空气力学塔式风力发电系统.pdf

一种空气力学塔式风力发电系统，包括有中空的导风管(2)、带有风轮(11)的发电机(1)，导风管(2)底端侧壁开有数个进气孔(21)，上端具有出气口(22)，发电机(1)安装在导风管(2)的内部；导风管(2)中部侧壁处设有进风口(23)，并在该进风口处设有可将外界风从导风管侧部导入的引风器结构(3)，引风器结构(3)包括与导风管(2)相固定的上引风锥罩(31)、下引风锥罩(32)及设置在上引风锥罩(31)和下引风锥罩(32)之间的数组隔风板组件，进风口(23)位于上引风锥罩(31)和下引风锥罩(32)之间。该发电系统还巧妙地通过设置在导风管中部的引风器结构将外界的气流导向导风管内吹动风轮的转动，因此该发电设备最大限度的利用风力资源。

1、  一种空气力学塔式风力发电系统，包括有高塔、带有风轮(11)的发电机(1)，所述的高塔为一中空的导风管(2)，该导风管(2)底端侧壁开有数个进气孔(21)，导风管(2)上端具有出气口(22)，所述的发电机(1)安装在导风管(2)的内部，发电机的风轮(11)可受导风管(2)内上升的气流推动而旋转；其特征在于：所述的导风管(2)中部侧壁处设有进风口(23)，并在该进风口(23)处设有可将外界风从导风管侧部导入的引风器结构(3)，所述的发电机(1)位于引风器结构(3)的上部；该引风器结构(3)包括与导风管(2)相固定的上引风锥罩(31)、下引风锥罩(32)及沿圆周间隔设置在上引风锥罩(31)和下引风锥罩(32)之间的数组隔风板组件，所述的进风口(23)位于上引风锥罩(31)和下引风锥罩(32)之间。

2、  根据权利要求1所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的导风管上端的出气口(22)处设有抽风结构(4)，该抽风结构(4)包括固定在导风管(2)上端的支架(41)，该支架(41)周面开口，支架(41)的顶端设有防雨盖板(42)，支架(41)内可转动设有垂直轴(43)，该垂直轴(43)上设有可由外界风吹动而旋转的风动叶轮(44)，支架(41)的底部设有抽风叶轮(45)，该抽风叶轮(45)套装在所述的垂直轴(43)上。

3、  根据权利要求1所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的每组隔风板组件由内隔风板(33)和外隔风板(34)组成，所述内隔风板(33)的外轴向边和外隔风板(34)的内轴向边铰接在一起，所述的内隔风板(33)上、下边分别与所述上引风锥罩(31)和下引风锥罩(32)固定在一起，而使外隔风板(34)可相对内隔风板(33)偏转。

4、  根据权利要求1所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的导风管(2)的外表面涂覆有用太阳能吸热材料制成的吸热层(24)。

5、  根据权利要求1所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的带有风轮(11)的发电机(1)有数组，它们分别间隔地安装在所述的导风管(2)内。

6、  根据权利要求1～5中任一权利要求所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的导风管(2)内还设有可调节通过引风器结构的风量大小的风门结构。

7、  根据权利要求6所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的风门结构包括有呈板状的风门(5)、转轴(6)及电机(7)，所述的风门(5)中部固定在转轴(6)上且位于上引风锥罩(31)的上端开口(311)内以遮蔽所述的开口(311)，所述的转轴(6)可转动设置在上引风锥罩(31)上，并穿出导风管(2)通过一减速机构与所述的电机(7)相连。

8、  根据权利要求6所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的风门结构包括位于导风管(2)内并与导风管(2)内部尺寸相配的管形风门(9)，且该管形风门(9)的外周壁可遮蔽导风管(2)中部的进风口(23)，一驱动结构与所述的管形风门(9)相连以驱动该管形风门(9)在导风管(2)内上下移动。

