本發(fā)明涉及發(fā)電機，尤其涉及風力發(fā)電機。

背景技術：

經(jīng)過多年的發(fā)展，目前國內(nèi)廠家的三葉片水平軸風力發(fā)電機機組已經(jīng)很成熟。隨著整機功率的提升，葉輪直徑及塔筒高度不斷增加，成本也增加。但是，目前國內(nèi)的棄風問題十分嚴重，電網(wǎng)設備的建并沒有及時跟上，并且由于風電的不穩(wěn)定性，導致部分風場被強制限制發(fā)電量，浪費了大量的風資源。而且，傳統(tǒng)型風機對風能的利用效率始終不能超過貝茨極限。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明之目的在于提供一種風力發(fā)電機組，其能夠利用低風速區(qū)的風資源，降低整個機組的成本，提高發(fā)電的穩(wěn)定性和效率，并能減少后期運行維護的成本。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種捕能式風力發(fā)電機組，包括外層風筒、中層風筒、中心子彈型導流芯、以及發(fā)電裝置，其中，所述外層風筒、中層風筒和中心子彈型導流芯是同軸的，所述外層風筒和所述中層風筒的上端均為喇叭口形；所述中層風筒插入所述外層風筒，使得所述中層風筒和所述外層風筒的上端形成所述風力發(fā)電機組的上部進風口，并且所述中層風筒和所述外層風筒之間的夾層空間形成外層風道，所述上部進風口包括上部吸氣管道和周向進風口，所述中層風筒的喇叭口形上端形成所述上部吸氣管道，所述中層風筒和所述外層風筒的喇叭口形上端之間的空間形成所述周向進風口；所述中心子彈型導流芯從所述中層風筒的下端插入所述中層風筒，所述中心子彈型導流芯和所述中層風筒之間的夾層空間形成中心導流風道，并且所述中層風筒的下端開口與所述中心子彈型導流芯的下端邊緣相配合而引導中心導流風道的氣流沖出所述中層風筒的下端開口；并且，所述發(fā)電裝置包括葉輪機構和發(fā)電機，所述葉輪機構在所述外層風筒內(nèi)設置于所述中層風筒的下端開口的下方，所述外層風道的氣流和從所述中層風筒的下端開口沖出的氣流一起經(jīng)過所述外層風筒的位于所述中層風筒的下端開口與所述葉輪機構之間的空間，帶動所述葉輪機構轉(zhuǎn)動，從而帶動所述發(fā)電機的主軸轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，所述外層風筒的下端為喇叭口形；并且，所述外層風筒的位于所述中層風筒的下端開口與所述葉輪之間的空間為氣流加速空間，所述外層風筒在與該氣流加速空間對應的部分形成為直徑由上至下漸縮的形狀，從而與所述外層風筒的上端一起整體上構成為喇叭口形。

優(yōu)選地，所述葉輪機構為與所述發(fā)電機的主軸同軸的六個葉輪依次連接而成的葉輪系統(tǒng)，包括三個定葉輪，三個動葉輪，葉輪半徑按照第一定葉輪、第一動葉輪、第二定葉輪、第二動葉輪、第三定葉輪和第三動葉輪的順序逐級遞增，其中第一定葉輪、第二定葉輪和第三定葉輪相對于所述外層風筒靜止，用于調(diào)整上方來流的風向和風速，第一動葉輪、第二動葉輪和第三動葉輪分別接受來自第一定葉輪、第二定葉輪和第三定葉輪的氣流而旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選地，在所述葉輪的輪轂上方還設置有葉輪導流罩，以引導吹向所述葉輪的氣流。

優(yōu)選地，所述捕能式風力發(fā)電機組還包括頂部風罩，所述頂部風罩以一定距離固定不動地覆蓋于所述上部吸氣管道的上方，氣流從所述頂部風罩下方被吸入所述上部吸氣管道；以及豎直伸縮風擋，所述豎直伸縮風擋設置于所述頂部風罩和所述上部吸氣管道之間，包括沿所述上部吸氣管道的周向均布的多個豎直支撐架，在所述豎直支撐架上設置有收納槽、滑道和擋布，在安裝于所述豎直支撐架上的電機的作用下，收納于所述收納槽中的所述擋布能夠沿所述滑道升起或收縮，從而，當風速較小時，所述擋布沿所述豎直支撐架升起，增大使氣流進入所述上部吸氣管道的捕風面積，而當風速較大時，所述擋布沿所述豎直支撐架收縮，減小使氣流進入所述上部吸氣管道的捕風面積。

