專利名稱：高差引拔式人造風力發電裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種利用大氣高度壓力差形成人造風場的風力發電裝置及其方法。
背景技術：
在有限的能源資源日益減少，環境日益惡化的形勢下，風力發電等再生能源的開 發利用日益引起人們的重視，然而，目前的風力發電技術還停留在依賴自然條件初級階段， 受自然風場風力變化較大和場地地形特殊等因素影響，使得風力發電的投入大，單臺機組 發電量產出較低低，實際發電時間少(年發電時間僅1/4)，而且每臺每時風速不穩定，當風 力發生細微變化或負載發生變化時，轉子的扭矩平衡將打破，當風力扭矩大于負載力矩時， 轉子將加速旋轉，當風力扭矩小于負載力矩時，轉子將減速，造成發電機輸出頻率波動較 大，自然風力發電由于風力不確定，造成頻率不能調整，因此存在輸配電功率匹配及并網困 難等技術問題。因此，風力發電還不能被廣泛應用。但作為可再生能源，風力發電的推廣應用勢在必行，為此，人們一直有一個人造 風力發電夢想，經查詢，公開的關于人造風場發電的專利就相當多，利用溫差和高度壓力 差的連通管效應產生風力的國內外專利也不少，如申請號86103475聚風網式風力發電 站、申請號011236310煙囪式風力發電式設備、申請號86108466人造風能發電方法、申請 號200720141977. 0人造風能風力發電塔，還有申請號200510126606. 0 一種下曳型人造龍 卷風發電裝置及其方法等等，均提出了從原理上可行的利用高差和溫差連通器同樣的基 本構思，更有不利用自然力的封閉循環連通通道的所謂“永動式人造風力發電機(申請號 200810028505. 3) ”，種種專利在結構上可謂千奇百怪，但基本都存在對風力形成機理及能 量轉換理論的認識錯誤的問題，如200510126606. 0 一種下曳型人造龍卷風發電裝置及其 方法提出利用制造旋轉風場、以上多種專利都提到為在同風道內道配多級葉輪發電機的方 案，有些不少提到加熱(不考慮功率耗能問題和效率問題)提高溫差的方案，甚至是臆想或 對其效果的夸大，如永動式人風力機等，由于缺乏理論依據，基本都把消耗忽略了，把產出 效果放大了，有些理論計算竟然混淆了能量和功率的概念，同樣由于理論認識問題，提出的 結構方案多數是不現實和或不可行的，更不用說指導發電電站設計。

發明內容
本發明人從廠房屋頂自動排風扇獲得靈感，在對高差連通管中風流的形成過程進 行動力學機理分析的基礎上，提出了一種高差引拔式人造風力發電裝置及其設計理論方 法。高差引拔式人造風力發電裝置是用一個具有一定高度的引拔管道利用其上下兩端大氣 高度壓差的作用形成連續穩定人造風道、并利用其風力發電的裝置，包括高差引拔裝置、風 力發電裝置、調速裝置、電力輸出處理控制系統等全套發電設備，相應提出了該發電裝置的 等效能量計算方法、功率測算及型號參數匹配方法、提高能量轉換率方法、調速及超速保護 方法等全套設計理論方法，解決了目前自然風力發電風力不穩定不受控、能量利用率低、輸 配電功率不匹配、并網困難等一系列技術難題，澄清了以往類似人造風力發電方法的理論誤區，將使人造風力發電技術從空想變為現實，使風電開發重心從鄉村轉向城市，不僅讓人 們用上真正無污染無能源消耗的自發電，還可消除城市熱島效應、改善人居環境。高差引拔式人造風力發電裝置的結構示意圖見附圖1，圖中所示的高差引拔式人 造風力發電裝置，包括高差引拔裝置、風力發電裝置、調速裝置、電力輸出處理控制系統等 全套發電裝置。