专利名称：风力发电模块及其组成的矩阵式风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，特别涉及一种水平轴风力发电技术。
背景技术：
目前，世界上现行的水平轴风力发电装置，大多采用三叶型大桨叶自然风直吹型式，其缺点包括 1.为了达到发电要求，浆叶必须具有足够大的直径，因此现有发电装置的浆叶直径巨大，不仅制造成本高，而且维护维修困难。 2.由于浆叶直径巨大，当然转动惯量也大，所以起动困难，在较小风力(小于3级风时)无法起动发电； 3.由于浆叶转动惯量大，导致浆叶转速低，因此发电机组内还需要添加增速装置，导致造价较高； 4.桨叶少，单位面积内风力利用率和发电量较低； 5.为了获取高空中的气流，需要竖立高几十米的塔身，不仅制造成本高，而且浆叶下方的气流并未被利用到。 本发明针对现有风力发电机的上述缺点而进行改进，在降低制造成本的同时，提高其发电效率，以降低发电成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电模块及其组成的矩阵式风力发电装置，以解决现有技术存在的发电成本高，起动困难，发电量低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括 —种风力发电模块，其特征在于具有一个长方体形的结构框架，所述的结构框架
内填充有不透气材料，并使该结构框架内形成一个风力捕集风道，该风力捕集风道的内形
线是收縮曲线，其一端是面积较大的入风口 ，另一端是面积较小的出风口 ，在该风力捕集风
道的出风口上设有一个水平轴叶轮，该水平轴叶轮的转轴直接连接一个发电机。
其中在该风力捕集风道的入风口之前连接有一个曲线进风道。
其中在该风力捕集风道的入风口处连接有一个L形弯管。
其中该风力发电模块设置于建筑物顶部或者建筑物内部 其中所述的风力发电模块卧式安装在回转盘上。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案还包括 —种由上述风力发电模块组成的矩阵式风力发电装置，其特征在于所述的矩阵式风力发电装置竖立在地面上，并具有复数个呈矩阵式排列的风力发电模块，所述的复数个风力发电模块的风力捕集风道的入风口朝向同一侧，且任意两个相邻的风力发电模块之间采用机械联接结构固定在一起。
在较佳的技术方案中还包括有座体，所述的座体包括固定在地面上的环形轨道
3和在该环形轨道上旋转移动的底座，所述的矩阵式风力发电装置的最低一排风力发电模块与所述的座体的底座固定连接。 在较佳的技术方案中在所述的底座上还设有风向监测装置与跟踪回转装置，所述的风向监测装置与所述的跟踪回转装置电连接，所述的跟踪回转装置控制座体在轨道上旋转移动或定位。 在较佳的技术方案中所述的环形轨道包括多个直径不同的环圈，所述的底座为长方形，并在该底座上对应所述环圈的位置各设有多个滚轮，所述的跟踪回转装置控制所述的数个滚轮的驱动与制动。 在较佳的技术方案中任意两个相邻的风力发电模块之间采用机械联接结构是螺栓联接、焊接或者拉杆联接。 在较佳的技术方案中在地面上设置的环形轨道具有多个直径不同的环圈，所述的底座为长方形，并在该底座上对应每个环圈的位置设有数个滚轮，所述的跟踪回转装置控制所述的数个滚轮的驱动或者制动；在底座上固定有一个平衡圈，所述的平衡圈滑设在直径最大的一个环圈上，并在矩阵式风力发电装置的两侧与该平衡圈之间各设置有多个拉锚固定结构。
在较佳的技术方案中矩阵式风力发电装置的数个风力发电模块中，处于下层的风力发电模块选用钢材或者合金材料来制造其结构框架，而处于上层的风力发电模块选用工业塑料或者树脂材料来制造其结构框架。
本发明具备如下特点 1.装置结构模块化。用相同的风力发电模块可任意组合成多系列装机容量的风电电站，每个风力发电模块间的零部件具有互换性，适合成批量、大规模生产，从而降低制造成本，使风力发电成本大幅度降低。 2.单位叶轮面积发电量大。由于采用捕集风道，使自然风通过风道后，风能聚集加强为自然风的数倍；因此单位叶轮面积发电量也将增加数倍，同时由于将数个风力发电模块竖向组合后，大部分风力发电模块处于较地面更高位置，空中风速较地面更大，更能大大提高单台机组的发电量。 3.起动风速小。由于采用风力捕集风道，使自然风聚集增强，叶轮处风力为自然风力数倍，因此在较低自然风速下，叶轮即可起动，同时由于叶轮直径大大减小，其转动惯量也随之减小，有利于微风起动。
