專利名稱：帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用風力發電的的帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置，尤其是能充分利用風能，并提高風力發電機發電能力的帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置。
背景技術：
風力是地球上蘊藏量十分巨大的能源資源。估計我國的風能資源實際可開發量大于2.53億千瓦。作為如此有價值的可再生的清潔能源，至今其實際利用卻很少，究其原因，主要是受到一些瓶頸因素的制約，如1.空氣密度低，所以風能的功率密度低，要有效獲得風能，需要大面積的受風機械；2.風力的特點是方向和風速不穩定，正常風速較小。
目前，風力發電主要采用水平軸風力發電機組，由旋轉的風輪、發電機機艙、塔架及控制系統組成。風輪葉片受風后轉動，通過低速軸聯接變速箱，能量傳遞到低壓發電機，經過升壓并入電網。
由于風力的不穩定，需要將葉片做得很長，塔架很高。直徑幾十至上百米的風輪和幾十噸重的機艙支撐在幾十至百余米高的尖塔頂端，強風的阻力，風輪和機艙的重力對塔架會產生巨大的載荷，各種振動和彎矩對塔架造成的破壞性作用也是嚴重的。葉片斷裂，控制系統失靈等事故常有發生，并影響發電機的壽命。
細高的塔架支撐沉重的載荷，長期運行在強大的風力下，這本身是一種穩定性較差的結構。
由于葉片難以做得太長，塔架也不能太高，因此風力發電機的輸出功率受到一定限制。如國外較大功率的2000kw風力發電機，葉片直徑80米左右，塔架高80米左右。現有的3000kw風力發電機，葉片直徑長達100米，塔架高達100米(德國Growian公司)。繼續擴展，難度上升。
風力發電機的巨大葉片不能在風速太高下工作，風速太高也對傳動系統工作不利。所以，在風速太大，達到一定速度時，風力發電機要關機，這個速度就是關機風速或切出風速。
風電場均有盛行主風向。因為全年的風，通常方向性較強，風力大部分局限于一些特定的方向。如福建平潭，東山等地的全年的風能，大部分都是集中分布在某一不大的方位角范圍內(兩地均在45度角左右)。所以，風電場設計都要根據風向玫瑰圖確定一個主導風向。多臺風力發電機組群的排列陣列應迎向主導風向。
風力機理論指出當風速提高一倍，風能可大8倍，即風輪輸出功率大8倍。
從上述說明可以得到以下幾點認識
1.要有效利用風能，最好的辦法是提高風速；2.風力發電機的塔架結構有很大缺陷，要找到穩定性和強度更好的結構；3.風速太大，風力發電機要關機，所以要限制風速小于切出風速；4.提高風速，可以使風力發電機的輸出功率提高，而風輪直徑可以減小，因而可以實現新型的風輪小型化的大功率風力發電機。
受到自然界峽谷風的啟發，有一些研究提出了用喇叭口的集風裝置增加風速的設想。但是這些方案很少考慮解決提高風速后，風速太大怎么辦的問題。目前的大型風力發電機，通常的有效風速范圍約為3-25米/秒，即開機風速3米/秒，關機風速25米/秒。假定利用喇叭口的集風裝置使風速增加一倍，則當自然風風速達到12.5米/秒時，到達風力發電機的風速增加為25米/秒，這時風力發電機只得關機。也就是大于12.5米/秒風速的自然風這一部分強大的風力就不能利用而浪費了。目前大型風力發電機的額定風速約在15米/秒左右，將12.5--25米/秒的自然風放棄不用，顯然是不合理的。
如何解決好風力發電機結構強度和穩定性的問題也是非常重要的。
發明內容