9、  根据权利要求8所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的驱动结构包括有电机(10)、拉绳(12)、转筒(13)及定滑轮(14)，电机(10)设置在导风管(2)内的下部，所述的定滑轮(14)设于导风管(2)内并位于所述的导风管(2)中部的进风口(23)上方，所述的电机(10)与所述的转筒(13)相连以驱动转筒旋转，所述的拉绳(12)一端缠绕在所述的转筒(13)上，另一端绕过定滑轮(14)后与管形风门(9)内部的横梁(91)相连。

10、  根据权利要求9所述的空气力学塔式风力发电系统，其特征在于：所述的定滑轮(14)有二个，它们分别间隔设置在导风管(2)内部的支撑梁(8)上。

空气力学塔式风力发电系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种空气力学塔式风力发电系统。
背景技术
随着全球能源的日趋紧张，目前对于风能等可再生能源的利用在世界各地已经越来越普及。关于风能发电设备，传统的设备都是水平式的装置，其中风力发电机固定于一回转体上，而回转体设于一高塔上，并可相对高塔偏转，风力发电机上的轮轴呈大致水平状，轮轴上的风轮朝向气流，风吹动风轮转动，轮轴也随之转动，进而带动风力发电机的发电单元产生电流，这种发电设备在风力适合情况下，具有风力收集效果好的优点。
由于大气中的气流时强时弱，甚至停止，因此传统的水平式风力发电设备并不能稳定不间断的运转而产生电流，效率低；当风力过大时，风力发电机的风轮及轮轴容易损毁，故其不适合在有飓风的地区使用。
针对上述现状，有人发明一种利用地热能产生的热对流进行发电的发电设备。如一申请号为CN01123631.0(公开号为CN1405448A)的中国实用新型专利《烟囱式风力发电设备》就披露了这样一种发电设备，它包括：一直立的烟囱状中空导风管，一支持装置，至少一风叶轮被枢设于上述导风管内部，与一发电装置。一加热设备位于导风管内部底下。加热设备可以应用地热能，或者是应用前述发明发电设备离峰时间储存的电能来发热。发电装置的电枢单元与磁极单元可分别装设在该风叶轮外缘与导风管内部，或是装设在该风叶轮的轮轴部位。导风管的上端有遮蔽辅助装置，外部可设有复数个其风叶轮轴大致于成水平状的水平式风力发电装置，来协助提高发电效率。
该专利申请涉及的技术方案虽然可避免传统水平式风力发电设备受天气影响较大的缺陷，但其对外界空气中风能应用不够，发电效率不高。且当该烟囱式风力发电设备在外部设置数个其风叶轮轴大致于成水平状的水平式风力发电装置，同样会存在不适合在有飓风的地区使用。还有，现有风轮发电设备风量不可调节，当风量大时发电功率高，风量小时发电功率小，即现有风力发电系统的功率不可控制、不稳定。
综上所述，现有风力发电系统还可作进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种可同时可有效地利用地热能和风能进行发电的空气力学塔式风力发电系统，其具有发电效率高的优点。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种可全天候使用，尤其能在飓风天气使用的空气力学塔式风力发电系统，发电系统通过对进风量大小的调节，使该发电系统的发电功率可调节且稳定。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种空气力学塔式风力发电系统，包括有高塔、带有风轮的发电机，所述的高塔为一中空的导风管，该导风管底端侧壁开有数个进气孔，导风管上端具有出气口，所述的发电机安装在导风管的内部，发电机的风轮可受导风管内上升的气流推动而旋转；其特征在于：所述的导风管中部侧壁处设有进风口，并在该进风口处设有可将外界风从导风管侧部导入的引风器结构，所述的发电机位于引风器结构的上部；该引风器结构包括与导风管相固定的上引风锥罩、下引风锥罩及沿圆周间隔设置在引风锥罩和下引风锥罩之间的数组隔风板组件，所述的进风口位于上引风锥罩和下引风锥罩之间。
