專利名稱：一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，屬于風力發(fā)電裝置。
背景技術：
風能是最具有開發(fā)價值的新能源，風能是分布最廣，離我們最近，取用最方便的無 污染清潔能源，用好風電對減少碳排放，改善環(huán)境意義重大。風能也是儲量巨大的新能源， 風能取之不盡，用之不竭，并具有相對最低的開發(fā)成本，所以風電的發(fā)展是新能源發(fā)展的重
點ο目前風力發(fā)電大都用螺旋槳式大風車風動機，一般稱水平軸風動機。2002年以前， 多葉式，風斗式，垂直旋渦式，垂直集風式，不計其數(shù)，都達不到目的即放棄。大家都知道風 輪和葉片是風力發(fā)電機獲取風能的動力獲取機構，風輪獲取風能的能力將直接影響風力發(fā) 電機的發(fā)電效率。目前，市場上的風輪和葉片主要是引進的西方傳統(tǒng)的“三葉片風輪”技術。 該技術雖然是風力發(fā)電機的傳統(tǒng)理論，但是隨著風電領域有識之士與專家學者及本人的多 年研究試驗，發(fā)現(xiàn)該理論存在很大誤區(qū)。其一，由于受前蘇聯(lián)(1931)參考直升機螺旋槳制造的一臺大型風力發(fā)電機的影 響，“三葉片風輪”的設計一直搬用直升機螺旋漿的設計理論為其所用。其實螺旋漿的機械 原理和風輪的機械原理是有本質上的區(qū)別的。風輪的設計目的是為了利用流動的空氣的動能而得到帶動發(fā)電機旋轉的機械能; 螺旋漿的設計目的是為了克服地心引力而利用空氣的浮力。風輪本體的運動性質是葉片控 制輪軸旋轉，葉片是主動、輪軸是被動；螺旋槳本體的運動性質是與風輪恰恰相反，是輪軸 控制葉片旋轉，輪軸是主動的，葉片是被動。這兩種機械的設計目的不同，運動性質截然相 反，是不能相提并論的。其二，“三葉片風輪”的葉片幾何形狀不合理，導致葉片本體產(chǎn)生力矩損失嚴重。<1>、葉片迎風產(chǎn)生旋轉力矩原理，是一種典型的“重心”在中間的一種“杠桿原 理”。葉片頂部上的點一定是迎風產(chǎn)生力矩的值最大，而根部上的點一定是迎風產(chǎn)生力矩值 最小的，葉頂處的施力是極具利用價值的。所以，設計葉片時，葉頂部應設計的比葉根部寬， 以便使葉片更有效地利用風能在葉頂部產(chǎn)生的力矩。<2>、因葉片是繞軸旋轉的，所以距離軸心越近的點的運行軌跡周長越短，距離軸 心越遠的點的運行軌跡周長越長。因此，在風輪迎風旋轉時，距離軸心越近的點的線速度越 低，距離軸心越遠的點的線速度越高，根據(jù)這種風輪旋轉時的圓周運動特性，所以說，葉片 形狀應該越靠近軸心處越窄，距離軸心越遠處應該越寬。即葉片每一點的寬度應與這個點 的線速度相吻合，葉片頂部越寬其獲得的風能也將越大，風的利用率也會提高?！叭~片風 輪”的葉片幾何形狀不符合上述原理，其形狀主要是受飛機螺旋槳影響，飛機螺旋槳根部粗 頂部奸細，主要是考慮整個槳葉在旋轉過程中能夠產(chǎn)生平穩(wěn)的提升力，防止槳葉切割空氣 沿徑向產(chǎn)生大小不一的升力引起震動，損壞槳葉。而風力發(fā)電機風輪葉片獲取動力將動力 傳給發(fā)電機軸心，不存在平衡升力的問題。所以，“三葉片風輪”的葉片幾何形狀設計并不符
3合空氣動力學原理，導致葉片本體產(chǎn)生力矩損失嚴重，風能利用率低。其三，以“三葉片風輪”為代表的傳統(tǒng)風輪設計，存在誤區(qū)，那就是“葉片寬度、葉片 數(shù)與轉速成反比”。不可否認，寬葉片與窄葉片相比，寬葉片在旋轉過程當中產(chǎn)生的阻力較大，但是， 同時寬葉片迎風面受風壓力也比窄葉片大。風輪之所以轉動是因為葉片所受風的正壓力 大于風輪旋轉過程中葉片所受阻力，而壓力和阻力均遵循物理學壓力等于壓強乘以受壓面 積，即F = p*S(F，葉片所受壓力；P，葉片單位面積所受壓強；S，葉片受壓有效面積)。因為 同等條件下風壓不變，所以葉片受力大小與葉片的有效受壓面積有關。因此，可以看出同等 條件下寬葉片風輪較窄葉片風輪更容易接受和吸收風能，風輪獲得的能量更多，風輪更容 易轉動，轉速更高。同樣道理，相同條件下的風輪，其葉片數(shù)不同獲得的風能也將不同，葉 片多則獲取風能更多，風輪更容易啟動，風輪轉速也會更高。