一种风能发电设备的制作方法

1.本实用新型涉及风力发电领域，具体为一种风能发电设备。


背景技术：

2.风能是清洁能源，利用风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，随着风力发电技术的发展，风力发电也日益受到世界各国的重视。风能发电机设置的区域即风场具有以下条件：风能资源丰富、具有较稳定的盛行风向、湍流小且受气象因素影响小。具有这样条件的区域(下称风能有效利用区域)是有限的，且使风能发电机正常运行的风速需不低于6m/s，风能发电机必须隔开一定的距离设置，尤其是在地势较平的区域，否则无法充分地利用风能。例如，相邻的水平轴风能发电机之间的水平距离一般需要达到5-9倍叶轮直径，相邻的垂直轴风能发电机之间的水平距离一般为2-6叶轮直径，导致有效地域的风能利用效率低，使本来有限的满足条件的区域能发的电也很有限，无法满足更有效利用风能的需求。而垂直轴风能发电机都是单机大型风能发电机，例如100kw的风能发电机高度达30米，叶轮直径达11米，叶轮本身的高度达11米，虽然单机发电量较大，但是需要的启动风速也大，需要12.5m/s的风速才能满足运行要求，即满足垂直轴风能发电机的地域更少。


技术实现要素：

3.本实用新型提供一种风能发电设备，能解决现有技术中风能有效利用区域有限，风能有效利用区域风能利用效率低的问题，不但能够提高现有风场的风能利用效能，增加现有风场的发电量，而且能够扩大风能有效利用区域，从而建立更多的风场。
4.本实用新型提供的风能发电设备，包括多个第一风能发电机，相邻的第一风能发电机具有第一相邻水平距离l1，还包括与第一风能发电机相邻的、与第一风能发电机具有第二相邻水平距离l2的多个第二风能发电机，所述第二风能发电机的发电功率小于所述第一风能发电机的发电功率，且第二相邻水平距离l2＜第一相邻水平距离l1；所述第二风能发电机的叶轮的最高端比所述第一风能发电机的叶轮的最低端低，所述第一和第二风能发电机为具有永磁悬浮轴承的风能发电机。
5.作为优选的方案，所述第一风能发电机和第二风能发电机均为垂直轴风能发电机，相邻的第一风能发电机之间的水平距离即第一相邻水平距离l1与第一风能发电机叶轮半径r1的关系为：6r1≥l1≥2r1，第二风能发电机的叶轮的半径为r2，2(r1 r2)≥l2≥r1 r2，所述第二风能发电机的叶轮的最高端比所述第一风能发电机的叶轮的最低端低h1，r1 r2≥h1≥0.5(r1 r2)/2。
6.作为优选的方案，所述第一风能发电机和第二风能发电机的叶轮具有构成转子的垂直轴，所述第一风能发电机和第二风能发电机均包括定子，所述垂直轴安装有有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组，所述有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组包括设置在垂直轴上作为支撑支点的支撑轴承和设置在垂直轴上与支撑轴承间隔轴向距离的所述永磁悬浮轴承，所述永磁悬浮轴承包括设置在定子上的定子拉推磁体和对应通过软磁材料基体设置在垂
直轴上、与所述定子拉推磁体具有轴向间隙并形成拉推磁路的转子拉推磁体，所述定子拉推磁体和转子拉推磁体分别由两个或两个以上在径向紧密贴合设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，且上、下对应相同径向位置的环形永磁体的磁性大小相同、极性相反，所述轴向间隙在两拉推磁体磁力的有效作用范围内，所述定子拉推磁体位于转子拉推磁体之上；所述定子拉推磁体和转子拉推磁体靠近所述垂直轴的环形永磁体的靠近所述垂直轴的环形表面与所述垂直轴表面具有径向间距。
7.作为优选的方案，所述径向间距为所述轴向间隙的2.5-3.5倍。
8.作为优选的方案，所述支撑轴承位于所述永磁悬浮轴承的上方，各环形永磁体径向宽度相同，所述定子为软磁材料制成，所述定子靠近垂直轴的径向距离略短于所述定子拉推磁体靠近所述垂直轴的环形永磁体内环到垂直轴的距离，所述软磁材料基体为环形结构，其固定环形永磁体部分的径向长度比构成所述转子拉推磁体的环形永磁体径向总长度略长。
9.作为优选的方案，所述第二风能发电机的叶轮的转向和与其相邻的第一风能发电机的叶轮的转向相反。
