一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机及供暖系统

1.本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机及供暖系统。


背景技术：

2.现有技术中，由于历史因素，我国南方地区至今未配备集中式的供暖系统，但由于环境湿度大、体感温度低，南方冬季也同样面临寒冷的考验。近些年，随着我国居民生活水平的稳步提高，南方地区的冬季供暖问题也逐渐成为了广大人民群众关注的民生问题。
3.自本世纪以来，以风能为主的新能源技术水平的不断突破和日趋成熟，发电成本大幅下降，已逐步成为可以与火电成本抗衡的发电形式。然而，风能主要应用于幅员辽阔、地势相对平坦的荒漠、草原、山地等地区，这些地区远离居民居住区域，风电产生的电力与城市距离较远，难以直接参与城市的经济发展。
4.我国南方地区风资源丰富，冬季平均风速大，这为风能利用提供了合适的契机。利用风能转化为热能进行区域供暖，具有一定的技术可行性和经济型。风力发电所需要占据的面积更小，单位发电的效率更高，能够与高层建筑进行更为紧密的结合，充分利用楼顶及大楼表面的风能，实现城市分布式微型电网的稳定调节。其不足之处在于：目前大型水平轴风力机技术成熟度高，但结构复杂、投资成本高；上风向尾翼小型风力机风能利用率低，易损伤破坏，寿命短，功率小；达里厄式垂直轴风力机安全等级高，但风能利用率低，技术成熟度低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，这种风力机安装在高层建筑顶部，可以合理地利用高空风能资源，其具有较高的能量转化效率，并且具有环境友好、低噪声等优点。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，包括风轮，所述风轮包括风机头，所述风机头的外侧沿周向分布有三个叶根，所述叶根朝外的一侧为叶中，对应三个所述叶中的端部设置有内转子，所述内转子顺时针旋转，对应所述内转子设置有外转子，所述外转子与内转子同轴心设置，所述外转子逆时针旋转，所述外转子的外侧沿周向分布有两个叶尖。
7.作为上述技术方案的进一步改进，所述叶根采用仿枫树种子的厚翼型结构，所述叶根还包括仿座头鲸的凹凸前缘和凸起状扰流板。
8.作为上述技术方案的进一步改进，所述叶尖为双分叉气囊结构，所述叶尖还包括仿猫头鹰的锯齿尾缘。
9.作为上述技术方案的进一步改进，还包括两级偏航控制器，所述两级偏航控制器包括一级主偏航模块和次级被动偏航模块，所述一级主偏航模块通过预编译的“风向-偏航”控制指令使上部风轮旋转，所述次级被动偏航模块利用下风向风轮本身的自偏航特性
实现自动对风。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述风轮通过连接件设置在塔架上，所述塔架设置在高层建筑顶部。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述风轮顶端设置有铝制避雷针，所述避雷针与引雷装置连接，所述引雷装置设置在塔架顶端。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述内转子朝外的一侧沿周向开设有u型槽，所述u型槽朝内设置有凸缘，所述外转子套设在u型槽内，所述连接件的固定端伸入u型槽内，所述外转子和内转子与固定端之间均留有可供外转子和内转子转动的间隙。
13.本发明还提出一种供暖系统，所述供暖系统包括若干上述提到的的风力发电机，用作为电源；变压器，将所述风力发电机产生的交流电转化为直流电；储能装置，采用“钒液流+超级电容”的混合储能系统；热泵，用于供暖；逆变器，用于驱动所述热泵工作。
14.本发明采用内外转子布局方案：内转子逆顺时针旋转，外转子逆时针旋转；两个转子之间的相对转速为有效转速，永磁发电机的外环为逆时针旋转的磁极转子端，其外侧连接叶尖，内环为顺时针旋转的线圈转子端，其内侧连接叶中，机组在运行过程中，叶根顺时针旋转，带动发电机内环旋转，而叶尖逆时针旋转，带动发电机外环旋转，由此，发电机的有效转速更高，可以保持较高的运行转速，其更容易稳定在额定转速附近，从而维持较高的效率。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用内部三叶片（叶根）、外部两叶片（叶尖）的叶片配置方案，同时具有三叶片结构承载力强和两叶片成本低两方面的优势，还可以充分弥补叶片数目对载荷波动的影响。内部的三个叶片不受到下方塔架的影响，即不存在塔影效应，两个叶尖为气囊结构，质量轻，惯性载荷小，相对于三叶片，其整体承受的塔影效应更弱，其产生的载荷波动及气动噪声也更小。
附图说明
16.图1为本发明优选实施例风力发电机的结构示意图。
17.图2为本发明优选实施例叶根和叶尖的结构示意图。
18.图3为本发明优选实施例连接件和塔架的结构示意图。