由以上論述可知，“三葉片風輪”為代表的傳統(tǒng)風輪設計中所說的“葉片寬度、葉片 數(shù)與轉速成反比”是不正確的，應該成正比才對。所以，螺旋槳理論發(fā)展起來的風電技術存在的問題越來越嚴重，制造成本大、發(fā)電 效率低、故障率高、并網(wǎng)穩(wěn)定性差等問題，隨著風電機組的大型化，這些問題越來越突出，并 已嚴重影響到風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。風電技術發(fā)展已近百年，但風電產(chǎn)業(yè)仍很稚嫩，存在問題很多，需要補貼，需要扶 持，與其它技術相比發(fā)展非常滯后。技術的發(fā)展與理論的指導是分不開的，螺旋槳理論已明 顯不適應風電技術的發(fā)展，所以，歐美風電技術發(fā)展方向存在嚴重錯誤。我們必須正本清源，以新的技術和理論發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)，大幅降低風電機成本，大幅 提高發(fā)電效率，保證并網(wǎng)穩(wěn)定性，讓風電機得到大量普及應用，只有這樣才能保證風電產(chǎn)業(yè) 的健康快速發(fā)展。
實用新型內(nèi)容本實用新型目的是為了解決現(xiàn)有三葉式風力發(fā)電存在的技術難題即風能機型創(chuàng)新與創(chuàng)新機型風能開發(fā)利用的任務全是要仰仗風能設備來完成，因此風能設備如何“表現(xiàn)”高度 決定風能開發(fā)行動的成效與成敗，如何使風電設備更佳表現(xiàn)業(yè)已成為風電產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā) 展的首要核心，因此可以說創(chuàng)新風電發(fā)展模式的根本就是創(chuàng)新風電設備。在當前的大型風電建設中，“成本高、效力低、故障多、功能少、拓展難”是各個相關 方面長期抱怨與公認的5大現(xiàn)實表象，這同時也是構成風電“產(chǎn)能過?！北硐笈c投資價值不 高的5大主要起因。<1>，三葉式靠單葉沿伸，以撬力固定于中心，葉片沿伸越長，中心葉柄固定必然增 大，周邊間格就越大，不但不能起捕風作用，反而起阻力負作用，導致葉片本體產(chǎn)生力矩損 失嚴重。在風力強度相同的條件下，當前的大型風電單一葉片超長加大設計的直接結果將 導致其風輪旋轉速度的降低，導致齒輪箱傳動比值加大，超長葉片還將導致塔筒效應與振 動效應的明顯顯現(xiàn)；葉片長度加大必然要求加強其葉根部的結構強度設計，因此還將導致 葉片體積重量的龐大目前1. 5-2兆瓦葉片已達18t左右；而3兆瓦已達30t ；而5兆瓦…… 10兆瓦呢，按照慣性思維應該50t……IOOt ？)，因為慣性所致又將導致在低風速狀態(tài)下難于驅動超重葉片啟動旋轉，因此難于形成更多的投資收益獲得時空。此外，調(diào)控方式的單 一是形成效力低表象的另一重要原因，因為在自然界風力加大的時刻立刻采用轉槳瀉風的 調(diào)控方式又將導致強風時刻增多收益能力的丟失，這尤其是在3-5兆-10瓦及其以上設計 功率下將表現(xiàn)的愈加明顯。<2>，三葉式故障多成因的技術葉片不能調(diào)節(jié)或只微小調(diào)節(jié)，限于3-7級風才能發(fā) 電，7級風以上超負荷燒電機，現(xiàn)有大型風電機組的整體設計形態(tài)導致其調(diào)控需求復雜，種 類繁多，甚至延伸到對每一個葉片乘風姿態(tài)的隨時調(diào)控上，調(diào)控機構、結構與部件需求多， 從而導致故障發(fā)生機會的增加；而其整體設計形態(tài)又導致其對于多數(shù)零部件的材料與制造 的品質與規(guī)格要求已經(jīng)大大超出普通機械設備部件的要求能力范疇，非高價與進口產(chǎn)品能 夠勝任，而這又是導致成本高的原因。大型風輪旋轉速度減慢導致的齒輪箱傳動比設計需 求的大幅度提高也是形成故障高的起因(結構復雜又是導致成本高的起因之一)。