然风放弃不用，显然是不合理的。

如何解决好风力发电机结构强度和稳定性的问题也是非常重要的。

发明内容

为了提高对风能的有效利用，并克服现有风力发电机的塔架式结构的缺陷，本实用新型提出带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置改进风力发电机的结构，采用风道出风口框架连接的集风风道代替风力发电机传统的塔架结构，起到提高风速，从而使风能聚集增强的作用，并能提高风力发电机组整体强度和稳定性。用多层自动折叠式阻风移门阻遏增速后超出切出风速的强风风速，使其进入接近风力发电机额定风速的有效风速范围内，扩展了有效风能的利用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

按风电场主导风向，建立一个用钢结构的风道出风口框架连接两道钢筋混凝土的集风墙所构成的喇叭口型的集风风道，这种框架结构的集风风道的强度和稳固性都较高。集风风道的风道进风口朝向风电场主导风向，风道进风口截面面积大于风道出风口框架截面面积，风力机的经典理论认为空气流(自然风)属于连续的，不可压缩的流体，根据流体连续性原理，喇叭口型集风风道的风道出风口框架截面的风速和风道进风口截面的风速之比，等于两处截面面积的反比。控制集风墙的长度和风道夹角就可以控制风道出风口框架截面面积和风道进风口截面面积之比，取适当的集风墙的长度和风道夹角，使风道出风口框架截面面积和风道进风口截面面积之比为1∶2，从而使风道出风口框架的风速比风道进风口的风速增加一倍。若干台风轮小型化的大功率风力发电机组直接安装在风道出风口框架上，风力发电机组可水平回转。在风道出风口框架上风力发电机的风轮前面一定距离，装有多层阻风移门水平导轨，每台风轮左右两侧对称各安装一个多层自动折叠式阻风移门，每层自动折叠式阻风移门可沿阻风移门水平导轨移动。当到达风道出风口框架的风速接近切出风速(停机风速)时，自动控制系统控制各层自动折叠式阻风移门从两边向中间关闭合拢，阻遏部分风力，使风速减小保持在有效风速范围。

多层自动折叠式阻风移门对强风力的阻遏能力，可用覆盖于阻风移门的折叠连接机构上的尼龙阻风网的阻风能力表示，尼龙阻风网的阻风能力称为阻风系数k，k表示阻遏后风速与阻遏前风速之比值，其值在0.5--1范围，不同地区应根据当地气象资料，按强风出现的强度和频率确定。对于上述12.5--25米/秒的自然风，由于增速一倍，风速成为25-50米/秒，阻风系数取值k＝0.65，通过多层自动折叠式阻风移门到达风力发电机的风轮的实际风速成为16.25-32.5米/秒范围。由于风速增加，风力发电机的风轮直径可以减小，同时因为本实用新型的框架结构比塔架结构有较高的稳定性，并对振动有较好的阻尼作用，以及尼龙阻风网的阻风能力对风力发电机组的保护作用，以上这些条件，使得风力发电机的切出风速可以比目前的大型风力发电机的切出风速(一般为25米/秒)大一些。

由于风速1.5-25米/秒的自然风经本实用新型增加了一倍速度后，风速成为3-50米/秒，其中25-50米/秒的风又经多层自动折叠式阻风移门减速，使得到达风轮的实际风速成为16.25-32.5米/秒，因此到达风轮的实际全程风速范围为：3-32.5米/秒。由此可以确定切出风速定为30米/秒是合适的。这时多层自动折叠式阻风移门的关门风速定为28米/秒。风速扩展段为14--25米/秒，增速一倍成为28--50米/秒，经多层自动折叠式阻风移门减速为18.2-32.5米/秒，切出风速30米/秒，因此实际风速扩展段到达风轮为18.2--30米/秒，即风速12.5--25米/秒的自然风经过带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的聚集增强成为18.2--30米/秒的有效风速，这洋的一段风速基本聚集在风力发电机额定风速附近，因而风能得到充分的利用。

当风向偏离主导风向，且达到一定的风速和持续时间，导航系统控制风力发电机组自动偏航水平回转一定角度，使这部分占全年比例较小的风能也得到利用。

本实用新型的有益效果

即使在风能资源丰富的地区，大都全年超过一半时间是风速小于6m/s的低速风。已知风速提高一倍，风能可大8倍，使风轮输出功率大8倍，本实用新型使风速成倍提高，因而可使风力发电机生产的电力增加。并且，原来风力资源较小的地区，也有可能利用本实用新型实现风力发电。

由于风速的提高，风力发电机的风轮直径可以缩小，而风力发电机组的额定输出功率可以做得较高，即可应用新型的风轮小型化的大功率风力发电机，其切出风速也可适当提高，从而提高了有效风速的范围。

