一种高风能利用系数的漏斗形风力发电机组及其操作方法

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种高风能利用系数的漏斗形风力发电机组及其操作方法。

背景技术

目前国内外主流风力发电机组特点主要以上风向、三叶片、直驱永磁发电机、双馈发电机或者半直驱永磁发电机为主。该机型最大风能利用理论Cp最大为0.593，主要是跟机组整体设计结构有关。在一定的风速范围内运行发电，常规工作风速范围为(3-25)m/s。当风速不满足该范围要求时风力发电机组会处于启动待机或者切出停机状态，因此无法达到在1-12级风速下都可以发电的高风能利用率，这是出于保护风力发电设备，避免风力发电设备在高速运行状态下出现损坏的安全之策。

为了突破三叶片上风向风力发电机组固有的技术限制屏障，需要设计一种能够在更大范围风速下工作的高风能利用系数的风力发电机组，实现微风到12级风速工况下都可以工作发电。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，主要针对传统型三叶片风力发电机组风能利用率低，受风速范围限制的缺点，提出了一种安全可靠的高风能利用系数的漏斗形风力发电机组及其操作方法，可实现大范围1-36m/s风速高风能利用率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种高风能利用系数的漏斗形风力发电机组，包括迎风漏斗、高速小风机、电动开合风门、高速主风机、塔架和基础，其中，所述迎风漏斗固定在高速主风机的外壳上，所述高速主风机位于迎风漏斗的中心处，所述高速小风机有多个分布于迎风漏斗上的不同直径区域，且每个高速小风机均安装有电动开合风门，实现对各自入风口的打开或关闭，所述高速主风机通过偏航回转支撑固定在塔架的顶部，能自动对风偏航，保持迎风漏斗正对来风方向，所述塔架固定在基础上。

优选的，所述迎风漏斗的大口面积是小口面积的十几倍。

优选的，所述高速小风机的入风口为漏斗形。

优选的，所述迎风漏斗采用轻质铝合金骨架拼接结构。

优选的，所述高速小风机和高速主风机的叶片采用高速小叶轮。

本发明也提供了上述高风能利用系数的漏斗形风力发电机组的操作方法，适用于1-12级风速为1-36m/s的大范围风况，包括以下两种情况：

第一种：当风速低于3m/s时，通过迎风漏斗的聚风并提速效应使进入迎风漏斗的低速气流提高风速为30-36m/s的高速气流，驱动高速主风机发电，电流通过塔架传输到地面箱变升压并经过输电线路传输到升压站，经过再次升压后传输至国家电网；

第二种：当风速高于3m/s时，通过迎风漏斗的聚风并提速效应使进入迎风漏斗的低速气流提高风速为大于30-36m/s的高速气流，此时机组系统会根据风速变化依次打开距离高速主风机最近的高速小风机前面的电动开合风门，使得高速气流降低为30-36m/s的气流驱动高速主风机发电，而部分气流则驱动已打开电动开合风门的高速小风机发电，当然，如果风速继续加大，机组系统会开启更多的电动开合风门，使更多的高速小风机进入发电状态，最终，高速主风机和高速小风机的电流汇集后再通过塔架传输到地面箱变升压并经过输电线路传输到升压站，经过再次升压后传输至国家电网。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明不再局限于三叶片作为迎风受力面，通过迎风漏斗对风的聚集作用，Cp值可突破0.593的最大极限，当入口速度较低的气流经过迎风漏斗缩颈加速后形成速度较高的气流，驱动位于漏斗中心的高速主风机发电，当检测到气流持续超过极限风速时，高速主风机周边布置在迎风漏斗上不同直径区域的高速小风机会根据风速情况逐次开启各自入风口进行发电，从而降低高速主风机的风能荷载，实现风力发电设备运行时的整体安全，可靠性高。

