专利名称：自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电方法，尤其是一种自然风能和太阳能热气流风能 互补风力发电方法。
背景技术：
随着工业的发展各国对能源的需求日益增大， 一次性能源的消耗也越来越 大，而且对全球的环境影响也越来越大，温室效应，地球变暖，为此，人们正 在大力发展可再生的清洁能源，如风能。现有的风力发电技术已经比较成熟， 即利用风力推动风叶转动，产生的机械能带动连接的发电装置动作而产生可供 利用的电能；这种风车式的风力发电装置已经得到了广泛应用。
然而，传统的风力发电装置都是依靠自然风运作的，因此，这种风力发电 装置必须建设在风力资源丰富的地方，对风场选址要求较高；此外，自然风的 风力时强时弱，常常是在阴雨天气时伴随有强风，而在天气晴好的时候风力较 弱，有时甚至会停止。这种风力的间歇性使得发电机的输出波动很大，严重影 响了发电机的暂态稳定、系统频率控制和负荷潮流，同时，其发电效率及设备 的利用率也不高，造成了资源浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种自然风能和太阳能热气流风能 互补风力发电方法，不仅能够利用自然风力发电，而且还可在天气晴好的时候 利用太阳能集热装置和塔架内腔产生的热气流驱动风力发电机发电。天气晴好 伴有较强风时， 一方面自然风驱动塔架顶部中空的叶片旋转，抽出叶片内一直 通到塔内部的空气，在塔架内腔产生高速的上升气流；另一方面，位于塔架下 端的太阳能集热装置加热集热装置内部的空气，同时利用塔架和中空叶片的拔 风效应，在塔架内腔会形成高速上升的热气流。由自然风在塔架内腔形成的高 速上升的气流和和由太阳能集热装置加热空气在塔架内腔形成的高速上升的热
气流可同时驱动位于塔架内腔的涡轮发电机发电。在建造风电站时，有时甚至 可降低对风场的苛刻要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是自然风能和太阳能热气流风 能互补风力发电方法，包括如下步骤
1) 风力发电机系统在自然风能驱动发电的基础上，还可以利用太阳能集 热装置加热空气产生的热气流驱动发电机发电。
2) 自然风能驱动风力发电机发电，主要是安装于塔架顶部的叶片是中空 的，叶片尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低 压，抽出叶片内一直通到塔内部的空气。塔的下面的太阳能集热装置底端设有 进风口，空气可不断地从底部向上流，从而塔内安装的风力涡轮发电机发电。
3) 热气流风能是利用太阳光照射，加热太阳能集热装置内部空间的空气， 同时利用筒状塔架和中空叶片的拔风效应，热空气上升流动形成风。温度越高， 风速越大；塔架越高，塔架内腔的风速也越大。
4) 利用上述自然风驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直 通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发 电；利用太阳能集热装置加热空气产生的上升热气流驱动位于塔架内部涡轮， 带动发电机发电。根据外部自然天气情况，两种气流可分别驱动涡轮发电，也 可同时驱动涡轮发电。
上述技术方案中，当天气遇强风或天气不太晴好时主要是自然风力驱动位 于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空气，形成的上 升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发电，太阳能集热装置加热空气产 生的上升的热气流驱动涡轮带动发电机辅助发电；当天气晴好的风力较弱，有 时风力甚至会停止时，系统主要是利用太阳能集热装置加热空气产生的上升的 热气流驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电，此时如果有较弱的风力，自然 风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空 气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，，带动发电机辅助发电；夜间无 太阳光时，主要是自然风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一 直通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机 发电。不仅进一步充分利用自然资源，还提高了本装置的利用率。
上述技术方案中，所述步骤1中的风力发电机系统的将自然风能通过塔架 顶部的旋转的中空叶片转化为塔架内腔高速上升气流。位于塔架底部的太阳能 集热装置加热其内部的空气和塔架内腔和中空叶片的烟囱效应在塔架内腔形 成高速的上升气流。两种气流可同时驱动位于塔架内部的涡轮，带动发电机发 电，也可分别驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电。
