一种基于引射效应的INVELOX风电系统出口结构及发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于引射效应的INVELOX风电系统出口结构及发电装置。

背景技术

传统风力机启动风速较高、风能利用效率低等局限性，并不适用于低风速的地区，广大的低风速风力资源区风能资源无法得到充分利用。因此，如何更好地利用三、四类风区的能量变成人们研究的重点。SheerWind能源创业公司提出一种INVLEO风电系统，INVLEO风电系统取消了塔式涡轮机，其有全新的风能捕获方式，摆脱了传统的扇叶，而且只要风速达到1m/s就可以发电，发电效率更是高达60％-90％。但在进风口自由流速较低的情况下，INVLEO风电系统的出风口回流区大，易发生较为严重的堵塞。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种基于引射效应的INVELOX风电系统出口结构及发电装置。

根据本发明的一个方面，一种基于引射效应的INVELOX风电系统出口结构，用于在所述INVELOX风电系统的文丘里管的出口处形成低压区，所述出口结构包括引射管，所述引射管具有接收段、扩压段以及设在所述接收段与所述扩压段之间的平直的混合段，沿着背离所述混合段的方向，所述接收段、所述扩压段所具有的腔体的横截面积均增加；

所述混合段的至少一部分以及所述接收段套设在所述文丘里管靠近所述出口处的部分，所述混合段的至少一部分以及所述接收段与所述文丘里管之间围设出环形空间，所述环形空间用于引入第二气流至所述出口处，所述第二气流与所述文丘里管引入的第一气流掺混；

在通过所述引射管的轴线的平面上，所述接收段内壁的横截面积逐渐缩小。

根据本发明的至少一个实施方式，所述扩压段为圆锥台状的管体，所述圆锥台的锥角为6°～10°。

根据本发明的至少一个实施方式，所述接收段具有背离所述混合段的第一开口，所述文丘里管具有喉道以及与所述喉道连接的出口段，所述出口段具有背离所述喉道的第二开口；

所述第一开口至少位于所述喉道的管壁外侧，和/或，所述第二开口至少位于所述混合段的管壁的内侧。

根据本发明的至少一个实施方式，所述第一开口与所述喉道中的风力发电装置的过中心的横截面共面；和/或，所述第二开口与所述混合段的过中心的横截面共面。

根据本发明的至少一个实施方式，所述接收段的内壁具有预定曲率半径的圆弧段，所述第一开口的直径与所述混合段的内壁的直径的比值为4:2.7，所述圆弧段的曲率半径与所述第一开口的直径的比值为0.8:4；和/或，

所述扩压段具有背离所述混合段的第三开口，所述第三开口的直径与所述第一开口的直径的比值为4:3；和/或，

所述第三开口与所述混合段之间的间距与所述第一开口直径的比值为2.3:4；和/或，

所述混合段的长度与所述第一开口直径的比值为0.1:4。

根据本发明的至少一个实施方式，所述喉道的直径为d，所述文丘里管具有与所述喉道连接的进口段，所述进口段具有背离所述喉道的第四开口，所述第四开口的直径为1.7d，所述第二开口的直径为1.35d。

根据本发明的至少一个实施方式，所述文丘里管的中心轴与所述引射管的中心轴共线。

根据本发明的至少一个实施方式，所述引射管的管壁的材质为金属、塑料中的一种，当所述引射管的管壁的材质为塑料，所述管壁为至少一个环状的气囊，各个所述气囊的内侧壁围设出供气流通过的流道。

根据本发明的至少一个实施方式，所述气囊具有充放气的阀门，所述气囊用于存储气体，所述气体的密度小于空气的密度。

本发明的另一目的在于提供一种发电装置，包括文丘里管、至少部分套设在所述文丘里管的出口段外侧的上述的引射管，所述文丘里管的喉道设有风力发电装置。

根据本发明的至少一个实施方式，还包括聚风装置，所述聚风装置为INVELOX聚风装置，所述INVELOX聚风装置设有竖直段以及转动设在所述竖直段的文丘里管，所述引射管的接收段及所述引射管的混合段的一部分套在所述文丘里管外。

