“集、控流变压流场”风电理论,改变了贝茨的“自然流场”风电理论.pdf

一种先进的“集、控流变压流场”系统，成为新的风力发电基础理论和系统工程技术。它是通过流场的集流控制，改变了风速与风压，将风能密度比提高，使自然界中的气流成为可改变和可压缩的。当气流通过涡流体时，流场压力的改变，使阻力型风力机的风能转换率高于升阻型风力机。多极差速发电机，适应在最小及最大风速工况下保持额定功率做功，实现单机组高容量装机。改变了风电理论奠基人，德国著名物理学家贝茨以自然流场为依据创立的“贝茨理论”，否定了“贝茨理论”体系中的；在自然界中气流是不可压缩的论点，升阻型风力机的风能转换率大于阻力型风力机的论点。

1.  一种风力发电基础理论和系统工程技术，“集、控流变压流场系统”“垂直轴涡流风力机和多极差速发电机”风力发电系统，是二十一世纪新的风力发电基础理论和系统工程技术，其特征是：将自然界中单位面积内的气流的方向、速度与压力100％的改变和压缩，提高风能利用率和风能密度比。当高压气流通过涡流体时速度与压力随流压场的体积而改变，高压气流推动阻力型风力机做功，使阻力型风力机的风能转换率高于升阻型翼风力机达到0.90以上。多极差速发电机，适应在最小及最大风速工况下保持额定功率做功，实现单机组高容量装机，改变了风力发电基础理论和技术奠基人，德国著名物理科学家贝茨以自然流场为依据创立的“贝茨理论”，贝茨阐明“自然界中空气流动可认为是不可压缩的”，风力机从自然界中所获得的能量理论上最大值为0.593，其风能利用系数一般是0.45，而阻力型风力机的风能利用系数只有0.15左右的论点。

2.  根据权利要求1所述的风力发电基础理论和系统工程技术，其特征是：“集、控流系统”，在集、控流系统中通过流压场的控制，可将自然界中单位面积内的气流100％的集中、控压、整流，改变了气流的方向、速度、压力与密度比，使应用于风力发电的风能效比提高8-64倍以上，使自然界中的气流成为可改变和可压缩的，否定了“贝茨理论”体系中的，在自然界中气流是不可压缩的论点。

3.  根据权利要求1所述的风力发电基础理论和系统工程技术，其特征是：“垂直轴涡流风力机系统”，当高压气流通过气流道时，气流受限于气流道内的体积，体积改变时，气流的体积与压力随之改变，当高密度比风能通过时形成高压流区，气流道内的涡流风力机在高压气流压力的推动下，做退让运动，工况动损率小于0.05，使阻力型风力机的风能利用比超过0.95，垂直轴与涡流机串连时，质量中心重叠，径负荷和轴负荷最小，风力机、电机、传动效率的工损比最小，风能转换率总比超过了0.80，否定了“贝茨理论”体系中的，只有升阻翼型风力机的风能转换理论数值可达到0.593，而阻力型风力机的风能转换比只有0.15的论点。

4.  根据权利要求1所述的风力发电基础理论和系统工程技术，其特征是：“多极差速系统”，在最小及最大风速切入工况下，采用多极差速发电机控制系统，保持不同工况下额定功率差速做功和输出，并保持恒频、恒速切换，使单机组容量达到5-10兆瓦以上装机，发电效益呈几何式增长，改变了单机效率低于10％的曲线工况效能。