優(yōu)選地，所述周向進風口是360度環(huán)向進氣，并且所述周向進風口包括設置于所述周向進風口之入口的擋板，所述擋板橫跨所述中層風筒和所述外層風筒的喇叭口形上端之間的距離，以引導氣流進入所述周向進風口。

優(yōu)選地，所述擋板是可伸縮型擋板，風速較大時，所述可伸縮型擋板在所述周向進風口處收縮折疊，而當風速較小時，所述可伸縮型擋板在所述周向進風口處展開伸長。

優(yōu)選地，所述捕能式風力發(fā)電機組還包括：所述擋板從所述周向進風口之入口螺旋地一直延伸至所述中層風筒的下端。

優(yōu)選地，捕能式風力發(fā)電機組還包括：周圍支撐結(jié)構，為桁架式支撐結(jié)構，所述周圍支撐結(jié)構的底部支撐于基礎面上，而頂端與所述外層風筒和所述中層風筒的喇叭口形上端連接；以及中心支撐結(jié)構，設置于所述發(fā)電機的下方，該中心支撐結(jié)構的底部支撐于基礎面上，所述發(fā)電機與該中心支撐結(jié)構的頂端連接。

優(yōu)選地，所述外層風筒和所述中層風筒的喇叭口形上端均包括水平延伸的邊緣。

優(yōu)選地，所述中心子彈型導流芯是底部封閉的、中空的子彈型導流殼體。

優(yōu)選地，所述氣流加速空間的長度是5-30米，例如5、10、15或20米。

優(yōu)選地，所述發(fā)電裝置是汽輪發(fā)電機組。

本發(fā)明的捕能式高效風力發(fā)電機組能夠極大地利用低風速區(qū)的風資源，降低整個機組的成本，提高發(fā)電的穩(wěn)定性和效率，并能減少后期運行維護的成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的立體示意圖。

圖2為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的風道的平面剖視示意圖，其中移去了周圍支撐結(jié)構和頂部風罩。

圖3是圖2的局部放大圖，示出外層風筒、中層風筒和中心子彈型導流芯的相互配合。

圖4為圖1的一部分，示出頂部風罩及相近的一部分周圍支撐結(jié)構。

圖5是在圖4的基礎上移去穹頂風罩后的示意圖，以示出錐形風罩。

圖6為圖1的一部分，示出上部進風口及相關結(jié)構。

圖7是在圖4的基礎上移去頂部風罩和周圍支撐結(jié)構后的示意圖，以更清楚地示出上部進風口。

圖8為圖2的一部分，示出外層風筒的下端、發(fā)電裝置和中心支撐結(jié)構。

圖9為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的葉輪機構的立體圖。

圖10為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的周圍支撐結(jié)構的立體圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組的實施例。

在此記載的實施例為本發(fā)明的特定的具體實施方式，用于說明本發(fā)明的構思，均是解釋性和示例性的，不應解釋為對本發(fā)明實施方式及本發(fā)明范圍的限制。除在此記載的實施例外，本領域技術人員還能夠基于本申請權利要求書和說明書所公開的內(nèi)容采用顯而易見的其它技術方案，這些技術方案包括采用對在此記載的實施例的做出任何顯而易見的替換和修改的技術方案。

本說明書的附圖為示意圖，輔助說明本發(fā)明的構思，示意性地表示各部分的形狀及其相互關系。請注意，為了便于清楚地表現(xiàn)出本發(fā)明實施例的各部件的結(jié)構，各附圖之間不一定按照相同的比例繪制。相同的參考標記用于表示相同的部分。此外，在參照附圖進行描述時，為了表述方便，采用了方位詞如“上”、“下”等，它們并不構成對特征的結(jié)構特定地限制。

圖1為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的立體示意圖。圖2為該實施例的風道的平面剖視示意圖，其中移去了周圍支撐結(jié)構和頂部風罩，并且，由于移去了周圍支撐結(jié)構，也移去了外層風筒和中層風筒上端的與周圍支撐結(jié)構連接的水平延伸的邊緣。

