风力发电装置及风力发电方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，更具体地说，是涉及一种风力发电装置及风力发电方法。

背景技术：

风能是一种清洁可再生能源，随着我国对环境污染和能源短缺问题的不断重视，风力发电机得到了广泛的使用。然而各地区风力大小的差异很大，现有小型风力发电机的启动性能在一些弱风地区不能完全满足要求；大型的风力发电机由于对地面建筑和生物构成潜在威胁，只能在空旷地带使用，占地大、造价高，且高风速下的风机叶片会产生很大的噪音，鸟类在高速转动的叶片下也很难幸免于难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低成本、低启动风速、低噪音、低安全隐患的风力发电装置，提高风能利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种风力发电装置，包括：

台体、管体以及风力发电机，所述台体内设有中空腔，所述台体侧壁设有进风口；所述管体竖向设置，所述管体的上端为出风口，所述管体下端与所述台体密封连接，所述管体与所述台体的中空腔相通；多个所述风力发电机沿竖向分布在所述管体内，所述风力发电机的叶片转轴竖向设置。

作为本申请另一实施例，所述风力发电装置还包括通风管，设于所述管体内，所述通风管包括：

直管以及流线型变截面管，直管设于所述管体中部，所述风力发电机设于所述直管内；流线型变截面管设有两个，分设于所述直管的上下两端，两个所述流线型变截面管的内径沿轴向向背离的方向递增，所述流线型变截面管的小端与所述直管密封连接，所述流线型变截面管的大端与所述管体密封连接，所述流线型变截面管小端的内径与所述直管的内径相同，所述流线型变截面管大端的内径与所述管体的内径相同。

作为本申请另一实施例，所述中空腔的内壁为圆柱体，所述管体内径小于所述台体内径的1/3。

作为本申请另一实施例，所述管体和所述台体之间借助连接件连接，所述连接件为锥形管，所述连接件的大端与所述台体的上端密封连接，所述连接件的小端与所述管体的下端密封连接，所述连接件的小端内径与所述管体的内径相同，所述连接件的大端内径与所述台体的内径相同。

作为本申请另一实施例，所述进风口在所述台体中空腔壁上的开口弧度为30°-90°。

作为本申请另一实施例，所述风力发电装置还包括挡板，所述挡板设于所述出风口处，所述挡板为“d”形，所述挡板弧形侧面的直径与所述管体的内径相同，所述挡板的弧形侧面与所述管体的内侧壁固定连接，所述挡板的弧形侧面与所述进风口处于所述中空腔的相对侧，所述挡板的直侧面到所述弧形侧面的最大垂直距离为所述管体内径的1/4-1/2。

作为本申请另一实施例，所述管体的上端面为斜面，所述斜面与所述进风口处于所述中空腔的相对侧。

作为本申请另一实施例，所述风力发电装置还包括转动座，所述转动座与所述台体下端转动连接。

作为本申请另一实施例，所述风力发电装置还包括多个用于探测风向的风速传感器，风速传感器沿所述管体外周设置。

本发明提供的风力发电装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明风力发电装置，结构简单，成本低，适用范围广，运用顶部流动分离原理产生的压力差增大风速，对启动风速要求小，风力发电机转轴方向始终与管体内的上升风向一致，风能利用率更高，且风力发电机叶片处于管体内部，降低了对环境的噪音污染，有效避免对鸟类等生物的安全威胁。

本发明还提供了一种风力发电方法，当风吹向风力发电装置时，下部的风从进风口进入中空腔；上部的风受管体上端的阻挡，部分气流将向上偏转，靠近管体表面的流体微粒速度减小使靠近管体表面的气流倒流，在管体上方出现分离区，分离区内的旋涡产生吸力，致使底部进风口与顶部出风口出现压力差，加速中空腔内的上升风速；通过装置上部风的流动分离原理产生的压力差增大风速，提高风力发电的风能利用率。

本发明提供的风力发电方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明风力发电方法，合理利用风力发电装置顶部在层流中的流动分离效应，有效增大风速，降低了风力发电装置的启动风速，大大提高了弱风的利用率，且对装置的结构要求简单，适用范围广，具有很好的发展前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的风力发电装置的主视结构示意图；

图2为图1所示的风力发电装置的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的流动分离原理的示意图；

图4为本发明实施例提供的流动分离原理的示意图；

图中：1、管体；2、风力发电机；3、通风管；31、直管；32、流线型变截面管；4、风速传感器；5、连接件；6、台体；7、转动座；8、进风口；9、出风口；10、挡板；11、斜面。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的风力发电装置进行说明。所述风力发电装置，包括：

台体6、管体1以及风力发电机2，所述台体6内设有中空腔，所述台体6侧壁设有进风口；所述管体1竖向设置，所述管体1的上端为出风口，所述管体1下端与所述台体6密封连接，所述管体1与所述台体6的中空腔相通；多个所述风力发电机2沿竖向分布在所述管体1内，所述风力发电机2的叶片转轴竖向设置。

当风吹来时，下部的风从进风口8进入中空腔；上部的风受管体1上端的阻挡，部分气流将向上偏转，靠近管体1表面的流体微粒速度减小使靠近管体1表面的气流倒流，在管体1上方出现分离区，分离区内的旋涡产生吸力，致使底部进风口8与顶部出风口9出现压力差，加速中空腔内的上升风速；通过这种流动分离原理产生的压力差增大风速，提高风力发电的风能利用率。

