CN114542388A - 一种风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电装置，包括：相对设置的隔流板；若干导流板，若干导流板围绕所述隔流板的法向中心线间隔设置于所述隔流板之间；相对设置的轮叶盘，所述轮叶盘位于所述隔流板之间且与所述隔流板转动连接；若干轮叶片，若干轮叶片围绕所述轮叶盘的法向中心线间隔设置于所述轮叶盘之间，所述轮叶盘及轮叶片形成中空空间；降低制造与产品成本；隔流板、轮叶盘可以封锁进入内转子的风力流，使其不往垂直方向逃逸，防止风力流从垂直方向逸散，设计参数简单有效，有效地提高风能与电能转化效率。

Description

一种风力发电装置

技术领域

本发明属于机械技术领域，更具体地说，特别涉及一种风力发电装置。

背景技术

目前，风力发电作为清洁能源被广泛的使用，风力发电分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，在大多数水平轴风力发电机中，为了实现在叶片转动过程中进行变桨距处理，现有技术中可以采用伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器来调整叶片桨距角，从而提高风能利用率，但可动部分越多，制作成本越高，产生故障的机会越大。垂直轴风力发电机使用了固定的叶片和排布来简化结构，但却因为叶片顺风旋转同时使对向叶片承受逆风阻力，导致风能利用率比水平轴风力发电机更低。无论是水平轴还是垂直轴风力发电均因为轴心相对转子运动距离过远，导致机体运动时均对轴承产生过多负荷，而容易损坏轴承部件；两者的转子均外露，使其工作时安全风险较高。可见，如何提高风能利用率、提升机体工作安全性、减少部件损耗是风力发电装置设计的急需解决的一个问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电装置，以解决如何提升设备的工作安全性、减少部件损耗的问题。

本发明的一种风力发电装置的目的与功效，由以下具体技术手段所达成：

一种风力发电装置，包括：

相对设置的隔流板；

若干导流板，若干导流板围绕所述隔流板的法向中心线间隔设置于所述隔流板之间；

相对设置的轮叶盘，所述轮叶盘位于所述隔流板之间且与所述隔流板转动连接；

若干轮叶片，若干轮叶片围绕所述轮叶盘的法向中心线间隔设置于所述轮叶盘之间，所述轮叶盘及轮叶片形成中空空间。

在一种实施例中，所述轮叶片为多层设置，相邻层的轮叶片之间设有连接件。

在一种实施例中，所述轮叶片、导流板的形状为曲面。

在一种实施例中，所述导流板或轮叶片的形状为平面或柱面；其中，所述柱面包括S型柱面。

在一种实施例中，隔流板的内切圆直径为Kl；定子中空半径为Sd；导流板弧度半径为Rd；轮叶片长度为Rw；

其中，Kl＞Sd，且Sd≥Rd，且Rd＞Rw。

在一种实施例中，0.1Kl≤Rd≤0.4Kl。

在一种实施例中，0.3Kl≤Sd≤1Kl。

在一种实施例中，0.09Kl≤Rw≤1Kl。

在一种实施例中，轮叶片弧度半径为Ra，其中，0.11Kl≤Ra≤0.26Kl。

在一种实施例中，轮叶片相对隔流板中心的偏摆角度为Rg，其中，8°≤Rg≤28°；导流板相对隔流板中心的偏摆角度为Sg，其中，1°≤Sg≤27°。

在一种实施例中，所述隔流板及导流板内部形成形状空间；所述形状空间包括圆柱体空间或圆台空间或圆锥体空间。

在一种实施例中，至少部分层之间的轮叶片错位设置。

在一种实施例中，所述轮叶盘和轮叶片为多组。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明中，若干导流板以所述隔流板的法向中心线为中心，围绕式分布设置于所述隔流板之间，使所有进入的气流被导引到有利于转子运动的方向，同时消除了转子运动时逆风方向会面临的逆风阻力；隔流板及导流板内部形成形状空间；形状空间所述轮叶盘位于隔流板之间，若干轮叶片以所述轮叶盘的法向中心线为中心，围绕式分布设置于轮叶盘之间，两端的轮叶盘及轮叶片内部形成中空空间，该中空空间有利于进入定子的气流穿过从而对转子实施二次或以上的驱动，更充分使用风能，同时会在该中空空间中形成有利于转子转动的漩涡状气流。内转子与定子可以通过多种方式连接，内部形成中空空间，降低制造与产品成本的同时，也使转子转动时更稳定，减少轴承磨损；隔流板、轮叶盘可以封锁进入内转子的风力流，使其不往垂直方向逃逸，防止风力流从垂直方向逸散，设计参数简单有效，有效地提高风能与电能转化效率。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图2是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图3是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图4是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图5是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图6是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图7是本发明的一种风力发电装置的结构示意图。

