專利名稱：一種耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種風力發(fā)電系統(tǒng)。具體說，是具有對氣體進行聚集、收儲、增速、轉(zhuǎn)換功能的大功率耦合式風力發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，為減少對自然資源的過度開發(fā)、利用，目前世界各國都比較重視利用風力來進行發(fā)電。傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機都是利用空氣在大尺度范圍內(nèi)不同地點之間壓強差形成的勢能引起的宏觀流動進行發(fā)電，這種方式對于風能的應用幾乎已經(jīng)達到極限，而對于空氣本身所攜帶的靜壓力勢能則無法被利用。為了提升這類風力發(fā)電機的功率，就只能一味增加掃風面積，結(jié)果是必須配備巨大的風葉，從而導致風力發(fā)電機的體形巨大。目前最大的風力發(fā)電機的單機功率不超過7兆瓦，但其直徑已經(jīng)超過120米，不僅制造、安裝、維護起來比較麻煩，而且制造成本較高。另外如在I平方公里的土地上布場建站，風塔豎直高度120米范圍內(nèi)以平均風速7米每秒的風來說，攜帶的動能約有20兆瓦，按照通常布局，在這樣的面積內(nèi)也就能布置9-12臺兆瓦級水平軸風力發(fā)電機，且單機的風能利用率不到5%，在7米每秒的風速下每臺機的發(fā)電功率不會超過I兆瓦，在這個范圍內(nèi)由于風機對風的影響，總發(fā)電量不會超過9兆瓦，對風的動能利用率較小。為解決以上問題，中國201210282851.0號專利公開了一種自啟動式狹管聚風風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用一端到另一端口徑由大逐漸變小的管道來進行聚風，將自然風的風速提高了 10倍以上后送給風力發(fā)電機，充分利用空氣中蘊含的巨大靜壓力勢能，使得與相同進風口面積的傳統(tǒng)風力發(fā)電機相比，風的動能提高到100倍，相當于將單機的風能利用率提高到了 500%。但這種風力發(fā)電系統(tǒng)仍存在以下問題:一是為保證進風口與風向的一致，聚風管道的進風口到風力發(fā)電機的進風口之間需要設置多個彎頭，使得風能經(jīng)多次轉(zhuǎn)向后損耗較大，難以對其充分利用；二是為了適應聚風管道出口較小的需要，風力發(fā)電機的葉片也較小，而葉片一小·，其力臂就短，并且往往在管道中心風速雖然最高，卻由于力臂極短而無法產(chǎn)生力矩，因此，這種發(fā)電系統(tǒng)的力矩仍舊較小，中心處的風幾乎不產(chǎn)生作用，在管道橫截面內(nèi)能夠利用的風的動能不足50%;三是由于上述風力發(fā)電系統(tǒng)所用聚風管道自進風口一端到出風口一端由大到小逐漸變小，體積大、重量較重、不僅不易制造、不易運輸、不易施工，而且設置時呈上大下小的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低；四是由風能轉(zhuǎn)化的機械能，需要經(jīng)過多級傳動軸、變速箱才能傳遞到發(fā)電機，而且需要設置降溫設備，不但增加了設備成本，而且運行降溫設備還需額外支付電力費用。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的問題是提供一種耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，采用這種發(fā)電系統(tǒng)，能夠提高風能的利用率，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，而且不需額外設置降溫設備，可降低成本。為解決上述問題，采取以下方案:本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)包括集風筒和基座，集風筒的內(nèi)徑大于基座上端的外徑，集風筒呈豎向罩于基座上方，且集風筒與基座間呈同心固定配合。所述集風筒上端有集風頭，該集風頭為彎頭，其兩端的軸向中心線相垂直，其一端與集風筒上端間呈可旋轉(zhuǎn)狀活動配合。其特點是所述集風筒內(nèi)基座上端面的中心位置處有支撐軸，該支撐軸上套有輪轂，輪轂的外表面沿周向均布有渦輪葉片，輪轂與支撐軸間呈可轉(zhuǎn)動狀配合。所述輪轂內(nèi)側(cè)固定有發(fā)電機轉(zhuǎn)子，在輪轂內(nèi)的那段支撐軸或基座外壁上固定有發(fā)電機定子，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機定子的位置對應，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑大于發(fā)電機定子的外徑。