“集、控流变压流场”风电理论，改变了贝茨的“自然流场”风电理论
所属技术领域
本发明专利涉及一种风力发电系统的基础理论和系统工程技术，尤其是“集、控、整流系统”、“垂直轴涡流风力机系统”、“多极差速系统”的基础理论和工程技术，改变了传统的、低效益、不成熟的德国著名物理科学家贝茨以自然流场为依据创立的“贝茨理论”。本发明专利利用集、控流系统，将自然界中单位面积内的气流改变方向、速度与压力，使风能密度比提高。当高密度比风能进入涡流体时，形成高风压区，推动涡流风力机做退让运动，使阻力型风力机的风能利用比超过0.95，当垂直轴与涡流机同轴、质量中心相重叠时动损比最小，风能转换率超过0.80。“多极差速系统”在最小及最大风速工况下，能保持额定功率做功和输出，改变了单机效率低于10％的曲线工况效能比。否定了“贝茨理论”的，在自然界中气流是不可压缩的论点。否定了只有升阻翼型风力机的风能转换理论数值可达到0.593，而阻力型风力机的风能转换比只有0.15的论点。
背景技术
目前，公知的著名“贝茨理论”风力发电基础理论和技术标准，由德国著名物理科学家贝茨于二十世纪二十年代创立的，贝茨在理论中阐明，“自然界中空气流动可认为是不可压缩的”风力机从自然界中所获得的能量是有限的，理论上最大值为0.593，但能量的转换将导致功率的下降，实际风力机的功率必定小于0.593，风力机对风能利用系数主要取决于风轮叶片的气动和结构设计，其风能利用系数一般是0.45，而阻力型风力机的风能利用系数只有0.15左右。所以典型的代表旋桨式风电技术受“贝茨理论”体系的限制达80年之久，存在着诸多阻碍风力发电发展的未解难题，使风能资源无法得到充分利用：
1.传统的旋桨式风电技术，受风力机风轮叶片和结构设计的影响，在单位面积内一般占风场面积5万平方米的风能资源(500MX100MH)，利用面积不足3百平方米，高性能旋桨式风力机，其风能利用系数一般是0.45，3百平方米的转换率仅剩不足1百50平方米，再乘风力机、电机、传动效率的理想系数0.332，机组单位面积内的风能损失达到90％以上，转换率在1/50，造成风能资源损失巨大；
2.传统的旋桨式风电技术，受单电机的限制无法承担超额定功率工况，可利用的风能域值仅在3—8级，1—3级低能量风时风机无法启动，高于8级风时超额定功率工况，风机进入停车状态，3—5级风时效率在0—30％左右，6级风时效率达50％，7级风时效率达65％，8级风时效率达100％，使单位面积内风能源的转换率仅在10％，造成风能资源损失巨大；
3.传统的旋桨式风电技术，受额定功率和结构的限制，无法承受海洋上的强风工况，使海上风能资源无法利用，造成海洋上风能资源损失巨大；
4.传统的旋桨式风电技术，受风压的限制无法在高原气压低的环境里设置风电设备，使海拔4000米以上高原地区的风能资源无法利用，造成风能资源损失巨大；
5.传统的旋桨式风电技术，受风力机风轮叶片结构设计和气动的影响，使风轮叶片产生声燥和振动，无法进入城市和安装于建筑上，造成风能资源的浪费；
6.传统的旋桨式风电技术，受风力机风轮叶片、塔架和地基结构的影响在沙漠和沙石灾害严重地区(流沙和半流沙的基础)无法设置风电设备，使风能资源损失巨大；
7.传统的旋桨式风电技术在产业化过程中，手工作业比例大，导致产量低、性价比高，投入回收期长(8-10年)，不适应市场发展。
8.传统的旋桨式风电技术，造成土地荒漠化加剧，生态受到破坏，以六兆瓦装机为例，其占地理论面积约1平方公里，六百兆瓦装机，占地约100平方公里，在其占用面积的土地内旋桨产生的扰流与下行气流形成动能增强无屏障气流，造成不同生态不同程度的不可再生环境，使风沙肆虐，加大了干旱程度，加剧了荒漠化程度，而桨叶旋转时对迁徙侯鸟的杀伤和施工时对植被的破坏无法弥补。
9.在有风源的众多领域，旋桨式风电系统无法将风能转化为电能，导致能源结构以火力发电为主，造成大量煤碳资源的损耗和有害气体的高排放，加剧了温室气体效应，落后的风电技术的使用范围受限和低效益阻碍了风电的发展，给人类造成了人力、物力、财力、土地、水文、生态等可悲的风能资源的巨大损失。
发明内容