图8是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图9是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图10是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图11是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图12是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图13是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图14是本发明的一种风力发电装置的尺寸设计示意图。

图15是本发明的一种风力发电装置的风力流流向示意图。

图中，部件名称与附图编号的对应关系为：

1、隔流板；2、导流板；3、轮叶盘；4、轮叶片；5、定子；6、内转子。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

下面结合附图来详细描述本公开的具体实施方式。

参照图1，示出了一种风力发电装置的结构示意图，包括：隔流板1、若干导流板2、轮叶盘3及若干轮叶片4；

具体而言，所述隔流板1为相对设置，分别设置于若干导流板2的两端，若干导流板2以所述隔流板1的法向中心线为中心，间隔设置于所述隔流板1之间；导流板2两端的隔流板1与其之间的导流板2形成形状空间；

进一步地，轮叶盘3为相对设置，轮叶盘3分别设置于所述形状空间的上下两端，即所述轮叶盘3位于隔流板1之间，且与所述隔流板1转动连接；

若干轮叶片4以所述轮叶盘3的法向中心线为中心，间隔设置于轮叶盘3之间，两端的轮叶盘3及轮叶片4内部形成中空空间。

需要说明的是，若干导流板2在隔流板1上可以是等距设置或不等距设置的，同样地，若干轮叶片4在轮叶盘3上可以是等距设置或不等距设置的，本发明对此不作过多的限制。在实际应用中，该导流板2可以以焊接的方式与上下两端的隔流板1连接，此外，还可以通过铸造、钣金、冲压的方式整体制造该若干导流板2及隔流板1，在本实施例中，上下两端的隔流板1及若干导流板2组成风力发电装置的定子5；另一方面，上下两端的轮叶盘3与之间若干的轮叶片4组成发电装置的内转子6。

其中，所述形状空间可以包括圆柱体空间或圆台空间或圆锥体空间等不同形状的空间，以放置不同形状的内转子6。

导流板2是一种通风栅板，将风力导入至内转子6，同时也将推动内转子6转动后的风力流导出。

隔流板1是对定子5的上下两端进行封闭的水平遮挡装置，用于封锁进入定子5的风力流，该隔流板1对垂直方向的风力流进行全封闭设置，防止风力流从垂直方向逸散，有效地提高风能转化效率；如图1至图6所示的全封闭的隔流板的方案为：通过轮叶盘3对隔流板1进行封闭，具体的，所述隔流板上设有限位槽(图未标)，所述轮叶盘设于所述限位槽内，且可以在所述限位槽内转动，既使得本实施例的结构紧凑，又通过轮叶盘3和隔流板1的结合安装，实现了对定子的垂直方向的封闭。当然，其仅仅是本发明的一种示例，还可以通过其他的多种方式实现全封闭设置的隔流板1，如将隔流板1设置为一个完整整体的平面，以达到使风力流不往垂直方向逃逸的技术效果，本发明对隔流板1的全封闭设置方式不作过多的限制。如图1所示，在一种实施例中，隔流板1的形状可以是正方形，对应的，整个风力发电装置为四方形，在各个方向都可以最大程度的收集到风力流，因此，本实施例的风力发电装置无须根据风向调整安装位置，适用性更强。

针对导流板2的形状可以是长条的平面或柱面，柱面是直线沿着一条定曲线平行移动所形成的曲面或多条直线连接而成的柱面，即动直线沿着一条定曲线平行移动所形成的曲面，该柱面可以包括S型柱面，导流板2还可以包括其他的容易导入风力的形状，本发明对此不作过多的限制；而针对导流板2的数量，一般设置3块以上，本领域技术人员根据实际情况进行设定，本发明同样对此不作过多的限制。

