高差引拔式人造风力发电装置及其方法 ( 一 ) 技术领域
本发明涉及一种利用大气高度压力差形成人造风场的风力发电装置及其方法。 ( 二 ) 技术背景
在有限的能源资源日益减少， 环境日益恶化的形势下， 风力发电等再生能源的开 发利用日益引起人们的重视， 然而， 目前的风力发电技术还停留在依赖自然条件初级阶段， 受自然风场风力变化较大和场地地形特殊等因素影响， 使得风力发电的投入大， 单台机组 发电量产出较低低， 实际发电时间少 ( 年发电时间仅 1/4)， 而且每台每时风速不稳定， 当风 力发生细微变化或负载发生变化时， 转子的扭矩平衡将打破， 当风力扭矩大于负载力矩时， 转子将加速旋转， 当风力扭矩小于负载力矩时， 转子将减速， 造成发电机输出频率波动较 大， 自然风力发电由于风力不确定， 造成频率不能调整， 因此存在输配电功率匹配及并网困 难等技术问题。因此， 风力发电还不能被广泛应用。 但作为可再生能源， 风力发电的推广应用势在必行， 为此， 人们一直有一个人造 风力发电梦想， 经查询， 公开的关于人造风场发电的专利就相当多， 利用温差和高度压力 差的连通管效应产生风力的国内外专利也不少， 如申请号 86103475 聚风网式风力发电 站、 申请号 011236310 烟囱式风力发电式设备、 申请号 86108466 人造风能发电方法、 申请 号 200720141977.0 人造风能风力发电塔， 还有申请号 200510126606.0 一种下曳型人造龙 卷风发电装置及其方法等等， 均提出了从原理上可行的利用高差和温差连通器同样的基 本构思， 更有不利用自然力的封闭循环连通通道的所谓 “永动式人造风力发电机 ( 申请号 200810028505.3)” ， 种种专利在结构上可谓千奇百怪， 但基本都存在对风力形成机理及能 量转换理论的认识错误的问题， 如 200510126606.0 一种下曳型人造龙卷风发电装置及其 方法提出利用制造旋转风场、 以上多种专利都提到为在同风道内道配多级叶轮发电机的方 案， 有些不少提到加热 ( 不考虑功率耗能问题和效率问题 ) 提高温差的方案， 甚至是臆想或 对其效果的夸大， 如永动式人风力机等， 由于缺乏理论依据， 基本都把消耗忽略了， 把产出 效果放大了， 有些理论计算竟然混淆了能量和功率的概念， 同样由于理论认识问题， 提出的 结构方案多数是不现实和或不可行的， 更不用说指导发电电站设计。
( 三 ) 发明内容
本发明人从厂房屋顶自动排风扇获得灵感， 在对高差连通管中风流的形成过程进 行动力学机理分析的基础上， 提出了一种高差引拔式人造风力发电装置及其设计理论方 法。 高差引拔式人造风力发电装置是用一个具有一定高度的引拔管道利用其上下两端大气 高度压差的作用形成连续稳定人造风道、 并利用其风力发电的装置， 包括高差引拔装置、 风 力发电装置、 调速装置、 电力输出处理控制系统等全套发电设备， 相应提出了该发电装置的 等效能量计算方法、 功率测算及型号参数匹配方法、 提高能量转换率方法、 调速及超速保护 方法等全套设计理论方法， 解决了目前自然风力发电风力不稳定不受控、 能量利用率低、 输 配电功率不匹配、 并网困难等一系列技术难题， 澄清了以往类似人造风力发电方法的理论误区， 将使人造风力发电技术从空想变为现实， 使风电开发重心从乡村转向城市， 不仅让人 们用上真正无污染无能源消耗的自发电， 还可消除城市热岛效应、 改善人居环境。
高差引拔式人造风力发电装置的结构示意图见附图 1， 图中所示的高差引拔式人 造风力发电装置， 包括高差引拔装置、 风力发电装置、 调速装置、 电力输出处理控制系统等 全套发电装置。其中，