上述技术方案中，所述步骤3中的太阳能集热装置由太阳能集热板组成的 上下开口呈圆台锥面结构；其顶部开口与塔架内腔的下端开口匹配相连，集热 板经太阳光照射，将太阳能转化为热能，加热集热板下面周围的空气。
本发明的技术构思是天气遇强风时，风力发电系统主要是自然风发电； 天气晴好无风的时，风力发电系统主要是利用太阳能集热装置加热空气，同时 利用塔架内腔和中空叶片的拔风效应产生的热气流驱动涡轮带动发电机发电； 天气晴好伴有较强风时，自然风和导风筒内部的热气流同时驱动涡轮，带动发 电机发电；夜晚，风力发电系统主要是自然风发电。
由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比，具有下列优点
1. 由于本发明将利用自然风发电和利用风力发电系统塔架下面的太阳能 集热装置和塔架内腔所形成的热气流发电在风力发电系统塔架内部进行叠加， 可保证发电装置稳定运行，提高发电效率。
2. 本发明同时以自然风力发电和以太阳能热气流发电为主，因此其装置 的建设选址不受地域的限制，有利于推广应用。
3. 本发明在一天中的大部分自然天气条件下发电系统均可以发电，不仅 充分利用了清洁的自然资源，还大大提高了设备的利用率，具有良好的经济效
4. 克服了小型风力机对风时电缆缠绕的烦恼。
图1是本发明实施例一的侧视图； 图2是本发明实施例一的正视图； 图3是本发明实施例一的剖视图； 图4是本发明实施例二的剖视图。 其中
图1: 1、塔架；6、支撑装置；7、太阳能集热装置；8、 回转体；12、尾舵。
图2: 1、塔架；6、支撑装置；7、太阳能集热装置；8、 回转体。
图3: 1、塔架；2、位于塔架内部的涡轮；3、传动轴； 电机；6、支撑装置；7、太阳能集热装置；8、中空叶片；9、 体；11、轴承；12、尾舵。
图4: 1、塔架；2、位于塔架内部的涡轮；3、传动轴； 电机；6、支撑装置；7、太阳能集热装置；8、中空叶片；9、 体；11、轴承；12、偏航驱动装置；13、增速齿轮箱。
中空叶片；10、
中空叶片；10、
4、支架；5、发 轴承；10、回转
4、支架；5、发 轴承；10、回转
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述 实施例一
一种小型自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，包括如下步
骤
1) 风力发电机系统在自然风能驱动发电的基础上，还可以利用太阳能集 热装置加热空气产生的热气流驱动发电机发电。
2) 自然风能驱动风力发电机发电，主要是安装于塔架顶部的叶片是中空 的，叶片尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低 压，抽出叶片内一直通到塔内部的空气。塔的下面的太阳能集热装置底端设有 进风口，空气可不断地从底部向上流，从而塔内安装的风力涡轮发电机发电。
3) 热气流风能是利用太阳光照射，加热太阳能集热装置内部空间的空气， 同时利用筒状塔架和中空叶片的拔风效应，热空气上升流动形成风。温度越高， 风速越大；塔架越高，塔架内腔的风速也越大。
4) 利用上述自然风驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直 通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发
电；利用太阳能集热装置加热空气产生的上升热气流驱动位于塔架内部涡轮， 带动发电机发电。根据外部自然天气情况，两种气流可分别驱动涡轮发电，也 可同时驱动涡轮发电。
上述方法使用的装置如下参见图l至图3所示， 一种自然风能和太阳能 热气流风能互补风力发电装置，包括竖直设置的用于支撑中空叶片和回转体塔 架1。所述塔架l底部和底座支架4之间密封固定连接有圆台形的太阳能集热 装置7,涡轮2设置于塔架内部，涡轮2与发电机5采用直接驱动连接。
上述技术方案中，当天气遇强风或天气不太晴好时主要是自然风力驱动位 于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空气，形成的上 升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发电，太阳能集热装置加热空气产 生的上升的热气流驱动涡轮带动发电机辅助发电；当天气晴好的风力较弱，有 时风力甚至会停止时，系统主要是利用太阳能集热装置加热空气产生的上升的 热气流驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电，此时如果有较弱的风力，自然 风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空 气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，，带动发电机辅助发电；夜间无 太阳光时，主要是自然风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一 直通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机 发电。不仅进一步充分利用自然资源，还提高了本装置的利用率。