图1是本发明整体结构的主视图； 图2是本发明整体结构的右视图； 图3是本发明整体结构的俯视图； 图4是本发明另一实施例的主视图； 图5是本发明另一实施例的右视图 图6是本发明另一实施例的俯视图； 图7是本发明使用的风力发电模块的主视图； 图8是本发明使用的风力发电模块的侧剖结构示意 图9是本发明使用的风力发电模块连接一个曲线进风道的示意图； 图10A、图IOB是本发明使用的风力发电模块连接一个L形弯管的示意图； 图11是本发明使用的风力发电模块设置于建筑物顶部的结构示意图； 图12是本发明使用的风力发电模块设置于建筑物内部的结构示意图； 图13是本发明使用的风力发电模块安装在回转盘上的结构示意图； 图14、图15是低速风洞原理示意图。
具体实施例方式
参见图1、图2、图3，是本发明提供的一种风力发电装置，其包括座体IO和竖立设置在座体10上的矩阵式风力发电装置20，其中 所述的座体10包括固定在地面上的环形轨道11和在该环形轨道11上旋转移动的底座12，在所述的底座12上还设有风向监测装置(采用现有技术)与跟踪回转装置，所述的风向监测装置与所述的跟踪回转装置电连接，能够测量风向并输送给所述的跟踪回转装置，所述的跟踪回转装置则接收风向监测装置提供的信息，然后控制座体10在轨道上旋转移动或定位，以保证座体10上的复数个风力发电模块的迎风面与风向相适应；在本实施例中，所述的环形轨道11具有两个环圈( 一个外环圈与一个内环圈，当然也可以是多个直径不同的环圈)，所述的底座12为长方形；而所述的跟踪回转装置，是在该底座12上对应所述的外环圈和内环圈的位置各设有数个滚轮13，利用所述的数个滚轮13的驱动或者制动，可以实现底座12在环形轨道11上的旋转移动或定位； 所述的矩阵式风力发电装置20具有复数个风力发电模块21，每一个风力发电模块21都有一侧是迎风面211，所述的复数个风力发电模块21呈矩阵式地排列时，所有的风力发电模块21的迎风面211都朝向同一侧，任意两个相邻的风力发电模块21之间都采用机械联接结构(如螺栓联接、焊接或者拉杆联接)固定在一起，而最低一排风力发电模块21与所述的座体10的底座12固定连接； 参见图7、图8，是本发明提供的风力发电模块21的一个较佳实施例，由图可知，每个风力发电模块21具有一个长方体形的结构框架212，并在所述的结构框架212内填充有不透气材料，使该结构框架212内形成一个贯穿该风力发电模块21前后方向的风力捕集风道213，该风力捕集风道213的内形线为收縮曲线，其前端(即对应于迎风面211的一端)是面积较大的入风口 214，后端是面积较小的出风口 215，在该风力捕集风道213的出风口215上设有一个水平轴叶轮216，该水平轴叶轮216的转轴后端直接连接一个发电机217。当风从该风力捕集风道213的入风口 214吹入，受到结构框架212内不透气材料的阻挡，会沿着风力捕集风道213的收縮曲线状的内形线在该出风口 215处集中。
需要强调的是，本发明的风力捕集风道213的内形线是根据风洞原理设计的。风洞常用于在航天航空领域测试按比例縮小的航空飞行器模型在一定速度空气流中的性能，如图14、图15所示，其装置在循环的闭路管道中产生气流经过收縮风筒的内形线产生加速，在小界面管道内形成加速获得较高速度的气流，使飞行器模型模拟高速飞行。速度V1是由管道内的风扇形成的，通过小界面A2产生的尾风再经风扇加速，通过A1截面的风源由电扇产生气流改为自然风，自然风以V1的速度流经收縮风筒内形线至小界面A2时产生V2加速。这个收縮风筒内形线是经过严格计算的，产生的结果是必须是A1/A2二V2/V1，从而
5得出V2 = V1XA1/A2。以入风口 214的面积是出风口 215的面积的四倍为例，1. 6_3. 3米/ 秒的2级轻风可以被提高为5级劲风，足以带动该出风口 215设置的水平轴叶轮216旋转 发电了。因此，本发明所述的风力捕集风道213的内形线为收縮曲线，并不同于一般喇叭口 的大小口，喇叭口是没有上述严格比例加速现象的。利用此原理将大自然中不能驱动叶轮 的弱风经过高倍数的提高，获得能够高效推动叶轮的风能，风力捕集风道的收縮内形线因 要达到通过内形线曲面加速的目的，所以形状呈比较长而深的曲面筒形。