高差引拔装置 ： 包括聚风室 (11)、 叶轮轴支座 (12) 的聚风口导流通道、 叶轮区过 流风道、 调速阀座 (5) 及其变径管道 (6)、 引拔管道 (3) 等组成的连通风道， 其特征是 ： 所形 成的从聚风口至引拔管出口间具有一定高度差 H 和有效截面积 S 的、 连续、 侧壁密封、 上下 贯通的连通风道垂直安装在聚风室顶部的聚风口位置， 在聚风室出风口安装一个具有下大 上小的聚风口和环形导流风道的叶轮轴支座， 叶轮上方依次安装引拔管顶端变径管道、 调 速阀座、 引拔管， 引拔管顶部装有避雷针 (1) 和防雨罩 (2) ；
风力发电装置 ： 包括在聚风口变与径管道之间安装的实现动能转换叶轮 (9)、 叶 轮轴 (12)、 联轴器 (13)、 发电机 (17)， 其特征是 ： 叶轮是一个通流面积大于引拔管、 叶片间 轴向投影无缝隙无搭接的立式轴流式叶轮， 联轴器 13 是一个可拆卸的柔性联轴器， 拆下联 轴器所留出一定高度， 可将轴承座连同叶轮一起从聚风室出口卸下 ； 立式发电机安装在聚 风室底座基础上
调速装置 ： 包括装于在叶轮上方引拔管管内的伺服电动风门 4、 装在发电机转子 输入端位置的超速保护制动器 15、 转速传感器、 调速控制系统， 其特征是 ： 风门的电动驱动 头、 驱动轴、 轴承等都装在管道外可与风门分离， 风门可以从引拔管下方卸下 ； 转速传感器 所采集转速信号经伺服调速系统发出控制风门开度指令， 当转速控制失灵发生超速时， 制 动器自动制动， 需要检修时， 将风门关闭， 同时使制动器制动。
其风力产生及发电原理 ： 引拔管上下两端存在大气压力差和温度差产生了对管道 中的空气向上的推力， 从而使管道中的空气形成对流并在在聚风室出风口形成一定能量密 度的风力推动风力轮旋转， 风力轮带动发电机转子旋转， 通过发电机发电。
其调速原理及方法 ： 用改变阀门开度改变风力大小进而达到风力力矩与负载力矩 平衡的方式来调整转速， 具体控制方法是 ： 用转速传感器一直检测转子速度， 用一个伺服控 制器以较高频率不断判断速度变化趋势， 并按每一变化趋势不断给电动头发出相应调节变 化驱动指令， 即， 速度要降低时发出加大阀门开度的指令， 速度要升高时发出减小阀门开度 的指令， 直至转速区于稳定至额定转速 ； 在调速失控的情况下， 制动装置将紧急制动。
下面， 对以上所述的引拔管产生风力的过程及效果进行动力学分析， 并推导出最 大速度、 平均加速度， 能量及功率的近似计算公式， 通过理论分析和推导得出的这些公式中 可作为本引拔式人造风力发电装置的理论和设计依据。
首先， 请看一份国际航空通用的大气标准表。见附表
从以上表中可以看出， 垂直高度升高， 大气压力越低， 温度越低， 在 3000 英尺以 内， 每上升 1000 英尺 (304.8m)， 气压下降约 1.03 英寸汞柱 (3386Pa)， 温度约下降 2℃， 即， 气压递减率 (ΔP) 约为 1177Pa/100m， 温度递减率 (ΔT) 约为 0.4℃ /100m。
再对引拔管内的气体作为对象进行动力学分析， 为了简化分析和推导过程， 在此 先用理论力学的最基本动力学基本原理对管道中气体受力状态进行宏观分析和推导， 从作 用效果上讲， 其宏观分析结果与流体力学 ( 微观 ) 分析的结果是一致的 ( 理论力学的基础 是流体力学的基础 )， 以下分析方法可称之为能量等效分析法。