其中，高差引拔裝置包括聚風室(11)、葉輪軸支座(12)的聚風口導流通道、葉輪區過 流風道、調速閥座(5)及其變徑管道(6)、引拔管道(3)等組成的連通風道，其特征是所形 成的從聚風口至引拔管出口間具有一定高度差H和有效截面積S的、連續、側壁密封、上下 貫通的連通風道垂直安裝在聚風室頂部的聚風口位置，在聚風室出風口安裝一個具有下大 上小的聚風口和環形導流風道的葉輪軸支座，葉輪上方依次安裝引拔管頂端變徑管道、調 速閥座、引拔管，引拔管頂部裝有避雷針(1)和防雨罩(2)；風力發電裝置包括在聚風口變與徑管道之間安裝的實現動能轉換葉輪(9)、葉 輪軸(12)、聯軸器(13)、發電機(17)，其特征是葉輪是一個通流面積大于引拔管、葉片間 軸向投影無縫隙無搭接的立式軸流式葉輪，聯軸器13是一個可拆卸的柔性聯軸器，拆下聯 軸器所留出一定高度，可將軸承座連同葉輪一起從聚風室出口卸下；立式發電機安裝在聚 風室底座基礎上調速裝置包括裝于在葉輪上方引拔管管內的伺服電動風門4、裝在發電機轉子 輸入端位置的超速保護制動器15、轉速傳感器、調速控制系統，其特征是風門的電動驅動 頭、驅動軸、軸承等都裝在管道外可與風門分離，風門可以從引拔管下方卸下；轉速傳感器 所采集轉速信號經伺服調速系統發出控制風門開度指令，當轉速控制失靈發生超速時，制 動器自動制動，需要檢修時，將風門關閉，同時使制動器制動。其風力產生及發電原理引拔管上下兩端存在大氣壓力差和溫度差產生了對管道 中的空氣向上的推力，從而使管道中的空氣形成對流并在在聚風室出風口形成一定能量密 度的風力推動風力輪旋轉，風力輪帶動發電機轉子旋轉，通過發電機發電。其調速原理及方法用改變閥門開度改變風力大小進而達到風力力矩與負載力矩 平衡的方式來調整轉速，具體控制方法是用轉速傳感器一直檢測轉子速度，用一個伺服控 制器以較高頻率不斷判斷速度變化趨勢，并按每一變化趨勢不斷給電動頭發出相應調節變 化驅動指令，即，速度要降低時發出加大閥門開度的指令，速度要升高時發出減小閥門開度 的指令，直至轉速區于穩定至額定轉速；在調速失控的情況下，制動裝置將緊急制動。下面，對以上所述的引拔管產生風力的過程及效果進行動力學分析，并推導出最 大速度、平均加速度，能量及功率的近似計算公式，通過理論分析和推導得出的這些公式中 可作為本引拔式人造風力發電裝置的理論和設計依據。首先，請看一份國際航空通用的大氣標準表。見附表
從以上表中可以看出，垂直高度升高，大氣壓力越低，溫度越低，在3000英尺以 內，每上升1000英尺(304. 8m)，氣壓下降約1.03英寸汞柱(3386Pa)，溫度約下降2°C，即， 氣壓遞減率(ΔΡ)約為1177Pa/100m，溫度遞減率(Δ T)約為0. 4°C /100m。再對引拔管內的氣體作為對象進行動力學分析，為了簡化分析和推導過程，在此 先用理論力學的最基本動力學基本原理對管道中氣體受力狀態進行宏觀分析和推導，從作 用效果上講，其宏觀分析結果與流體力學(微觀)分析的結果是一致的(理論力學的基礎 是流體力學的基礎)，以下分析方法可稱之為能量等效分析法。假設氣體先處于靜止狀態，它受向下地球引力(重力)、向上的大氣浮力、和兩端 壓力差產生的向上的推力。若不考慮溫差，浮力與重力相等，溫差對流效應從理論上講是氣 體體積膨脹變化的結果，在垂直管道內的作用效果可以等效看作為體積膨脹造成浮力的加 大。壓差對管道中氣體產生的推力為SX ΔΡΧΗ/100體積膨脹量AV= ATXSXH2/273/100浮力增加量為AVXpXg= ρ XgX ATXSXH2/27300(單位N)因此，引拔管道內受到的向上的推力為EF = SX ΔΡΧΗ/100+Ρ XgX Δ TX SXH2/27300 (單位N)從上式比較兩種作用力的大小可以看出，由于溫差有限，由溫差產生的上升力相
