专利名称：风洞提速和压缩储能的风力发电技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电技术，尤其是风力发电的风叶结构和能量储存方式。
背景技术：
风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。
小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个小系统风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。功率的大小更主要取决于风量的大小，而不仅是机头功率的大小。
目前技术缺点主要表现为①风力发电机的受风时，会在尾翼作用下尽可能向风，这样风叶的正面受风压相对要比背面大，形成一定的风压差，从而推动风叶转动，但风压积累一定程度时就会自动释放，所以加宽风叶宽度与风压差不成正比。
由于上述原因，所以风叶一般做得比较窄，相对于圆周360度，一般一片叶片只能占有10～20度夹角，三叶累计30～60度，占整个圆周的5～17％之间。
受此影响，目前基本将研发方向集中在增加风叶半径，达到以平方效率增加扫风面积来而提高功率的目的。
②如果风速过低，那么形成的风压就不是很高，不能推动风叶提供可靠的输出。目前的技术切入风速在3米/秒以上，这样就对使用环境提出了较高的要求，限制了大部分地区的应用。
③如果将体积大的低速发电机设置在塔架上，势必极大增加塔架负荷，从而对塔架的设计强度提出更高要求，也就使塔架建设成本大幅度攀升。
同时，由于希望提升高度，进行高风速采风和满足平方效率提高扫风面积，这样会使做塔架的钢管成本高成立方效率地提升，从而提高风电的运营成本和架设投资门槛。
④由于风力发电输出不是很稳定，所以多数是采用化学电池进行储存能量再逆变成市电，这样电池的制造成本与容量有很大的限制，由于化学蓄电池内含铅酸等有毒或污染性物质，会造成二次污染的可能。而且电池容量基本与电池的大小及节数基本成正比，这样大规模风电也就对电池有很大的需要，提高风电投资与架设造价。另外，电池的老化比较快，使用寿命不长，维护成本及运营成本也相应比较高。
⑤目前的风力发电设备对台风或飓风等破坏性风力的对抗强度差，容易在台风或飓风等破坏性风力摧毁下被损坏，提高维修成本和运营成本，减少发电量。
⑥目前铜材价格昂贵，而低压高电流电缆对铜材消耗十分巨大，这样在整体运行时，建设成本普遍大幅度增加，也就提高了风力发电的投资和运营成本。
⑦目前的切入风速要求比较高，基本在3米/秒以上，这样低速风力蕴涵的能量就难以释放。
发明内容
本发明的任务是提供一种经济实用、风能利用效率高的风力发电技术。
本发明的是这样实现上述目的一种风力发电技术，包括承重架、风叶、发电机、能量储存器，其特征是采用流线形伞棚集中风力，在直径为伞棚直径1/2～1/5的风洞中集中加速，高速气流推动多元风叶式风车旋转，旋转的风车直接带动发电机，或者驱动多级空气压缩机进行空气压缩或者致冷并液化，然后输入大型空心高压的储存容器中进行储存，在需要能量输出时放出压缩气体推动汽缸或者汽轮而带动发电机进行发电输出。
这样与目前原有技术对比可以产生的进行效果有同等扫风面积情况下目前的风力发电运行效率评估为风叶扫风占圆周率为15％左右，风能转化机械能效率60％，发电机效率为60％，化学储存效率为80％，输出为80％，稳定效率为60％，累积有效利用率为2.5％以内。
本发明的运行效率为伞棚效率为60％，风车机械能转化效率为60％，空气压缩机效率为70％，汽化能量还原效率为70％，发电机效率为75％，状态稳定效率为80％，总体运行有效效率为10％左右。
这样能量利用效率是原来技术的4倍，利用效率大大提高。
同时，在建造中虽然增加伞棚及压缩单元的投资，但由于大量节约价格昂贵的铜材，在大规模建设时成本基本接近甚至有所降低，达到3000-5000元/千瓦的水平，减少成本并降低投资门槛。
另外，由于目前风电成本在0.60～1.50元/千瓦时之间，在提高4倍输出的情况下，发电成本可以控制在0.15～0.40元/千瓦时，大规模投产平均发电成本在0.20～0.30元/千瓦之间，环境污染及场地要求小，完全符合取代火电的需要，提高产出和经济效益。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是伞棚结构剖面图。
图2是伞棚结构侧面示意图。
图3是本发明的流程示意图。
图中1，伞棚；2，泄风圈；3，风叶；4，传动轴；5，伞棚(同1)；6，风叶(同3)；7，风洞；8，高压气管；9，伞棚(同1)；10，风叶(同3)；11，汽轮叶片；12，高压气管(同8)；13，发电机或者其他被驱动机械；14，高压储存容器。
具体实施例方式
