專利名稱：風洞提速和壓縮儲能的風力發(fā)電技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電技術(shù)，尤其是風力發(fā)電的風葉結(jié)構(gòu)和能量儲存方式。
背景技術(shù)：
風力發(fā)電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風車技術(shù)，大約是每秒三米的微風速度(微風的程度)，便可以開始發(fā)電。
風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，為風力發(fā)電沒有燃料問題，也不會產(chǎn)生輻射或空氣污染。風力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。
小型風力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個發(fā)電機頭組成的，而是一個小系統(tǒng)風力發(fā)電機+充電器+數(shù)字逆變器。風力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為葉片用來接受風力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風的方向從而獲得最大的風能；轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。
風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后用有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。人們最終使用電功率的大小與電瓶大小有更密切的關(guān)系。功率的大小更主要取決于風量的大小，而不僅是機頭功率的大小。
目前技術(shù)缺點主要表現(xiàn)為①風力發(fā)電機的受風時，會在尾翼作用下盡可能向風，這樣風葉的正面受風壓相對要比背面大，形成一定的風壓差，從而推動風葉轉(zhuǎn)動，但風壓積累一定程度時就會自動釋放，所以加寬風葉寬度與風壓差不成正比。
由于上述原因，所以風葉一般做得比較窄，相對于圓周360度，一般一片葉片只能占有10～20度夾角，三葉累計30～60度，占整個圓周的5～17％之間。
受此影響，目前基本將研發(fā)方向集中在增加風葉半徑，達到以平方效率增加掃風面積來而提高功率的目的。
②如果風速過低，那么形成的風壓就不是很高，不能推動風葉提供可靠的輸出。目前的技術(shù)切入風速在3米/秒以上，這樣就對使用環(huán)境提出了較高的要求，限制了大部分地區(qū)的應(yīng)用。
③如果將體積大的低速發(fā)電機設(shè)置在塔架上，勢必極大增加塔架負荷，從而對塔架的設(shè)計強度提出更高要求，也就使塔架建設(shè)成本大幅度攀升。
同時，由于希望提升高度，進行高風速采風和滿足平方效率提高掃風面積，這樣會使做塔架的鋼管成本高成立方效率地提升，從而提高風電的運營成本和架設(shè)投資門檻。
④由于風力發(fā)電輸出不是很穩(wěn)定，所以多數(shù)是采用化學電池進行儲存能量再逆變成市電，這樣電池的制造成本與容量有很大的限制，由于化學蓄電池內(nèi)含鉛酸等有毒或污染性物質(zhì)，會造成二次污染的可能。而且電池容量基本與電池的大小及節(jié)數(shù)基本成正比，這樣大規(guī)模風電也就對電池有很大的需要，提高風電投資與架設(shè)造價。另外，電池的老化比較快，使用壽命不長，維護成本及運營成本也相應(yīng)比較高。
⑤目前的風力發(fā)電設(shè)備對臺風或颶風等破壞性風力的對抗強度差，容易在臺風或颶風等破壞性風力摧毀下被損壞，提高維修成本和運營成本，減少發(fā)電量。
⑥目前銅材價格昂貴，而低壓高電流電纜對銅材消耗十分巨大，這樣在整體運行時，建設(shè)成本普遍大幅度增加，也就提高了風力發(fā)電的投資和運營成本。
⑦目前的切入風速要求比較高，基本在3米/秒以上，這樣低速風力蘊涵的能量就難以釋放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種經(jīng)濟實用、風能利用效率高的風力發(fā)電技術(shù)。