上述技术方案中，所述步骤1中的风力发电机系统的将自然风能通过塔架 顶部的旋转的中空叶片转化为塔架内腔高速上升气流。位于塔架底部的太阳能 集热装置加热其内部的空气和塔架内腔和中空叶片的烟囱效应在塔架内腔形 成高速的上升气流。两种气流可同时驱动位于塔架内部的涡轮，带动发电机发 电，也可分别驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电。
上述技术方案中，所述步骤3中的太阳能集热装置由太阳能集热板组成的 上下开口呈圆台锥面结构；其顶部开口与塔架内腔的下端开口匹配相连，集热 板经太阳光照射，将太阳能转化为热能，加热集热板下面周围的空气。
本发明的技术构思是天气遇强风时，风力发电系统主要是自然风发电； 天气晴好无风的时，风力发电系统主要是利用太阳能集热装置加热空气，同时 利用塔架内腔和中空叶片的拔风效应产生的热气流驱动涡轮带动发电机发电；
天气晴好伴有较强风时，自然风和导风筒内部的热气流同时驱动涡轮，带动发 电机发电；夜晚，风力发电系统主要是自然风发电。
由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比，具有下列优点
1. 由于本发明将利用自然风发电和利用风力发电系统塔架下面的太阳能 集热装置和塔架内腔所形成的热气流发电在风力发电系统塔架内部进行叠加， 可保证发电装置稳定运行，提高发电效率。
2. 本发明同时以自然风力发电和以太阳能热气流发电为主，因此其装置 的建设选址不受地域的限制，有利于推广应用。
3. 本发明在一天中的大部分自然天气条件下发电系统均可以发电，不仅 充分利用了清洁的自然资源，还大大提髙了设备的利用率，具有良好的经济效 益。
4. 克服了小型风力机对风时电缆缠绕的烦恼。 实施例二
一种中、大型自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，包括如下 步骤
1) 风力发电机系统在自然风能驱动发电的基础上，还可以利用太阳能集 热装置加热空气产生的热气流驱动发电机发电。
2) 自然风能驱动风力发电机发电，主要是安装于塔架顶部的叶片是中空 的，叶片尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低 压，抽出叶片内一直通到塔内部的空气。塔的下面的太阳能集热装置底端设有 进风口，空气可不断地从底部向上流，从而塔内安装的风力涡轮发电机发电。
3) 热气流风能是利用太阳光照射，加热太阳能集热装置内部空间的空气， 同时利用筒状塔架和中空叶片的拔风效应，热空气上升流动形成风。温度越高， 风速越大；塔架越高，塔架内腔的风速也越大。
4) 利用上述自然风驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直 通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发 电；利用太阳能集热装置加热空气产生的上升热气流驱动位于塔架内部涡轮， 带动发电机发电。根据外部自然天气情况，两种气流可分别驱动涡轮发电，也 可同时驱动涡轮发电。
上述方法使用的装置如下参见图l至图3所示， 一种自然风能和太阳能 热气流风能互补风力发电装置，包括竖直设置的用于支撑中空叶片和回转体塔 架1。所述塔架l底部和底座支架4之间密封固定连接有圆台形的太阳能集热 装置7，涡轮2设置于塔架内部，涡轮2与发电机5通过增速齿轮箱13驱动 连接。
上述技术方案中，当天气遇强风或天气不太晴好时主要是自然风力驱动位 于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空气，形成的上 升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机发电，太阳能集热装置加热空气产 生的上升的热气流驱动涡轮带动发电机辅助发电；当天气晴好的风力较弱，有 时风力甚至会停止时，系统主要是利用太阳能集热装置加热空气产生的上升的 热气流驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电，此时如果有较弱的风力，自然 风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一直通到塔架内部的空 气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，，带动发电机辅助发电；夜间无 太阳光时，主要是自然风力驱动位于塔架顶部的中空叶片旋转，抽出叶片内一 直通到塔架内部的空气，形成的上升气流驱动位于塔架内部涡轮，带动发电机 发电。不仅进一步充分利用自然资源，还提高了本装置的利用率。
上述技术方案中，所述步骤1中的风力发电机系统的将自然风能通过塔架 顶部的旋转的中空叶片转化为塔架内腔高速上升气流。位于塔架底部的太阳能 集热装置加热其内部的空气和塔架内腔和中空叶片的烟囱效应在塔架内腔形 成高速的上升气流。两种气流可同时驱动位于塔架内部的涡轮，带动发电机发 电，也可分别驱动塔架内部的涡轮，带动发电机发电。