參見圖1和2，該實施例的捕能式風力發(fā)電機組包括：頂部風罩1；周圍支撐結(jié)構2；外層風筒4；中層風筒3；擋板5；中心子彈型導流芯6；發(fā)電裝置7；以及中心支撐結(jié)構9。風從上部進風口進入，經(jīng)過導流加速，到達葉輪機構，進而帶動發(fā)電機發(fā)電，最后氣流從出風口排出。

首先，描述該捕能式風力發(fā)電機組的風道的主要構成和氣流帶動發(fā)電裝置的基本原理。

如圖1和2所示，外層風筒4、中層風筒3和中心子彈型導流芯6是同軸的，外層風筒4和中層風筒3的上端均為喇叭口形，并且，外層風筒4和中層風筒3的上端均包括水平延伸的邊緣31和41。

中層風筒3插入外層風筒4，使得中層風筒3和外層風筒4的上端形成該風力發(fā)電機組的上部進風口，并且中層風筒3和外層風筒4之間的夾層空間形成外層風道。所述上部進風口包括上部吸氣管道和周向進風口，中層風筒3的喇叭口形上端形成所述上部吸氣管道，中層風筒3和外層風筒4的喇叭口形上端之間的空間形成所述周向進風口。在所述周向進風口中設置有引導風流入的擋板5，共均布有6個擋板5，將所述周向進風口分為6個入口。

再參見圖3，中心子彈型導流芯6從中層風筒3的下端插入中層風筒3。在該實施例中，中心子彈型導流芯6是底部封閉的、中空的子彈型導流殼體，呈尖端朝上的子彈型流線，在底部還具有徑向向外凸出的邊緣61。中心子彈型導流芯6和中層風筒3之間的夾層空間形成中心導流風道，并且中層風筒3的下端開口32與中心子彈型導流芯6的下端邊緣61相配合，引導中心導流風道的氣流沖出中層風筒3的下端開口。如圖3所示，下端邊緣61的弧線形狀以及凸出長度具有不同的引導氣流功能。

發(fā)電裝置7包括葉輪機構和發(fā)電機77(參見圖8)，由中心支撐結(jié)構9支撐。所述葉輪機構在外層風筒4內(nèi)設置于中層風筒3的下端開口的下方。所述外層風道的氣流和從中層風筒3的下端開口沖出的氣流一起經(jīng)過外層風筒4的位于中層風筒3的下端開口與所述葉輪機構之間的加速空間42，該混合氣流經(jīng)該加速空間42加速后，沖向所述葉輪機構，帶動所述葉輪機構轉(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電機77的主軸轉(zhuǎn)動。氣流加速空間的長度范圍可以是5-30米，例如5、10、15或20米。下文還將詳細描述本實施例的發(fā)電裝置。

外層風筒4下端的底部出風口43呈喇叭口形，喇叭的朝向與上端的進風口的喇叭的朝向正相反，以增大出風面積。

在本實施例中，外層風筒4在與該氣流加速空間對應的部分形成為直徑由上至下漸縮的形狀，從而與外層風筒4的上端一起整體上構成為直徑由上至下漸縮的喇叭口形。

下面再從上到下描述該捕能式風力發(fā)電機組的其它各結(jié)構。

參見圖4和5，其中圖4為圖1的一部分，示出頂部風罩1及相近的一部分周圍支撐結(jié)構，圖5是在圖4的基礎上移去穹頂風罩11后的示意圖，以示出錐形風罩12。

頂部風罩1包括穹頂風罩11和錐形風罩12。如圖1、4、5和10所示，在本實施例中，頂部風罩1的支撐件也是以周圍支撐結(jié)構2為依托，或者說是周圍支撐結(jié)構2的一部分。頂部風罩1以一定距離固定不動地覆蓋于上部吸氣管道的上方，可以防雨水、鳥等進入進風口，并且也對形成上部吸氣管道的進風空間起作用。