下面结合附图对具体应用进行说明①针对叶片受风效率低和切入速度高的问题，本发明采用伞棚(1)进行集风，使风在风洞(7)中通过，进行集中和提高风速，一般风洞(7)直径为伞棚(1)直径的1/2～1/5之间，多为1/3左右；这样面积上就缩小了4～25倍，按照1/3的比例可以缩小9倍，那么风速理论值也就提高到9倍，但受集风效率影响，一般能提高到6倍左右，这样就降低了风力发电机的风速切入门槛，使能量更好地被吸收或者转化。
实践证明风洞与伞棚直径比1∶3能量转化效率最高。
同时在风洞内部采用多元风车式叶片(3)进行能量转化，也就是多个倾斜的风叶单片组合并且面积和大于或者等于风洞，这样风能转化机械能效率可以提高到60％以上，风叶可以用前后环进行固定。
另外，在伞棚上设置一层或者多层活动泄风圈(2)，并可以遥控收起和打开，这样就能提高抗台风飓风的能力。
②如果单一采用钢管，在提高风塔高度时会呈立方速度增加钢材消耗，所以为对抗高空侧应力和扭力，可以在钢管外侧一段距离设置多组钢缆对拉增强结构来减小钢管直径而降低钢管成本，并在低端提高钢架稳定性，满足强度并适当降低建造成本。
③由于化学蓄电池容量小、污染严重及寿命短的问题，本发明采用压缩气体或者致冷并液化储能的方式，直接通过风叶的机械扭力驱动空气压缩机将空气进行压缩，也可以多级压缩，还可以实现致冷并液化，转变成高压或者液态空气通过高压气管(8)输入高压储存容器(14)中进行集中储存，然后在需要进行能量输出的时候释放液态空气推动汽气轮机(11)，带动发电机或者直接驱动其他机械。这样空心容器(14)成本与原来的化学电池等相比越大为成本越低，并能提高储存时效性，避免化学污染。
④在进行压缩液气储能时，减少低压电力线缆和大型低速发电机，这样可以节约大量价格昂贵的铜材，取代的是采用耐高压的钢管或者纤维管进行高压或液态空气输送，建设和维护成本也就会大幅度降低。
⑤另外液态空气汽化推动气轮机发电的能量转化效率高，输出稳定，能实现大功率输出。
另外，可以将高压储存容器设置在地下用钢筋水泥浇灌成圆柱形，这样既可以保持稳定性并节约地面空间，也可以减小罐内外的气压差，满足平衡；还可以将高压储存容器直接与支撑塔架结合，在空心的塔管内进行储存。
空气压缩可以根据输出功率由小到大选择汽缸式空气压缩机、离心式空气压缩机、涡轮式空气压缩机等。
这样，在自然风情况带动下，大面积的风被自动迎风的伞棚收集，并集中在风洞内加速排出，这样就带动了其中的风叶，风叶通过传动装置驱动空气压缩机进行多级加压并达到高压或者液化，然后通过高压气管传输进储存容器内，在需要发电的时候开启阀门，高压气体就会推动汽轮片带动发电机进行发电。
实例1平原地区可以采用边长150～300米的正六边形交叉点排列6组直径120米伞棚的风洞空气压缩机组，共享一个位于地下的直径40米和深度50米的园柱形水泥液气储存室，这样就可以实现24小时的35MW左右的稳定电力输出。
实例2沿海环境采用塔式罐结构，塔高350米，伞棚离地高度为50米，直径600米，风洞直径200米，输出功率峰值450MW，平均输出功率为120MW；工程造价接近8亿人民币，年电力产值为3亿人民币左右。
权利要求
1.一种风力发电技术，包括承重架、风叶、发电机、能量储存器，其特征是采用流线形伞棚集中风力，在直径为伞棚直径1/2～1/5的风洞中集中加速，高速气流推动多元风叶式风车旋转，旋转的风车直接带动发电机，或者驱动多级空气压缩机进行空气压缩或者致冷并液化，然后输入大型空心高压的储存容器中进行储存，在需要能量输出时放出压缩气体推动汽缸或者汽轮而带动发电机进行发电输出。
2.如权利要求1所述，其特征在于在伞棚上设置一层或者多层活动泄风圈，并可以遥控收起和打开。
3.如权利要求1所述，其特征在于在钢管外侧一段距离设置多组钢缆对拉增强结构来减小钢管直径而降低钢管成本。
4.如权利要求1所述，其特征在于采用正六边形交叉点排列6组伞棚的风洞空气压缩机组，共享一个位于地下的米的园柱形水泥液气储存室。
5.如权利要求1所述，其特征在于将高压储存容器设置在地下用钢筋水泥浇灌成圆柱形。
6.如权利要求1所述，其特征在于将高压储存容器直接与支撑塔架结合，在空心的塔管内进行储存。
全文摘要
本发明提供一种风能利用的风叶结构和能量储存技术，为解决目前风能利用率低下和风电成本高的问题，本发明采用流线形伞棚集中风力，在直径为伞棚直径1/2～1/5的风洞中集中加速，高速气流推动多元风叶式风车旋转，旋转的风车直接带动发电机，或者驱动多级空气压缩机进行空气压缩或者致冷并液化，然后输入大型空心高压的储存容器中进行储存，在需要能量输出时放出压缩气体推动汽缸或者汽轮而带动发电机进行发电输出，这样就提高了风力发电的能源利用效率，并减少投资和降低运营成本，可以广泛用于电力生产，从而取代火力发电满足环保需要。
文档编号F03D11/00GK101054954SQ200710021829
公开日2007年10月17日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者杨贻方 申请人:吴江市方霞企业信息咨询有限公司