假设气体先处于静止状态， 它受向下地球引力 ( 重力 )、 向上的大气浮力、 和两端 压力差产生的向上的推力。 若不考虑温差， 浮力与重力相等， 温差对流效应从理论上讲是气 体体积膨胀变化的结果， 在垂直管道内的作用效果可以等效看作为体积膨胀造成浮力的加 大。
压差对管道中气体产生的推力为 S×ΔP×H/100
体积膨胀量 ΔV ＝ ΔT×S×H2/273/100
浮力增加量为 ΔV×ρ×g ＝ ρ×g×ΔT×S×H2/27300( 单位 ： N)
因此， 引拔管道内受到的向上的推力为
∑ F ＝ S×ΔP×H/100+ρ×g×ΔT×S×H2/27300( 单位 ： N)
从上式比较两种作用力的大小可以看出， 由于温差有限， 由温差产生的上升力相
对较小， 其作用效果可能不足以抵消在流动后管壁的摩擦阻力产生的能量损失， 在此也忽 略不计。因此可以认为， 高差引拔管的引风效果主要是由大气压力差形成的。以前认为由 温差为主的认识是一种误解， 采用加热空气的方法提高温差的想法是不现实的， 因为显而 易见， 其能量利用率将会很低， 即使考虑利用太阳能加热， 由于空气的快速流动， 能够提高 的温差也是相当有限的， 因此， 有
∑ F ≈ S×ΔP×H/100
式中， H——引拔管道垂直高度， 单位 m
S——引拔管道截面积， 单位 m2
ρ——空气密度， 1.3kg/m3
g——重力加速度， 9.8m/s2
ΔP——压力梯度， 1177Pa/100m
ΔT——温度梯度， 0.4K/100m
由于受力不平衡， 管道中的空气势必产生加速运动， 为了简化计算， 暂不考虑运动 产生管壁阻力 ( 阻力效果在总效率中考虑 )， 其加速度为
a ＝∑ F/M ＝ ΔP/ρ/100
≈ 9m/s2
出口速度为
V ＝ (2×a×H)0.5 ( 单位 ： m/s)
气体在管道中的运行时间为
t ＝ V/a ( 单位 ： m/s)
从微观上分析， 空气是一种连续的柔性流体， 空气在管道中的流动过程是不同高 度区域的速度是变化的， 在进口区域会有一个急剧加速过程， 在产生流动后， 由于流动产生 的负压作用， 使进口处的气体受到更大的引力作用， 因此气体在进口区域加速度要比上述 计算要大得多， 而进入管道后气体将受到流动负压阻力和管道摩擦阻力作用， 再形成减速 区， 到达一定高度后气体受力趋于平衡状态而稳定的出口速度， 从连续作用的总体效果来 看， 最后可以用平均速度作为能量计算依据。
气体在经过叶轮实现能量转换及通过调速风门控制后流速会大大降低。 为了区别 实际速度， 我们把以上推导的速度公式求得的速度称之为引拔效能速度。 从速度公式来看， 风流速度与截面积无关， 只与高度的 1/2 次幂成正比， 通过计算可知， 引拔管高度达到 600m 时， 效能风速即可到达 100m/s。
因此， 管道气体经过引拔管后产生动能为
W ＝ M×V2/2
＝ a×ρ×S×H2
≈ 11.7×S×H2
＝ 9.1845×D2×H2( 单位 ： J 焦耳 )
式中， D——引拔管通径， 单位 m
总功率为
N ＝ W/t/1000 ( 单位 ： kw 千瓦 )
以上推导是在不考虑管道中安装叶轮的情况下对引拔管作用效果的分析结果。
从能量计算公式可见， 引拔管所产生的风能 ( 即引拔效果 ) 与其有效流通面积成 正比， 与其垂直高度的平方成正比， 这就为本风力发电装置的设计提供了依据。
在安装了叶轮后， 气流在经过叶轮时发生流变， 将风能转换成动能， 如果叶轮承受 一定的负载扭矩时， 相当于给了气流施加了流动阻力， 使气流流速降低， 承受的负载越大， 减速效果越大， 负载稳定时， 出口的流速将稳定新的平衡状态。 气流对叶轮的作用有一个作 用效果的问题， 气流在通过加速区域及叶轮区域的而产生的流变过程中， 肯定存在一定的 摩擦能量损失和紊流能量损失， 加上引拔管内的流动摩擦损失， 综合体现为发电装置能量 转换率， 最后得到叶轮旋转功率即发电功率为
