一种风能发电装置的制作方法

本实用新型涉及一种风能发电装置，属于风力发电技术领域。

背景技术：

风能作为一种清洁能源，并且风能取之不尽、用之不竭，近几十年来，利用风能发电已成为电力来源的重要方式之一，同时相比其他发电方式，风能发电具有建设维护成本低、安装建造方便等优势。

传统风力发电设备通常需要增大叶轮来增加发电量，叶轮通常巨大而且需要一体构造，运输与部署都需要一定的成本。叶轮巨大对材料强度要求高，且无法直接部署在高空。

但要高效利用风能发电，需要有符合要求的风速，往往低风速是无法达到发电要求的，这就是为什么风能发电车一般要建在山上、风口上，因为高空中的风速远高于地面，且风速较少受到地形地貌影响，风能稳定，故高空的风能密度远高于地面，可以是低空风能密度的十倍至百倍，而利用高空风能发电目前仍处于探索阶段。

利用高空风能发电技术归纳起来，可以分为三大类：

一类是利用氦气球、热气球、飞艇等升力作用，将发电机升到半空中，在高空中利用丰富的风能转化为机械能，机械能转化为电能，之后通过电缆传到地面电网。

该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大；此外，由于系统整体较重，发电机组很难升到千米以上的高度，同时因为发电系统位于高空无法通过变压器升压，大功率情况下势必使用大电流输电，所以必须使用直径较粗的导线，这无疑又加大了整个系统的重量。加之氦气球随着升空高度的提升，空气密度下降，氦气球所受浮力下降。这些原因限制了该类技术路线的公司设备上升高度，并且气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内；另外，充氦气需要成本，氦气球对于气囊的材质要求较高，以防止氦气过多泄漏。

另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”或固定翼飞行器，在空中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面的发电机转化为电能，从而解决电缆和发电机的自重问题。

第三类为用缆绳系留于地面的旋翼机，其旋翼为整个装置提供升力并发电。该方式实际上是一个停留在空中的发电平台，在上面安装了多个常规的旋翼。旋翼在风速高时，发电并提供升力；当风速较低时，旋翼机产生的升力不足以使发电装置升在空中，可以通过电力电缆从地面向系统送电，从而使旋翼机以电动直升机方式运行，以产生足够的升力。升降作业时，同样以电动直升机方式运行提供升力。该种方式优点突出，但成本相对较高。

但目前这些高空发电装置，存在结构复杂，维护成本高，单一发电装置风能利用率低的问题，往往需要通过增加发电装置数量的方法来提高发电量。因此，有必要设计一种结构相对简单、风能利用率高的新型风能发电装置。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种风能发电装置，该装置能够在目前现有技术的基础上，提高风能的利用率，在同等风力的情况下，能够增加风力发电量，尤其是应用到高空进行风能发电时，具有更高的发电效率。

术语解释：

气通面积，是指风罩内允许气流通过的面积或分流器与风罩之间能允许气流通过的切面面积。

本实用新型的技术方案如下：

一种风能发电装置，包括外风罩、发电机、涡轮机和分流器；外风罩的一端为进风口、另一端为出风口，且进风口口径≥出风口口径，分流器从头部至尾部呈渐扩结构，分流器至少有一部分设置在外风罩内，涡轮机安装在分流器的表面或后面，涡轮机与发电机传动连接。

优选的，所述外风罩的外形包括圆筒形、圆台形。

优选的，所述分流器的外形包括圆锥形、圆台形、圆头锥形。

优选的，所述分流器通过承力架与外风罩连接。

优选的，所述发电机安装在分流器内。此设计的好处在于，可增加发电部分紧凑度，减少风罩内无做功设备对风力的损耗。

优选的，所述分流器整体设置在外风罩内且分流器的头部朝向进风口、尾部朝向出风口。此设计的好处是，分流器整体在外风罩内，可以防止风流冲击分流器所反弹的风力流向外风罩外，外风罩也能对分流器起到更好的遮蔽，保护的作用。