上述的导风管上端的出气口处设有抽风结构，该抽风结构包括固定在导风管上端的支架，该支架周面开口，支架的顶端设有防雨盖板，支架内可转动设有垂直轴，该垂直轴上设有可由外界风吹动而旋转的风动叶轮，支架的底部设有抽风叶轮，该抽风叶轮套装在所述的垂直轴上。这样可利用外部风力给导风管内部做抽气运动，增加空气流动速度，提高发电效率。
为使整个引风器装置能更好地引风，上述的每组隔风板组件由内隔风板和外隔风板组成，所述内隔风板的外轴向边和外隔风板的内轴向边铰接在一起，所述的内隔风板上、下边分别与所述上引风锥罩和下引风锥罩固定在一起，而使外隔风板可相对内隔风板偏转。这样外隔风板可相对方向作一定角度的调节，使外隔风板始终朝向迎风面，更进一步提高装置的发电效率。
上述的导风管的外表面涂覆有用太阳能吸热材料制成的吸热层。该吸热层可将太阳能转化为热能，加热导风管内的空气，使导风管内部的空气加速向上运动，吹动风力发电机的风轮，即该发电系统不但可以利用风能、地热能，还可利用太阳能，更进一步提高该发电系统的发电效率。
上述带有风轮的发电机以有数组为佳，它们分别间隔地安装在所述的导风管内。采用数组风力发电机，当后个风力发电机的风轮转动，会形成一个吸气过程，可提高前一个风力发电机的风轮的转速，该多组风力发电机形成一逐级增压过程，可进一步提高该发电系统的发电效率。
为解决上述第二个技术问题，上述的导风管内还设有可调节通过引风器结构的风量大小的风门结构。
所述的风门结构可以为：包括有呈板状的风门、转轴及电机，所述的风门中部固定在转轴上且位于上引风锥罩的上端开口内以遮蔽所述的开口，所述的转轴可转动设置在上引风锥罩上，并穿出导风管通过一减速机构与所述的电机相连。
通过电机带动转轴及与其固定的风门的偏转，当风门处于垂直状态时，风门几乎不会遮挡住上引风锥罩的上端开口，引风器后部的出风口最大，当风门处于水平状态时，风门将上引风锥罩的上端开口基本全部遮挡，引风器后部的出风口最小，即可对引风器后端出风口大小进行调节，引风器后端出风口越大，导风管内上下越易形成对流，风轮的转动速度越快，发电机功率越大，引风器后端出风口越小，导风管上下越不易形成对流，风轮的转动速度越慢，发电机功率越小。当遇到飓风天气时，使风门水平，进而控制风轮的转速，可有效防止因风轮转速太快而损坏发电机。反之当外界风量较小时，使风门竖直或偏转一定角度，增加引风器后端的出风口，使风轮转速尽量大。因此该发电系统可全天候使用。由于上述原因，通过调节风门偏转的角度，使该空气力学塔式风力发电系统保持一额定的发电功率，发电稳定。
所述的风门结构还可以为：包括位于导风管内并与导风管内部尺寸相配的管形风门，且该管形风门的外周壁可遮蔽导风管中部的进风口，一驱动结构与所述的管形风门相连以驱动该管形风门在导风管内上下移动。
上述的驱动结构包括有电机、拉绳、转筒及定滑轮，电机设置在导风管内的下部，所述的定滑轮设于导风管内并位于所述的导风管中部的进风口上方，所述的电机与所述的转筒相连以驱动转筒旋转，所述的拉绳一端缠绕在所述的转筒上，另一端绕过定滑轮后与管形风门内部的横梁相连。
通过电机驱动转筒旋转，带动拉绳缠绕在转筒上，进而带动管形风门上移，逐渐将导风管中部的进风口遮蔽，当管形风门移动到最大位置，所述的进风口被完全遮蔽，因此引风器结构不能将外界的气流引导至导风管内，发电机上风轮的转速变慢，发电机功率降低。当遇到飓风天气时，通过管形风门的移动使所述的进风口变小，进而控制风轮的转速，可有效防止因风轮转速太快而损坏发电机。反之当外界风量较小时，通过管形风门的下移使所述的进风口变大，增加引风器引入的风量，使风轮转速尽量大。因此该发电系统可全天候使用。由于上述原因，我们在通过外界控制系统调节管形风门的移动距离，使该空气力学塔式风力发电系统保持一额定的发电功率，发电稳定。