Nd ＝ N×η ( 单位 ： kw 千瓦 )
式中，——发电装置能量转换率， 根据有关资料提示， 风力叶轮的能量转换率为 85％左右， 考虑摩擦及紊流能量损失后， 可取 55 ～ 75％作为设计参考， 最后以实际效果为 准。
为了直观地反映出本风力发电技术方法的实际效果， 以有效通流面积为 14m2， 引 拔管垂直高度 300m 的引拔管为例， 单台发电装置装机容量可达 1300kw， 达到目前国内风力 发电装机最大容量。 本发明具有如下明显的社会效果 ：
1、 使风力发电不受气候条件的限制， 提高发电机运行率， 大大降低了风电成本 ；
2、 随意调控风力大小， 以适应负载的随机变化， 彻底解决以往风电存在的输配电 功率匹配问题 ；
3、 可人为控制风速和发电机转速， 稳定发电机转速， 输出电力频率固定， 减少电力 输出控制成本， 方便实现并网 ；
4、 通过结构参数变化可方便得到不同的发电功率参数， 方便电站设计及运行成本 控制。
5、 由于风力发电是无污染的再生能源， 将使风力发电在城市中立足， 可将发电站 与高层建筑及商住片区溶于一体， 使未来的每个高层建筑和片区真正用上环保清洁的自发 电， 另外引拔管产生的空气对流还可可改善城市的热岛效应， 能对改善城市环境作出重要 贡献。
( 四 ) 附图说明
图 1 为配有立式风力发电机的典型高差引拔式人造风力发电装置， 图中，
1——避雷针， 应有效接地， 防雷电 ；
2——防雨罩， 防止雨水流入引拔管道 ；
3——引拔管道， 利用高度压力及温度差 ( 主要是压力差 ) 使空气顺着管道向上流 动形成一定速度的气流 ；
4——电动调速风门， 由速度伺服控制装置控制， 通过跟踪检测发电机转速变化趋 势， 及时调节阀门开度， 从而调整发电机转速趋于稳定状态 ； 蝶形风门还可防止空气通过叶 轮后在管道中产生中漩涡以避免能量损失 ；
5——电动调速阀阀座， 安装电动调速阀的管道部分， 电动驱动头及阀门轴承座安装在管道外面 ；
6——变径管道， 形成过渡区， 减少摩擦产生的能量损失
7——叶轮安装螺母， 为了防松螺纹旋向与叶轮旋转方向一致 ；
9——键 ( 或花键连接 )， 将叶轮产生的扭矩传递到发电机转子轴上 ；
9——风力叶轮， 将风能转化为叶轮及发电机转子的旋转动能， 叶轮可以是轴流式 叶轮或涡轮式叶轮 ；
10——轴承， 支撑叶轮及转轴重量及风力产生的轴向力 ；
11——聚风室及安装基础
12——带导流风道的轴承座， 有内圈和外圈， ， 外圈连接在引风室出风口， 内圈作 叶轮轴支撑， 内外圈间形成导流风道， 用 3 条或 4 条辐条联成一体， 辐条可以阻止产生涡旋 气流 ；
13——轴承盖， 轴承定位和密封， 防止轴承串动及灰尘进入 ；
14——叶轮回转支撑轴， 支撑叶轮并传递扭矩 ；
15——柔性联轴器， 补偿同轴度误差， 采用可拆卸结构， 方便叶轮及阀门维修 ；
16——超速保护制动器， 超速及检修发电机时制动。
17——立式发电机， 通用技术， 选专业厂家配套生产， 如果采用卧式叶轮， 发电机 相应为卧式发电机。
图 2 为叶轮轴向投影图， 图中， 1——轮毂， 2——叶片， 相邻叶片投影无缝隙无搭接
图 3 为叶轮侧向视图， 图中， 1——轮毂， 2——叶片， 叶片外径宽度大于内径宽度 ( 五 ) 具体实施方式