上述技术方案中，所述步骤3中的太阳能集热装置由太阳能集热板组成的 上下开口呈圆台锥面结构；其顶部开口与塔架内腔的下端开口匹配相连，集热 板经太阳光照射，将太阳能转化为热能，加热集热板下面周围的空气。
本发明的技术构思是天气遇强风时，风力发电系统主要是自然风发电； 天气晴好无风的时，风力发电系统主要是利用太阳能集热装置加热空气，同时 利用塔架内腔和中空叶片的拔风效应产生的热气流驱动涡轮带动发电机发电； 天气晴好伴有较强风时，自然风和导风筒内部的热气流同时驱动涡轮，带动发
电机发电；夜晚，风力发电系统主要是自然风发电。
由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比，具有下列优点
1. 由于本发明将利用自然风发电和利用风力发电系统塔架下面的太阳能 集热装置和塔架内腔所形成的热气流发电在风力发电系统塔架内部进行叠加， 可保证发电装置稳定运行，提高发电效率。
2. 本发明同时以自然风力发电和以太阳能热气流发电为主，因此其装置 的建设选址不受地域的限制，有利于推广应用。
3. 本发明在一天中的大部分自然天气条件下发电系统均可以发电，不仅 充分利用了清洁的自然资源，还大大提高了设备的利用率，具有良好的经济效 益。
4. 克服了风力机对风时电缆缠绕的烦恼。
权利要求
1.一种自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，风力发电机在自然风能驱动发电机发电的基础上还可以利用太阳能集热装置产生的热气流风能驱动发电机发电。自然风能驱动风力发电机发电，主要是安装于筒状塔架顶部的叶片是中空的，叶片尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低压，抽出叶片内一直通到塔内部的空气。塔的下面的太阳能集热装置底端设有进风口，空气可不断地从底部向上流，从而在塔架内部产生高速上升的气流，该气流驱动塔架内安装的风力涡轮发电机发电。热气流的风能驱动发电机发电，主要是利用集热装置将太阳能转换为热能，该热能对位于塔架下端的太阳能集热装置中的空气加热，空气加热形成热气流，热气流沿塔架内腔高速上升，高速上升的热气流驱动位于塔架内部的涡轮旋转，旋转的涡轮通过传动轴驱动发电机发电。
2. 如权利要求1所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征在是，所述的风力发电机系统的驱动发电机发电的涡轮安装于塔架内部。 风力发电机系统中的发电机不仅可利用自然风能驱动发电，而且还可利用热 气流的风能驱动发电。
3. 如权利要求l所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征在是，所述的风力发电机系统中塔架内部的涡轮旋转轴线和塔架的轴心线 重合半.口 o
4. 如权利要求l所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征在是，所述的风力发电机系统中涡轮驱动的发电机可安装在位于塔架底部 的集热装置内部，或安装于地面下。
5. 如权利要求l所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征在是，所述的热气流是由位于塔架下端的上下开口呈圆台锥面结构的太阳 能集热装置产生。
6. 如权利要求l所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征是，所述的由位于塔架底部的太阳能集热装置产生的上升热气流，驱动涡 轮发电之后，通过塔架和位于塔架顶部的中空的叶片流出。
7. 如权利要求2所述的自然风能和太阳能热气流风能互补风力发电方法，其特 征是，所述的塔架内部驱动发电机发电的涡轮既可由位于塔架顶部的自然风 能驱动的中空叶片旋转在塔架内部产生的上升气流驱动，又可由太阳能集热 装置加热空气产生的高速上升的热气流驱动，或两种气流同时驱动涡轮，带 动发电机发电。
全文摘要
一种自然风能和太阳能热气流风能互补发电方法。自然风发电主要是安装于筒状塔架顶部的叶片是中空的，叶片尖端有开口。当叶片转动时，根据空气动力学原理，在开口处产生低压，抽出叶片内一直通到塔内部的空气，塔下面的太阳能集热装置底端设有进风口，空气可不断地从底部向上流，从而驱动塔架内的涡轮发电机发电。塔架底端设置有太阳能集热装置，其顶部开口与塔架下端开口匹配相连，底部固定于底座或支架。太阳能集热装置将太阳能转化为热能，加热塔架底部锥形塔内部的空气，由于筒状塔架和中空叶片的拔风效应，内部空气越热，塔架越高，塔架内腔的热气流风速也越大。该热气流产生的风力驱动位于塔架内部的涡轮发电机发电。
文档编号F03D1/04GK101349244SQ20081006361
公开日2009年1月21日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者王瑞明 申请人:王瑞明