專利名稱：縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電裝置，特別是一種縮放型集能增速的風(fēng)力發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。1993年到2003年的10年間，世界風(fēng)力發(fā)電的年增長率達(dá)到29.7％。到2003年末，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到4,030萬千瓦，風(fēng)力發(fā)電量占到世界總電量的0.5％。其中歐洲總裝機(jī)容量為2,871萬千瓦，占世界風(fēng)電裝機(jī)容量的73％。2003年德國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1,461萬千瓦，占全世界的1/3以上。2003年印度累計(jì)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量也已達(dá)到213萬千瓦，排世界第5位，居發(fā)展中國家的首位。歐洲風(fēng)能協(xié)會在近期的一份報(bào)告中，用詳實(shí)的數(shù)據(jù)和精辟的分析描述了未來世界風(fēng)力發(fā)電的情景，并預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)力發(fā)電將占世界電力總量的12％。風(fēng)能作為未來能源供應(yīng)重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世界各國的普遍重視。
我國風(fēng)能資源儲量豐富，據(jù)初步估算，我國陸上離地面10米高度層的風(fēng)能資源可開發(fā)量為2.53億千瓦；近海區(qū)域離海面10米高度層的風(fēng)能儲量約為7.5億千瓦。從宏觀上看，我國具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件。到2004年底，我國風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到76.4萬千瓦，國家發(fā)改委規(guī)劃2005年并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到100萬千瓦，2010年達(dá)到300萬千瓦，2020年達(dá)到2,000萬千瓦。
由于風(fēng)能資源的能量密度低，當(dāng)代MW級主流風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子直徑和塔高已超過百米、葉片重量已超過10噸、塔頂重量已超過百噸，材料強(qiáng)度、制造安裝能力幾乎已近極限。無論如何優(yōu)化設(shè)計(jì)葉片與自適應(yīng)變漿距控制，都無法保證這種風(fēng)力機(jī)漿葉在不同相位角時(shí)都處于最優(yōu)工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對上述根本性的問題而提供一種縮放型集能增速風(fēng)力機(jī)裝置，通過縮放噴管，收集較大范圍內(nèi)的風(fēng)能，在縮放噴管內(nèi)加速，使得較小尺寸的風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率輸出。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，包括塔架、安裝在塔架頂部的風(fēng)力機(jī)和由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，其特征在于所述的風(fēng)力機(jī)安裝在一個(gè)縮放噴管內(nèi)而與縮放噴管同軸線；所述的縮放噴管進(jìn)口面積A1較大，沿著氣流方向，通流面積先逐漸變小，到達(dá)喉部A2時(shí)最小，喉部過后，通流面積逐漸變大，到達(dá)出口A3。
上述的縮放噴管的中剖面型線由一段或若干段弧線光滑過渡連接而成，每段弧線的曲率圓心都位于噴管外。
上述的風(fēng)力機(jī)安裝在縮放噴管的靠近喉部A2處。
上述的縮放噴管通過一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的滾動支承機(jī)構(gòu)固定在塔架頂部，實(shí)現(xiàn)自動對風(fēng)。
上述的水平旋轉(zhuǎn)的滾動支承機(jī)構(gòu)是單向推力球軸承、或雙向推力球軸承、或推力向心對稱球面滾子軸承。
本發(fā)明的工作原理闡明如下對常規(guī)風(fēng)速，一般在12m/s以內(nèi)，當(dāng)風(fēng)速為u1時(shí)，圖1進(jìn)口截面積為A1，喉部截面積為A2，風(fēng)力機(jī)安裝在喉部截面處。假定流動無粘等熵，進(jìn)出風(fēng)力機(jī)的速度全為軸向(與同向u1)，對于常規(guī)風(fēng)力機(jī)，由于速度較低，可以認(rèn)為不可壓流動，但對于這種新型增速風(fēng)機(jī)，由于速度可以增到相當(dāng)大的程度，縮放噴管內(nèi)的流動是可壓縮流動。
在收縮段，連續(xù)方程為ρ1A1u1＝ρ2A2u2能量方程γγ-1p1ρ1+u122=γγ-1p2ρ2+u222]]>等熵條件p2p1=(ρ2ρ1)γ]]>有連續(xù)方程得到ρ1A1u1ρ2A2=u2]]>代入能量方程有2γγ-1p1ρ1u12((ρ2ρ1)2-(ρ2ρ1)γ+1)=(A1A2)2-(ρ2ρ1)2]]>令
ρ2ρ1=ρ1+Δρρ1=1+x,x=Δρρ12γγ-1p1ρ1u12[(1+x)2-(1+x)γ+1]=(A1A2)2-(1+x)2]]>對上式用臺勞展開得x=(A1A2)2-12(1-γp1ρ1u12)]]>即ρ2ρ1=1+(A1A2)2-12(1-γp1ρ1u12)]]>在收縮段，由于A1＜A2，通常風(fēng)況下，1-γp1ρ1u12<0,]]>故ρ2＜ρ1由連續(xù)方程，可以看出，ρ2＜ρ1，這一效果將使氣流進(jìn)一步被加速。