轮叶片4构成内转子6的通风栅板，垂直于两个相对设置的轮叶盘3，围绕所述轮叶盘3的法向中心线间隔设置于轮叶盘3之间。

实际应用中，针对内转子6中的轮叶片4，其形状同样可以是长条的平面或柱面，该柱面可以包括S型柱面，轮叶片4还可以包括其他的容易导入风力的形状等，本发明对此不作过多的限制；而针对轮叶片4的数量，可以设置3片以上，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定，如4片或5片，本发明同样对此不作过多的限制。

与隔流板1的作用类似，轮叶盘3同样是用于封闭一组内转子6的水平遮挡装置，用于封锁进入内转子6的风力流，没有设置镂空位置，使风力流不往垂直方向逃逸，防止风力流从垂直方向逸散，有效地提高风能转化效率；针对轮叶盘3的尺寸，本领域技术人员根据实际情况而设定的任意尺寸，本发明对此不作过多的限制。进一步地，轮叶片4也可以以焊接的方式与上下两端的轮叶盘3连接，此外，还可以通过铸造的方式整体制造该若干轮叶片4及轮叶盘3；此外，钣金、冲压、铆合的方式也可用于制造定子5。

而内转子6与定子5之间可以是通过活动螺钉的方式进行连接，即轮叶盘3与隔流板1中心设置有通孔，在通孔设置活动式的螺钉以连接内转子6与定子5，使内转子6可以自由旋转，内转子6内部形成中空空间，降低制造与产品成本，同时可提高风能转化效率。

当然也可以通过其他的方式连接，如螺栓螺母连接、旋转轴、限位杆和轴承的连接方式等，本发明不作过多的限制。

参照图2及图3，示出了一种风力发电装置的结构示意图，所述隔流板1及导流板2组成定子5，所述定子5固定所述风力发电装置，在定子5的下方可以设置有发电机，在定子5周围可以加装网状栅格或网，在不影响效能的情况下较大的异物进入定子内部，也防止了生物触碰转子而发生危险。风力流进入定子5的导流板2之间，加速后撞击或挤压轮叶片4驱动内转子6旋转，获得旋转动能，连接发电机后发出电力，使旋转动能转化为电能。

在一种优选实施例中，参照图4至图7，示出了一种风力发电装置的结构示意图，内转子6的数量可以为多个，即在形状空间内，如圆柱体空间中，可以设置两个或两个以上的内转子6，即轮叶片4可以为多层设置，相邻层的轮叶片4之间设有连接件，该连接件包括多种连接件，如多种板材等等，本发明对此不作过多的限制；针对轮叶片4的多层设置方式，可以如图4至图7所示，每层轮叶片4是竖直方向设置，如第一层轮叶片在上，第二层轮叶片在下，轮叶片4的层数可以是本领域技术人员根据实际情况而设定的任意数值，如竖直方向的4层或5层等，本发明对此不作过多的限制；即多个内转子6之间是竖直方向设置的。

另一方面，轮叶片4的多层设置方式还可以是多层轮叶片4之间呈同心圆式分层分布，每层轮叶片4在同一个圆心，从里至外或外至里设置，实现多层轮叶片4之间套接。

为了更好的利用风能，提高风能的转化效率至少部分层之间的的轮叶片4可以错位设置。

本实施例中，相对设置的所述轮叶盘也可以为多组，轮叶盘、及与其之间的若干轮叶片组成內转子，即，在该实施例中，所述內转子可以为多个。

需要说明的是，当只有一个内转子6时，转化效率最高，接收风流的面积最大。

需要说明的是，该隔流板1、若干导流板2的形状可以根据实际情况进行变化，如定子5的形状为棱台时，则隔流板1的形状可为对应的多边形，导流板2的形状为梯形。

参照图8至14，示出了一种风力发电装置的尺寸设计示意图；在本实施例中，Kl为隔流板的内切圆直径；Sg为导流板相对隔流板中心的偏摆角度；Rg为轮叶片相对隔流板中心的偏摆角度；Ra为轮叶片弧度半径；Rw为轮叶片长度；Rd为导流板弧度半径；Sd为定子中空半径；