本发明的工作过程如下 1.在每个风力发电模块21中，自然风通过风力捕集风道进口进入，由于其聚合加
强作用，流过风道后在叶轮处得到数倍加强后，推动叶轮转动发电。 2.每个风力发电模块21通过机械联接进行横向和竖向组合，构成矩形阵列。 3.整个矩形阵列置于由底座12与环形轨道11组成的回转装置上，通过风向跟踪
随动系统自动调整阵列的正面朝风角度。 采用上述结构，具有以下优点 1、由于风力发电模块21从低到高排列，在利用高空中的风力发电的同时，接近地 面位置的风力也得到了利用，提高了风力利用率； 2、由底座12与环形轨道11组成的回转装置，可以针对风向调整整个发电装置的 迎风方向，能够最大程度地利用风力，不论风向如何都能够发电，避免了装置闲置；
3、通过风力捕集风道的聚合加强作用，即使在2级轻风的气候条件下，仍然能够 发电，提高了发电装置的适应性； 4、通过风力捕集风道的聚合加强作用加强风力，使得叶轮的直径可以设计得更 小，而且不需要变速装置就可以直接带动发电机217发电，因此造价更低，降低了发电成 本。 在上述实施例中，每个风力发电模块21高约10米，在如图1所示，仅安装3X3个 风力发电模块21的情况下，该矩阵式风力发电模块21的整体高度约30米，能够依靠底座 12的力量抵抗风力摇晃。 而在下述实施例中，如图4、图5、图6所示，安装10 X 10个风力发电模块21，矩阵 式风力发电模块21的整体高度达到约100米(或者更高)，重量也大大增加，因此需要对整 体结构强度和抗震能力进行如下强化 在地面上设置的环形轨道11具有四个以上的环圈，而所述的底座12仍为长方形； 并在该底座12上对应每个环圈的位置设有数个滚轮13，利用所述的数个滚轮13的驱动或 者制动，以实现底座12在环形轨道11上的旋转移动或定位；不仅如此，还在底座12上固 定有一个平衡圈14，所述的平衡圈14滑设在其中一个环圈(一般是直径最大的一个环圈) 上，然后在矩阵式风力发电装置20的两侧与该平衡圈14之间各设置多个拉锚固定结构15， 当遭遇大风力形成晃动的时候，可以依靠平衡圈14提供的稳定力矩，使得矩阵式风力发电 装置20不会倾覆。 众所周知，矩阵式风力发电装置20的复数个风力发电模块21中，越靠近地面的承 受的压力越大，越靠上的则承受越小的压力，因此，处于下层的风力发电模块21，应当选用 强度更大的材料(例如钢材或者合金材料)来制造，而处于上层的风力发电模块21，则选 用强度较小的材料(例如工业塑料或者树脂材料)来制造，这样一来，在节约金属材料的
6同时，还能够减轻下层风力发电模块21的承重。 除此之外，本发明的风力发电模块21，还可以有以下等效替换 如图9所示，在呈收縮曲线形状的风力捕集风道213前端还连接有一个曲线进风
道22，用来在复杂形状的空间中将不同方向的风力导引至该风力捕集风道213 ; 如图10A、图10B所示，则在呈收縮曲线形状的风力捕集风道213前端连接有一个
L形弯管23，用来将垂直方向的入风引导至水平方向，以供水平轴叶轮发电机使用；或者，
将水平方向的入风引导至垂直方向，以供垂直轴叶轮发电机使用； 再如图11、图12所示，本发明使用的风力发电模块还可以设置于建筑物顶部或者 建筑物内部，适用于在某些特定的地区，如自然风常年朝向一个方向的地区使用；
而在风向经常改变的地区，则可以如图13所示，将所述的风力发电模块卧式安装 在回转盘24上，以适应不同的风向。 另外，上述图9、图10中所使用的风力发电模块21，还可以如图1、2、3或者如图4、 5、6—般，堆叠固定组合为矩阵式风力发电装置20来使用，只需简单变换部分结构即可，不 予赘述。 不论如何改变，本发明提供的风力发电机217的捕集风道相当于风洞试验中的收 縮风筒，内形线设计为收縮曲线，可以大大提高捕集风的风速，从而高效推动叶轮。本实用 新型风力发电机217大部分单元处于较高的地面亦能大大提高单台机组的发电量，同时又 可以采用模块化阵列结构进行组合，形成不同发电能力的多系列装机容量的风电电站。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解， 在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落 入本发明的保护范围之内。