為了提高對風能的有效利用，并克服現有風力發電機的塔架式結構的缺陷，本實用新型提出帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置改進風力發電機的結構，采用風道出風口框架連接的集風風道代替風力發電機傳統的塔架結構，起到提高風速，從而使風能聚集增強的作用，并能提高風力發電機組整體強度和穩定性。用多層自動折疊式阻風移門阻遏增速后超出切出風速的強風風速，使其進入接近風力發電機額定風速的有效風速范圍內，擴展了有效風能的利用。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是按風電場主導風向，建立一個用鋼結構的風道出風口框架連接兩道鋼筋混凝土的集風墻所構成的喇叭口型的集風風道，這種框架結構的集風風道的強度和穩固性都較高。集風風道的風道進風口朝向風電場主導風向，風道進風口截面面積大于風道出風口框架截面面積，風力機的經典理論認為空氣流(自然風)屬于連續的，不可壓縮的流體，根據流體連續性原理，喇叭口型集風風道的風道出風口框架截面的風速和風道進風口截面的風速之比，等于兩處截面面積的反比。控制集風墻的長度和風道夾角就可以控制風道出風口框架截面面積和風道進風口截面面積之比，取適當的集風墻的長度和風道夾角，使風道出風口框架截面面積和風道進風口截面面積之比為1∶2，從而使風道出風口框架的風速比風道進風口的風速增加一倍。若干臺風輪小型化的大功率風力發電機組直接安裝在風道出風口框架上，風力發電機組可水平回轉。在風道出風口框架上風力發電機的風輪前面一定距離，裝有多層阻風移門水平導軌，每臺風輪左右兩側對稱各安裝一個多層自動折疊式阻風移門，每層自動折疊式阻風移門可沿阻風移門水平導軌移動。當到達風道出風口框架的風速接近切出風速(停機風速)時，自動控制系統控制各層自動折疊式阻風移門從兩邊向中間關閉合攏，阻遏部分風力，使風速減小保持在有效風速范圍。
多層自動折疊式阻風移門對強風力的阻遏能力，可用覆蓋于阻風移門的折疊連接機構上的尼龍阻風網的阻風能力表示，尼龍阻風網的阻風能力稱為阻風系數k，k表示阻遏后風速與阻遏前風速之比值，其值在0.5--1范圍，不同地區應根據當地氣象資料，按強風出現的強度和頻率確定。對于上述12.5--25米/秒的自然風，由于增速一倍，風速成為25-50米/秒，阻風系數取值k＝0.65，通過多層自動折疊式阻風移門到達風力發電機的風輪的實際風速成為16.25-32.5米/秒范圍。由于風速增加，風力發電機的風輪直徑可以減小，同時因為本實用新型的框架結構比塔架結構有較高的穩定性，并對振動有較好的阻尼作用，以及尼龍阻風網的阻風能力對風力發電機組的保護作用，以上這些條件，使得風力發電機的切出風速可以比目前的大型風力發電機的切出風速(一般為25米/秒)大一些。
由于風速1.5-25米/秒的自然風經本實用新型增加了一倍速度后，風速成為3-50米/秒，其中25-50米/秒的風又經多層自動折疊式阻風移門減速，使得到達風輪的實際風速成為16.25-32.5米/秒，因此到達風輪的實際全程風速范圍為3-32.5米/秒。由此可以確定切出風速定為30米/秒是合適的。這時多層自動折疊式阻風移門的關門風速定為28米/秒。風速擴展段為14--25米/秒，增速一倍成為28--50米/秒，經多層自動折疊式阻風移門減速為18.2-32.5米/秒，切出風速30米/秒，因此實際風速擴展段到達風輪為18.2--30米/秒，即風速12.5--25米/秒的自然風經過帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的聚集增強成為18.2--30米/秒的有效風速，這洋的一段風速基本聚集在風力發電機額定風速附近，因而風能得到充分的利用。
當風向偏離主導風向，且達到一定的風速和持續時間，導航系統控制風力發電機組自動偏航水平回轉一定角度，使這部分占全年比例較小的風能也得到利用。