根据本发明的至少一个实施方式，还包括聚风装置，所述聚风装置为INVELOX聚风装置，所述INVELOX聚风装置设有竖直段以及在所述竖直段底部的文丘里管，所述引射管的接收段及所述引射管的混合段的一部分套在所述文丘里管外；所述引射管及所述文丘里管均置于室内。

本发明的有益效果是：本发明通过在文丘里管的出口处设置引射管，由于沿着背离混合段的方向，接收段和扩压段所具有的腔体的横截面积均增加，从而形成引射效应，在第二气流能经环形空间被引入引射管，并使第二气流与文丘里管引入的第一气流发生掺混，由于扩压段的内壁具有预定曲率半径的圆弧段，因此，第二气流在环形空间内会被加速，第二气流经过接收段的加速后，其速度大于第一气流的速度，第二气流与第一气流在混合段发生掺混，并在文丘里管的出口处形成低压区，从而使整个INVLEO风电系统的进风口和出风口的压力差增大，进而增加整个INVLEO风电系统的流量，大幅度的提升INVELOX风电系统的关键性能参数：加速比，使得INVLEOX风电系统的风力涡轮所在位置的风速更高，能够实现更高效的风能利用，并有效改善现有技术中INVLEO风电系统存在的堵塞问题。

附图说明

附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是现有技术中INVLEO风电系统的示意图。

图2是现有技术中INVLEO风电系统在室外空地应用的示意图。

图3是现有技术中INVLEO风电系统在室内应用的示意图。

图4是根据本发明的实施方式的引射管的示意图。

图5是根据本发明的实施方式的引射管的正视图。

图6是根据本发明的第二实施方式的引射管的示意图。

图7是根据本发明的第三实施方式的引射管的示意图。

图8是根据本发明的实施方式的发电装置的示意图。

附图标记：1-接收段；2-混合段；3-扩压段；4-文丘里管；5-圆弧段；6-第一开口；7-喉道；8-出口段；9-第二开口；10-第三开口；11-第四开口；12-进口段；13-气囊；14-收缩进气道；15-导流锥；16-风力发电装置；17-第一截面；18-第二截面；19-支撑架；20-地平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。

图1示出了现有技术中的INVELOX聚风发电系统，从本质上来说，INVELOX聚风发电系统是一个对自然风的捕获并利用的系统，利用其漏斗形状的收缩进气道14实现全方位捕获自然风，并通过导流锥15的引流作用，引导自然风通过锥形流道，自热风经文丘里管4加速，利用加速过的高速风驱动安装于文丘里管4的喉道7处的风力发电装置16如风力涡轮旋转做工发电，最后自然风通过文丘里管4的出口排出。

图2示出了现有的INVELOX聚风发电系统放置于室外空地的应用情景，INVELOX聚风发电系统通过支撑架19固定在地平面20上方，其问题在于，由于室外自然风会阻碍文丘里管4的出口，并且文丘里管4的出口段8存在逆压力梯度等问题，从而会产生回流和堵塞。

图3示出了现有的INVELOX聚风发电系统的文丘里管4放置于室内或地下的应用情景，由于室内或地下的气体速度极低、流动性差，造成文丘里管4的出口堵塞，流动特性等急剧恶化，不能起到聚风加速的效果。

为解决现有技术中INVELOX聚风发电系统出口即文丘里管4的出口堵塞的技术问题，请参阅图4和图5，根据本发明的第一实施方式，提供了基于引射效应的INVELOX风电系统出口结构，用于在所述INVELOX风电系统的文丘里管4的出口处形成低压区，所述出口结构包括引射管，引射管具有接收段1、扩压段3以及设在接收段1与扩压段3之间的平直的混合段2，沿着背离混合段2的方向，接收段1、扩压段3所具有的腔体的横截面积均增加；混合段2的至少一部分以及接收段1套设在文丘里管4靠近出口处的部分，混合段2的至少一部分以及接收段1与文丘里管4之间围设出环形空间，环形空间用于引入第二气流至出口处，第二气流与文丘里管4引入的第一气流掺混；所述接收段1内壁的横截面积逐渐缩小。