2、本发明用到的迎风漏斗，其大口面积是小口面积的十几倍，如果不考虑空气流动损耗理论上口径缩小风速也会提高同等的倍数，如入口处风速3m/s，出口处风速可达12级(30-36)m/s，选择匹配这个风速下正常发电的高速风机，其特点为直驱永磁型、多支叶片(大于三支)或者同轴多叶轮、中或轻载两点支撑高速双列球或双列圆锥轴承，在正常润滑状态下几乎没有机械磨损。

3、本发明的风机叶片采用高速小叶轮，对风速的要求不再局限于25m/s的切出限制，可以工作在更大的风速范围。

4、本发明使用的风机可以批量生产，重量轻，便于安装；迎风漏斗采用轻质铝合金骨架拼接结构，组装方便，运输不需要超宽超大等大型设备，成本低。

附图说明

图1为漏斗形风力发电机组(关闭电动开合风门)的结构示意图之一。

图2为漏斗形风力发电机组(打开电动开合风门)的结构示意图之二。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1和图2所示，本实施例提供一种高风能利用系数的漏斗形风力发电机组，包括迎风漏斗1、高速小风机2、电动开合风门3、高速主风机4、塔架5和基础6，其中，所述迎风漏斗1通过螺栓固定在高速主风机4的外壳上，所述高速主风机4位于迎风漏斗1的中心处，所述高速小风机2为漏斗形高速小风机，即其入风口为漏斗形状，该高速小风机2有多个分布于迎风漏斗1上的不同直径区域，且每个高速小风机2均安装有电动开合风门3，实现对各自入风口的打开或关闭，所述高速主风机4通过偏航回转支撑固定在塔架5的顶部，能自动对风偏航，当风向发生改变，机组系统发出指令，偏航回转支撑上的偏航电机执行偏航动作使迎风漏斗开口方向跟踪风向主动转动，保持迎风漏斗正对来风方向，所述塔架5通过锚栓固定在基础6上。

优选的，所述迎风漏斗1的大口面积是小口面积的十几倍，如果不考虑空气流动损耗理论上口径缩小风速也会提高同等的倍数，如入口处风速3m/s，出口处风速可达12级(30-36)m/s，选择匹配这个风速下正常发电的高速风机，其特点为直驱永磁型、多支叶片(大于三支)或者同轴多叶轮、中或轻载两点支撑高速双列球或双列圆锥轴承，在正常润滑状态下几乎没有机械磨损。

优选的，所述迎风漏斗1采用轻质铝合金骨架拼接结构，组装方便，运输不需要超宽超大等大型设备，成本低。

优选的，所述高速小风机2和高速主风机4的叶片采用高速小叶轮，对风速的要求不再局限于25m/s的切出限制，可以工作在更大的风速范围。

本实施例上述的漏斗形风力发电机组，适用于1-12级风速为1-36m/s的大范围风况下工作，主要分为两种情况：

第一种：当风速低于3m/s时，通过迎风漏斗1的聚风并提速效应使进入迎风漏斗1的低速气流提高风速为30-36m/s的高速气流，驱动高速主风机4发电，电流通过塔架传输到地面箱变升压并经过输电线路传输到升压站，经过再次升压后传输至国家电网。

第二种：当风速高于3m/s时，通过迎风漏斗1的聚风并提速效应使进入迎风漏斗1的低速气流提高风速为大于30-36m/s的高速气流，此时机组系统会根据风速变化依次打开距离高速主风机4最近的高速小风机2前面的电动开合风门3，使得高速气流降低为30-36m/s的气流驱动高速主风机4发电，而部分气流则驱动已打开电动开合风门3的高速小风机2发电，当然，如果风速继续加大，机组系统会开启更多的电动开合风门3，使更多的高速小风机2进入发电状态，见图2所示，最终，高速主风机4和高速小风机2的电流汇集后再通过塔架传输到地面箱变升压并经过输电线路传输到升压站，经过再次升压后传输至国家电网。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。