對較小，其作用效果可能不足以抵消在流動后管壁的摩擦阻力產生的能量損失，在此也忽 略不計。因此可以認為，高差引拔管的引風效果主要是由大氣壓力差形成的。以前認為由 溫差為主的認識是一種誤解，采用加熱空氣的方法提高溫差的想法是不現實的，因為顯而 易見，其能量利用率將會很低，即使考慮利用太陽能加熱，由于空氣的快速流動，能夠提高 的溫差也是相當有限的，因此，有Σ F SX ΔΡΧΗ/100式中，H——弓丨拔管道垂直高度，單位mS——弓丨拔管道截面積，單位m2P-空氣密度，1. 3kg/m3g——重力加速度，9. 8m/s2ΔΡ——壓力梯度，1177Pa/100mΔ T——溫度梯度，0. 4K/100m由于受力不平衡，管道中的空氣勢必產生加速運動，為了簡化計算，暫不考慮運動 產生管壁阻力(阻力效果在總效率中考慮)，其加速度為a = Σ F/M= Δ P/ρ /100^ 9m/s2出口速度為V = (2 X a X H) .5(單位m/s)氣體在管道中的運行時間為t = V/a(單位m/s)從微觀上分析，空氣是一種連續的柔性流體，空氣在管道中的流動過程是不同高 度區域的速度是變化的，在進口區域會有一個急劇加速過程，在產生流動后，由于流動產生 的負壓作用，使進口處的氣體受到更大的引力作用，因此氣體在進口區域加速度要比上述 計算要大得多，而進入管道后氣體將受到流動負壓阻力和管道摩擦阻力作用，再形成減速 區，到達一定高度后氣體受力趨于平衡狀態而穩定的出口速度，從連續作用的總體效果來 看，最后可以用平均速度作為能量計算依據。氣體在經過葉輪實現能量轉換及通過調速風門控制后流速會大大降低。為了區別 實際速度，我們把以上推導的速度公式求得的速度稱之為引拔效能速度。從速度公式來看， 風流速度與截面積無關，只與高度的1/2次冪成正比，通過計算可知，引拔管高度達到600m 時，效能風速即可到達100m/S。因此，管道氣體經過引拔管后產生動能為W = MXV2/2= aX P XSXH2^ 11. 7XSXH2= 9· 1845 X D2 X H2 (單位J 焦耳)式中，D——引拔管通徑，單位m總功率為N = ff/t/1000(單位kw 千瓦)
以上推導是在不考慮管道中安裝葉輪的情況下對引拔管作用效果的分析結果。從能量計算公式可見，引拔管所產生的風能(即引拔效果)與其有效流通面積成 正比，與其垂直高度的平方成正比，這就為本風力發電裝置的設計提供了依據。在安裝了葉輪后，氣流在經過葉輪時發生流變，將風能轉換成動能，如果葉輪承受 一定的負載扭矩時，相當于給了氣流施加了流動阻力，使氣流流速降低，承受的負載越大， 減速效果越大，負載穩定時，出口的流速將穩定新的平衡狀態。氣流對葉輪的作用有一個作 用效果的問題，氣流在通過加速區域及葉輪區域的而產生的流變過程中，肯定存在一定的 摩擦能量損失和紊流能量損失，加上引拔管內的流動摩擦損失，綜合體現為發電裝置能量 轉換率，最后得到葉輪旋轉功率即發電功率為Nd = NX η(單位kw 千瓦)式中，——發電裝置能量轉換率，根據有關資料提示，風力葉輪的能量轉換率為 85%左右，考慮摩擦及紊流能量損失后，可取55 75%作為設計參考，最后以實際效果為 準。為了直觀地反映出本風力發電技術方法的實際效果，以有效通流面積為14m2，引 拔管垂直高度300m的引拔管為例，單臺發電裝置裝機容量可達1300kw，達到目前國內風力 發電裝機最大容量。本發明具有如下明顯的社會效果1、使風力發電不受氣候條件的限制，提高發電機運行率，大大降低了風電成本；2、隨意調控風力大小，以適應負載的隨機變化，徹底解決以往風電存在的輸配電 功率匹配問題；3、可人為控制風速和發電機轉速，穩定發電機轉速，輸出電力頻率固定，減少電力 輸出控制成本，方便實現并網；4、通過結構參數變化可方便得到不同的發電功率參數，方便電站設計及運行成本 控制。5、由于風力發電是無污染的再生能源，將使風力發電在城市中立足，可將發電站 與高層建筑及商住片區溶于一體，使未來的每個高層建筑和片區真正用上環保清潔的自發 電，另外引拔管產生的空氣對流還可可改善城市的熱島效應，能對改善城市環境作出重要貝獻。