穹頂風罩11為穹頂，如圖10所示該穹頂有6根支條連接于中軸13。錐形風罩12呈錐形，如圖4和5所示，在穹頂風罩11和所述上部吸氣管道之間連接于穹頂風罩11。

參見圖4、5和10，沿所述上部吸氣管道的周向均布的6個豎直支撐架，當然，位于同一豎直面的豎直支撐架也可以構為一個豎直支撐架。每個豎直支撐架均包括上橫梁14、下橫梁17和若干縱向支撐條16。所述豎直支撐架不僅用于形成錐形風罩12，也用于形成豎直伸縮風擋。

如圖4和5所示，斜向支撐條15與縱向支撐條16一起幫助錐形風罩12成形。

所述豎直伸縮風擋設置于錐形風罩12和所述上部吸氣管道之間。在所述豎直支撐架上設置有收納槽、滑道和擋布，所述收納槽設置于下橫梁17中，所述擋布可以收納于所述收納槽中，所述滑道設置于所述縱向支撐條16上，所述擋布在縱向支撐條16之間升起或收縮。電機安裝在頂部風罩1中，在所述電機的作用下，收納于所述收納槽中的所述擋布能夠沿所述滑道升起或收縮。從而，當風速較小時，所述擋布沿所述豎直支撐架升起，增大使氣流進入所述上部吸氣管道的捕風面積，而當風速較大時，所述擋布沿所述豎直支撐架收縮，減小使氣流進入所述上部吸氣管道的捕風面積。

圖6為圖1的一部分，示出上部進風口及相關結(jié)構，圖7是在圖4的基礎上移去頂部風罩1和周圍支撐結(jié)構2后的示意圖，以更清楚地示出上部進風口。上文已對上部進風口做過總體描述，下面更具體地說明。

如前所述，所述上部進風口包括上部吸氣管道和周向進風口，中層風筒3的喇叭口形上端形成所述上部吸氣管道，中層風筒3和外層風筒4的喇叭口形上端之間的空間形成所述周向進風口。在所述周向進風口中設置有引導風流入的擋板5，共均布有六個擋板5，將所述周向進風口分為六個入口。

氣流從捕能式進風口流入該發(fā)電機組。機組采用大型喇叭形進風口，進風面積較大，可以在低風速區(qū)使用。喇叭口處直徑較大，向下直徑變小，這樣氣流就會加速?？紤]到實際風速的大小，在進風口設計的擋板5橫跨中層風筒3和外層風筒4的喇叭口形上端之間的距離，是可伸縮型擋板，可以在水平延伸的外層風筒邊緣41和中層風筒31邊緣縮進和伸出，也可以繼續(xù)沿外層風筒4和中層風筒3的弧線部分伸縮。擋板上裝布，風速較大時，擋板收縮折疊；風速較小時，擋板伸出。擋板5一直向下螺旋延伸至中部位置，具體而言是延伸至圖3所示的與中層風筒3的出口32對應的位置。由于本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例采用360度環(huán)向進氣，不用考慮對風問題，減少了傳統(tǒng)型風機的偏航系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)。

由于氣流向下流動時會產(chǎn)生負壓，因此，在該實施例的風力發(fā)電機組的上部設計有一個上部吸氣管道，如前所述，該上部吸氣管道由中層風筒3形成，可以吸收空氣。該上部吸氣管道延伸至中部位置，具體而言是延伸至圖3所示的中層風筒3的出口32。圖7以簡潔的形式示出了上部吸氣管道和周向進風口的相互關系。

圖8為圖2的一部分，示出外層風筒的下端、發(fā)電裝置和中心支撐結(jié)構，圖9為本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組實施例的葉輪機構的立體圖。圖8更清楚地示出發(fā)電裝置的安裝位置及結(jié)構輪廓，如圖8所示，在發(fā)電裝置7的風輪機構的上方裝有一個導流罩8，該導流罩8裝在風輪機構的輪轂上方，起著導流作用。在本實施例中，發(fā)電裝置7采用汽輪發(fā)電機組。經(jīng)過加速空間42加速的混合氣流沖到汽輪發(fā)電機組的葉輪處，此處的導流罩8將風導向葉片處。該汽輪發(fā)電機組的葉輪機構為與發(fā)電機的主軸同軸的六個葉輪71-76依次連接而成的葉輪系統(tǒng)，包括三個定葉輪，三個動葉輪，葉輪半徑按照第一定葉輪71、第一動葉輪72、第二定葉輪73、第二動葉輪74、第三定葉輪75和第三動葉輪76的順序逐級遞增，其中第一定葉輪71、第二定葉輪73和第三定葉輪75相對于外層風筒4靜止，用于調(diào)整上方來流的風向和風速，第一動葉輪72、第二動葉輪74和第三動葉輪76分別接受來自第一定葉輪71、第二定葉輪73和第三定葉輪75的氣流而旋轉(zhuǎn)。

