[發(fā)明專(zhuān)利]直線(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210354060.4
• 申請(qǐng)日: 2012-09-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102865197A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張炳文;趙星海;申莉;李勇;周振起;金建國(guó);曹麗華;王虎;姜鐵騮;胡鵬飛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東北電力大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F03D9/02
• 分類(lèi)號(hào): F03D9/02;F03D5/04;F03D7/00;H02N15/00;H02K35/02
• 代理公司: 吉林市達(dá)利專(zhuān)利事務(wù)所 22102
• 代理人: 陳傳林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，是一種直線(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)

目前使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)有多種類(lèi)型，包括，水平軸螺旋槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、水平軸薩瓦里歐斯型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、垂直軸S型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、垂直軸風(fēng)杯型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、垂直軸達(dá)里厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、垂直軸機(jī)翼型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中，水平軸螺旋槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率最高，所以，在商業(yè)運(yùn)行中得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。潔凈再生的風(fēng)能電力得到世界各國(guó)能源機(jī)構(gòu)的高度重視，世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電量比例逐年上升，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量更是連年倍增。潔凈再生的風(fēng)能電力正在努力從補(bǔ)充能源地位向主導(dǎo)能源地位邁進(jìn)。但是，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)，即水平軸螺旋槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，還存在著如下幾方面的不足和缺陷，致使風(fēng)能電力難以成為主導(dǎo)能源：

(1)?單機(jī)容量小占地面積大

現(xiàn)代商業(yè)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大容量為5MW，英國(guó)運(yùn)行了7MW的實(shí)驗(yàn)機(jī)；而火力發(fā)電機(jī)組最大單機(jī)容量為1300MW，單機(jī)容量為600MW和1000MW機(jī)組更是很常見(jiàn)。相比之下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量顯得太小了。一個(gè)50MW的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)占地9～18km²，工程占地率為180000～360000m²/MW；一座2×600MW火力發(fā)電廠占地0.5～2.1km²，工程占地率為417～1750?m²/MW?？梢?jiàn)，單機(jī)容量小占地面積大是風(fēng)能電力的主要缺點(diǎn)之一，尤其考慮到人類(lèi)賴(lài)以生存的有限地球表面，這個(gè)缺點(diǎn)更值得風(fēng)能電力科技工作者的關(guān)注；

?(2)?丟棄了風(fēng)力機(jī)上方空間和下方空間的能量

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是在鋼塔頂部安裝一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，鋼塔高度為風(fēng)力機(jī)直徑的0.97～1.4倍。在風(fēng)力機(jī)的下方，有0.47～0.9倍風(fēng)力機(jī)直徑的高度空間內(nèi)的風(fēng)能被丟棄了。在風(fēng)力機(jī)的上方，相對(duì)我國(guó)的鋼塔技術(shù)能力，丟棄的風(fēng)能就更多了。因?yàn)?，我?guó)的鋼塔技術(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)百米，例如，江蘇廣播電視塔305.5米、哈爾濱電視塔336米、中央廣播電視塔386.5米、天津廣播電視塔415.2米、上海的東方明珠塔468米，而風(fēng)力發(fā)電使用的較高的鋼塔僅達(dá)到一百多米，例如，1.5MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)輪直徑70～77m，塔架高65～70m；德國(guó)富蘭德公司2.5MW風(fēng)力發(fā)電裝置輪轂高度117m，風(fēng)輪直徑86m；德國(guó)REPower公司5MW風(fēng)力發(fā)電裝置輪轂高度123m，風(fēng)輪直徑126m；德國(guó)ENERCON公司6MW風(fēng)機(jī)，風(fēng)輪直徑114m，輪轂高度124m。并且，離地面越高風(fēng)力越大（風(fēng)速切變），風(fēng)力機(jī)上方空間被丟棄的能量就越多。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以估計(jì)，同時(shí)考慮風(fēng)速切變，風(fēng)力機(jī)上方空間和下方空間丟棄的能量相當(dāng)于現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量的2～4倍。顯然，現(xiàn)代技術(shù)的“一座鋼塔一臺(tái)風(fēng)力機(jī)”的基本模式，是丟棄大量風(fēng)能電力的主要原因；

?(3)?旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)葉片效率低的主要原因之一

在現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，效率最高的是水平軸螺旋槳型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)都是幾根長(zhǎng)葉片帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。但是，旋轉(zhuǎn)是風(fēng)力機(jī)效率低的原因之一。根據(jù)葉片素理論和機(jī)械功的基本定義，葉片素（在某旋轉(zhuǎn)半徑r處，垂直于旋轉(zhuǎn)半徑r切下的一小段葉片）從風(fēng)能轉(zhuǎn)換的機(jī)械功率????????????????????????????????????????????????（W）用公式（1）計(jì)算，

??????????????????????????????????（1）

其中，F_u為葉片素受到的空氣圓周方向升力（N），u為葉片素圓周方向線(xiàn)速度（m/s），ω為葉片旋轉(zhuǎn)速度（弧度/秒），r為葉片素所在的旋轉(zhuǎn)半徑（m）?？梢?jiàn)，葉片素轉(zhuǎn)換的機(jī)械功率與葉片素所在的旋轉(zhuǎn)半徑成正比，葉片素的旋轉(zhuǎn)半徑越小，即，離旋轉(zhuǎn)軸越近的葉片素功率越小。再考慮葉尖損失，無(wú)論從理論計(jì)算還是科學(xué)實(shí)驗(yàn)都可以得出結(jié)論：只有在相對(duì)半徑0.73～0.83的較小范圍內(nèi)（相對(duì)半徑變化量為0.1），葉片素功率是較大的，而在其他較大相對(duì)半徑范圍內(nèi)（相對(duì)半徑變化量為0.9）葉片素功率均有不同程度的減少。表1為利用公式（1）和空氣動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算的葉片素功率，圖表1為利用表1數(shù)據(jù)繪制的曲線(xiàn)圖。從表1可見(jiàn)，相對(duì)半徑0.23處的葉片素功率減少到不足相對(duì)半徑0.63～0.93處的葉片素功率之一半。結(jié)合公式（1）可以看出，離旋轉(zhuǎn)軸較近的葉片素轉(zhuǎn)換能力差的主要原因是其圓周方向線(xiàn)速度很低，即，旋轉(zhuǎn)使葉片效率低。