由于沿着背离混合段2的方向，接收段1、扩压段3所具有的腔体的横截面积均增加，因此，本实施例的引射管能产生引射效应。引射效应是指高速、高压的气流通过粘性和湍流掺混作用将能量传递给低速、低压的气流，并使低速、低压的气流总压升高的效应。

实际上，第二气流和第一气流是两股不同的气流，因此，第二气流和第一气流掺混时不可避免的会发生损失，在本实施方式中，将文丘里管4的出口设在混合段2部分，即混合段2的至少一部分以及接收段1套设在文丘里管4靠近出口处的部分，从而减少第二气流和第一气流掺混时的损失，并确保混合段2中第二气流和第一气流掺混后的速度大于现有技术中文丘里管4出口处的气流速度，以达到引射的效果。

由于本实施例中在通过引射管的轴线的平面上，接收段1的内壁具有预定曲率半径的圆弧段5，因此被引入的第二气流是沿着收缩通路运动，因此第二气流会有一定的加速，加速后的第二气流与第一气流发生掺混，从而在混合段2形成局部的低压区，增加了INVLEO风电系统的进风口和出风口的压力差，进而增加INVLEO风电系统的系统流量，从而减轻INVLEO风电系统出风口处的堵塞问题。

综上，本实施例的引射管通过截面先收缩再扩张，产生引射效果，再通过将文丘里管4的出口设在混合段2内，减少第二气流和第一气流掺混时的损失，并使第二气流和第一气流掺混后的速度更大，达到引射效果，再通过将接收段1的内壁设为预定曲率半径的圆弧段5，使进入引射管的第二气流得到加速，从而使得第二气流与第一气流发生掺混后形成局部的低压区，进而改善现有技术中INVLEO风电系统出风口处的堵塞问题。

掺混后的第二气流和第一气流在扩压段3中气体动能变为压力能，且速度下降，气体减速伴随着一定损失，通常，扩压段3呈锥形，若扩压段3锥角过大，气体会在扩压段3发生分离，进而使损失扩大；若扩压段3锥角过小，又会使扩压段3的扩压效率降低。在一些实施方式中，请参阅图4、图5或图6，扩压段3为圆锥台状的管体，圆锥台的锥角为6°～10°，从而既抑制气体分离又能提高扩压段3的扩压效率。在一些实施方式中，圆锥台的锥角为7°，在另一些实施方式中，圆锥台的锥角为8°，在另一些实施方式中，圆锥台的锥角为9.5°。

请参阅图5，在一些实施方式中，接收段1具有背离混合段2的第一开口6，文丘里管4具有喉道7以及与喉道7连接的出口段8，出口段8具有背离喉道7的第二开口9；第一开口6至少位于喉道7的管壁外侧，和/或，第二开口9至少位于混合段2的管壁的内侧。

第一开口6至少位于喉道71的管壁外侧，而文丘里管4自喉道7至出口横截面是增大的，因此确保环形空间沿气流方向的横截面积是缩小的，从而对第二气流进行加速；而第二开口9至少位于混合段2的管壁内侧，确保第二气流和第一气流在混合段2内掺混，以减小第二气流和第一气流掺混引起的损失。在此基础上，请参阅图5，第一开口6与喉道7中的风力发电装置16的过中心的横截面共面；和/或，第二开口9与混合段2的过中心的横截面共面。第一开口6与喉道7中的风力发电装置16的过中心的横截面共面，是指，第一开口6位于过喉道7中风力发电装置16的中心且垂直气流方向的平面即第一截面17上，可以理解的是，当风力发电装置16为一个风机时，该风机的中心即为风力发电装置16的中心；当风力发电装置16为多个风机时，多个风机共同的中心即为风力发电装置16的中心。第二开口9与混合段2的过中心的横截面共面，是指，第二开口9位于过混合段2中心且垂直气流方向的平面即第二截面18上，即当混合段2沿气流方向的长度为L时，第二开口9位于混合段2L/2处，从而减少第二气流和第一气流掺混引起的损失。