本发电装置具体实施方式体现在以下几个方面 ：
1. 场地选择及引拔管安装方式 ： 由于采用引风装置， 不受自然条件的限制， 本发 电装置对场地没有要求， 特别适合在城市中建造 ； 由于倾斜结构会降低能效， 安装成本较 高， 故宜采用垂直安装引拔管， 其结构最简单、 能效最高， 成本最低。 为了降低基建投资和输 变电设施投资， 可以在高层建筑、 较集中商住区域的设计中进行配套设计， 使高层建筑及城 市商住区域供电实现自发自用， 这也是本发明的重要推广目标之一。引拔管材料根据其规 模和工艺成本在建筑设计中确定。
2. 装机容量和数量确定 ： 发电站的装机容量和数量， 以所供区域所需用电量匹配 为准。如设计并网电站， 则按投资规模和总装机容量设计为准。
3. 引拔管结构参数的确定 ： 为方便生产组织， 引拔管和叶轮应作通径系列设计， 不同的通径配不同的引拔高度， 经初步测算， 即可得到不同的装机容量配置 ； 为方便型号的 选择及匹配， 可规格编制系列装机容量测算表。以通径 4m、 6m、 10m 规格通径为例计算列表 如下 ：
4. 发电机功率参数的确定 ；
发电机功率参数测算与标定 ： 首先根据装机预计总容量按系列化原则确定单台引 拔管管径， 再用发电机功率公式取能量转换率经验值测算配套发电机功率， 按测算的功率 配套选择发电机型号， 发电机容量可以留一定富余量， 选大一点的型号系列， 最后在发电机 发电调试过程中重新标定功率 ： 如在最大电力负载时， 阀门开度最大还不能达到额定转速， 则说明， 功率匹配计算中效率定高了， 此时发电机组必需降低功率使用 ； 相反， 在额定负载 时， 如阀门开度较小， 说明计算时效率定的保守了， 功率按原标定功率不变。在积累一定匹 配经验后， 选型匹配会较为准确。
额定转速 ： 国内供电频率 55 赫兹， 根据发电机磁极对数确定， 6 极转速 1000r/min， 8 极 750r/min、 10 极 600r/min、 12 极 500， 考虑叶轮强度设计和降低噪音， 转速不宜太高 ； 但 极数越高， 同功率发电机成本体积越大， 扭矩越大， 扭矩大小还影响叶轮的强度计算， 因此 转速也不宜太低， 需要综合平衡考虑。
5. 提高效能的技术措施
以往各种专利中提出的在同一管道内串联设置多个风力叶轮及发电机的方案上 是错误的， 气流每一个叶轮实现能量转换后， 气流流速会降低， 他所获取的能量是总效能的 一部分， 后一级叶轮会影响前一级的引拔效果。有些发明专利试图达到龙卷风而将管道设 计成螺旋槽结构在理论上也是错误的， 气流管道中不仅不应改旋转， 而应该设计防旋格栅， 防止旋流 ( 紊流 ) 的产生， 因为在管道中的旋转不仅是一种无用的能量， 而且还会造成更多
能量损失并发出噪音。 ( 当然考虑在南北半球可能在进风口造成的不同旋向的涡旋效应， 经 实验验证后相应调整风力叶轮轮旋转方向， 可能会提高能量转换率， 但估计影响较小。)
用流体力学理论来分析， 能量转换率只与与流速 ( 特别是加速流变区的流速 )、 导 流结构设计、 叶轮结构设计、 过流区光洁度等有关， 而效能风速是不能减少的， 为此， 本发电 装置总体结构方案上采用以下几种方法能提高能量转换率 ：
a. 尽量加大叶轮直径 ： 即， 使叶轮叶片的迎风面积大于有效通流面积， 可以有效 降低通过叶轮时的局部流速， 从而减少能量损失， 另外加大叶轮尺寸后， 叶轮轮毂直径也适 当加大， 叶片强度也容易保证 ；
