專利名稱：定向風多層式風輪及其風電場的布局的制作方法
定向風多層式風輪及其風電場的布局風能是緑色可再生能源，其巨大的潛力可用于發(fā)電事業(yè)。我國幅員遼闊，地理和氣象環(huán)境千姿百態(tài)，因而風能資源表現(xiàn)為多祥性。我國西北部以及浩瀚的大北方地區(qū)，有大片的沙漠和沙化平原，有連綿千里的山脈，造成這些地區(qū)風能資源的定向性。本專利申請?zhí)岢龆ㄏ蝻L風輪的設(shè)計，和以這種風輪為主體，提出形式多樣化的風電場布局。多層式風輪(圖I)是本專利申請的主體設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特點是以輪轂(中心軸，件I)為中心，以等距離佈置若干個同心風輪圈(件2)，在風輪圈之間布置若干個翼片(件3)，其最外層則以風輪箍(件4)圈定，形成一個完整的風輪。風輪軸兩端用風輪托架(件5)托住，牢固地固定在地基上。輪軸之一端以機械傳動機構(gòu)(件6)與發(fā)電機(件7)相運接(見圖2)，合成ー套(風輪+發(fā)電機)単元機組。圖2顯示，風輪與發(fā)電機的連接有落地式連接與高架式連接兩種方式。定向風風輪采用多層式高捕捉率設(shè)計。采用多層式、使大型、特大型單元高捕捉率·風輪成為可能。翼片(件3)在層與層之間有序排列，翼片與風輪中心軸(件I)線成ー穩(wěn)定的傾斜角a (見圖3)。每層的翼片形狀完全相同，而各層的翼片則基本相似，只是每層按輪圈直徑的差異，布置不同數(shù)量的翼片，因此整個風輪迎面望去類似于魚類身披井然有序的鱗片。翼片群基本上覆蓋了整個迎風面，故稱之為高捕捉率。當風能接觸到風輪時，由于翼片有ー個傾角a，使風能流經(jīng)風輪時發(fā)生ー個轉(zhuǎn)向運動，其結(jié)果是產(chǎn)生了ー個沿風輪切向的分力，它推動了風輪的旋轉(zhuǎn)運動。這個旋轉(zhuǎn)運動通過風輪軸和發(fā)電機之間的機械傳動，(件6)帶動了發(fā)電機(件7)產(chǎn)生電能。在定向風地區(qū)，往往有定時性反向風的特點，本專利申請?zhí)岢龅娘L輪設(shè)計完全適應(yīng)于こ-項定時性反向風的特點，只是風輪在反向風時作反向旋轉(zhuǎn)。本專利申請為此，提出在風輪軸和發(fā)電機軸之間布置一個反轉(zhuǎn)切換排檔(見圖4)，無論風輪是正轉(zhuǎn)抑或是反轉(zhuǎn)，發(fā)電機始終作同一方向的旋轉(zhuǎn)，使其發(fā)電功能較為穩(wěn)定。采用定向風風輪后，風電場的布局隨地理和氣象條件的差異，有豐富多彩的形式。本專利申請?zhí)岢鋈箢惒季值谝活惼灞P式布局(圖5A型)如果定向風地區(qū)有成片的平原，可采用棋盤式布局，使每個風輪都能承接到較為穩(wěn)定、均衡的風能。第二類擋風墻式布局(圖5B型)采用多臺風輪排成直線的，或某種弧線的長蛇陣般的擋風墻，擋住風的去路，迫使它給出動能。這種風墻般的電場，正面面對風的方向，一方面產(chǎn)生電能，另ー方面也產(chǎn)生迫使風所攜帶沙塵產(chǎn)生沉降的作用。如果這種擋風墻般的風電場，沿由西向東的萬里疆土上，每隔ー個距離布設(shè)ー堵，有阻止沙化向東擴展的作用。如果在東部地區(qū)的特大城市的上風面，布設(shè)若干道這種面對來風的擋風墻型風電場，可有效地防止沙塵暴的侵襲和沙化的東漸。