本實用新型的有益效果即使在風能資源豐富的地區，大都全年超過一半時間是風速小于6m/s的低速風。已知風速提高一倍，風能可大8倍，使風輪輸出功率大8倍，本實用新型使風速成倍提高，因而可使風力發電機生產的電力增加。并且，原來風力資源較小的地區，也有可能利用本實用新型實現風力發電。
由于風速的提高，風力發電機的風輪直徑可以縮小，而風力發電機組的額定輸出功率可以做得較高，即可應用新型的風輪小型化的大功率風力發電機，其切出風速也可適當提高，從而提高了有效風速的范圍。
本實用新型利用集風風道使風速增加，同時采取多層自動折疊式阻風移門對高速強風減弱的方法，使自然風的低速弱風和高速強風兩端擴展進入有效風速范圍，從而使風能得到充分的利用，提高了全年的風力發電時間。
本實用新型采用風道出風口框架聯結集風風道的整體結構代替了塔架結構，具有較高的強度和穩定性，對振動的吸收也更好。若干臺風力發電機組安裝在一個集風風道的風道出風口框架內，組成為一個風力發電站，有利于降低分攤到每一臺風力發電機組的建設費用，也有利于控制系統的集成，降低成本，因而可以提高控制水平。
多個風力發電站可以以陣列方式(如風電場常用的梅花型)布置建設風電場。
多層自動折疊式阻風移門的一個重要作用是對風力發電機組的設備和安全運行的更好保護，延長設備壽命。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的集風風道的原理圖。
圖2是帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的結構示意圖。
圖3是帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的風道出風口框架部分示意圖。
圖4是風電場的多個風力發電站的梅花型排列布置圖。
圖5是多層自動折疊式阻風移門的結構示意圖。
圖中1.集風墻，2.風道出風口框架，3.風道進風口，4.風力發電機組，5.阻風移門水平導軌，6.風輪，7.支架，8.折疊連接機構，9.滾珠軸承滑輪，10.電動驅動箱，11.折疊連接機構連桿，12.尼龍阻風網，13.風力發電站，14.集風風道，15.風道夾角，16.自動折疊式阻風移門。
在
圖1、圖2、圖4中的黑體箭頭指示風電場主導風方向。
圖1是帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的集風風道的原理圖。圖中由二道等長的鋼筋混凝土構造的集風墻(1)按照一定的角度即風道夾角(15)構成一個喇叭口型的集風風道(14)。二道集風墻(1)延伸相交的角度為風道夾角(15)，二道集風墻(1)的直線延伸到相交處的延伸長度均與集風墻(1)的長度相等。集風風道(14)的大口是風道進風口(3)，風道進風口(3)朝向風電場主導風向，喇叭口型的集風風道(14)小口的截面位置是由與二道集風墻(1)連接在一起的由鋼結構組成的風道出風口框架(2)構成。風力機的經典理論認為空氣流(自然風)是屬于連續的，不可壓縮的流體，根據流體連續性原理，喇叭口型的集風風道(14)的風道出風口框架(2)的風速和風道進風口(3)的風速之比，等于該兩處截面面積的反比。控制集風風道(14)的集風墻(1)的長度和風道夾角(15)，可使風道出風口框架(2)的風速比風道進風口(3)的風速成倍增加。當取適當的集風墻(1)的長度和風道夾角(15)，使風道出風口框架(2)的截面面積和風道進風口(3)的截面面積之比為1∶2，從而使風道出風口框架(2)的風速比風道進風口(3)的風速增加一倍。
具體實施方式
實施例圖2中帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置主要是由鋼結構的風道出風口框架(2)和二道鋼筋混凝土的集風墻(1)連接構成的喇叭口型集風風道(14)、阻風移門水平導軌(5)、自動折疊式阻風移門(16)和風力發電機組(4)相連接組成。