请参阅图6，在一些实施方式中，在通过引射管的轴线的平面上，接收段1的内壁具有预定曲率半径的圆弧段5，第一开口6的直径与混合段2的内壁的直径的比值为4:2.7，圆弧段5的曲率半径与第一开口6的直径的比值为0.8:4，从而减小整个引射段的体积，降低实际应用成本；和/或，扩压段3具有背离混合段2的第三开口10，第三开口10的直径与第一开口6的直径的比值为4:3；和/或，第三开口10与混合段2之间的间距与第一开口6直径的比值为2.3:4；从而使扩压段3的锥角更平缓，以减少扩散逆压梯度引起的气体分离；和/或，混合段2的长度与第一开口6直径的比值为0.1:4，以减小文丘里管4出口段8的长度，进而使第二气流和第一气流的速度差减小，以减少第二气流和第一气流掺混引起的损失。在此基础上，喉道7的直径为d，文丘里管4具有与喉道7连接的进口段12，进口段12具有背离喉道7的第四开口11，第四开口11的直径为1.7d，第二开口9的直径为1.35d。由此可以计算得到接收段1的进出口横街面积比约为2.7，文丘里管4的进出口横截面积比约为1.6，根据二维流动理论，接收段1的出口即混合段2的进口处，被引射的第二气流的速度是大于文丘里管4引入的第一气流的速度的，所以通过引射而进入的第二气流，经过接收段1的加速后，被引射的第二气流在混合段2时速度是大于文丘里管4引入的第一气流的速度的，因此，第二气流能与第一气流发生掺混，并能在混合段2处形成局部的低压区。

请参阅图6，在一些实施例中，第一开口6的直径为4d，接收段1的内壁的曲率半径为0.8d，混合段2的内壁的直径为2.7d，混合段2沿轴向方向的长度为0.1d，第三开口10的直径为3d，第三开口10与混合段2的出口之间的间距为2.3d，与现有技术相比，上述尺寸比例的文丘里管的出口段更短，从而使此处第二气流速度增大，进而减小第二气流和第一气流的速度差，降低掺混损失；同时，缩短文丘里管的出口段，使接收段的直径更小，降低成本。在流体仿真软件FLUENT中仿真模拟计算了INVLEOX风力发电系统在安装本引射管前后的关键参数，仿真计算中，设定风速为6.7m/s。表1为室外空地应用情景下的仿真结果，表2为室内应用情景下的仿真结果。

表1室外空地应用情景下的仿真结果

从表1可以看出，对于在室外平地的常规使用场景中，与现有技术相比，安装本引射管后的INVLEOX风力发电系统的平均加速比提升35％，最大加速比提升23％，流量提升24％。由于INVLEOX风力发电系统的功率和风速的关系是三次方，所以加速特性的提升表现在风能利用功率中的效果是更高效的，对于同样效率和直径的风力涡轮来说，安装本引射管后的INVLEOX风力发电系统的风力涡轮功率将是现有技术的2.46倍，对于低风速地区的风速能够以更高效的方式利用。

表2室内应用情景下的仿真结果

从表2可以看出，对于将INVLEOX风力发电系统的文丘里管4放置于室内的应用场景，与现有技术相比，安装本引射管后的INVLEOX风力发电系统平均加速比提升45.4％，最大加速比提升43.8％，系统流量提升38％。在此基础上的风力涡轮功率将是现有技术的3.07倍。