所述集風筒內(nèi)在輪轂的上方設置有導風罩，該導風罩為圓錐形，其下端與所述支撐軸的頂端間呈固定連接，且導風罩下端的外徑與所述輪轂的外徑相等。本實用新型的進一步改進方案是所述輪轂的四周外表面軸向有不少于兩組渦輪葉片，每組渦輪葉片均沿輪轂外表面周向均勻布置，且渦輪葉片的傾斜方向均相同。相鄰的兩組渦輪葉片之間對應的集風筒內(nèi)壁上固定有沿周向均布的第一導流板，第一導流板的傾斜方向與渦輪葉片的傾斜方向相反。即在輪轂的外表面自上而下采用多級渦輪葉片串聯(lián)，并在相鄰的上下級渦輪葉片之間設置第一導流板來調(diào)整氣流方向，使得氣流與多級渦輪葉片撞擊后才能排出，從而對風能進行充分的利用。本實用新型的進一步改進方案是所述導風罩的底部連接有短直筒，短直筒的外壁上沿周向均布有第二導流板。這樣，可以在氣流沖擊渦輪葉片前，利用第二導流板對其進行規(guī)整，避免亂流和渦流的出現(xiàn)，使氣流沿著第二導流板的表面沖擊渦輪葉片，從而減少風能的損耗。本實用新型的跟進一步改進方案是所述輪轂下方的基座外表面與集風筒內(nèi)壁間均布有徑向的整流板，整流板均呈豎向布置。該整流板能夠?qū)⒔?jīng)過渦輪葉片的氣流進行規(guī)整后排出，可避免集風筒下部產(chǎn)生亂流、渦流，而影響氣流的整體流動性。采取上述方案，具有以下優(yōu)點:本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)采用在集風筒內(nèi)設置錐形導風罩的方式來實現(xiàn)聚風、增速的功能，無需設置多個彎頭，與狹管聚風相比，可減少風能在管道內(nèi)的損耗；與此同時，自然風經(jīng)過集風頭進入集風筒后，能夠通過錐形的導風罩將其分流到集風筒內(nèi)壁附近，并直接作用在渦輪葉片上，避免了葉輪中心的風能無法產(chǎn)生力矩的情況，使其最大限度的轉(zhuǎn)化為機械能，使得風能得到充分的利用，其管道橫截面內(nèi)能夠?qū)u輪葉片產(chǎn)生作用的風的動能可達到50%以上。采用集風筒內(nèi)設置錐形導風罩來代替現(xiàn)有的狹管，在縮小管道體積和重量的同時，可避免頭重腳輕的問題，具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，由于本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)采用將風輪(即輪轂和渦輪葉片的組合件)直接固定在發(fā)電機外轉(zhuǎn)子外，可以對大功率發(fā)電機做功，使其直接啟動，省卻了傳動軸和變速裝置，而且氣流在經(jīng)過渦輪葉片和輪轂側(cè)壁時，在推動渦輪葉片和輪轂轉(zhuǎn)動的同時，還可以起到風冷降溫的效果，可免除用來降溫的設備和運轉(zhuǎn)降溫設備所需支付的電力費用，從而降低了設備的制造成本和運行成本。

圖1是本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中圓圈部分的局部放大示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細說明:如圖1和圖2所示，本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)包括集風筒2和基座11，集風筒2為直筒狀，基座11的上端為圓柱狀，集風筒2的內(nèi)徑大于基座11上端的外徑，集風筒2呈豎向罩于基座11上方，且集風筒2與基座11間呈同心固定配合。這種固定配合可以是本實施例中的集風筒2的底部和基座11的底部間通過支柱12連接，也可以是利用支柱將集風筒2固定在地面上，并將基座11也固定在底面上,使得集風筒2和基座11呈相對固定配合，并保證集風筒2和基座11同心。所述集風筒2上端有集風頭1，該集風頭I為彎頭，其兩端的軸向中心線相垂直，其一端與集風筒2上端間呈可旋轉(zhuǎn)狀活動配合。所述集風筒2內(nèi)基座11上端面的中心位置處有支撐軸4，該支撐軸4上套有輪轂13，輪轂13的外表面沿周向均布有渦輪葉片8，渦輪葉片8的傾斜方向均相同。所述輪轂13的軸向一端有輪輻5，該輪輻5可以是完整的圓板，也可以是像汽車輪轂一樣的花式輪輻，但其中心位置都必須有用于套在支撐軸4上的圓孔，本實施例的輪輻5為帶有中心孔的圓板。所述基座11上端面和輪轂13的輪輻5間有推力圓柱滾子軸承17，推力圓柱滾子軸承17的下部固定在基座11上端面上，推力圓柱滾子軸承17的上部與輪轂13的輪輻5間呈固定連接，使得輪轂3能夠通過輪輻5和推力圓柱滾子軸承17支撐在基座11上端面上，且輪轂13能夠以支撐軸4為中心轉(zhuǎn)動。