第三類風洞式布局(圖5C型)在多山地區(qū)選擇適當山體，開鑿前后貫通的巖洞，其中布設(shè)ー套風輪發(fā)電機組。山體面對定向風，因而風洞有明顯的聚風效果。風洞中的風速往往大于山前的風速，更有利于風輪發(fā)電機組的發(fā)電功能。本專利申請?zhí)岢鏊姆N風洞的造型，即直筒型風洞、束腰型風洞、前喇叭型風洞和后喇叭型風洞，為實施者提供更多的選擇。當今，機械化的隧道鑿巖機國內(nèi)已有能力進行批量生產(chǎn)，為風洞式風電場的建設(shè)提供了有效的技術(shù)支持。特別提示①多層式高捕捉率風輪在本專利申請人的前一宗專利申請(申200610067799. I)中已經(jīng)有過詳細的介紹。該專利申請是專門為非定向風的風能利用而提出來的。本專利申請為定向風的風能利用再次提出了同一設(shè)計原理和基本結(jié)構(gòu)的多層式風輪，清楚地說明了這項風輪的設(shè)計，可廣泛應(yīng)用于定向風和非定向風，因此本專利申請人認為這項風輪的設(shè)計有能力完全替代目前國內(nèi)、外通用的各式風輪。②多層式高捕捉率風輪是本專利申請(以及上述專利申請200610067799. I)的創(chuàng)新性設(shè)計，根本區(qū)別于目前常用的各式設(shè)計。因此，在實施吋，比之于單純的采用引進設(shè)備，或基于國外技術(shù)進行的“國內(nèi)創(chuàng)造”，肯定會有各種困難和不確定因素。以本專利申請人個·人的觀察，目前國內(nèi)標榜“開發(fā)風電技術(shù)”的單位不少，但是有足夠技術(shù)力量獨立開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)的風電成套設(shè)備的単位可謂鳳毛麟角。因此，本專利申請人殷切地盼望這項事業(yè)有國家的政策扶持，籌組ー個強有力的領(lǐng)導(dǎo)班子，組建ー個高水平的技術(shù)核心隊伍，指定主要生產(chǎn)單位，併力攻關(guān)，才能尅日奏效。③本專利的說明書中，關(guān)于翼片的介紹只用了短短的一句話，說“有ー個固定的傾斜角a……”這并不意味本專利技術(shù)將翼片限定于有ー個有傾斜角a的平面。翼片的實際型線不可能用一句話來界定，也不可能用一個簡單的理論計算來確定。翼片的型線關(guān)系到風輪的阻力和風能的有效吸收。當今世界科技界對此類課題都必需采用模型的流體力學(xué)測試來求解。本專利技術(shù)的實施者應(yīng)該做的基礎(chǔ)性工作之一，就是對各種風輪和各種翼片型線作技術(shù)測試和比較。這種測試為爭取時間和減低費用計，建議以定性的、或至多是半定量的試驗為目標。④本專利申請的名稱雖以“定向風”為前提，但本專利申請人必須申明“定向風”一詞的采用，并不意味著本專利技術(shù)只局限于理論上嚴格的風的“定向性”。在實際上，根本不可能指望有什么絕對的“定向性”，大自然的瞬息變化是萬難嚴格限定的。這里所謂的“定向風”，只是想說明風的走向基本上是穩(wěn)定的，而不是東、西、南、北任意變遷的。本專利申請?zhí)岢龅亩鄬邮礁卟蹲铰曙L輪單以軸中心線而言是定向的，其軸中心線正對設(shè)定的風向。如果在運行中實際風向偏離設(shè)定的風向，在一定范圍內(nèi)風輪仍可有效運作。譬如實際風向偏離設(shè)定風向±(0 30° )，風輪的出力可能是在90%上下波動。如果偏離± (30° 60° )，風輪出力的波幅可能逐步擴大到50%左右。如果風電場場址地點，風向經(jīng)常有如此大范圍的波動，風輪則應(yīng)考慮采用非定向風的設(shè)計，更為穩(wěn)妥。實際上在所謂的“定向風區(qū)域”，這種經(jīng)常達到±(30° 60° )的風向波動范圍的情況是非常罕見的，并不致于影響定向風風輪的采用。