圖1為配有立式風力發電機的典型高差引拔式人造風力發電裝置，圖中，1——避雷針，應有效接地，防雷電；2——防雨罩，防止雨水流入引拔管道；3——引拔管道，利用高度壓力及溫度差(主要是壓力差)使空氣順著管道向上流 動形成一定速度的氣流；4——電動調速風門，由速度伺服控制裝置控制，通過跟蹤檢測發電機轉速變化趨 勢，及時調節閥門開度，從而調整發電機轉速趨于穩定狀態；蝶形風門還可防止空氣通過葉 輪后在管道中產生中漩渦以避免能量損失；5——電動調速閥閥座，安裝電動調速閥的管道部分，電動驅動頭及閥門軸承座安裝在管道外面；6——變徑管道，形成過渡區，減少摩擦產生的能量損失7——葉輪安裝螺母，為了防松螺紋旋向與葉輪旋轉方向一致；9——鍵(或花鍵連接)，將葉輪產生的扭矩傳遞到發電機轉子軸上；9——風力葉輪，將風能轉化為葉輪及發電機轉子的旋轉動能，葉輪可以是軸流式 葉輪或渦輪式葉輪；10——軸承，支撐葉輪及轉軸重量及風力產生的軸向力；11——聚風室及安裝基礎12——帶導流風道的軸承座，有內圈和外圈，，外圈連接在引風室出風口，內圈作 葉輪軸支撐，內外圈間形成導流風道，用3條或4條輻條聯成一體，輻條可以阻止產生渦旋
氣流；
13—一軸承蓋，軸承定位和密封，防止軸承串動及灰塵進入；
14—一葉輪回轉支撐軸，支撐葉輪并傳遞扭矩；
15—一柔性聯軸器，補償同軸度誤差，采用可拆卸結構，方便葉輪及閥門維修；
16—一超速保護制動器，超速及檢修發電機時制動。
17—一立式發電機，通用技術，選專業廠家配套生產，如果采用臥式葉輪，發電機
相應為臥式發電機。圖2為葉輪軸向投影圖，圖中，1——輪轂，2——葉片，相鄰葉片投影無縫隙無搭接圖3為葉輪側向視圖，圖中，1——輪轂，2——葉片，葉片外徑寬度大于內徑寬度
具體實施例方式本發電裝置具體實施方式
體現在以下幾個方面1.場地選擇及引拔管安裝方式由于采用引風裝置，不受自然條件的限制，本發 電裝置對場地沒有要求，特別適合在城市中建造；由于傾斜結構會降低能效，安裝成本較 高，故宜采用垂直安裝引拔管，其結構最簡單、能效最高，成本最低。為了降低基建投資和輸 變電設施投資，可以在高層建筑、較集中商住區域的設計中進行配套設計，使高層建筑及城 市商住區域供電實現自發自用，這也是本發明的重要推廣目標之一。引拔管材料根據其規 模和工藝成本在建筑設計中確定。2.裝機容量和數量確定發電站的裝機容量和數量，以所供區域所需用電量匹配 為準。如設計并網電站，則按投資規模和總裝機容量設計為準。3.引拔管結構參數的確定為方便生產組織，引拔管和葉輪應作通徑系列設計， 不同的通徑配不同的引拔高度，經初步測算，即可得到不同的裝機容量配置；為方便型號的 選擇及匹配，可規格編制系列裝機容量測算表。以通徑4m、6m、10m規格通徑為例計算列表 如下 4.發電機功率參數的確定；發電機功率參數測算與標定首先根據裝機預計總容量按系列化原則確定單臺引 拔管管徑，再用發電機功率公式取能量轉換率經驗值測算配套發電機功率，按測算的功率 配套選擇發電機型號，發電機容量可以留一定富余量，選大一點的型號系列，最后在發電機 發電調試過程中重新標定功率如在最大電力負載時，閥門開度最大還不能達到額定轉速， 則說明，功率匹配計算中效率定高了，此時發電機組必需降低功率使用；相反，在額定負載 時，如閥門開度較小，說明計算時效率定的保守了，功率按原標定功率不變。在積累一定匹 配經驗后，選型匹配會較為準確。