此外，與 技術發(fā)源地比較，中國的高寒、高強風力、高強陽光的應用環(huán)境也直接對于超長懸空力臂風 輪葉片(高分子材料)與連接機械結構及其耐久性應用構成更大程度的威脅(即使是在技 術發(fā)源地，也時常聽到葉片發(fā)生斷或者裂的事故)，而電力設備的高空設置(高空冬夏冷熱 劇烈變化影響與不方便日常維護)與偏航系統(tǒng)攜帶電線電纜旋轉的對風方式也是造成故 障多的誘因。<3>，三葉式重力在內(nèi)徑中心，起不到運轉慣性作用，不能調(diào)節(jié)不規(guī)律陣風影響，造 成轉速不均勻，電壓不穩(wěn)定，不能直接上電網(wǎng)，需要增加高貴的充電放電設備，增加成本和 電量損耗。如只采用轉槳改變出力的調(diào)控方式難于滿足優(yōu)勢化的應用需求與風力強度的巨 大范圍變化，從而將減少投資收益的程度。何況，通過變化風力攻擊大型葉片角度的轉槳調(diào) 控方式所形成的調(diào)控準確性與成效性值得商榷，其或是成為導致當前大型風電不穩(wěn)定的成 因之一？<4>，拓展難成因的技術目前還沒有100米以上直接高空重物吊裝機械，也難以發(fā) 展大型風輪。風電機組的更大型化發(fā)展是實現(xiàn)高效、低價、簡捷、方便設計、生產(chǎn)、安裝、應用 與穩(wěn)定化運行唯一有效的途徑與手段，向著更大能力、更高效能、更強適用性的拓展預期也 是支持與推動風電產(chǎn)業(yè)更大規(guī)模發(fā)展的原動力，但從現(xiàn)有大型風電機組的整體形態(tài)與結構 的上述分析中可以看出，實現(xiàn)上述許多功能與能力需求的努力難有更大的拓展空間，因為 在克服其中之一缺陷的過程中另一相關方面的問題會形成相互制約，難于兩全其美，如更 進一步放大其葉片設計規(guī)格空間的努力將導致重量、成本與故障率的更高發(fā)生，而某些功 能性缺陷的完善努力(如在高空設置大型多發(fā)電機系統(tǒng))將永遠無法實現(xiàn)。<5>，綜合經(jīng)濟效益低、成本高。無論任何形態(tài)類型的風電機組，其有效采風面積、 采風能力及在單位乘風面積上能夠形成的乘風強度和乘風出力位置所能形成的驅動旋轉 力臂的大小是決定風輪出力能力高低的直接原因。從現(xiàn)有形態(tài)三葉式大型風電機組的葉片 上看，其是采用攻擊角度的乘風出力方式，因此葉片難于形成更為寬大的乘風幅面規(guī)格的 設計，而采用超長放大單一風輪葉片長度的方式所能形成的整體有效乘風面積的增加量是 十分有限的，難于將單一風輪葉片的乘風面積設計很大；而從超長葉片的重量與形成乘風 出力面積與乘風力臂的分布形態(tài)上看，現(xiàn)有大型葉片接近50-60%的重量卻是集中在葉根 部或是接近于葉根部且部分還呈現(xiàn)圓形，主要作用是形成對超長葉片根部的支撐能力，沒 有能夠形成乘風出力作用與乘風面積，而在遠離主軸可形成較大旋轉力臂導致形成實際有
5效旋轉力矩的葉尖部又是那么窄小(物理學上的力矩(M)指使推動物體轉動的力(F)乘以 到轉軸的力臂距離(L)即M = FXL)?？梢姡斍帮L輪的大直徑設計并沒有導致相應比值 大的出力能力，因而難于形成有效功率設計的大幅度提高(這同時也是導致效力低、拓展 難的成因之一)。而在設備單機出力能力不能形成很大條件下所形成的設備綜合成本必定 會很高，因為現(xiàn)有設備大型風電結構復雜，從而每個機組均要形成各個方面的支撐結構、運 行功能、調(diào)節(jié)控制、傳輸設備等的具全俱備。為了解決上述難題，經(jīng)反復研究，綜合運用實踐經(jīng)驗、模擬實驗，提出了一種新形 的技術方案。包括支撐架、設于支撐架上的風輪組。本發(fā)明的目的，就是提供一種新式風輪 雙風輪對轉風力發(fā)電機組，且克服了以上五大難點與創(chuàng)新，其特點為在一根主桿上的一個 平衡對稱點上安裝兩個風輪，或多級雙風輪，且轉化三葉式單葉撬力為扁條形風葉片呈半 環(huán)狀或桃形狀鋼結構拉力，框架頂力，增加了轉速和力度，其設計結構也具有抗惡劣氣候的 能力，配備相匹配的靜音空氣壓縮機，當風力小于啟動風速或無風時，就會自動由靜音空氣 壓縮機的噴槍噴出間歇式的氣體來推動風輪轉動而發(fā)電工作，當風力大于啟動風速時就自 動停止其工作，從而保持了基本恒定的最佳轉速比，滿足恒速恒頻的并網(wǎng)要求。