①圖I是定向風多層式高捕率風輪結(jié)構(gòu)示意圖；②圖2是風輪與發(fā)電機的接連圖，其中有落地式連接和高架式連接兩種方式；③圖3是翼片傾斜示意圖；④圖4是正反風換檔示意⑤圖5是風電場布局示意圖，其中有A型棋盤型布局，B型擋風墻型布局和C型風洞型布局，其中C型有1、直筒型風洞；11、束腰型風洞；111前喇叭型風洞；IV、后喇叭型風洞。·
權(quán)利要求
1.定向風多層式風輪及其風電場的布局定向風風輪有以下技術(shù)特征 ①圖1(定向風多層式高捕捉率風輪)示風輪的結(jié)構(gòu)特征； ②件1為風輪轂(中心軸)； ③以輪轂為中心，以等距離布置若干個風輪圈(件2); ④在相鄰風輪圈之間布置若干個翼片(件3); ⑤其最外層則以風輪箍(件4)圈定，形成一個完整的風輪； ⑥從風輪整體的前方視之，翼片均勻地布滿風輪的園面積，故稱之為多層式高捕捉率風輪； ⑦風輪軸的兩端由風輪托架(件5)托住，牢固地固定在地基上，(圖2)顯示風輪與發(fā)電機機構(gòu)的連接有落地式連接與高架式連接兩種方式。
2.定向風風輪風電場的設(shè)備布局 在具有定向風的場合，在決定采用定向風風輪后，其風輪的布局可有多種類型的布局，其技術(shù)特征如下 ①棋盤式布局(圖5A型)，適用于定向風地區(qū)有成片的平原； ②擋風墻式布局(圖5B型)，其中多臺風輪作直線的或某種弧線的長蛇陣般的擋風墻，形成一座能發(fā)電的擋風墻； ③風洞式布局(圖5C型) 在多山地區(qū)選擇適當山體，開鑿前后貫通的巖洞，其中各設(shè)置一套風輪，本專利提出多種風洞的造型，即 I直筒型風洞； II束腰型風洞； III前喇叭型風洞； IV后喇叭型風洞。
特別提不 翼片(件3)與風輪圈(或中心軸)有一個傾斜角a，使風流經(jīng)過風輪時發(fā)生一個流向的改變。這是風輪產(chǎn)生能量的基本源泉。這項傾斜角與翼片的型線兩者關(guān)系到風輪的阻力和風能的有效吸收。當今世界科技界對此類課題都必需采用模型的流體力學(xué)測試來求解，這也是本專利技術(shù)的實施者應(yīng)該做的基礎(chǔ)性工作之一。
全文摘要
本發(fā)明申請《定向風多層式風輪及其風電場的布局》以定向風多層式高捕捉率風輪(見附圖)為基本設(shè)備，提出兩種與發(fā)電機相連接的方式(直接式與高架式)。本發(fā)明申請以(風輪+發(fā)電機)為基本發(fā)電單元機組，提出風電場的三種布局(棋盤式布局、擋風墻式布局和風洞式布局)。在風洞式布局中，又提出四種風洞結(jié)構(gòu)，即直筒式風洞、束腰式風洞、前喇叭式風洞和后喇叭式風洞。本發(fā)明申請之所以提出豐富多彩的風電場布局創(chuàng)意，是為了適應(yīng)風電場建場當?shù)氐木唧w地理和氣象條件，為實施者提供寬廣的選擇余地，建成具有特色的風電場。
文檔編號F03D11/00GK102787985SQ20121030554
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者戴克發(fā) 申請人:戴克發(fā)