CN88101846A - 用于发电的高空采风方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于发电的高空采风方法及装置。高空不同速速度的气流通过一个或数个采风口会聚于进风口，然后通过直径渐缩的风道自行加速，在近地面的出风口形成所需的工作速度的气流，来驱动的发电机组或其他工作机械。本装置造价低廉、安装容易、维护简单和使用寿命长。
Description
本发明涉及一种用于发电的高空采风方法及其装置，利用本方法所产生的风能也可用来驱动其他工作机械。
风是存在于地球表面的自然现象。地球上近地面层每年的风能总量约为1.3×1012千瓦，可利用的风能量至少为109千瓦，约10倍于地球上可利用的水能总量。中国的风能资源十分丰富，年风能总储量估计为16亿千瓦。由于风是一种取之不尽的能量，所以很早以来就利用风力作为驱动发电机和其他工作机械的动力，用于发电、提水灌溉、碾米等。随着人类文明的进步和科学技术的发展，应用风力发电的技术取得了很大发展，收到十分显著的经济效果。
但多数利用风力的方法均脱胎于原始的风单，世界各国的风力发电装置均是在自然风场中架设风力发电机，塔高数米至数十米，风力发电机转子叶片长达数米至十多米，有效运转风速为3-20米/秒，退出运行风速为28-30米/秒。这些风力发电机组存在以下的根本性缺点：1.不能充分应用各种速度的风力，如对3米/秒以下的风速及30米/秒以上的风速不能应用，只好弃风停运;2.转子叶片由于长度大，且受不同大小的冲域负荷，受力状况差，常发生断裂事故;3.风力发电机组必须安装在很高的塔架上，安装困难，机械磨损严重，使用寿命短，一般不到两年。
因此，近年来，多数风力发电机的研究只好着眼于地面的风力，放弃离地十米或几十米以上高空的强盛风力的优势。如中国实用新型专利CN 86201785U各为“风力发电机风道”，是由一垂直风筒塔和十六堵聚风墙面上刷一层太阳能吸收率的涂料，藉“热气流上升”的原理来集风。美具专利4406579（1983年9月27日），也是一种利用地面风力的发电装置，它是用一个很长的抽风道，在风道外侧涂黑以吸收阳光，用于加热管道内空气，产生“热气流上升”效应，对地面的空气产生一向上抽力，而在进风口产生风流。此气流推动连接在进风口的风轮转动，风轮轴带动同轴发电机，将风能转变为机械能，再变为电能。这类风力发电的最大缺点是不能应用高空的优势风力。
因此，本发明的任务是要提供一种用于发电的高空采风的方法及其装置，达到可以利用高空优势风力，使风力发电装置改善其工作条件和延长设备寿命，以及加工精度要求低，安装方便，维修简单，大大降低设备制造保养的费用。
本发明的任务是通过下述的技术方案来解决的：将高空具有不同速度的空气流，通过一个或数个采风口汇集于进风口，通过直径渐缩的风道自行加速，在近地面处的出风口达到进行发电和驱动其他工作机械所需的工作速度。
本发明的构思基于柏努利方程。根据柏努利方程，空气在自然风场中不断运动，其运动的动能即风能密度为：
W＝ 1/2 ρV3A， （1）
W-风能;
ρ-空气密度;
V-风速;
A-单位截面积。
设风通进风口的截面积为A1，风速为V1，出风口的截面积为A2，风速为V2，则在单位时间内通过风道进风口截面的风能为W1＝ 1/2 ρA1V3 1同样在风道出风口截面的风能为：W2＝ 1/2 ρA2V3 2。
假设是理想的渐缩风道，风能在风道中的损失略而不计，根据能量不灭定理，则：
W1＝W2即 (A1)/(A2) ＝ (V2 3)/(V1 3)
（2）
由式（2）可知，大截面处的风速小，而小截面处的风速大。当然，A1的尺寸是根据机组容量而定，A2的尺寸是根据风力涡轮机的设计风速来选择。风道长度则按最佳增速比来选择。