所述輪轂13內(nèi)側(cè)固定有發(fā)電機轉(zhuǎn)子14，本實施例中輪轂13的內(nèi)側(cè)有內(nèi)輪筒9，內(nèi)輪筒9與輪轂13間通過徑向支架6呈固定連接，輪輻5位于內(nèi)輪筒9的上端，所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子4固定在內(nèi)輪筒9的內(nèi)表面上，在輪轂13內(nèi)的那段基座11外壁上固定有發(fā)電機定子16，發(fā)電機轉(zhuǎn)子14和發(fā)電機定子16位于同一水平面上，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子14的內(nèi)徑大于發(fā)電機定子16的外徑。所述集風筒2內(nèi)在輪轂13的上方設置有導風罩3，該導風罩3為圓錐形，其尖錐部位于上方，導風罩3的下端與所述支撐軸4的頂端間呈同心固定連接，且導風罩3下端的外徑與所述輪轂13的外徑相等。為了更好的對風能進行充分利用，在所述輪轂13的四周外表面軸向有不少于兩組渦輪葉片8，每組渦輪葉片8均沿輪轂13外表面周向均勻布置，且渦輪葉片8的傾斜方向均相同。相鄰的兩組渦輪葉片8之間對應的集風筒2內(nèi)壁上固定有沿周向均布的第一導流板15，第一導流板15的傾斜方向與渦輪葉片8的傾斜方向相反。本實施例中，在輪轂13的四周外表面軸向有兩組渦輪葉片8串聯(lián)，并在上下級渦輪葉片8之間的集風筒2內(nèi)壁上設置第一導流板15來調(diào)整氣流方向，經(jīng)檢測，這種組合方式，對應兩級渦輪葉片所在的管道橫截面，能夠?qū)u輪葉片產(chǎn)生作用的風的動能總和在65%以上，若采用更多級的渦輪葉片8和第一導流板15組合的方式，其風能利用率將更高。在氣流進入集風筒2并經(jīng)過導風罩3分流后，可能會出現(xiàn)亂流、渦流，如直接沖擊渦輪葉片8，不僅會損耗風能，而且會造成渦輪葉片8受力不均而易損壞。因此，本實施例在所述導風罩3的底部還連接有短直筒18，該短直筒18與導風罩3可以是一體結(jié)構(gòu)。所述短直筒18的外壁上沿周向均布有第二導流板7，第二導流板7的傾斜方向與渦輪葉片8的傾斜方向相反。這樣，可以在氣流沖擊渦輪葉片8前，利用第二導流板7對其進行規(guī)整，避免亂流和渦流的出現(xiàn)。另外，當氣流經(jīng)過全部渦輪葉片8后，在從集風筒2底部排出前，也可能會出現(xiàn)亂流、渦流的現(xiàn)象，從而影 響氣流在集風筒2內(nèi)的整體流動性。因此，本實施例在輪轂13下方的基座11外表面與集風筒2內(nèi)壁間還連接有徑向的整流板10，整流板10均呈豎向布置，且沿周向均勻分布。該整流板10能夠?qū)⒔?jīng)過渦輪葉片8的氣流進行規(guī)整后排出，從而避免集風筒2下部產(chǎn)生亂流、渦流。本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，可根據(jù)風向旋轉(zhuǎn)定位集風頭1，使得水平360°任意方向的風都能順暢地進入集風筒2內(nèi)。由于在低速下空氣具有不可壓縮性，使得后續(xù)不斷進入的空氣在集風筒2內(nèi)持續(xù)擠壓不斷推進，再經(jīng)設置在集風筒2內(nèi)的錐形導風罩3時，與集風筒2的直立管筒產(chǎn)生內(nèi)變徑，形成特有的環(huán)形狹管效應，提升風速，使得氣流成噴射狀作環(huán)向運動，再經(jīng)過設置在錐形導風罩3下方的第二導流板7對氣流進行定向?qū)Я鳎郎u流、亂流之后的氣流沖擊在上級的渦輪葉片8上，強大的風能促使上級的渦輪葉片8帶動輪轂13轉(zhuǎn)動。與此同時，做功后的尾流再通過第一導流板15的實時定向?qū)Я鳎忠淮螞_擊在下級的渦輪葉片8上，由于所有渦輪葉片8的傾斜方向都相同，因此，下級的渦輪葉片8也會帶動輪轂13同向轉(zhuǎn)動，從而可提高輪轂13的轉(zhuǎn)動速度。輪轂13的轉(zhuǎn)動同時帶動了其內(nèi)側(cè)固定的發(fā)電機轉(zhuǎn)子14轉(zhuǎn)動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子14產(chǎn)生的磁場和發(fā)電機定子16相互運動產(chǎn)生感生電場，通過電纜輸出電能，在經(jīng)過相關設備后接入國家電網(wǎng)，從而完成風能轉(zhuǎn)換成機械能，機械能轉(zhuǎn)換成電能的全過程。第二次做功后的尾流通過設置在下方的整流板10消除亂流、渦流，避免對集風筒2內(nèi)氣流整體流動性的影響，最后剩余較少能量的風通過排風口回歸大自然。本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)可以在外形尺寸不變的情況下，根據(jù)不同的使用場合，來確定輪轂13直徑和渦輪葉片8長度的配比，設計制造出十兆瓦、幾十兆瓦以上的大型風力發(fā)電機，從而實現(xiàn)發(fā)電功率的要求，極大地省去了占地面積，減少輸電電纜，建站容易。而且，其渦輪葉片和發(fā)電機均設置在管道內(nèi)，不受陽光、風暴侵襲，既穩(wěn)定，又牢靠，極大地提高了抗風、抗震能力，又特別適宜高密度建站，大功率集中供電。