實施例設定二道集風墻(1)均長100米，高60米，風道夾角(15)60度，風道進風口(3)寬為200米，風道出風口框架(2)寬為100米。在風道出風口框架(2)中間安裝2臺風力發電機組(4)，該2臺風力發電機組的風輪(6)的中心位置之間的間距為50米，各風輪(6)的中心位置離風道出風口框架(2)相近一側側邊的距離為25米，離地面為30米。由
圖1的說明可以知道集風風道(14)的風道出風口框架(2)上風輪(6)的掃掠風速是風道進風口(3)自然風風速的2倍。設定每臺風力發電機組(4)的額定輸出功率為4000kw，設發電機和增速齒輪的效率為0.8，額定風速為25米/秒(相應于風道進風口(3)處的環境自然風風速為12.5米/秒)，風力發電機的風輪(6)的經驗計算公式(參見“風力機的理論與設計”，作者勒古里雷斯，機械工業出版社)為P＝0.2*D2*V3P是風輪提供的輸出功率，等于風力發電機額定輸出功率除以發電機和增速齒輪的效率0.8，P＝4000kw/0.8＝5000kw，V是額定風速，設計為25米/秒，得到風力發電機風輪(6)直徑D等于40米。
風速的增加，使得風力發電機額定輸出功率可以提高，而風輪直徑卻縮小很多。實施例中風力發電機輸出功率比目前常用的大型風力發電機額定輸出功率(2000kw)提高一倍，其風輪直徑卻縮小了一半，實現了大功率風力發電機的風輪小型化。
由于風輪直徑的減小，風力發電機的切出風速可以適當提高。這里實施例設定切出風速為30米/秒。而多層自動折疊式阻風移門(16)的阻風系數k取值0.65，其關門風速定為28米/秒。
實施例的風力發電機組(4)，其額定輸出功率4000kw，與目前國際上最大的風力發電機的輸出功率是同一量級的(如德國Growian公司生產的額定輸出功率5000kw的風力發電機。其風輪直徑達145米，塔高120米)，由于實施例風力發電機風輪(6)直徑的減小，其制造比通常的大功率風力發電機更容易，成本和運行費用也可減低。
本實用新型作為一個整體裝置，可以作為一個風力發電站(13)，即帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置構成的一個風力發電站(13)，其強度和穩定度都要優于傳統的塔架式結構。
實施例作為一個帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置構成的風力發電站(13)，其額定輸出功率為8000kw。
圖3是帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置的風道出風口框架部分示意圖。在風道出風口框架(2)上裝有2臺實施例的風力發電機組(4)，風力發電機的風輪(6)直徑40米。每個風輪(6)的前方(迎風方向)10米處，安裝4根即3層阻風移門水平導軌(5)，多層阻風移門水平導軌(5)整體與風道集風墻(1)和風道出風口框架(2)連接。在風輪(6)的上方和下方各有1根阻風移門水平導軌(5)，在風輪(6)中間有2根阻風移門水平導軌(5)，每根阻風移門水平導軌(5)之間的間距為14米。在每臺風輪(6)左右兩側對稱各安裝一個3層自動折疊式阻風移門(16)。每2根相鄰阻風移門水平導軌(5)間，為1層自動折疊式阻風移門(16)。當風輪(6)掃掠風速接近切出(關機)風速時，每層自動折疊式阻風移門(16)自動向中間關閉合攏，以阻遏部分風力，使風速減小，保持在有效風速范圍內。
圖4是將每一個實施例的帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置作為一個風力發電站(13)，將若干個風力發電站(13)按梅花型排列的風電場示意圖。圖中風電場縱向和橫向各分為5格，其中4個角上的4個格子，分別表示4個建有實施例的風力發電站(13)。每一個風力發電站(13)的額定輸出功率為8000kw，占地面寬200米，長200米。