對于該葉輪系統(tǒng)，具體而言，由于三個動葉輪同軸，轉(zhuǎn)速相同，其翼型的設計是關鍵，以確保整體效率最佳。第一定葉輪71的葉輪裝置用于調(diào)整上方來流的風向和風速。第一動葉輪72的翼型經(jīng)過優(yōu)化設計后，能產(chǎn)生最優(yōu)的功率。第二定葉輪73的葉輪裝置用于調(diào)整流經(jīng)第一動葉輪72的風向和風速。第二動葉輪74的翼型也經(jīng)過優(yōu)化設計，能產(chǎn)生最優(yōu)的風能。第三定葉輪75的葉輪裝置用于調(diào)整流經(jīng)第二動葉輪74的風向和風速。第三定葉輪75的翼型經(jīng)過優(yōu)化設計，保證整體輸出額定的功率。

另外，葉輪機構最下方連接著發(fā)電機77和變流器，發(fā)電機77工作輸出電。該機組沒有傳統(tǒng)型風機的齒輪箱系統(tǒng)，結(jié)構簡單可靠。

如圖8所示的出氣口43呈倒喇叭型，以增大出風面積。在發(fā)電機77的下方安裝有中心支撐結(jié)構9，用于支撐發(fā)電裝置進而支撐風力發(fā)電機組。該中心支撐結(jié)構9的底部支撐于基礎面上，發(fā)電機77與該中心支撐結(jié)構9的頂端連接。

圖10為本實施例的周圍支撐結(jié)構2的立體圖。周圍支撐結(jié)構2采用圓鋼管桁架結(jié)構，埋于基礎中，用于支撐整個發(fā)電機組。

請注意，本領域技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神的情況下對上述各實施例的特征進行修改和組合，因此，本發(fā)明并不限于上述各實施例。

例如，雖然在本實施例中圖示是中心子彈型導流芯6是中心子彈型導流芯6是底部封閉的、中空的子彈型導流殼體，但是，中心子彈型導流芯6也可以具有其它的具體形狀，只要起到與中層風筒3一起配合引導氣流即可。例如，中心子彈型導流芯6也可以是底部開口的、中空的子彈型導流殼體，再例如，如果材料性質(zhì)許可，中心子彈型導流芯6也可以是實心的。

再例如，本實施例設置了六個可伸縮擋板5，本領域技術人員將該擋板5設置為其它數(shù)量，例如4個、7個、8個等，而且，擋板5延伸所至的位置也可以根據(jù)具體情況來確定，不一定如本實施例一樣延伸至中層風筒3的出口32的對應位置處。

再例如，穹頂風罩11的形狀可以是由不同斜坡拼接而成的斜面，不一定是如實施例一樣的穹頂。錐形風罩12的形狀和結(jié)構可以采用任何現(xiàn)有技術以及其它顯而易見的結(jié)構進行設計。

當然，中層風筒3和外層風筒4的具體尺寸和形狀可以根據(jù)需要來確定。

通過詳細的尺寸設計、強度校核及流體仿真，再經(jīng)過實際的樣機測試，發(fā)明人設計出了對風能的利用效率達到90％以上的發(fā)電機組。相比傳統(tǒng)型風力機，該發(fā)電機組的結(jié)構更為簡單。既降低了裝機成本和運維成本，又提高了穩(wěn)定性和適應性。該發(fā)電機組不受風力限制，能廣泛用于各種風況地區(qū)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

以上對本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組的實施方式進行了說明。對于本發(fā)明的捕能式風力發(fā)電機組的具體特征如形狀、尺寸和位置可以上述披露的特征的作用進行具體設計，這些設計均是本領域技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)的。而且，上述披露的各技術特征并不限于已披露的與其它特征的組合，本領域技術人員還可根據(jù)發(fā)明之目的進行各技術特征之間的其它組合，以實現(xiàn)本發(fā)明之目的為準。