本發(fā)明的是這樣實現(xiàn)上述目的一種風力發(fā)電技術(shù)，包括承重架、風葉、發(fā)電機、能量儲存器，其特征是采用流線形傘棚集中風力，在直徑為傘棚直徑1/2～1/5的風洞中集中加速，高速氣流推動多元風葉式風車旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風車直接帶動發(fā)電機，或者驅(qū)動多級空氣壓縮機進行空氣壓縮或者致冷并液化，然后輸入大型空心高壓的儲存容器中進行儲存，在需要能量輸出時放出壓縮氣體推動汽缸或者汽輪而帶動發(fā)電機進行發(fā)電輸出。
這樣與目前原有技術(shù)對比可以產(chǎn)生的進行效果有同等掃風面積情況下目前的風力發(fā)電運行效率評估為風葉掃風占圓周率為15％左右，風能轉(zhuǎn)化機械能效率60％，發(fā)電機效率為60％，化學儲存效率為80％，輸出為80％，穩(wěn)定效率為60％，累積有效利用率為2.5％以內(nèi)。
本發(fā)明的運行效率為傘棚效率為60％，風車機械能轉(zhuǎn)化效率為60％，空氣壓縮機效率為70％，汽化能量還原效率為70％，發(fā)電機效率為75％，狀態(tài)穩(wěn)定效率為80％，總體運行有效效率為10％左右。
這樣能量利用效率是原來技術(shù)的4倍，利用效率大大提高。
同時，在建造中雖然增加傘棚及壓縮單元的投資，但由于大量節(jié)約價格昂貴的銅材，在大規(guī)模建設(shè)時成本基本接近甚至有所降低，達到3000-5000元/千瓦的水平，減少成本并降低投資門檻。
另外，由于目前風電成本在0.60～1.50元/千瓦時之間，在提高4倍輸出的情況下，發(fā)電成本可以控制在0.15～0.40元/千瓦時，大規(guī)模投產(chǎn)平均發(fā)電成本在0.20～0.30元/千瓦之間，環(huán)境污染及場地要求小，完全符合取代火電的需要，提高產(chǎn)出和經(jīng)濟效益。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是傘棚結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2是傘棚結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖。
圖3是本發(fā)明的流程示意圖。
圖中1，傘棚；2，泄風圈；3，風葉；4，傳動軸；5，傘棚(同1)；6，風葉(同3)；7，風洞；8，高壓氣管；9，傘棚(同1)；10，風葉(同3)；11，汽輪葉片；12，高壓氣管(同8)；13，發(fā)電機或者其他被驅(qū)動機械；14，高壓儲存容器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對具體應(yīng)用進行說明①針對葉片受風效率低和切入速度高的問題，本發(fā)明采用傘棚(1)進行集風，使風在風洞(7)中通過，進行集中和提高風速，一般風洞(7)直徑為傘棚(1)直徑的1/2～1/5之間，多為1/3左右；這樣面積上就縮小了4～25倍，按照1/3的比例可以縮小9倍，那么風速理論值也就提高到9倍，但受集風效率影響，一般能提高到6倍左右，這樣就降低了風力發(fā)電機的風速切入門檻，使能量更好地被吸收或者轉(zhuǎn)化。
實踐證明風洞與傘棚直徑比1∶3能量轉(zhuǎn)化效率最高。
同時在風洞內(nèi)部采用多元風車式葉片(3)進行能量轉(zhuǎn)化，也就是多個傾斜的風葉單片組合并且面積和大于或者等于風洞，這樣風能轉(zhuǎn)化機械能效率可以提高到60％以上，風葉可以用前后環(huán)進行固定。
另外，在傘棚上設(shè)置一層或者多層活動泄風圈(2)，并可以遙控收起和打開，這樣就能提高抗臺風颶風的能力。
②如果單一采用鋼管，在提高風塔高度時會呈立方速度增加鋼材消耗，所以為對抗高空側(cè)應(yīng)力和扭力，可以在鋼管外側(cè)一段距離設(shè)置多組鋼纜對拉增強結(jié)構(gòu)來減小鋼管直徑而降低鋼管成本，并在低端提高鋼架穩(wěn)定性，滿足強度并適當降低建造成本。
③由于化學蓄電池容量小、污染嚴重及壽命短的問題，本發(fā)明采用壓縮氣體或者致冷并液化儲能的方式，直接通過風葉的機械扭力驅(qū)動空氣壓縮機將空氣進行壓縮，也可以多級壓縮，還可以實現(xiàn)致冷并液化，轉(zhuǎn)變成高壓或者液態(tài)空氣通過高壓氣管(8)輸入高壓儲存容器(14)中進行集中儲存，然后在需要進行能量輸出的時候釋放液態(tài)空氣推動汽氣輪機(11)，帶動發(fā)電機或者直接驅(qū)動其他機械。這樣空心容器(14)成本與原來的化學電池等相比越大為成本越低，并能提高儲存時效性，避免化學污染。