根据流体力学空气动力理论，风道的轴向截面形状为双曲线，风能损失最小，其增益因子在4-5。实际应用中，采用直线或其他近似双曲线也是可以的。
本发明主要采用于离地十多米乃至数十米的采风方式，用于取代现有的在自然风场中架设风车式的采风方式，主要优势是在高空，因为地面风由于摩擦而变弱之故。当然，本发明对于地面气流频繁的地区，也可使用于地面，此时宜采用卧式或倾斜式风道。
为适应不同方向的风力，可采用单采风口或多采风口。本发明的一个优选方案是可回转单采风口的风道，另一优选方案是多采风口的风道。
当发生强风时，为了防止特大风速使出风口的工作速度超出应用许可范围，则可采用可变直径的采风口，以减小风量流入;或在风道中设置阻流板或曳气孔，以及其他减速增阻装置。
在风道的出风口之处可以安装水平轴式、立轴式、多级式等可供带动的风力发电机组。
本发明的附图如下：
图1-利用本发明发电的工作示意图;
图2-风道截面图;
图3-可旋转采风口的风道。
图1所示为本发明用于发电的情况。具有速度为V1的气流通过采风口（5）会聚于进风口（7），通过直径渐缩的风道（1）的加速作用，空气流在出风口（8）处形成具有所需工作速度V2的气流。此气流带动水平轴式、立轴式、多级式等风力发电机组（2）。
图2所示为风道的各组成部分。风道的采风口（5）可以采用单采风口（如图示）或多采风口，它与风道（1）相接，相接处为进风口（7）。在多数情况下，采风口与进风口重合，也就是直接由进风口进行采风。风道的直径是渐缩的，风道的轴向截面形状是双曲线。为加工方便，也可做成直线或类似双曲线。风道的内表面磨光，以减小阻力，风道外表面则涂绝热材料，以免阳光加热风道内的气流，形了“热空气上升”。出风道（9）与风道相接处为出风口（8），出风道的长度可视需要而定。
图3所示为旋转采风口的风道。采风口（5）与风道进风口之间用滚珠联接（3），采风口可以转动。采风口上固定一风标（6），风标的作用是使采风口永远对着气流方向。
由于本发明突破了传统的风力发电的采风形式，而在自然风场中，特别是在高空应用风道采风，然后通过风道风行加速带动风力发电机，全部发电机组均可安装在地面，带来许多技术效果;由于这种采风方法对地区的选择和功率范围的增减要求条件不严，因此可普遍应用于我国广大地区，而且造价低，维护方便，对我国的电气化有大意义。除发电外，应用本发明的采风方法及其装置来驱动提水、挤牛奶、剪羊毛等其他工作机械，能获得很大经济效益。
Claims (8)
1、一种用于发电的高空采风方法，其特征在于，高空不同速度的气流通过一个或数个采风口(5)会聚于进风口(7)，通过直径渐缩的风道(1)自行加速，在近地面的出风口(8)形成可以驱动发电机组或其他工作机械的工作速度。
2、根据权利要求1的高空采风方法，其特征在于，高空不同速度的气流通过一个或数个采风口（5）会聚于进风口（7），通过轴向截面形状为双曲线的直径渐缩的风道（1）自行加速，在近地面的出风口（8）形成可以驱动发电机组或其他工作机械的工作速度。
3、一种用于发电的高空采风装置，系由一个或数个采风口（5）、进风口（7）、风道（1）和出风口（8）组成，其特征在于，风道的直径是渐缩的。
4、根据权利要求3的高空采风装置，其特征在于，风道的轴向截面形状为双曲线。
5、根据权利要求3或4的高空采风装置，其特征在于进风口的直径和出风口的直径是根据发电机组容量和设计风速来选择的。
6、根据权利要求3或4的高空采风装置，其特征在于风道的外表面涂隔热材料，内表面磨光。
7、根据权利要求3或4的高空采风装置，其特征在于采风口是可旋转的，永远朝着气流方向。
8、根据权利要求6的高空采风装置，其特征在于采风口是可旋转的，永远朝看气流方向。
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