上述的定滑轮有二个，它们分别间隔设置在导风管内部一支撑梁上。设置两个定滑轮可使拉绳的移动更平稳。
与现有技术相比，本发明的优点在于：该发电系统不但通过导风管将地热能引起的空气对流所产生的向上气流导向风力发电机的风轮，来吹动风轮的转动，而且还巧妙地通过设置在导风管中部的引风器结构将外界的气流导向导风管内吹动风轮的转动，因此该发电设备最大限度的利用风力资源，大幅度提高该风力发电系统的经济性，同时有效地利用地热能、风能及太阳能进行发电，从而大大增加了发电设备的发电效率，因而值得推广应用。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的立体结构示意图；
图2为本发明第一个实施例中导风管、发电机与引风器结构的立体分解图；
图3为本发明第一个实施例中抽风结构的立体分解图；
图4为本发明第二个实施例的立体结构示意图；
图5为本发明第二个实施例的剖视图；
图6为本发明第二个实施例中引风器结构的立体结构示意图；
图7为本发明第二个实施例中的上引风锥罩立体示意图；
图8为本发明第二个实施例中的下引风锥罩立体示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1～3所示，为本发明的第一个实施例。
一种空气力学塔式风力发电系统，包括有高塔、带有风轮11的发电机1，所述的高塔为一中空的导风管2，本实施例的导风管2为内部由支撑骨架15支撑而立于地面的金属管，当然也可以是由超高强混凝土制成的管状建筑，本实施例的导风管2呈直圆筒状，当然也可以是上端水平截面小于下端水平截面的锥形桶状，还可以是呈双曲面筒状构造。
所述的导风管2底端侧壁开有数个进气孔21，导风管2上端具有出气口22，在导风管2上端的出气口22处设有抽风结构4，该抽风结构4包括固定在导风管2上端的上支架41，支架41周面开口，支架41的顶端设有防雨盖板42，支架41内可转动设有垂直轴43，该垂直轴43上设有可由外界风吹动而旋转的风动叶轮44，支架41的底部固定有抽风叶轮45，该抽风叶轮45与垂直轴43相连。
所述的导风管2的外表面涂覆有用太阳能吸热材料制成的吸热层24。该吸热层24可将太阳能转化为热能，加热导风管2内的空气使导风管2内部的空气加速向上运动，吹动风力发电机1的风轮11，即该发电系统不但可以利用风能、地热能，还可利用太阳能，更进一步提高该发电系统的发电效率。
所述的发电机1安装在导风管2的内部，发电机1的风轮11可受导风管2内上升的气流推动而旋转。所述的带有风轮11的发电机1有多组，发电机1为风力发电机，风力发电机1可以是二组、三组、四组或更多组，它们分别间隔地安装在所述的导风管2内。采用数组风力发电机1，当后个风力发电机1的风轮转动，会形成一个抽气过程，可提高前一个风力发电机的风轮11的转速，该多组风力发电机1形成一逐级增压过程，可进一步提高该发电系统的发电效率。
所述的导风管2中部侧壁处设有进风口23，并在该进风口23处设有可将外界风从导风管2侧部导入的引风器结构3，所述的发电机1位于引风器结构3的上部。
该引风器结构3包括与导风管2固定的上引风锥罩31、下引风锥罩32及沿圆周间隔设置在引风锥罩31和下引风锥罩32之间的数组隔风板组件，每组隔风板组件由内隔风板33和外隔风板34组成，所述的内隔风板33外轴向边和外隔风板34的内轴向边铰接在一起，所述的内隔风板33上下边分别与上引风锥罩31和下引风锥罩32固定在一起，而使外隔风板34可相对内隔风板33偏转，上引风锥罩31和下引风锥罩32具有集风的功能。所述的进风口23位于上引风锥罩31和下引风锥罩32之间。