b. 尽量加大叶轮的有效迎风面积 ： 叶轮的叶片在轴向的投影为绕轴心的同心圆 扇形形状， 相邻叶片的轴向投影间应在不搭接的前提下尽量无缝连接， 即叶轮的迎风面积 为 100％， 如图 2 所示， 16 片叶轮的各叶片轴向投影间无缝连接， 这样气流的利用率 ( 与转 换率概念不同 ) 为 100％， 而没有一般自然风场发电机叶轮的由于迎风面积低而漏风的问 题， 另一方面， 叶轮叶片投影不能形成搭接， 否则， 会增加摩擦损失并会产生较大噪声， 为 此， 在结构上叶轮宜采用多片， 而非常规的 2 ～ 3 片， 否则， 叶轮的叶片轴向尺寸由内至外变 化较大， 内外叶片尺寸差别较大， 不利于叶片强度设计， 如图 3 所示， L2 ＞ L1。叶片数量推 荐 16 片以上。 c. 设置导流风道 ： 在不增加摩擦损失和减少通流面积的前提下， 使气流平稳流向 叶轮外沿区域， 这样气流对叶轮产生的力矩更大， 因此， 导流风道是一个环形风道， 且其通 流面积应大于或等于叶轮的通流面积， 图 1 中是利用轴承座作为导流风道。
d. 变径位置平缓过渡 ： 即， 在聚风室与导流风道区域、 叶轮出风口与引拔管两处 变径区域， 设置足够长的锥形缓变过渡区， 以减少变径区的摩擦损失及涡流损失， 锥形角度 最好小于 45°。
6. 调速技术方案 ：
如前所述， 本发电装置参照柴油发电机组的转速控制技术， 通过专门电路设计， 对 转速实现自动控制。
调速系统由伺服电动调节风门 ( 含伺服电机驱动头及阀门 )、 转速传感器、 伺服控 制器、 控制电路及控制电源等， 转速传感器一直检测转子速度， 伺服控制器以较高频率不断 判断速度变化趋势， 并按变化趋势不断给电动头发出相应调节变化驱动指令， 即， 速度要降 低时发出加大阀门开度的指令， 速度要升高时发出减小阀门开度的指令， 直至转速区于稳 定至额定转速。
具体在阀门开度位置的设计上， 按并网设定调速误差率在 ±5％以内， 如最大负载 为 110％的额定负载， 将额定状态风门控制在约 85％开度位置根据额定负载力矩， 另外与 柴油机油门控制不同的是， 风门伺服电机功率按理论计算确定。电动头上配有角度位移传 感器， 用以显示开度状态方便安装调试时调定发电机额定转速。
需要说明的是， 实际使用中， 如在最大电力负载时， 阀门开度最大还不能达到额定 转速， 则说明， 功率匹配计算中效率定高了， 此时发电机组必需降低功率使用 ； 相反， 在额定 负载时， 如阀门开度较小， 说明计算时效率定的保守了。
7. 超速保护措施 ： 在调速控制系统失灵的情况， 风门将不能关闭， 发电机会形成 超速， 供电将不正常。当超速达到 115％额定转速时本发电装置启动超速保护紧急刹车装
置， 保护电路不损坏， 刹车装置也可以设计成转速自动控制， 此时， 刹车增加冷却装置， 刹车 易采用常闭式结构。为增加供电设备的安全性， 建议配电开关柜也设计超速保护断路器
8. 检修措施 ： 考虑叶轮和发电机检修， 本装置有如下措施 ：
a. 关闭风门， 同时紧急刹车， 此时， 发电机转子停转， 可对叶轮、 联轴器、 发电机、 输 出配电柜进行检修 ；
b. 联轴器采用可以拆卸的结构， 在关闭风门的情况下， 移除联轴器后， 可将叶轮轴 承座连同叶轮一起向下卸下检修 ； 万一需要检修风门时， 在从管道外部拆除风门驱动及可 拆轴承座后， 可将风门向下拿出修复或更换。
9. 降噪措施 ： 主要是提高叶轮叶片的强度和刚度， 避免高速气流引起的震动 ； 其 次， 叶轮需要做动平衡试验及处理， 尽量减少回转激振力 ； 另外采用柔性联轴器补偿同轴度 误差以降低传动震动， 并对轴系进行扭振计算， 避免机组在共振区域运行 ； 最后， 可在聚风 室安装吸音材料以减少噪音扩散。