优选的，所述发电机安装在分流器前部。此设计的好处在于，发电机安装在分流器前部，通过调整位置部署使得整个系统的重心平衡。

优选的，所述涡轮机位于外风罩内。此设计的优势在于，将涡轮机安装在外风罩内，避免风流在对风叶做功之前从风罩内逃离。

优选的，在外风罩内，涡轮机风叶之前的气通面积大于流经风叶处的气通面积。此设计的好处在于，用于保证风流在经过风叶时风速最大。

优选的，所述涡轮机的叶轮直径至少为涡轮机切面直径的二分之一。

优选的，所述涡轮机的叶轮直径至少为涡轮机切面直径的三分之二。

优选的，所述外风罩的进风口迎风面积至少为外风罩最窄处迎风面积的4倍。此设计的好处是，在不改变风叶直径的情况下，增加发电装置的迎风面积。

优选的，所述涡轮机的后端连接有一整流器，整流器呈渐缩结构，整流器的大端与涡轮机的后端连接。此设计的好处在于，防止气流在最后一级风叶之后快速流向圆心形成回流漩涡。

优选的，所述外风罩的外表面设置有增压气囊和空压机，增压气囊位于上表面，空压机位于下表面，增压气囊与空压机连接。此设计的好处在于，通过空压机可随时调整增压气囊的气压，增压气囊用以增加系统刚度，防止风罩塌陷。空压机设置在外风罩下方，用以防止风罩沿轴向旋转，增加系统稳定性。

优选的，当涡轮机包含多级风叶时，后一级风叶外径大于前一级风叶外径。此设计的优势在于，由于气体的扩散性跟涡轮机旋转带来的离心作用，使经过涡轮机的风流远离它的旋转圆心，渐大的多级风叶更能使后一级风叶迎合经过前一级风叶的风流。

优选的，当涡轮机包含多级风叶时，后一级叶轮直径大于前一级叶轮直径。此设计的好处在于，使叶轮跟分流器更加契合，同时也能在不改变外风罩的情况下使流经后一级风叶处的气通面积小于流经前一级风叶处的气通面积。

优选的，在涡轮机最后一级风叶之后还有一段由外风罩包围的气通面积大于风叶切面处气通面积的外扩空间。此设计的好处是，此段外扩空间能防止外部空气从侧面填充此空间，形成相对于风叶切面处的负压，进一步增加风叶切面处的风速。

一种风能发电装置，包括前风罩、后风罩、发电机、涡轮机和分流器；前风罩的一端为进风口、另一端为出风口，且前风罩的进风口口径≥出风口口径，后风罩的一端为进风口、另一端为出风口，且后风罩的进风口口径≤出风口口径，后风罩的进风口与前风罩的出风口连接，分流器从头部至尾部呈渐扩结构，分流器至少有一部分设置在后风罩内，涡轮机安装在分流器的表面或后面并位于后风罩进风口之后，涡轮机与发电机传动连接。

优选的，所述前风罩和后风罩的外形均包括圆筒形、圆台形。

优选的，所述前风罩与后风罩的连接处为平滑圆弧过渡。此设计的好处在于，在风罩内部，气流经过窄口时，保证对气流的改变均匀、顺滑，最大程度上降低风流阻力。

优选的，所述分流器的外形包括圆锥形、圆台形、圆头锥形。

优选的，所述分流器通过承力架与前风罩或后风罩连接。

优选的，所述分流器的头部位于后风罩内且分流器的头部朝向后风罩的进风口。此设计的好处在于，分流器整体全部位于窄口(前风罩与后风罩的连接处)之后(即在后风罩内)，窄口跟窄口之前没有分流器则可以减少气流对分流器冲击时的角度，减少气流冲击分流器造成的能量损失，更有效地汇集气流对涡轮机做功。

优选的，所述涡轮机位于后风罩内。此设计的好处在于，避免风流在对风叶做功之前从风罩内逃离。

优选的，所述发电机安装在分流器内。此设计的好处在于，可增加发电部分紧凑度，避免风罩内无做功设备对风力的损耗。

优选的，所述发电机安装在分流器前部。此设计的好处在于，通过调整位置部署使得整个系统的重心平衡。

优选的，在后风罩内，涡轮机风叶之前的气通面积大于流经风叶处的气通面积。此设计的好处在于，用于保证风流在经过风叶时风速最大。

优选的，所述涡轮机的叶轮直径至少为涡轮机切面直径的二分之一。

优选的，所述涡轮机的叶轮直径至少为涡轮机切面直径的三分之二。

优选的，所述前风罩的进风口迎风面积至少为前风罩最窄处迎风面积的4倍。此设计的好处是，在不改变风叶直径的情况下，增加发电装置的迎风面积。

优选的，所述涡轮机的后端连接有一整流器，整流器呈渐缩结构，整流器的大端与涡轮机的后端连接。此设计的好处在于，防止气流在最后一级风叶之后快速流向涡轮机圆心形成回流漩涡。