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是一種新式風輪雙風輪對轉風力 發(fā)電機組，至少有兩根以上的扁條型風葉片，分別呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在軸輪上，且其軸 輪，軸桿同側的風葉片的捕風面相對扭斜，中間安裝一個至少有兩個以上葉片的風車與其 聯(lián)結一體的風輪。進一步的所述扁條形風葉片的捕風面扭斜的角度大于0度。軸輪、風車軸輪分別固定在同一主桿上的平衡對稱點上的兩個向反的發(fā)電機軸桿 上，當雙風輪捕風而產(chǎn)生對轉時，故雙風輪所帶動的各自發(fā)電機就會同時朝一個方向轉動 而同步發(fā)電。所述新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組上配備有相匹配的靜音空氣壓縮機，當風 力小于啟動風速或無風時，就會自動由靜音空氣壓縮機的噴槍噴出間歇式的氣體來推動風 輪轉動而發(fā)電工作，當風力大于啟動風速時就自動停止其工作。運用的原理及優(yōu)點一、運用風葉片呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在兩個軸輪上，軸桿同側的風葉的捕風面 相對扭斜，且在風葉呈半環(huán)狀或桃形狀中間安裝一個風車聯(lián)結一體，形成風輪框架，轉化三 葉式單葉撬力為鋼結構拉力、中間風車頂力；從而達到相配的力學標準，具有抗惡劣氣候的 能力；二、運用扁條形風葉片呈半環(huán)狀或桃形狀和風車葉片按正面方向安裝，此風輪就 正轉順轉；當扁條形風葉片呈半環(huán)狀或桃形狀和風車葉片按反面方向安裝，此風輪就反轉 逆轉，起到了平衡支架承受力；三、運用風葉呈半環(huán)狀或桃形狀中間安裝一個風車連接一體的風輪，并在主桿上 的一個平衡對稱點上安裝兩個風輪形成對轉而同時帶動各自的發(fā)電機同步發(fā)電。比目前市 面上流行的風力發(fā)電機組，在同等的基礎上，增加了一倍以上的發(fā)電能力；四、運用至少有兩根以上的扁條型風葉片，分別呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在軸輪上， 且其軸輪，軸桿同側的風葉片的捕風面相對扭斜，使其葉片頂部上的點在迎風產(chǎn)生力矩的值最大，而根部上的點在迎風產(chǎn)生力矩值最小，因而使葉片形狀越靠近軸心處越窄，距離軸 心越遠處越寬，所以，更有效地利用風能在葉片相對扭斜中產(chǎn)生了最佳力矩；五、葉片的制作不受材料的限制(金屬非金屬均可、且不必建模)；六、設計結構為大跨度“金字塔支架”支架前拉后頂旁撐主桿，平衡加壓，使其順其 自然，靠風力自動調(diào)整風向，隨風而轉的自動轉向迎風，無需風向調(diào)節(jié)裝置，省掉了偏航裝 置和變漿矩裝置的滯后性所帶來的破壞，并使結構得到簡化，成本得到降低，堅固穩(wěn)妥，生 產(chǎn)安全；七、運用配備相匹配的靜音空氣壓縮機，當風力小于啟動風速或無風時，就會自動 由靜音空氣壓縮機的噴槍噴出間歇式的氣體來推動風輪轉動而發(fā)電工作，當風力大于啟動 風速時就自動停止其工作，保證轉速的恒定，滿足恒速恒頻的并網(wǎng)要求，且思路只要有高級 公路或一級公路通往的地方就可以沿路發(fā)展，沒有必要去‘跑馬圈地’，不受區(qū)域和地理環(huán) 境的限制；可以和國家智能電網(wǎng)一并發(fā)展；八、整體制造成本低，安裝調(diào)整簡單故障率低。結構設計材料全部采用國產(chǎn)普通鋼 材，價格便宜成本低，約是同容量成本三分之一。
圖1是本發(fā)明一種具體結構側示圖。圖2是圖1的正視圖。圖3是圖2中風輪的立體圖。圖中1避雷器；2風速風向傳感器；3主桿上部及頂部；45捕風面；67軸輪；8軸承；9風車軸輪；10風車；11扁條型風葉片；12正轉順風輪；13反轉逆風輪；14軸桿；15無級變速箱；16發(fā)電機；17滾動軸承；18托盤 及方向控制器；19主桿中下部；20塔式主桿；21中心主桿套管；22尾舵；23框 架；24十字架支撐；25風車圓圈；26風葉片呈半環(huán)狀或桃形狀中心點；2728