④在進行壓縮液氣儲能時，減少低壓電力線纜和大型低速發(fā)電機，這樣可以節(jié)約大量價格昂貴的銅材，取代的是采用耐高壓的鋼管或者纖維管進行高壓或液態(tài)空氣輸送，建設(shè)和維護成本也就會大幅度降低。
⑤另外液態(tài)空氣汽化推動氣輪機發(fā)電的能量轉(zhuǎn)化效率高，輸出穩(wěn)定，能實現(xiàn)大功率輸出。
另外，可以將高壓儲存容器設(shè)置在地下用鋼筋水泥澆灌成圓柱形，這樣既可以保持穩(wěn)定性并節(jié)約地面空間，也可以減小罐內(nèi)外的氣壓差，滿足平衡；還可以將高壓儲存容器直接與支撐塔架結(jié)合，在空心的塔管內(nèi)進行儲存。
空氣壓縮可以根據(jù)輸出功率由小到大選擇汽缸式空氣壓縮機、離心式空氣壓縮機、渦輪式空氣壓縮機等。
這樣，在自然風情況帶動下，大面積的風被自動迎風的傘棚收集，并集中在風洞內(nèi)加速排出，這樣就帶動了其中的風葉，風葉通過傳動裝置驅(qū)動空氣壓縮機進行多級加壓并達到高壓或者液化，然后通過高壓氣管傳輸進儲存容器內(nèi)，在需要發(fā)電的時候開啟閥門，高壓氣體就會推動汽輪片帶動發(fā)電機進行發(fā)電。
實例1平原地區(qū)可以采用邊長150～300米的正六邊形交叉點排列6組直徑120米傘棚的風洞空氣壓縮機組，共享一個位于地下的直徑40米和深度50米的園柱形水泥液氣儲存室，這樣就可以實現(xiàn)24小時的35MW左右的穩(wěn)定電力輸出。
實例2沿海環(huán)境采用塔式罐結(jié)構(gòu)，塔高350米，傘棚離地高度為50米，直徑600米，風洞直徑200米，輸出功率峰值450MW，平均輸出功率為120MW；工程造價接近8億人民幣，年電力產(chǎn)值為3億人民幣左右。
權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電技術(shù)，包括承重架、風葉、發(fā)電機、能量儲存器，其特征是采用流線形傘棚集中風力，在直徑為傘棚直徑1/2～1/5的風洞中集中加速，高速氣流推動多元風葉式風車旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風車直接帶動發(fā)電機，或者驅(qū)動多級空氣壓縮機進行空氣壓縮或者致冷并液化，然后輸入大型空心高壓的儲存容器中進行儲存，在需要能量輸出時放出壓縮氣體推動汽缸或者汽輪而帶動發(fā)電機進行發(fā)電輸出。
2.如權(quán)利要求1所述，其特征在于在傘棚上設(shè)置一層或者多層活動泄風圈，并可以遙控收起和打開。
3.如權(quán)利要求1所述，其特征在于在鋼管外側(cè)一段距離設(shè)置多組鋼纜對拉增強結(jié)構(gòu)來減小鋼管直徑而降低鋼管成本。
4.如權(quán)利要求1所述，其特征在于采用正六邊形交叉點排列6組傘棚的風洞空氣壓縮機組，共享一個位于地下的米的園柱形水泥液氣儲存室。
5.如權(quán)利要求1所述，其特征在于將高壓儲存容器設(shè)置在地下用鋼筋水泥澆灌成圓柱形。
6.如權(quán)利要求1所述，其特征在于將高壓儲存容器直接與支撐塔架結(jié)合，在空心的塔管內(nèi)進行儲存。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風能利用的風葉結(jié)構(gòu)和能量儲存技術(shù)，為解決目前風能利用率低下和風電成本高的問題，本發(fā)明采用流線形傘棚集中風力，在直徑為傘棚直徑1/2～1/5的風洞中集中加速，高速氣流推動多元風葉式風車旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的風車直接帶動發(fā)電機，或者驅(qū)動多級空氣壓縮機進行空氣壓縮或者致冷并液化，然后輸入大型空心高壓的儲存容器中進行儲存，在需要能量輸出時放出壓縮氣體推動汽缸或者汽輪而帶動發(fā)電機進行發(fā)電輸出，這樣就提高了風力發(fā)電的能源利用效率，并減少投資和降低運營成本，可以廣泛用于電力生產(chǎn)，從而取代火力發(fā)電滿足環(huán)保需要。
文檔編號F03D11/00GK101054954SQ200710021829
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者楊貽方 申請人:吳江市方霞企業(yè)信息咨詢有限公司