所述的导风管2内还设有可调节通过引风器结构3的风量大小的风门结构。
本实施例的风门结构包括有呈板状的风门5、转轴6及电机7，所述的风门5中部固定在转轴6上且位于上引风锥罩31的上端开口311内以遮蔽所述的开口311，所述的转轴6可转动设置在上引风锥罩31上，并穿出导风管2通过一减速机构与所述的电机7相连，所述的电机7固定在上引风锥罩31上并位于导风管2外，电机7可通过一控制系统来控制，使风门5在合适的时机转动到合适的角度。
本发明实施例的工作原理及过程如下：
由于地热能引起空气对流而在导风管2内产生向上的气流，驱动发电机1的风轮11转动，而吸热层24可将太阳能转化为热能，加热导风管2内的空气，使导风管2内部的空气加速向上运动，吹动风力发电机1的风轮11，使风力发电机1发电，将地热能和太阳能转化成可利用的电能。
同时，通过设置在导风管2中部的引风器结构3将外界的气流导向导风管2内吹动风轮11的转动，即外界的气流通过上引风锥罩31和下引风锥罩32之间的进风口23进入导风管2内部，与前述地热能和太阳能引起的向上气流一起吹动风轮11旋转，使风力发电机1发电，将外界的风能转化成可利用的电能。
我们还可通过风门结构调节引风器结构3处的进风量，电机7通过减速机构8带动转轴6及与其固定的风门5的偏转，当风门5处于垂直状态时，风门5几乎不会遮挡住开口311，引风器后部的出风口最大；当风门5处于水平状态时，风门5将开口311基本全部遮挡，引风器后部的出风口最小，即可对上引风锥罩31上端开口311大小进行调节，开口311越大，导风管2内越易形成对流，风轮11的转动速度越快，发电机1功率越大；所述的开口311越小，导风管2内越不易形成对流，风轮11的转动速度越慢，发电机1功率越小。当遇到飓风天气，使风门5水平，进而控制风轮11的转速，可有效防止因风轮11转速太快而损坏发电机1；反之当外界风量较小时，使风门5垂直或偏转一定角度，风轮11转速尽量大，因此该发电系统可全天候使用。由于上述原因，通过调节风门5偏转的角度，使该发电系统保持一额定的发电功率，发电稳定。
如图4～8所示，为本发明的第二个实施例。
该实施例和第一个实施例的不同点在于风门结构的不同。
本实施例的风门结构包括与导风管2内部尺寸相配的管形风门9，位于导风管2内，且管形风门9的外周壁可遮蔽导风管2中部的进风口23，一驱动结构与所述的管形风门9相连以驱动管形风门9在导风管2内上下移动。
所述的驱动结构包括有电机10、拉绳12、转筒13及定滑轮14，电机10设置与导风管2内的下部，所述的定滑轮14设于导风管2内上部并位于所述的导风管2中部的进风口23上方，所述的定滑轮14有二个，它们分别间隔设置在导风管2内部一横梁8上。所述的电机10与所述的转筒13相连以驱动转筒13旋转，所述的拉绳12一端缠绕在所述的转筒13上，另一端绕过定滑轮14后与管形风门9内部的横梁91相连。
本实施例中风门结构的工作原理及过程如下：
通过电机10驱动转筒13旋转，带动拉绳12缠绕在转筒13上，进而带动管形风门9上移，逐渐将导风管2中部的进风口23遮蔽，当管形风门9上移到最大位置，所述的进风口23被完全遮蔽，因此引风器结构3不能将外界的气流引导至导风管2内，发电机1上风轮11的转速变慢，发电机1功率降低。当遇到飓风天气时，通过管形风门9的移动使所述的进风口23变小，进而控制风轮11的转速，可有效防止因风轮11转速太快而损坏发电机1。反之当外界风量较小时，通过管形风门9的下移使所述的进风口23变大，增加引风器引入的风量，使风轮11转速尽量大。上移该发电系统可全天候使用。由于上述原因，我们在通过外界控制系统调节管形风门9的移动距离，使该空气力学塔式风力发电系统保持一额定的发电功率，发电稳定。