在本实施例中的风力发电装置，各个设计参数的关系如下：Kl>Sd≥Rd>Rw；隔流板的内切圆直径Kl大于定子中空半径Sd；定子中空半径Sd大于或等于导流板弧度半径Rd；导流板弧度半径Rd大于轮叶片长度Rw。

进一步地，导流板弧度半径Rd约等于Kl*(2.5±1.5)/10；导流板弧度半径Rd可以为0.2Kl至0.4Kl范围以内的数值；优选地，导流板弧度半径Rd还可以为0.1Kl至0.4Kl范围以内的数值，即0.1Kl≤Rd≤0.4Kl。

在一种实施例中，定子中空半径Sd约等于Kl*(7±4)/10；定子中空半径Sd可以为0.3Kl至1.1Kl范围以内的数值；优选地，定子中空半径Sd可以为0.3Kl至Kl范围以内的数值，即0.3Kl≤Sd≤1Kl。

另外，轮叶片长度Rw约等于Kl/(6±5)，轮叶片长度Rw为即0.09Kl至Kl范围以内的数值，即0.09Kl≤Rw≤1Kl。

实际应用中，轮叶片弧度半径Ra约等于Kl/200*(37±15)，即轮叶片弧度半径Ra为0.11Kl至0.26Kl范围以内的数值，即0.11Kl≤Ra≤0.26Kl。

在角度设计方面，轮叶片相对隔流板中心的偏摆角度Rg约等于18±10°；导流板相对隔流板中心的偏摆角度Sg约等于14±13°；即轮叶片相对隔流板中心的偏摆角度Rg为8°至28°，8°≤Rg≤28°；导流板相对隔流板中心的偏摆角度Sg为1°至27°，1°≤Sg≤27°。

在本发明中，轮叶片4、导流板2可以为曲面设计，曲面设计可以分为凹面，且所述轮叶片4曲面中的凹面及导流板2曲面中的凹面在转动过程中可以是相对，有助于形成S状风力流；轮叶片4的凹面及导流板2的凹面的朝向设置可以是不同的，如图8所示，轮叶片4的凹面是逆时针排列，而导流板2的凹面是顺时针排列，有利于S状风力流的形成。

参照图15，示出了一种风力发电装置的风力流流向示意图，在A区时，当风力流进入导流板2，因导流板2为曲面，并且凹面面向风力流，则风力流与导流板2的碰撞减少，并因该凹面作用下更顺利导引到合适角度推动轮叶片4。导流板2用于引导风流，可以避免损耗，由于导流板2是曲面，风力流可以更加顺滑平稳，并可带动风流加速，且可降低撞击的异响。

进一步地，风力流通过导流板2的凹面导引后进入B区，挤压轮叶片4以使一组或多组轮叶片4旋转。轮叶片4若被设计为平面，则无法有效地被风力流挤压，同时因该平面导致轮叶片4旋转运动时产生逆风阻力，不利于旋转，并浪费风力流动能。轮叶片4是曲面，可更有效地利用风力流动能，并使风力流挤压轮叶片4后被导引到更有利与效能的方向。

C区为中空设计，风力流挤压轮叶片4后进入C区，并在C区形成低压区和旋流，内转子6呈中空设置，避免风力流撞击转轴，减少损耗，旋流有利于牵引轮叶片4旋转运动，所形成的低压区有利于牵扯更多风力流，进一步提升效能。若C区不是中空设计，将不利于旋流的产生，并且不利于风力流通过B区和C区后对轮叶片4产生牵引和二次挤压。

在D区中，风力流通过挤压轮叶片4并穿过B和C区时，一部分风力流形成旋流，另一部分形成穿过C区到达D区的风力流。得益于C区的中空设计及轮叶片4的凹面设计，风力流将二次挤压轮叶片4，挤压后进一步增加轮叶片4的旋转动能，然后往导流板2外部逸出。

导流板2和轮叶片4被设计成凹面并且两者相对时，有利于风力流被导引成S状，其产生的湍流有利于在C区形成旋流。风力流经过这样的导流后，不再是以撞击或剪切方式驱动轮叶片4，而是以挤压方式驱动轮叶片4旋转，这种运动方式使风力流通过装置时产生的噪音被大幅降低。换言之，风力流在进入A区时被挤压和加速，加速后的风力流挤向轮叶片4，挤压轮叶片4后被导引到C区形成旋流牵引轮叶片4旋转，该旋流特性跟台风类似，旋流旋转时往外逃逸会2次挤压轮叶片4，使整个轮叶片4被多次驱动。