19.图4为本发明优选实施例内转子和外转子的剖面图。
20.图5为本发明风力发电机在使用时的结构示意图。
21.其中，1风轮，2风机头，3叶根，301凹凸前缘，302凸起状扰流板，4叶中，5内转子，501 u型槽，502凸缘，503铁芯转子，6外转子，601线圈转子，7叶尖，701锯齿尾缘，702气囊，8连接件，801固定端，9塔架，10两级偏航控制器，1001一级主偏航模块，1002次级被动偏航模块，11避雷针。
实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.如图1-4所示，为一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，包括风轮1，风轮1包括风机头2，风机头2的外侧沿周向分布有三个叶根3，叶根3朝外的一侧为叶中4，对应三个叶中4的端部设置有可顺时针旋转内转子5，对应内转子5设置有可逆时针旋转外转子6，外转子6与内转子5同轴心设置，外转子6的外侧沿周向分布有两个叶尖7，风轮1通过连接件8设置在塔架9上；内转子5朝外的一侧沿周向开设有u型槽501，外转子6套设在u型槽501内，连接件8呈弧形的固定端801伸入u型槽501内，u型槽501朝内设置有凸缘502可防止外转子6掉落或固定端801移位，外转子6和内转子5与固定端801之间均留有可供外转子6和内转子5转动的间隙；各部件表面经过金属抛光处理，表面光滑摩擦系数小，运行时润滑油脂在其表面形成的油膜可以最大程度上降低摩擦力。
24.与需要安装齿轮箱的双馈发电机不同，本发明采用的永磁发电机无需安装齿轮箱，具有维护简单，使用寿命长等优点；内外环分别采用逆顺时针旋转的两个转子，两个转子之间的相对转速为有效转速，永磁发电机的外环为逆时针旋转的线圈转子601端，其外侧连接叶尖7，内环为顺时针旋转的铁芯转子503端，其内侧连接叶中4；机组在运行过程中，叶片内侧顺时针旋转，带动发电机内环旋转，而叶片外侧逆时针旋转，带动发电机外环旋转，由此，发电机的有效转速更高，可以保持较高的运行转速，其更容易稳定在额定转速附近，从而维持较高的效率。
25.现代大型风力发电机组采用三叶片布局，其cp-lamda曲线较为平缓，并且受力相对平衡，对于小规模分布式风电系统，两叶片风轮1的气动性能则更具优势，并且由于叶片数目更少，安装更为简单方便，成本也更低。基于此，本发明采用内部三叶片（叶根3）、外部两叶片（叶尖7）的叶片配置方案，同时具有三叶片结构承载力强和两叶片成本低两方面的优势，还可以充分弥补叶片数目对载荷波动的影响。内部的三个叶片不受到下方塔架9的影响，即不存在塔影效应，两个叶尖7为气囊702结构，质量轻，惯性载荷小，相对于三叶片，其整体承受的塔影效应更弱，其产生的载荷波动及气动噪声也更小。
26.由于来流风的风向持续发生变化，风力机需要进行实时偏航，从而最大程度上捕获风能，大型机组在机舱内安装偏航电机实现主动偏航对风，但对应的控制机构复杂，运维成本高，需要额外消耗电能，小型机组则利用尾翼，采用下风向布局方式进行被动自动对风，但在风速及风向发生剧烈变化时，机组频繁的动作也容易导致叶片及塔架9发生损伤破坏。基于此，本发明还包括安装在塔架9中部的两级偏航控制器10，免除了传统的机舱偏航及尾翼等部件。两级偏航控制器10包括一级主偏航模块1001和次级被动偏航模块1002，其中，一级主偏航模块1001通过预编译的“风向-偏航”控制策略使上部风轮1旋转，降低扫风面积实现额定功率控制，次级被动偏航模块1002则利用下风向风轮1本身的自偏航特性，实现自动对风，其内部安装有高粘性阻尼器，可保证控制动作的平稳可靠及机组的安全性。
27.请参阅图2，叶根3主要提供结构支撑作用，对叶片及整机的可靠性和安全性至关重要，优选的，叶根3采用仿枫树种子的厚翼型结构，对传统的平尾缘翼型进行仿生学修型处理，得到的圆尾缘翼型具有更好的几何兼容性、结构承载力以及粗糙度不敏感性，同时保
持较高的升阻比，具有较好的气动性能；叶根3还包括仿座头鲸的凹凸前缘301和凸起状扰流板302，结合座头鲸鱼鳍凸起的仿生设计，选用凹凸前缘301方式，减缓叶片动态失速的影响，同时保证机组具有更好的起动性能；安装在叶根3压力面后缘附近的凸起状扰流板302可抑制叶根3三维非定常流动诱发的载荷波动，有效减弱流动分离，相对于工业界常用的t型扰流板，凸起状扰流板302具有光滑的外形，承载状态更好，并且具有更小的气动阻力，有利于进一步提升叶根3的气动性能。由于叶片80%的位置和叶尖7是主要的气动噪声来源，通过借鉴猫头鹰静音飞行的原理，在叶片80%附近安装锯齿尾缘701，使布置在高层楼顶的机组在运行期间保持较小的噪声水平，不影响周围民众的日常生活；同时，叶尖7采用航空飞机上应用的双分叉结构，通过调整叶尖7涡的形态，减弱叶尖7的气动噪声，同时减小诱导阻力，提升叶尖7的气动性能。本发明对传统叶片的叶根3、前缘、尾缘及叶尖7等进行仿生学优化设计，大幅改善空气动力学性能、提升风能转化效率、提高结构承载力和安全性、降低气动噪声大小、抑制载荷大小及幅值。