本实用新型利用集风风道使风速增加，同时采取多层自动折叠式阻风移门对高速强风减弱的方法，使自然风的低速弱风和高速强风两端扩展进入有效风速范围，从而使风能得到充分的利用，提高了全年的风力发电时间。

本实用新型采用风道出风口框架联结集风风道的整体结构代替了塔架结构，具有较高的强度和稳定性，对振动的吸收也更好。若干台风力发电机组安装在一个集风风道的风道出风口框架内，组成为一个风力发电站，有利于降低分摊到每一台风力发电机组的建设费用，也有利于控制系统的集成，降低成本，因而可以提高控制水平。

多个风力发电站可以以阵列方式(如风电场常用的梅花型)布置建设风电场。

多层自动折叠式阻风移门的一个重要作用是对风力发电机组的设备和安全运行的更好保护，延长设备寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的集风风道的原理图。

图2是带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的结构示意图。

图3是带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的风道出风口框架部分示意图。

图4是风电场的多个风力发电站的梅花型排列布置图。

图5是多层自动折叠式阻风移门的结构示意图。

图中1.集风墙，2.风道出风口框架，3.风道进风口，4.风力发电机组，5.阻风移门水平导轨，6.风轮，7.支架，8.折叠连接机构，9.滚珠轴承滑轮，10.电动驱动箱，11.折叠连接机构连杆，12.尼龙阻风网，13.风力发电站，14.集风风道，15.风道夹角，16.自动折叠式阻风移门。

在图1、图2、图4中的黑体箭头指示风电场主导风方向。

图1是带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的集风风道的原理图。图中由二道等长的钢筋混凝土构造的集风墙(1)按照一定的角度即风道夹角(15)构成一个喇叭口型的集风风道(14)。二道集风墙(1)延伸相交的角度为风道夹角(15)，二道集风墙(1)的直线延伸到相交处的延伸长度均与集风墙(1)的长度相等。集风风道(14)的大口是风道进风口(3)，风道进风口(3)朝向风电场主导风向，喇叭口型的集风风道(14)小口的截面位置是由与二道集风墙(1)连接在一起的由钢结构组成的风道出风口框架(2)构成。风力机的经典理论认为空气流(自然风)是属于连续的，不可压缩的流体，根据流体连续性原理，喇叭口型的集风风道(14)的风道出风口框架(2)的风速和风道进风口(3)的风速之比，等于该两处截面面积的反比。控制集风风道(14)的集风墙(1)的长度和风道夹角(15)，可使风道出风口框架(2)的风速比风道进风口(3)的风速成倍增加。当取适当的集风墙(1)的长度和风道夹角(15)，使风道出风口框架(2)的截面面积和风道进风口(3)的截面面积之比为1∶2，从而使风道出风口框架(2)的风速比风道进风口(3)的风速增加一倍。

具体实施方式

实施例

图2中带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置主要是由钢结构的风道出风口框架(2)和二道钢筋混凝土的集风墙(1)连接构成的喇叭口型集风风道(14)、阻风移门水平导轨(5)、自动折叠式阻风移门(16)和风力发电机组(4)相连接组成。

实施例设定二道集风墙(1)均长100米，高60米，风道夹角(15)60度，风道进风口(3)宽为200米，风道出风口框架(2)宽为100米。在风道出风口框架(2)中间安装2台风力发电机组(4)，该2台风力发电机组的风轮(6)的中心位置之间的间距为50米，各风轮(6)的中心位置离风道出风口框架(2)相近一侧侧边的距离为25米，离地面为30米。由图1的说明可以知道集风风道(14)的风道出风口框架(2)上风轮(6)的扫掠风速是风道进风口(3)自然风风速的2倍。设定每台风力发电机组(4)的额定输出功率为4000kw，设发电机和增速齿轮的效率为0.8，额定风速为25米/秒(相应于风道进风口(3)处的环境自然风风速为12.5米/秒)，风力发电机的风轮(6)的经验计算公式(参见“风力机的理论与设计”，作者：勒古里雷斯，机械工业出版社)为：

P＝0.2*D²*V³

P是风轮提供的输出功率，等于风力发电机额定输出功率除以发电机和增速齿轮的效率0.8，

P＝4000kw/0.8＝5000kw，

V是额定风速，设计为25米/秒，

得到风力发电机风轮(6)直径D等于40米。

风速的增加，使得风力发电机额定输出功率可以提高，而风轮直径却缩小很多。实施例中风力发电机输出功率比目前常用的大型风力发电机额定输出功率(2000kw)提高一倍，其风轮直径却缩小了一半，实现了大功率风力发电机的风轮小型化。

由于风轮直径的减小，风力发电机的切出风速可以适当提高。这里实施例设定切出风速为30米/秒。而多层自动折叠式阻风移门(16)的阻风系数k取值0.65，其关门风速定为28米/秒。