額定轉速國內供電頻率55赫茲，根據發電機磁極對數確定，6極轉速lOOOr/min， 8極750r/min、10極600r/min、12極500，考慮葉輪強度設計和降低噪音，轉速不宜太高；但 極數越高，同功率發電機成本體積越大，扭矩越大，扭矩大小還影響葉輪的強度計算，因此 轉速也不宜太低，需要綜合平衡考慮。5.提高效能的技術措施以往各種專利中提出的在同一管道內串聯設置多個風力葉輪及發電機的方案上 是錯誤的，氣流每一個葉輪實現能量轉換后，氣流流速會降低，他所獲取的能量是總效能的 一部分，后一級葉輪會影響前一級的引拔效果。有些發明專利試圖達到龍卷風而將管道設 計成螺旋槽結構在理論上也是錯誤的，氣流管道中不僅不應改旋轉，而應該設計防旋格柵， 防止旋流(紊流)的產生，因為在管道中的旋轉不僅是一種無用的能量，而且還會造成更多能量損失并發出噪音。(當然考慮在南北半球可能在進風口造成的不同旋向的渦旋效應，經 實驗驗證后相應調整風力葉輪輪旋轉方向，可能會提高能量轉換率，但估計影響較小。)用流體力學理論來分析，能量轉換率只與與流速(特別是加速流變區的流速)、導 流結構設計、葉輪結構設計、過流區光潔度等有關，而效能風速是不能減少的，為此，本發電 裝置總體結構方案上采用以下幾種方法能提高能量轉換率a.盡量加大葉輪直徑即，使葉輪葉片的迎風面積大于有效通流面積，可以有效 降低通過葉輪時的局部流速，從而減少能量損失，另外加大葉輪尺寸后，葉輪輪轂直徑也適 當加大，葉片強度也容易保證；b.盡量加大葉輪的有效迎風面積葉輪的葉片在軸向的投影為繞軸心的同心圓 扇形形狀，相鄰葉片的軸向投影間應在不搭接的前提下盡量無縫連接，即葉輪的迎風面積 為100%，如圖2所示，16片葉輪的各葉片軸向投影間無縫連接，這樣氣流的利用率(與轉 換率概念不同)為100%，而沒有一般自然風場發電機葉輪的由于迎風面積低而漏風的問 題，另一方面，葉輪葉片投影不能形成搭接，否則，會增加摩擦損失并會產生較大噪聲，為 此，在結構上葉輪宜采用多片，而非常規的2 3片，否則，葉輪的葉片軸向尺寸由內至外變 化較大，內外葉片尺寸差別較大，不利于葉片強度設計，如圖3所示，L2 > Li。葉片數量推 薦16片以上。c.設置導流風道在不增加摩擦損失和減少通流面積的前提下，使氣流平穩流向 葉輪外沿區域，這樣氣流對葉輪產生的力矩更大，因此，導流風道是一個環形風道，且其通 流面積應大于或等于葉輪的通流面積，圖1中是利用軸承座作為導流風道。d.變徑位置平緩過渡即，在聚風室與導流風道區域、葉輪出風口與引拔管兩處 變徑區域，設置足夠長的錐形緩變過渡區，以減少變徑區的摩擦損失及渦流損失，錐形角度 最好小于45°。6.調速技術方案如前所述，本發電裝置參照柴油發電機組的轉速控制技術，通過專門電路設計，對 轉速實現自動控制。調速系統由伺服電動調節風門(含伺服電機驅動頭及閥門)、轉速傳感器、伺服控 制器、控制電路及控制電源等，轉速傳感器一直檢測轉子速度，伺服控制器以較高頻率不斷 判斷速度變化趨勢，并按變化趨勢不斷給電動頭發出相應調節變化驅動指令，即，速度要降 低時發出加大閥門開度的指令，速度要升高時發出減小閥門開度的指令，直至轉速區于穩 定至額定轉速。具體在閥門開度位置的設計上，按并網設定調速誤差率在士5%以內，如最大負載 為110%的額定負載，將額定狀態風門控制在約85%開度位置根據額定負載力矩，另外與 柴油機油門控制不同的是，風門伺服電機功率按理論計算確定。電動頭上配有角度位移傳 感器，用以顯示開度狀態方便安裝調試時調定發電機額定轉速。需要說明的是，實際使用中，如在最大電力負載時，閥門開度最大還不能達到額定 轉速，則說明，功率匹配計算中效率定高了，此時發電機組必需降低功率使用；相反，在額定 負載時，如閥門開度較小，說明計算時效率定的保守了。7.