28.请参阅图5，本发明还提出一种供暖系统，包括三个上述提到的的风力发电机，用作为电源；变压器，将风力发电机产生的交流电转化为直流电；储能装置，采用“钒液流+超级电容”的混合储能系统；热泵，用于供暖；逆变器，用于驱动热泵工作。
29.冬季南方居民活动地区的地表平均风速低、湍流度大，城市内部的风资源质量不佳，将风力发电机安装在高层建筑的顶层可以保证有充足的能量来源，同时可以提高风能的品质，安装在建筑顶层不需要额外占据空间，由于机组安装有锯齿尾缘701和分叉式气囊702叶尖7，其产生的气动噪声较小，不会对周围居民的日常生活产生明显干扰。
30.由于风电机组安装在高层建筑顶端，风力机顶端是整个建筑的最高点，其容易触发引雷事故，优选的，在塔架9顶端布置引雷装置，在风轮1顶端安装铝制避雷针11，通过柔性引下导线绕风轮1半周后连接至塔架9顶端，之后与建筑物的引雷导线连接，建立完整的引雷通路，保证机组的防雷安全性。
31.本发明在使用时，将风力发电机作为电源，其产生的交流电通过变压器转化为直流电；同时，建立“钒液流+超级电容”的混合储能系统，其中，钒液流电池的储能容量大，超级电容的响应速度快，二者进行合理的容量分配；当需要进行制热时，电力通过逆变器，驱动地热源热泵工作，为社区范围内的各个家庭进行供暖；在无需供暖的其它季节，电力可输出至充电桩接口，为社区的电动汽车进行充电。
32.本发明的优点在于：（1）风能利用率高；（2）寿命长安全性高；（3）低噪声环境友好；（4）辅助调控电网负荷。
33.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，包括风轮，所述风轮包括风机头，所述风机头的外侧沿周向分布有三个叶根，所述叶根朝外的一侧为叶中，对应三个所述叶中的端部设置有内转子，所述内转子顺时针旋转，对应所述内转子设置有外转子，所述外转子与内转子同轴心设置，所述外转子逆时针旋转，所述外转子的外侧沿周向分布有两个叶尖。2.根据权利要求1所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，所述叶根采用仿枫树种子的厚翼型结构，所述叶根还包括仿座头鲸的凹凸前缘和凸起状扰流板。3.根据权利要求2所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，所述叶尖为双分叉气囊结构，所述叶尖还包括仿猫头鹰的锯齿尾缘。4.根据权利要求3所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，还包括两级偏航控制器，所述两级偏航控制器包括一级主偏航模块和次级被动偏航模块，所述一级主偏航模块通过预编译的“风向-偏航”控制指令使上部风轮旋转，所述次级被动偏航模块利用下风向风轮本身的自偏航特性实现自动对风。5.根据权利要求4所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，所述风轮通过连接件设置在塔架上，所述塔架设置在高层建筑顶部。6.根据权利要求5所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，所述风轮顶端设置有铝制避雷针，所述避雷针与引雷装置连接，所述引雷装置设置在塔架顶端。7.根据权利要求5或6所述的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机，其特征在于，所述内转子朝外的一侧沿周向开设有u型槽，所述u型槽朝内设置有凸缘，所述外转子套设在u型槽内，所述连接件的固定端伸入u型槽内，所述外转子和内转子与固定端之间均留有可供外转子和内转子转动的间隙。8.一种供暖系统，其特征在于，所述供暖系统包括若干如权利要求1所述的风力发电机，用作为电源；变压器，将所述风力发电机产生的交流电转化为直流电；储能装置，采用“钒液流+超级电容”的混合储能系统；热泵，用于供暖；逆变器，用于驱动所述热泵工作。

技术总结
本发明公开了风力发电技术领域内的一种适合我国南方供暖的聚能型风力发电机及供暖系统，所述发电机包括风轮，所述风轮包括风机头，所述风机头的外侧沿周向分布有三个叶根，所述叶根朝外的一侧为叶中，对应三个所述叶中的端部设置有内转子，所述内转子顺时针旋转，对应所述内转子设置有外转子，所述外转子与内转子同轴心设置，所述外转子逆时针旋转，所述外转子的外侧沿周向分布有两个叶尖，所述风轮通过连接件设置在塔架上。本发明能够安装在高层建筑顶部，可以合理地利用高空风能资源，并具有较高的能量转化效率，还具有环境友好、低噪声等优点。噪声等优点。噪声等优点。


技术研发人员：郭光星 朱卫军 沈文忠 彭益松 付士凤 金新航 胡学芹 陆雨霜 张延枫
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/8/1