实施例的风力发电机组(4)，其额定输出功率4000kw，与目前国际上最大的风力发电机的输出功率是同一量级的(如德国Growian公司生产的额定输出功率5000kw的风力发电机。其风轮直径达145米，塔高120米)，由于实施例风力发电机风轮(6)直径的减小，其制造比通常的大功率风力发电机更容易，成本和运行费用也可减低。

本实用新型作为一个整体装置，可以作为一个风力发电站(13)，即带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置构成的一个风力发电站(13)，其强度和稳定度都要优于传统的塔架式结构。

实施例作为一个带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置构成的风力发电站(13)，其额定输出功率为8000kw。

图3是带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置的风道出风口框架部分示意图。在风道出风口框架(2)上装有2台实施例的风力发电机组(4)，风力发电机的风轮(6)直径40米。每个风轮(6)的前方(迎风方向)10米处，安装4根即3层阻风移门水平导轨(5)，多层阻风移门水平导轨(5)整体与风道集风墙(1)和风道出风口框架(2)连接。在风轮(6)的上方和下方各有1根阻风移门水平导轨(5)，在风轮(6)中间有2根阻风移门水平导轨(5)，每根阻风移门水平导轨(5)之间的间距为14米。在每台风轮(6)左右两侧对称各安装一个3层自动折叠式阻风移门(16)。每2根相邻阻风移门水平导轨(5)间，为1层自动折叠式阻风移门(16)。当风轮(6)扫掠风速接近切出(关机)风速时，每层自动折叠式阻风移门(16)自动向中间关闭合拢，以阻遏部分风力，使风速减小，保持在有效风速范围内。

图4是将每一个实施例的带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置作为一个风力发电站(13)，将若干个风力发电站(13)按梅花型排列的风电场示意图。图中风电场纵向和横向各分为5格，其中4个角上的4个格子，分别表示4个建有实施例的风力发电站(13)。每一个风力发电站(13)的额定输出功率为8000kw，占地面宽200米，长200米。

梅花型排列的风电场阵列有5行5列，为了避免风力发电机尾流以及风力发电站之间对风力的相互干扰，按风电场建造的常规要求，列距应取3--5倍风力发电站(13)宽度，行距应取3--5倍风力发电站(13)长度。实施例设计风电场列距和行距均取风力发电站(13)的3倍长度。该风电场的占地面积为1平方公里。其总的额定输出功率为3.2万千瓦。在长宽各2.6公里即6.8平方公里范围内可建四个这样的风电场，总的输出功率为12.8万千瓦。

图5中，自动折叠式阻风移门(16)的各个支架(7)之间用折叠连接机构(8)和折叠连接机构连杆(11)连接，并用尼龙阻风网(12)覆盖。各个支架(7)和折叠连接机构连杆(11)以及电动驱动箱(10)的顶部和底部均安装有滚珠轴承滑轮(9)，滚珠轴承滑轮(9)沿上下二根阻风移门水平导轨(5)移动。自动折叠式阻风移门(16)的一端固定在风道出风口框架(2)上，另一端是电动驱动箱(10)，电动驱动箱(10)由控制系统根据风速测量数据实时控制，驱动自动折叠式阻风移门(16)关闭或开启。

每一层自动折叠式阻风移门(16)均由左右两个对称的自动折叠式阻风移门(16)组成，多层自动折叠式阻风移门(16)以中心轴对称方式安装在风力发电机的风轮(6)位置前面左右两边，关闭时，两边的自动折叠式阻风移门(16)向中间移动合拢。开启时，则反向进行。

Claims (2)

1.带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置，包括集风墙、集风风道、风道出风口框架、阻风移门水平导轨、多层自动折叠式阻风移门和风力发电机组组成，其特征是：由二道钢筋混凝土的集风墙按一定的集风墙长度和风道夹角组成喇叭口型的集风风道，用钢结构的风道出风口框架与集风风道的二道集风墙连接成一个整体，风道进风口的截面面积大于风道出风口框架的截面面积，风道进风口朝向风电场主导风向，若干台风力发电机组直接安装在风道出风口框架上，在风道出风口框架上每台风力发电机组的风轮位置前面，安装有与风道出风口框架和集风墙连接的多层阻风移门水平导轨，每一层阻风移门水平导轨间在风轮左右两侧对称各安装一个自动折叠式阻风移门。

2.根据权利要求1所述带自动阻风移门的框架结构风能聚集增强风力发电装置，其特征是：在每一层阻风移门水平导轨的相邻的二根阻风移门水平导轨间，在风轮左右两侧对称各安装一个自动折叠式阻风移门，每个自动折叠式阻风移门由阻风移门水平导轨、支架、折叠连接机构、折叠连接机构连杆、滚珠轴承滑轮、尼龙阻风网和电动驱动箱相连接组成，每个自动折叠式阻风移门靠近风道出风口框架的一端固定连接在风道出风口框架上，自动折叠式阻风移门的另一端是电动驱动箱。

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