儲氣罐及靜音空氣壓縮相配備裝置。
具體實施方式
以上結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。如圖1所示的一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組兩個輪軸67固定在軸 桿14上，至少有兩根以上的扁條型風葉片11分別呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在軸輪67和軸桿14上，且軸輪67和軸桿14同側的扁條型風葉片11的捕風面45相對扭斜，扭斜的角度大于0度。軸桿14中間的風車軸輪9上安裝有一個風車10，風車圓圈25與風葉呈半環(huán)狀或桃形狀中心點26相聯(lián)結(結合圖2所示)，十字架 支撐24聯(lián)結在風車軸輪9、捕風面45和風葉呈半環(huán)狀或桃形狀中心點26上， 在中心主桿套管21安裝兩個發(fā)電機16和無級變速箱15，將正轉順風輪12、反轉 逆風輪13分別安裝在軸桿14上。再將框架23套在主桿上，主桿的頂部及頂部3
安裝一個風速風向傳感器2和避雷器1。塔式主桿20上的托盤及方向控制器18
由滾動軸承17控制框架23里面的正轉順風輪12、反轉逆風輪13使其始終與迎 風面相匹配，從而使風輪的所有捕風面45角度處在最佳位置。也可以采取尾舵22來保證風輪與迎風面相匹配。再安裝一個相匹配的儲蓄罐及靜音空氣壓縮27觀，當 無風或小于啟動風速的風力時，自動啟動儲蓄罐及靜音空氣壓縮27觀中的空氣壓縮 機設備工作，由噴槍間歇噴出氣體推動雙風輪轉動而發(fā)電。
權利要求1.一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，其特征在于至少有兩根以上的扁條型風 葉片，分別呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在軸輪上，且其軸輪，軸桿同側的風葉片的捕風面相對扭 斜，中間安裝一個至少有兩個以上葉片的風車與其聯(lián)結一體的風輪。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，其特征在于所述 扁條形風葉片的捕風面扭斜的角度大于0度。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，其特征在于所述 風車設置在風車軸輪上，所述軸輪、風車軸輪分別固定在同一主桿上的平衡對稱點上的兩 個向反的發(fā)電機軸桿上。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，其特征在于所述 新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組上配備有相匹配的靜音空氣壓縮機。
專利摘要一種新式風輪雙風輪對轉風力發(fā)電機組，其特點將至少兩根以上為扁條型風葉片，分別呈半環(huán)狀或桃形狀聯(lián)結在軸輪，軸桿上，且具軸輪，軸桿同側的風葉片的捕風面相對扭斜，風葉呈半環(huán)狀或桃形狀中間安裝一個風車與之結成一體，形成一種新式風輪，并在同一主桿上的平衡對稱點上安裝兩個風輪，或多級雙風輪，且雙風輪呈多角度捕風而對轉動，轉化三葉式單葉撬力為扁條形風葉片呈半環(huán)狀或桃形狀鋼結構拉力，框架頂力，配備相匹配的靜音空氣壓縮機，當風力小于啟動風速或無風時，就會自動由靜音空氣壓縮機的噴槍噴出間歇式的氣體來推動風輪轉動而發(fā)電工作，當風力大于啟動風速時就自動停止其工作，保持了基本恒定的最佳轉速比，滿足恒速恒頻的并網(wǎng)要求。
文檔編號F03D7/04GK201884204SQ20102028965
公開日2011年6月29日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權日2010年8月12日
發(fā)明者程武林 申請人:程武林