请参阅图5或图6，在一些实施例中，文丘里管4的中心轴与引射管的中心轴共线，以使第二气流的速度分布更均匀，减小第二气流与第一气流之间的速度差，进而减少第二气流和第一气流掺混引起的损失。

实际上，引射管的管壁的材质可为金属、塑料中的一种，当引射管的管壁的材质为塑料，示例性地，塑料为高强尼龙、超高密度聚乙烯，可以理解的是，具有一定强度的塑料均可用于本发明的管壁，当为金属材质时，可以采用一体成型或铸造的方式，便于生产。请参阅图7，管壁为至少一个环状的气囊13，各个气囊13的内侧壁围设出供气流通过的流道。从而在本引射管工作时，在气囊13内填充密度比空气小的气体如氦气，将引射管撑开呈管状；而在本引射管不工作时，放出气体，引射管收拢，实现快速安装和拆卸，且成本更低。当设置一个气囊时，可以是引射管一部分的内壁与外壁之间为空腔，也可以是整个引射管的内壁和外壁之间为空腔；可以是，引射管的内壁和外壁即为气囊的壁；也可以是将现有气囊置于引射管内壁和外壁之间的空腔中；当设置多个气囊时，多个气囊可呈环形，多个环形的气囊沿轴向排布；或者气囊为弧形，多个气囊沿轴向排布多圈，每圈沿周向排布多个气囊。

在一些实施方式中，为便于气囊13充放气，气囊13具有充放气的阀门，气囊13用于存储气体，气体的密度小于空气的密度。阀门可为换向阀，并与气源连接，气源可为氢气或氦气等密度比空气小的气体。打开阀门，将气囊13内的气体排出，使引射管收缩，从而便于移动引射管。其次，通过在气囊13内填充密度比空气小的气体已产生浮力，并通过相关支架固定，其成本低，并且可以实现快速安装和拆卸，以适应不同的风速和工况。

请参阅图8，本发明的另一目的在于提供一种发电装置，包括文丘里管4、至少部分套设在文丘里管4的出口段8外侧的上述的引射管，文丘里管4的喉道7设有风力发电装置16。发电装置的有益效果与上述引射管的有益效果一致，在此不再赘述。

在一些实施方式中，发电装置还包括聚风装置，聚风装置为INVELOX聚风装置，INVELOX聚风装置设有竖直段以及转动设在竖直段的文丘里管4，引射管的接收段及引射管的混合段的一部分套在文丘里管4外。在室外的应用场景中，由于室外的风向是随机且不断变化的，因此增加引射管后需考虑风向问题，本实施例通过设置转动的文丘里管4和引射管，便于发电装置对风。

在一些实施方式中，发电装置还包括聚风装置，聚风装置为INVELOX聚风装置，INVELOX聚风装置设有竖直段以及在竖直段底部的文丘里管4，引射管的接收段及引射管的混合段的一部分套在文丘里管4外；引射管及文丘里管4均置于室内。考虑到常规室外应用的时候，添加引射管之后，虽然大幅度提高了系统流量和加速比，提高了系统性能，但是因为放在室外，而室外的风向是不确定的，风向是非规律的变化的，从而影响引射管的效果，将文丘里管和引射管放置于室内，可以有效避免引射管受到风向影响的这个缺点；其次，在城市中的应用场景中，就是符合所说的下半部分放置于室内的情况，属于适合城市这种小型化风力发电系统发展。但是对于现有技术中的INVELOX风电系统放置在室内的情况也存在问题：现有技术中的INVELOX风电系统的文丘里管放置于室内，由于室内气体速度极低、流动性差，造成文丘里管出口堵塞，进而导致系统加速性能恶化，使得INVELOX风电系统仅具备全方位进气功能，针对室内应用场景，本实施例通过在文丘里管出口处设置引射管，可以有效改善上述文丘里管出口堵塞的问题，使得INVELOX风电系统在室内情景下，依然具有很好的加速性能，并且不受到室外风向不确定的影响，是一个可以兼顾系统优点的方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。