梅花型排列的風電場陣列有5行5列，為了避免風力發電機尾流以及風力發電站之間對風力的相互干擾，按風電場建造的常規要求，列距應取3--5倍風力發電站(13)寬度，行距應取3--5倍風力發電站(13)長度。實施例設計風電場列距和行距均取風力發電站(13)的3倍長度。該風電場的占地面積為1平方公里。其總的額定輸出功率為3.2萬千瓦。在長寬各2.6公里即6.8平方公里范圍內可建四個這樣的風電場，總的輸出功率為12.8萬千瓦。
圖5中，自動折疊式阻風移門(16)的各個支架(7)之間用折疊連接機構(8)和折疊連接機構連桿(11)連接，并用尼龍阻風網(12)覆蓋。各個支架(7)和折疊連接機構連桿(11)以及電動驅動箱(10)的頂部和底部均安裝有滾珠軸承滑輪(9)，滾珠軸承滑輪(9)沿上下二根阻風移門水平導軌(5)移動。自動折疊式阻風移門(16)的一端固定在風道出風口框架(2)上，另一端是電動驅動箱(10)，電動驅動箱(10)由控制系統根據風速測量數據實時控制，驅動自動折疊式阻風移門(16)關閉或開啟。
每一層自動折疊式阻風移門(16)均由左右兩個對稱的自動折疊式阻風移門(16)組成，多層自動折疊式阻風移門(16)以中心軸對稱方式安裝在風力發電機的風輪(6)位置前面左右兩邊，關閉時，兩邊的自動折疊式阻風移門(16)向中間移動合攏。開啟時，則反向進行。
權利要求1.帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置，包括集風墻、集風風道、風道出風口框架、阻風移門水平導軌、多層自動折疊式阻風移門和風力發電機組組成，其特征是由二道鋼筋混凝土的集風墻按一定的集風墻長度和風道夾角組成喇叭口型的集風風道，用鋼結構的風道出風口框架與集風風道的二道集風墻連接成一個整體，風道進風口的截面面積大于風道出風口框架的截面面積，風道進風口朝向風電場主導風向，若干臺風力發電機組直接安裝在風道出風口框架上，在風道出風口框架上每臺風力發電機組的風輪位置前面，安裝有與風道出風口框架和集風墻連接的多層阻風移門水平導軌，每一層阻風移門水平導軌間在風輪左右兩側對稱各安裝一個自動折疊式阻風移門。
2.根據權利要求1所述帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置，其特征是在每一層阻風移門水平導軌的相鄰的二根阻風移門水平導軌間，在風輪左右兩側對稱各安裝一個自動折疊式阻風移門，每個自動折疊式阻風移門由阻風移門水平導軌、支架、折疊連接機構、折疊連接機構連桿、滾珠軸承滑輪、尼龍阻風網和電動驅動箱相連接組成，每個自動折疊式阻風移門靠近風道出風口框架的一端固定連接在風道出風口框架上，自動折疊式阻風移門的另一端是電動驅動箱。
專利摘要帶自動阻風移門的框架結構風能聚集增強風力發電裝置。二道鋼筋混凝土的集風墻與一個鋼結構的風道出風口框架連接，按一定集風墻長度和風道夾角組成喇叭口型的集風風道，風道進風口朝向風電場主導風向，風道進風口截面面積是風道出風口框架截面面積的2倍，風道出風口框架風速比風道進風口風速增大1倍。幾臺風力發電機組安裝在風道出風口框架上。每臺風輪前方，安裝有與風道出風口框架連接的多層阻風移門水平導軌，各風輪前面兩側對稱安裝多層自動折疊式阻風移門，當風輪風速增大接近關機風速，各層自動折疊式阻風移門向中間關閉，阻遏風力，減小過大風速使保持在有效風速范圍內，充分利用風能，并實現大功率風力發電機的風輪小型化。
文檔編號F03D11/04GK2795476SQ200520039030
公開日2006年7月12日 申請日期2005年1月17日 優先權日2005年1月17日
發明者陳渭清 申請人:陳渭清