优选的，所述前风罩和后风罩的外表面设置有增压气囊和空压机，增压气囊位于上表面，空压机位于下表面，增压气囊与空压机连接。此设计的好处在于，通过空压机调整增压气囊的气压，增压气囊用以增加系统刚度，防止风罩塌陷。空压机设置在风罩下方，用以防止风罩沿轴向旋转，增加系统稳定性。

优选的，在前风罩和后风罩的连接处设置有浮空气囊，浮空气囊位于上表面且浮空气囊的边缘不超过前风罩的径向边缘。此设计的好处在于，不增加风罩额外的受风面积，且浮空气囊只设置在外风罩上表面。此设置增加重心偏心，防止风罩径向沿涡轮机轴旋转。

优选的，当涡轮机包含多级风叶时，后一级风叶外径大于前一级风叶外径。此设计的优势在于，由于气体的扩散性跟涡轮机旋转带来的离心作用，使经过涡轮机的风流远离它的旋转圆心，渐大的多级风叶更能使后一级风叶迎合经过前一级风叶的风流。

优选的，当涡轮机包含多级风叶时，后一级叶轮直径大于前一级叶轮直径。此设计的好处在于，使叶轮契合不断增大的分流器，同时也能在不改变风罩的情况下使流经后一级风叶处的气通面积小于流经前一级风叶处的气通面积。

优选的，当涡轮机包含多级风叶时，前后相邻的风叶做相向设置，前一级风叶为后一级风叶导风。

优选的，所述涡轮机与后风罩出风口之间留有距离。此设计的好处在于，在涡轮机最后一级风叶之后还有一段由后风罩包围的气通面积大于风叶切面处气通面积的外扩空间，此段外扩空间能防止外部空气从侧面填充此空间，形成相对于风叶切面处的负压，进一步增加风叶切面处的风速。

本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型风能发电装置创造性地引入了分流器，通过风罩跟分流器相互作用逐渐减小通气面积，同时分流器又能将风引向涡轮机风叶边缘处，对进入风罩的自然风(尤其是高空自然风)再次进行提速，提速后的自然风能够最大效率地被利用，将自然风的风能最大程度上转化为涡轮机的机械能，在同等风量的情况下，增加了发电量。又可灵活的改变风叶大小而不减小系统的受风面积，外风罩又可以作为内部设备的支撑，增加部署范围，比如部署在高空进行风能发电。

2)本实用新型风能发电装置额外安装了增压气囊，增压气囊可提高系统的刚度，又减小对系统的重量的影响，可以提升风能发电装置的稳定性，保证高空作业时涡轮机的连续高效作业。

3)本实用新型风能发电装置在基本不增加额外成本的前提下，利用缩小气通面积增大风速的原理，在本实用新型风能发电装置的作业下能够极大地提高发电效率和发电量。本实用新型结构设计巧妙、安装维护方便，作用明显、效果显著。

附图说明

图1为实施例1中风能发电装置的结构示意图；

图2为实施例2中风能发电装置的结构示意图；

图3为实施例3中风能发电装置的结构示意图；

图4为实施例4中风能发电装置的结构示意图；

图5为实施例5中风能发电装置的结构示意图；

图6为实施例6中风能发电装置的结构示意图；

图7为实施例7中风能发电装置的结构示意图；

图8为图6中A部分的结构放大图；

图9为涡轮机径向切面图；

其中：1-外风罩；2-分流器；3-发电机；4-传动轴；5-涡轮机；6-前风罩；7-后风罩；8-增压气囊；9-整流器；10-风叶；11-叶轮；12-浮空气囊；13－空压机。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种风能发电装置，包括外风罩1、发电机3、涡轮机5和分流器2；外风罩1的一端为进风口、另一端为出风口，且进风口口径等于出风口口径，本实施例中外风罩1为一圆筒形外形，分流器2从头部至尾部呈渐扩结构，分流器2的头部朝向进风口，发电机3安装在分流器2内，涡轮机5安装在分流器2的尾部并紧贴分流器尾部(涡轮机也可以安装在分流器的表面，本实施例只阐述在尾部的情形)，涡轮机5与发电机3传动连接。