超速保護措施在調速控制系統失靈的情況，風門將不能關閉，發電機會形成 超速，供電將不正常。當超速達到115%額定轉速時本發電裝置啟動超速保護緊急剎車裝置，保護電路不損壞，剎車裝置也可以設計成轉速自動控制，此時，剎車增加冷卻裝置，剎車 易采用常閉式結構。為增加供電設備的安全性，建議配電開關柜也設計超速保護斷路器8.檢修措施考慮葉輪和發電機檢修，本裝置有如下措施a.關閉風門，同時緊急剎車，此時，發電機轉子停轉，可對葉輪、聯軸器、發電機、輸 出配電柜進行檢修；b.聯軸器采用可以拆卸的結構，在關閉風門的情況下，移除聯軸器后，可將葉輪軸 承座連同葉輪一起向下卸下檢修；萬一需要檢修風門時，在從管道外部拆除風門驅動及可 拆軸承座后，可將風門向下拿出修復或更換。9.降噪措施主要是提高葉輪葉片的強度和剛度，避免高速氣流引起的震動；其 次，葉輪需要做動平衡試驗及處理，盡量減少回轉激振力；另外采用柔性聯軸器補償同軸度 誤差以降低傳動震動，并對軸系進行扭振計算，避免機組在共振區域運行；最后，可在聚風 室安裝吸音材料以減少噪音擴散。
權利要求
一種高差引拔式人造風力發電裝置及其方法，是一種利用大氣高度壓差的作用效果在具有一定高度的引拔管中形成連續穩定人造風場的風力發電裝置，包括高差引拔裝置、風力發電裝置、調速裝置、電力輸出處理控制系統等全套發電設備，及其通過理論分析推導得出的等效能量計算方法、功率測算及型號參數匹配方法、提高能量轉換率方法、調速及超速保護方法等全套設計理論方法。
2.根據權利要求1所述的高差引拔式人造風力發電裝置的高差引拔裝置，包括聚風室 (11)、葉輪軸支座(12)的聚風口導流通道、葉輪區過流風道、調速閥座(5)及其變徑管道 (6)、引拔管道(3)等組成的連通風道，其特征是所形成的從聚風口至引拔管出口間具有 一定高度差H和有效截面積S的、連續、側壁密封、上下貫通的連通風道垂直安裝在聚風室 頂部的聚風口位置，在聚風室出風口安裝一個具有下大上小的聚風口和環形導流風道的葉 輪軸支座，葉輪上方依次安裝引拔管頂端變徑管道、調速閥座、引拔管，引拔管頂部裝有避 雷針⑴和防雨罩(2)。
3.根據權利要求1所述的高差引拔式人造風力發電裝置的風力發電裝置，包括在聚風 口變與徑管道之間安裝的實現動能轉換葉輪(9)、葉輪軸(12)、聯軸器(13)、發電機(17)， 其特征是葉輪是一個通流面積大于引拔管、葉片間軸向投影無縫隙無搭接的立式軸流式 葉輪，聯軸器13是一個可拆卸的柔性聯軸器，拆下聯軸器所留出一定高度，可將軸承座連 同葉輪一起從聚風室出口卸下；立式發電機安裝在聚風室底座基礎上；葉輪結構還可以是 臥式安裝的渦流葉輪輪結構或其他類似結構型式，其支撐結構及導流通道等有相應變更， 在采用臥式葉輪時，發電機也采用臥式發電機，類似結構不作詳細描述。
4.根據權利要求1所述的高差引拔式人造風力發電裝置的調速裝置，包括裝于在葉輪 上方引拔管管內的伺服電動風門4、裝在發電機轉子輸入端位置的超速保護制動器15、轉 速傳感器、調速控制系統，其特征是風門的電動驅動頭、驅動軸、軸承等都裝在管道外可與 風門分離，風門可以從引拔管下方卸下；轉速傳感器所采集轉速信號經伺服調速系統發出 控制風門開度指令，當轉速控制失靈發生超速時，制動器自動制動使轉子不轉或減速，需要 檢修時，將風門關閉，同時將制動器制動。