以背景技術(shù)中所述的I平方公里面積為例， 采用本實用新型的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)建站時，可以布置80臺以上，在7米/秒風速時，經(jīng)檢測，其增速效果可達到8 12倍，同樣以10倍計算，自然風的動能提高到100倍，并且在風的動能利用率65%的情況下，相當于將單機的風能利用率提高到650%以上，每臺發(fā)電功率在30兆瓦左右，也就是總共有2400兆瓦的發(fā)電量，是通常風力發(fā)電站總功率的240多倍。充分利用空氣中蘊含的巨大靜壓力勢能，使得與相同進風口面積的傳統(tǒng)風力發(fā)電機相比，發(fā)電功率可提高到240倍以上，正是依靠提取那極其巨大的靜壓力勢能來完成的。
權(quán)利要求1.一種耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，包括集風筒(2)和基座(11)，集風筒(2)的內(nèi)徑大于基座(11)上端的外徑，集風筒(2)呈豎向罩于基座(11)上方，且集風筒(2)與基座(11)間呈同心固定配合；所述集風筒(2)上端有集風頭(1)，該集風頭(I)為彎頭，其兩端的軸向中心線相垂直，其一端與集風筒(2)上端間呈可旋轉(zhuǎn)狀活動配合；其特征在于所述集風筒(2)內(nèi)基座(11)上端面的中心位置處有支撐軸(4)，該支撐軸(4)上套有輪轂(13)，輪轂(13)的外表面沿周向均布有渦輪葉片(8)，輪轂(13)與支撐軸(4)間呈可轉(zhuǎn)動狀配合；所述輪轂(13)內(nèi)側(cè)固定有發(fā)電機轉(zhuǎn)子(14)，在輪轂(13)內(nèi)的那段支撐軸(4)或基座(11)外壁上固定有發(fā)電機定子(16)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子(14)和發(fā)電機定子(16)的位置對應，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子(14)的內(nèi)徑大于發(fā)電機定子(16)的外徑；所述集風筒(2)內(nèi)在輪轂(13)的上方設置有導風罩(3)，該導風罩(3)為圓錐形，其下端與所述支撐軸(4)的頂端間呈固定連接，且導風罩(3)下端的外徑與所述輪轂(13)的外徑相等。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述輪轂(13)的四周外表面軸向有不少于兩組渦輪葉片(8)，每組渦輪葉片(8)均沿輪轂(13)外表面周向均勻布置，且渦輪葉片(8)的傾斜方向均相同；相鄰的兩組渦輪葉片(8)之間對應的集風筒(2)內(nèi)壁上固定有沿周向均布的第一導流板(15)，第一導流板(15)的傾斜方向與渦輪葉片(8)的傾斜方向相反。
3.如權(quán)利要求1所述的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述導風罩(3)的底部連接有短直筒(18)，短直筒(18)的外壁上沿周向均布有第二導流板(7)。
4.如權(quán)利 要求1至3中任一項所述的耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于所述輪轂(13)下方的基座(11)外表面與集風筒(2 )內(nèi)壁間均布有徑向的整流板(10 )，整流板(10 )均呈豎向布置。
專利摘要本實用新型涉及一種耦合式聚風發(fā)電系統(tǒng)。它包括集風筒和基座，集風筒呈豎向罩于基座上方。所述集風筒上端有集風頭，該集風頭為彎頭，其一端與集風筒上端間呈可旋轉(zhuǎn)狀活動配合。其特點是所述集風筒內(nèi)基座上端面的中心位置處有支撐軸，該支撐軸上套有輪轂，輪轂的外表面沿周向均布有渦輪葉片，輪轂與支撐軸間呈可轉(zhuǎn)動狀配合。所述輪轂內(nèi)側(cè)固定有發(fā)電機轉(zhuǎn)子，在輪轂內(nèi)的那段支撐軸或基座外壁上固定有發(fā)電機定子，發(fā)電機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機定子的位置對應，且發(fā)電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑大于發(fā)電機定子的外徑。采用這種發(fā)電系統(tǒng)，能夠提高風能的利用率，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，而且不需額外設置降溫設備。
文檔編號F03D1/04GK203146232SQ20132011858
公開日2013年8月21日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者李勇強, 謝玉琪, 張紅旭, 楊偉濤, 陳志剛 申請人:江蘇中蘊風電科技有限公司