u2=ρ1A1u1ρ2A2]]>風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理告訴我們風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與速度的三次方成正比，速度的增大，不但可以減小風(fēng)力機(jī)的直徑，降低制造成本，還可以顯著增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率。
氣流對風(fēng)力透平做功以后，進(jìn)入擴(kuò)張管道，在擴(kuò)張管道內(nèi)，通流面積漸漸變大，速度漸漸變小，壓力漸漸回升到大氣壓，因此，風(fēng)力透平后帶有擴(kuò)張管道，可以使風(fēng)力透平出口位置上的壓力維持比較低的值(要是不帶擴(kuò)張管道，風(fēng)力透平出口就是大氣壓)，使得風(fēng)力透平做功更大。
風(fēng)場中的物體，總是趨向于流動阻力最小的狀態(tài)。對于圖1所示的縮放噴管，當(dāng)噴管口正對著來風(fēng)，即來風(fēng)u1與A1面垂直時(shí)，流動阻力最小。如圖2，在塔架4的頂端，固定一個(gè)滾動支承結(jié)構(gòu)6上，縮放噴管支承在該滾動支承結(jié)構(gòu)上，可以水平旋轉(zhuǎn)。該水平旋轉(zhuǎn)的滾動支承結(jié)構(gòu)可以是單向推力球軸承、雙向推力球軸承、推力向心對稱球面管自軸承。實(shí)現(xiàn)自動對風(fēng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的實(shí)質(zhì)性突出特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的風(fēng)力機(jī)安裝在一個(gè)縮放噴管內(nèi)，通過縮放噴管收集大范圍的風(fēng)能，并在縮放噴管內(nèi)加速，使得較小尺寸的風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)大功率輸出。


圖1是本發(fā)明集能增速型風(fēng)力發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意2是縮放噴管形狀示意圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見圖1和圖2，本風(fēng)力發(fā)電裝置是在基礎(chǔ)5上，固定塔架4，塔架4的頂部固定一個(gè)滾動支承結(jié)構(gòu)6，該滾動支承結(jié)構(gòu)采用單向推力球軸承，縮放噴管1支承在滾動支承結(jié)構(gòu)6上，縮放噴管1的進(jìn)口截面A1處直徑為100m，喉部A2處的直徑為20m，縮放噴管中剖面的弧線7采用1段圓弧，圓弧曲率中心在流道外側(cè)，圓弧曲率半徑60m。風(fēng)力透平被安裝在縮放噴管的喉部。
實(shí)施例2參見圖1和圖2，本風(fēng)力發(fā)電裝置是在基礎(chǔ)5上，固定塔架4，塔架4的頂部固定一個(gè)滾動支承結(jié)構(gòu)6，該滾動支承結(jié)構(gòu)采用單向推力球軸承，縮放噴管1支承在滾動支承結(jié)構(gòu)6上，縮放噴管1的進(jìn)口截面A1處直徑為1m，喉部口A2處的直徑為0.1m，縮放噴管中剖面的弧線7采用任意曲線，所有曲線的曲率中心在流道外側(cè)。風(fēng)力透平被安裝在縮放噴管的喉部。
權(quán)利要求
1.一種縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，包括塔架(4)、安裝在塔架(4)頂部的風(fēng)力機(jī)(2)和由風(fēng)力機(jī)(2)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)(3)，其特征在于所述的風(fēng)力機(jī)(2)安裝在一個(gè)縮放噴管(1)內(nèi)而與縮放噴管(1)同軸線；所述的縮放噴管(1)進(jìn)口面積(A1)較大，沿著氣流方向，通流面積先逐漸變小，到達(dá)喉部(A2)時(shí)最小，喉部過后，通流面積逐漸變大，到達(dá)出口(A3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所述的縮放噴管(1)的中剖面型線(7)由一段或若干段弧線光滑過渡連接而成，每段弧線的曲率圓心都位于噴管外。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所述的風(fēng)力機(jī)安裝在縮放噴管(1)的靠近喉部(A2)處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所述的縮放噴管(1)通過一個(gè)水平旋轉(zhuǎn)的滾動支承機(jī)構(gòu)(6)固定在塔架(4)頂部，實(shí)現(xiàn)自動對風(fēng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的縮放型集能增速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于所述的水平旋轉(zhuǎn)的滾動支承機(jī)構(gòu)(6)是單向推力球軸承、或雙向推力球軸承、或推力向心對稱球面滾子軸承。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種縮放型集能增速的風(fēng)力發(fā)電裝置，它包括塔架、安裝在塔架頂部的風(fēng)力機(jī)和由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)，所述的風(fēng)力機(jī)安裝在一個(gè)縮放噴管內(nèi)而與縮放噴管同軸線；所述的縮放噴管進(jìn)口面積A
文檔編號F03D7/04GK1746489SQ20051003051
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者黃典貴 申請人:上海大學(xué)