为了克服目前公知的德国著名物理科学家贝茨，于1926年以自然流场创立的“贝茨理论”阐明的，“自然界中空气流动可认为是不可压缩的”，风力机从自然界中所获得的能量，其风能利用系数一般是0.45，而阻力型风力机的风能利用系数只有0.15左右的不足。为了提高自然界中单位面积内的风能资源的利用率，为了使阻力型风力机的风能转换率从0.15提高至0.80以上。为了在最小及最大风速工况下保持多极差速额定功率做功。
本发明专利提供一种“集风、控流变压流场”“垂直轴涡流风力机和多极差速发电”风力发电系统的基础理论和系统工程技术，该理论和技术，不仅改变了风电理论奠基人，德国著名物理学家贝茨创立的“贝茨理论”，而且“集风、控流变压流场”风力发电理论已经成为新的系统基础理论和系统工程技术。新技术通过流场的集、控流，将自然界中单位面积内的气流100％的改变方向、速度与压力，使自然界中的气流成为可改变和可压缩的高密度比气流，将可控的风能比提高8-64倍之间。当高密度比风能进入涡流体时，气流受限于通过的气流道内的体积，使涡流体内流场压力改变，形成高风压区，涡流风力机在高压气流的推动下，做退让运动，工况动损率小于0.05，使阻力型风力机的风能利用比超过0.95。当垂直轴与涡流机同轴、质量中心相重叠时，径负荷和轴负荷最小，风力机、电机、传动效率的工损比最小，风能转换率超过0.80，使阻力型风力机的风能转换率高于升阻型翼风力机。在最小及最大风速工况下采用“多极差速发电系统”保持差速额定功率做功，将风能转化为电能，实现单机组5-10兆瓦装机，输出功率呈几何式增长。否定了贝茨以“自然流场”为依据创立的“贝茨理论”，否定了在自然界中气流是不可压缩的论点。否定了只有升阻翼型风力机的风能转换理论数值可达到0.593，而阻力型风力机的风能转换比只有0.15的论点。
本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：在风、电机结构外，设置全压或均压型集风、控压、整流结构体，当气流通过时，结构体将单位面积内的风能100％的集、控、整流，改变了自然界中气流的方向、速度与压力，使高密度比风能进入涡流体，风能在气流道内形成高风压区，使垂直轴阻力型风力机在高风压作用下，做退让旋转，带动相串联的差速发电机，在最小及最大风速工况下保持额定差速变换功率做功。
本发明专利的有益效果是：采用“集风、控、整流垂直涡流轴、多极差速发电系统”式风力发电系统工程，是针对风力发电的基础理论和系统工程技术，本发明改变了自然界中气流的风向、风速、风压与能量比，对风能的利用率和风电转换率的大幅提高，能将海洋上、高原上、建筑上，从1级到高于10级时的风能转化为电能，在沙漠地区(流沙和半流沙)，在沙石灾害严重地区，在灾害性气候条件下都能设置的风电设备，将风能转化为电能的系统工程技术和理论，也是世界上第一个在将风能转化为电能的同时，进行土地荒漠化治理的系统工程技术。新的风电技术功效达到了，完全生态化、安全系数最大化、使用范围最广化、风能利用和发电效益最高化。改变了性价比，改变了地质、地貌、水土流失、水文气象、土壤、植被、生物及自然环境，使生态形成良性循环，改变了以热电为主的能源状况，改变了世界的能源结构，扼制煤碳资源的损耗和有害气体的高排放，减少了温室气体排放。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
图1是本发明专利的★控流变压流场、☆自然流场效能对比图
在图中1.★“控流变压流场”技术在最小及最大风速工况下保持做功，☆“自然流场”技术在1—3级风时风机无法启动，高于8级风时风机进入停车状态，3—8风时的曲线工况。
具体实施方式
采用“集风、控、整流”式风力发电系统工程，其结构自平地向上50米—100米—150米高，分单体或联体式，其形式分：切风、截风、梯次叠错式等，由高架结构构成框筒体做框架，垂直轴涡流风力机系统、多极发电机系统串联于同轴上，置于框架结构中，由膜结构做“集风、控压、整流”体，当气流以不同形式吹过集风体时，气流被阻截，单位面积内的风能100％的纳入系统中，改变了气流的方向，形成高速、高压高密度比风能，进入涡流体，在气流道内形成高风压区，风能带动阻力型风力机被转化为机械能，推动多组平面发电机，在最小及最大风速工况下保持差速额定功率做功，单机组达到高容量装机，实现发电机组高效益恒速、恒频切换做功，输出功率呈几何式增长。