本实施例中，分流器2的外形为圆锥形，锥顶朝向外风罩1的进风口，锥底朝向外风罩1的出风口。涡轮机5的传动轴通过联轴器与发电机3的输入轴连接。分流器2不随涡轮机转动并通过承力架与外风罩1的内壁固定连接，承力架是由支杆连接的支撑架，承力架为导风结构，有利于风流的流动，分流器2与外风罩之间形成一个窄道，这样的结构可以起到通过外风罩1与分流器2将风力加速的同时，将风力引向涡轮机的外围，风力从涡轮机的外围对风叶作用时能获得更大力矩，使风能更高效率地转化为涡轮机的机械能。

在外风罩1内，涡轮机5风叶之前的气通面积大于流经风叶处的气通面积。涡轮机5的后端连接有一锥形整流器9。涡轮机5包括多级风叶，后一级风叶的外径大于前一级风叶，相邻的前后级风叶相向设置(前一级风叶为后一级风叶起到导风作用)，并且后一级风叶的叶轮大于前一级风叶的叶轮。

涡轮机、发电机均选用常规设备即可，发电机通过支架连接在分流器内，发电机通过常规发电输出设备输出电力。

本实施例技术方案，创造性地设计了分流器，在分流器的作用下风力提速，设计的分流器即使不用逐渐缩小外风罩，也能通过对通气面积的减小来增加风速。

实施例2：

如图2所示，一种风能发电装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：分流器2的外形为圆台形，小半径的上底朝向外风罩1的进风口。

分流器2的尾部连接在涡轮机叶轮处，分流器2的尾部直径为涡轮机切面直径的二分之一。

实施例3：

如图3所示，一种风能发电装置，结构如实施例1所述，其不同之处在于：外风罩1的进风口口径大于出风口口径，外风罩的进风口的迎风面积为外风罩最窄处迎风面积的4倍，外风罩1的外形为一圆台形。自然风从大口径的进风口进入，逐渐流向小口径的出风口口径，这种渐缩结构能进一步提升风速，风力更高地吹动涡轮机风叶。同时逐渐缩小的外风罩可以在不减少受风面积的前提下，减小涡轮机风叶的直径。

分流器2的外形为圆头锥形，锥顶为圆弧，更有利于风流的导向，减小风流阻力。

实施例4：

如图4所示，一种风能发电装置，结构如实施例3所述，其不同之处在于：分流器2的外形为圆台形，小半径的上底朝向外风罩1的进风口。

外风罩1的外表面设置有增压气囊和空压机(图中未示出)，增压气囊位于外风罩上表面，空压机位于外风罩下表面，增压气囊与空压机连接。通过空压机可随时调整增压气囊的气压，增压气囊用以增加系统刚度，防止风罩塌陷。

实施例5：

如图5所示，本实施例提供一种风能发电装置，包括前风罩6、后风罩7、发电机3、涡轮机5、分流器2；前风罩6的一端为进风口、另一端为出风口，且前风罩的进风口口径大于出风口口径，后风罩7的一端为进风口、另一端为出风口，且后风罩7的进风口与前风罩6的出风口连接，分流器2从头部至尾部呈渐扩结构，分流器2整体位于后风罩内，分流器2的头部朝向后风罩7的进风口，发电机3安装在分流器2内，涡轮机5安装在分流器2的尾部并紧贴分流器尾部，涡轮机5与发电机3传动连接。

本实施例中，前风罩6呈圆台形，后风罩7为圆筒形，且后风罩7的进风口口径与前风罩6的出风口口径一致，后风罩7和前风罩6无缝连接，且前风罩6与后风罩7的连接处为平滑圆弧过渡，如图8所示。分流器2呈圆锥形，锥顶朝向后风罩7的进风口。涡轮机5的传动轴通过联轴器与发电机3的输入轴连接。分流器2与后风罩7之间形成一个窄道，这样的结构可以起到通过前风罩6加速后的风流再通过(前风罩)出风口和(后风罩)进风口，并与分流器将风力加速的同时，将风力引向涡轮机5的外围，风力从涡轮机的外围对涡轮机风叶作用时能获得更大力矩，使风能更高效率地转化为涡轮机的机械能。