在一种优选实施例中，导流板2和轮叶片4的形状可以是长条柱形；被设计成长条柱形的导流板2和轮叶片4比平面设计有更高的结构刚性，明显地提升了装置在风力流下的稳定，长条柱形也提供了相对垂直平面柱形更好的垂直支撑能力，节省更多结构材料。

本实施例中，该风力发电装置包括隔流板1、若干导流板2、轮叶盘3及若干轮叶片4；所述隔流板1分别设置于上下两端，若干导流板2以所述隔流板1的法向中心线为中心，围绕式分布设置于所述隔流板1之间，使所有进入的气流被导引到有利于转子运动的方向，同时消除了转子运动时逆风方向会面临的逆风阻力；两端的隔流板1及导流板2内部形成形状空间；所述轮叶盘3分别设置于所述形状空间的上下两端，若干轮叶片4以所述轮叶盘3的法向中心线为中心，围绕式分布设置于轮叶盘3之间，两端的轮叶盘3及轮叶片4内部形成中空空间，该中空空间有利于进入定子的气流穿过，从而对转子实施二次或以上的驱动，更充分使用风能，同时会在该中空空间中形成有利于转子转动的漩涡状气流。内转子6与定子5可以通过多种方式连接，不需要设置中心轴，降低制造与产品成本的同时，也使转子转动时更稳定，减少轴承磨损；隔流板1、轮叶盘3可以封锁进入内转子6的风力流，使其不往垂直方向逃逸，防止风力流从垂直方向逸散，设计参数简单有效，有效地提高风能与电能转化效率。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (13)

1.一种风力发电装置，其特征在于，包括：

相对设置的隔流板；

若干导流板，若干导流板围绕所述隔流板的法向中心线间隔设置于所述隔流板之间；

相对设置的轮叶盘，所述轮叶盘位于所述隔流板之间且与所述隔流板转动连接；

若干轮叶片，若干轮叶片围绕所述轮叶盘的法向中心线间隔设置于所述轮叶盘之间，所述轮叶盘及轮叶片形成中空空间。

2.根据权利要求1所述风力发电装置，其特征在于，所述轮叶片为多层设置，相邻层的轮叶片之间设有连接件。

3.根据权利要求1所述风力发电装置，其特征在于，所述轮叶片、导流板的形状为曲面。

4.根据权利要求1-3任一项所述风力发电装置，其特征在于，所述导流板或轮叶片的形状为平面或柱面；其中，所述柱面包括S型柱面。

5.根据权利要求2所述风力发电装置，其特征在于，隔流板的内切圆直径为Kl；定子中空半径为Sd；导流板弧度半径为Rd；轮叶片长度为Rw；

其中，Kl＞Sd，且Sd≥Rd，且Rd＞Rw。

6.根据权利要求5所述风力发电装置，其特征在于，0.1Kl≤Rd≤0.4Kl。

7.根据权利要求5所述风力发电装置，其特征在于，0.3Kl≤Sd≤1Kl。

8.根据权利要求5所述风力发电装置，其特征在于，0.09Kl≤Rw≤1Kl。

9.根据权利要求1-3、5-8任一项所述风力发电装置，其特征在于，轮叶片弧度半径为Ra，其中，0.11Kl≤Ra≤0.26Kl。

10.根据权利要求2-3、5-8所述风力发电装置，其特征在于，轮叶片相对隔流板中心的偏摆角度为Rg，其中，8°≤Rg≤28°；导流板相对隔流板中心的偏摆角度为Sg，其中，1°≤Sg≤27°。

11.根据权利要求1所述风力发电装置，其特征在于，所述隔流板及导流板内部形成形状空间；所述形状空间包括圆柱体空间或圆台空间或圆锥体空间。

12.根据权利要求2所述风力发电装置，其特征在于，至少部分层之间的轮叶片错位设置。

13.根据权利要求12所述风力发电装置，其特征在于，相对设置的轮叶盘为多组。

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