5.根據權利要求1所述，高差引拔式人造風力發電裝置的等效能量計算方法是用理 論力學的動力學原理對引拔管的氣體作宏觀分析，用等效能量分析法對引拔管兩端壓差及 溫差的作用下的作用效果——引拔力構成及大小、等效風能速度、平均加速度、在管道中的 運行時間、風能、具有的總功率等指標進行公式推導，得出如下公式和結論a.引拔力ΣF 壓差梯度X引拔管高度HX引拔管截面積S結論在自然條件下，引拔力主要由大氣壓差形成，高差引拔管的壓差效應遠大于溫差 效應；b.平均加速度a 壓差梯度ΔP/空氣密度ρ 9m/s2結論平均加速度與高度和截面積關系不大；c.等效速度V = (2XaXH)0·5d.在管道中的運行時間t= V/ae.管徑為D的管道中氣體具有的等效風能W = 3X3. 14XaX P XD2XH2/4 ^ 9. 1845XD2XH2結論風能與引拔管管徑的平方成正比，與引拔管高度成正比；f.具有的連續總功率Ntl= WAg.發電機功率N= N0X能量轉換率η以上公式和結論作為高差引拔式人造風力發電裝置配套設計和結構強度設計基本依 據和出發點。
6.根據權利要求1所述的功率測算及標定方法是首先根據裝機預計總容量按系列 化原則確定單臺引拔管管徑，再用發電機功率公式取能量轉換率經驗值測算配套發電機功 率，按測算的功率配套選擇發電機型號，發電機容量可以留一定富余量，最后在發電機發電 調試過程中重新標定功率如在最大電力負載時，閥門開度最大還不能達到額定轉速，則說 明，功率匹配計算中效率定高了，此時發電機組必需重新標定并降低功率使用；相反，在額 定負載時，如閥門開度較小，說明計算時效率定的保守了，功率按原標定功率不變。
7.根據權利要求1所述的提高能量轉換率方法是a.盡量加大葉輪直徑即，使葉輪葉片的迎風面積大于有效通流面積，有效降低通過 葉輪時的流速，從而減少能量損失，另外加大葉輪尺寸后，葉輪輪轂直徑適當加大，葉片強 度也容易保證；b.盡量加大葉輪的有效迎風面積葉輪的葉片在軸向的投影為繞軸心的同心圓扇形 形狀，相鄰葉片的軸向投影間應在不搭接的前提下盡量無縫連接，即葉輪的迎風面積為 100%，，為此，在結構上葉輪宜采用多片，而不是常規的2 3片，否則，葉輪的葉片軸向尺 寸由內至外變化較大，內外葉片尺寸差別較大，不利于葉片強度設計，葉片數量推薦16片 以上。c.設置導流風道在不增加摩擦損失和減少通流面積的前提下，使氣流平穩流向葉輪 外沿區域，這樣氣流對葉輪產生的力矩更大，因此，導流風道是一個環形風道，且其通流面 積應大于或等于葉輪的通流面積，圖1中是利用軸承座作為導流風道；d.變徑區域平緩過渡即，在聚風室與導流風道區域、葉輪出風口與引拔管兩處變徑 區域，設置足夠長的錐形緩變過渡區，以減少變徑區的摩擦損失及渦流損失，錐形角度最好 小于45°。
8.根據權利要求1所述的調速及超速保護方法是用轉速傳感器一直檢測轉子速度， 用一個伺服控制器以較高頻率不斷判斷速度變化趨勢，并按每一變化趨勢不斷給電動頭發 出相應調節變化驅動指令，即，速度要降低時發出加大閥門開度的指令，速度要升高時發出 減小閥門開度的指令，直至轉速區于穩定至額定轉速；在調速失控的情況下，一個自控剎車 裝置對發電機轉子實施緊急制動。
全文摘要
一種高差引拔式人造風力發電裝置，是用一定高度的引拔管利用大氣高度壓力差的作用形成連續穩定的風場并可調速的風力發電裝置，包括高差引拔管道裝置、風力發電裝置、調速裝置、電力輸出處理控制系統等全套發電設備，及其等效能量計算方法、功率測算及型號參數匹配方法、提高能量轉換率方法、調速及超速保護方法等全套設計理論方法，解決了目前自然風力發電風力不穩定不受控、能量利用率低、輸配電功率不匹配、并網困難等一系列技術難題，澄清了以往類似人造風力發電方法的理論誤區，將使人造風力發電技術從空想變為現實，使風電開發重心從鄉村轉向城市，不僅讓人們用上真正無污染無能源消耗的自發電，還可消除城市熱島效應、改善城市人居環境。
文檔編號F03D7/04GK101922415SQ20091006262
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月12日 優先權日2009年6月12日
發明者江繼輝 申請人:江繼輝