权利要求
一种风力发电模块，其特征在于具有一个长方体形的结构框架，所述的结构框架内填充有不透气材料，并使该结构框架内形成一个风力捕集风道，该风力捕集风道的内形线是收缩曲线，其一端是面积较大的入风口，另一端是面积较小的出风口，在该风力捕集风道的出风口上设有一个水平轴叶轮，该水平轴叶轮的转轴直接连接一个发电机。
2. 根据权利要求1所述的风力发电模块，其特征在于在该风力捕集风道的入风口之前连接有一个曲线进风道。
3. 根据权利要求1所述的风力发电模块，其特征在于在该风力捕集风道的入风口处连接有一个L形弯管。
4. 根据权利要求1所述的风力发电模块，其特征在于该风力发电模块设置于建筑物顶部或者建筑物内部
5. 根据权利要求1所述的风力发电模块，其特征在于所述的风力发电模块卧式安装在回转盘上。
6. —种由权利要求1所述的风力发电模块组成的矩阵式风力发电装置，其特征在于所述的矩阵式风力发电装置竖立在地面上，并具有复数个呈矩阵式排列的风力发电模块，所述的复数个风力发电模块的风力捕集风道的入风口朝向同一侧，且任意两个相邻的风力发电模块之间采用机械联接结构固定在一起。
7. 根据权利要求6所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于还包括有座体，所述的座体包括固定在地面上的环形轨道和在该环形轨道上旋转移动的底座，所述的矩阵式风力发电装置的最低一排风力发电模块与所述的座体的底座固定连接。
8. 根据权利要求7所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于在所述的底座上还设有风向监测装置与跟踪回转装置，所述的风向监测装置与所述的跟踪回转装置电连接，所述的跟踪回转装置控制座体在轨道上旋转移动或定位。
9. 根据权利要求8所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于所述的环形轨道包括多个直径不同的环圈，所述的底座为长方形，并在该底座上对应所述环圈的位置各设有多个滚轮，所述的跟踪回转装置控制所述的数个滚轮的驱动与制动。
10. 根据权利要求6所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于任意两个相邻的风力发电模块之间采用机械联接结构是螺栓联接、焊接或者拉杆联接。
11. 根据权利要求8所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于在地面上设置的环形轨道具有多个直径不同的环圈，所述的底座为长方形，并在该底座上对应每个环圈的位置设有数个滚轮，所述的跟踪回转装置控制所述的数个滚轮的驱动或者制动；在底座上固定有一个平衡圈，所述的平衡圈滑设在直径最大的一个环圈上，并在矩阵式风力发电装置的两侧与该平衡圈之间各设置有多个拉锚固定结构。
12. 根据权利要求11所述的矩阵式风力发电装置，其特征在于矩阵式风力发电装置的数个风力发电模块中，处于下层的风力发电模块选用钢材或者合金材料来制造其结构框架，而处于上层的风力发电模块选用工业塑料或者树脂材料来制造其结构框架。
全文摘要
本发明是一种风力发电模块，呈长方体形，并形成一个收缩曲线的风力捕集风道，在该风力捕集风道的出风口上设有一个水平轴叶轮，该水平轴叶轮的转轴直接连接一个发电机。本发明还提供一种矩阵式风力发电装置，其竖立在地面上，并具有数个呈矩阵式排列的风力发电模块，该复数个风力发电模块的风力捕集风道的入风口朝向同一侧，且任意两个相邻的风力发电模块之间采用机械联接结构固定在一起。本发明较现行的三桨长叶风力发电装置单位叶轮面积发电量大，造价低，装机容量可随意组合，微风时亦可发电，如用较多的风力发电模块之间采用机械联结向高度方向堆集，可充分的利用高空气流大幅增加发电量，大幅度降低发电成本，是新一代风力发电的理想方式。
文档编号F03D1/00GK101776046SQ20101010185
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者王秀顺 申请人:王秀顺