所述管体1的内径小于所述台体6的内径，底部台体6用于增加进风量，管体1内径较小有助于增大风速，风力发电机2设于所述管体1内，相当于设在风力发电装置中风速最大的位置，合理利用风能。

风力发电机2与所述管体1的内侧壁可拆卸连接，风力发电机2的数量可根据所在地区的风力状况确定，分级设置，即三个风力发电机2相当于分三级设置，若最后一级风力发电机2的叶片难以带动，可对装置降级，即减少风力发电机2的数量，节约风力发电机2合理利用风能；同时风力发电机2不宜过多，风力发电机2越多，管体1所需长度越长，由于管体1内侧壁与风流间存在黏性，管体1长度越长，风能流失越多，且风力发电装置越高，安全隐患越大。

与现有技术相比，本发明风力发电装置，结构简单，成本低，适用范围广，运用顶部流动分离原理产生的压力差增大风速，对启动风速要求小，风力发电机2转轴方向始终与管体内的上升风向一致，风能利用率更高，且风力发电机2叶片处于管体内部，降低了对环境的噪音污染，有效避免对鸟类等生物的安全威胁。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述风力发电装置还包括通风管3，设于所述管体内，所述通风管3包括：

直管31以及流线型变截面管32，直管31设于所述管体1中部，所述风力发电机2设于所述直管31内；流线型变截面管32设有两个，分设于所述直管31的上下两端，两个所述流线型变截面管32的内径沿轴向向背离的方向递增，所述流线型变截面管32的小端与所述直管31密封连接，所述流线型变截面管32的大端与所述管体1密封连接，所述流线型变截面管32小端的内径与所述直管31的内径相同，所述流线型变截面管32大端的内径与所述管体1的内径相同。

下端的流线型变截面管32用于提高风速，降低风阻，同时有助于稳定加速过程中的气流，上端的流线型变截面管32用于放缓流速，防止出现紊流或旋涡。风力发电机2设于直管31内，同样是设在风力发电装置中风速最大的位置，合理利用风能。通风管3的结构简单，与管体1的密封连接在实现功能的同时节省了材料，大大降低了成本。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述中空腔的内壁为圆柱体，所述管体1内径小于所述台体6内径的1/3。中空腔截面为圆形可以降低风阻，减少风能损失，所述管体内径小于所述台体内径的1/3对风速的加速效果更好。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述管体1和所述台体6之间借助连接件5连接，所述连接件5为锥形管，所述连接件5的大端与所述台体6的上端密封连接，所述连接件5的小端与所述管体1的下端密封连接，所述连接件5的小端内径与所述管体1的内径相同，所述连接件5的大端内径与所述台体6的内径相同。连接件5用于连接台体6和管体1，即实现增大进风量和增大风速两功能区的对接，降低阻力的同时，对风速也有一定的增大作用。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述进风口8在所述台体6中空腔壁上的开口弧度为30°-90°。实验证明进风口8在台体6中空腔壁上的开口弧度为30°-90°时风速增大效果较好，更能保证风能的良好利用。

请参阅图3，图中箭头为风向，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述风力发电装置还包括挡板10，所述挡板10设于所述出风口9处，所述挡板10为“d”形，所述挡板10弧形侧面的直径与所述管体1的内径相同，所述挡板10的弧形侧面与所述管体1的内侧壁固定连接，所述挡板的10弧形侧面与所述进风口8处于所述中空腔的相对侧，所述挡板10的直侧面到所述弧形侧面的最大垂直距离为所述管体1内径的1/4-1/2。挡板10用于防止风力发电装置顶部流动分离产生的旋涡脱落到管体1内干扰出风，保证风速的最佳增大效果。

请参阅图4，图中箭头为风向，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述管体1的上端面为斜面11，所述斜面11与所述进风口8处于所述中空腔的相对侧。斜面11增加了顶部风向与管体1上端面的夹角，保证流动分离效应的同时防止旋涡脱落到管体1内干扰出风。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述风力发电装置还包括转动座7，所述转动座7与所述台体6下端转动连接。转动座7用于将进风口8对准风向，提高风能的利用率。转动座7将进风口8垫起了一定高度，避免受地面黏性影响的被减速的风流进入进风口8，保证进风口8的进风效率，同时减少地面垃圾的吹入，对风力发电机2的叶片也有一定的保护作用。

请参阅图1，作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，所述风力发电装置还包括多个用于探测风向的风速传感器4，风速传感器4沿所述管体1外周设置。风速传感器4判断风向后，风力发电装置通过转动座7转动对准进风口8，实现风力发电装置的自动化发电。

作为本发明提供的风力发电装置的一种具体实施方式，风力发电装置可拓展应用于路灯，在管体1中部安装灯管，由风力发电供电，实现继太阳能路灯之后的风力发电路灯，具有良好的发展前景。

本发明还提供一种风力发电方法，其特征在于，当风吹向风力发电装置时，下部的风从进风口8进入中空腔；

上部的风受管体1上端的阻挡，部分气流将向上偏转，靠近管体1表面的流体微粒速度减小使靠近管体1表面的气流倒流，在管体1上方出现分离区，分离区内的旋涡产生吸力，致使底部进风口8与顶部出风口9出现压力差，加速中空腔内的上升风速；

通过装置上部风的流动分离原理产生的压力差增大风速，提高风力发电的风能利用率。

本发明提供的风力发电方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明风力发电方法，合理利用风力发电装置顶部在层流中的流动分离效应，有效增大风速，降低了风力发电装置的启动风速，大大提高了弱风的利用率，且对装置的结构要求简单，适用范围广，具有很好的发展前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。