涡轮机5包含多级风叶，后一级风叶外径大于前一级风叶外径，由于气体的扩散性跟涡轮机旋转带来的离心作用，使经过涡轮机5的风流远离它的旋转圆心，渐大的多级风叶更能使后一级风叶迎合经过前一级风叶的风流，同时前后相邻的风叶做相向设置，前一级风叶为后一级风叶导风。在后风罩7内，涡轮机5风叶之前的气通面积大于流经风叶处的气通面积，用于保证风流在经过风叶时风速最大。

涡轮机5的后端连接有一锥形整流器9，整流器9呈渐缩结构，整流器9的大端与涡轮机5的后端连接。此设置可防止气流在最后一级风叶之后快速流向涡轮机圆心形成回流漩涡。

涡轮机5、发电机3均选用常规设备，发电机3通过支架连接在分流器2内，发电机3通过常规发电输出设备输出电力。

实施例6：

如图6所示，一种风能发电装置，结构如实施例5所述，其不同之处在于：后风罩7的进风口口径小于出风口口径，从进风口到出风口呈渐扩结构。后风罩7与前风罩6均呈圆台形，后风罩7为渐扩结构，涡轮机安装在后风罩内，由于气体的扩散性跟涡轮机旋转带来的离心作用，使经过涡轮机的风流远离它的旋转圆心，渐扩外罩能减小经过涡轮机后的风流对外罩的冲击角度，减小风罩内风流的能量损失。同时渐扩外罩更能适应外径渐大的多级风叶。涡轮机离后风罩出风口有一定距离，在最后一级风叶之后还有逐渐增大的空间，气流通过涡轮机尾部之后进入到一个稀薄的负压区域(图6中M部分)，能促使经过风叶的空气快速填充这片负压区域，进一步对经过风叶时的气流进行加速。渐扩的后风罩更能衔接此负压空间的外罩，使风流在经过风叶前，风叶切面处，风叶后始终做最小的角度改变。保持扩散的路径顺滑。

分流器2为圆台形，小半径的上底朝向后风罩的进风口。分流器2的尾部连接在涡轮机叶轮处，分流器2的尾部直径为涡轮机切面直径的二分之一。涡轮机5包含多级风叶，后一级叶轮直径大于前一级叶轮直径。使叶轮契合不断增大的分流器2，同时也能在不改变风罩的情况下使流经后一级风叶处的气通面积小于流经前一级风叶处的气通面积。

本实施例技术方案，能够进一步提升进入前风罩6的自然风，自然风从渐缩的前风罩6汇集到前风罩6的出风口(后风罩的进风口)处，从前风罩的出风口再进入分流器与后风罩之间的窄道，且将风流引向风叶的外缘，通过两级提速后，风力更大对涡轮机风叶吹动更为有力，涡轮机获得更大的机械能。

实施例7：

如图7所示，一种风能发电装置，结构如实施例6所述，其不同之处在于：前风罩6与后风罩7的外表面设置有增压气囊8和空压机13，增压气囊8位于上表面，空压机13位于下表面，增压气囊8外侧连接有空压机13，空压机13安装在风罩的下部表面并且空压机的重力偏心设置，可以防止风罩旋转。通过空压机可随时调整增压气囊的气压，增压气囊用以增加系统刚度。增压气囊的数量可以有多个，一个气囊漏气不影响整体的工作性能。

在前风罩6和后风罩7的连接处设置有浮空气囊12，浮空气囊内充有氦气，浮空气囊12位于上表面且浮空气囊的边缘不超过前风罩6的径向边缘。不增加风罩额外的受风面积，且浮空气囊只设置在外风罩上表面。此设置增加重心偏心，防止风罩径向沿涡轮机轴旋转。

实施例8：

一种如以上任一实施例所述的风能发电装置的工作方法，包括以下步骤：

自然风从外风罩1或前风罩6的进风口进入，经过分流器2时，自然风从分流器2与外风罩1或后风罩7的窄风道加速通过，然后吹动位于分流器表面或后面的涡轮机5风叶转动，涡轮机5转动后带动发电机3发电。

本实施例中，发电机发电通过常规的电力输出装置输出电流到所需设备上，其采用现有技术即可实现，不在本申请的保护范围之列。