10.作为优选的方案，所述风能发电设备还包括第三风能发电机，第三风能发电机的叶轮的直径为r3，r2＞r3，相邻的所述第三风能发电机与第二风能发电机之间的第三相邻水平距离为l3，2(r2 r3)/2≥l3≥r2 r3，所述第三风能发电机的叶轮的最高端比所述第二风能发电机的叶轮的最低端低h2，r2 r3≥h2≥0.5(r2 r3)/2，所述第三风能发电机的发电功率小于所述第二风能发电机的发电功率，所述第三风能发电机为具有永磁悬浮轴承的垂直轴风能发电机。相邻的所述第三风能发电机与第一风能发电机之间的水平距离为第四相邻水平距离l4，2(r1 r3)≥l4≥r1 r3。
11.作为优选的方案，所述第二风能发电机的叶轮的转向和与其相邻的第一风能发电机的叶轮的转向相反，同时所述第二风能发电机的叶轮的转向和与其相邻的第三风能发电机的叶轮的转向相反。
12.作为优选的方案，所述第一风能发电机和第二风能发电机均为水平轴风能发电机，相邻的第一风能发电机之间的水平距离即第一相邻水平距离l1与第一风能发电机叶轮半径r1的关系为：9r1≥l1≥5r1，3(r1 r2)≥l2≥1.5(r1 r2)，所述第二风能发电机的叶轮的最高端比所述第一风能发电机的叶轮的最低端低h1，r1 r2≥h1≥0.5(r1 r2)/2。
13.作为优选的方案，所述第一风能发电机和/或第二风能发电机和/或第三风能发电机的塔筒还设有太阳能发电板，且所述太阳能发电板位于所述第一风能发电机和/或第二风能发电机和/或第三风能发电机的叶轮的下方。
14.作为优选的方案，所述第一风能发电机和/或第二风能发电机和/或第三风能发电机的叶轮和/或塔筒还贴有太阳能发电膜。
15.本实用新型的风能发电设备与现有技术相比具有以下有益效果：
16.本实用新型的风能发电设备采用带有永磁悬浮轴承的风能发电机，因此启动风速小，可以在更广泛的区域建立风场；同时第二风能发电机与第一风能发电机具有的第二相邻水平距离l2＜相邻的第一风能发电机具有的第一相邻水平距离l1，且所述第二风能发电机的发电功率小于所述第一风能发电机的发电功率，且所述第二风能发电机的叶轮的最高端比所述第一风能发电机的叶轮的最低端低h1，即在功率大的风能发电机之间和周边，设
置了多个功率小且高度低的相对较小型风能发电机，实现了对不同高度的风能进行充分地利用。这样在跟现有风场相同的有效面积上，可以设置更多的风能发电机，因此解决了风能有效利用区域风能利用效率低的问题，能够提高现有风场的风能利用效能，增加现有风场的发电量。
附图说明
17.图1为本实用新型第一实施例的风能发电设备的平面布置示意图。
18.图2为本实用新型第二实施例的风能发电设备的平面布置示意图。
19.图3为本实用新型第三实施例的风能发电设备的平面布置示意图。
20.图4为本实用新型第四实施例的风能发电设备的平面布置示意图。
21.图5为本实用新型第五实施例的风能发电设备的平面布置示意图。
22.图6为本实用新型第一实施例的风能发电设备的第一风能发电机、第二风能发电机和第三风能发电机的结构示意图。
23.图7为本实用新型第一实施例的风能发电设备的第一风能发电机、第二风能发电机和第三风能发电机的有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组的结构示意图。
24.附图标记
25.1第一风能发电机，2第二风能发电机，3第三风能发电机，4塔筒，5叶轮，6垂直轴，7有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组，71永磁悬浮轴承，72定子拉推磁体，73转子拉推磁体，74基体，75支撑轴承，8定子，9太阳能发电板。
具体实施方式
26.本实用新型提供一种风能发电设备，如图1所示，包括多个第一风能发电机1，相邻的第一风能发电机1具有第一相邻水平距离l1，还包括与第一风能发电机1相邻的、与第一风能发电机1具有第二相邻水平距离l2的多个第二风能发电机2，所述第二风能发电机2的发电功率小于所述第一风能发电机1的发电功率，且第二相邻水平距离l2＜第一相邻水平距离l1；所述第二风能发电机2的叶轮5的最高端比所述第一风能发电机1的叶轮5的最低端低，所述第一风能发电机1和第二风能发电机2为具有永磁悬浮轴承的风能发电机。
27.本实用新型的风能发电设备采用带有永磁悬浮轴承的风能发电机，因此启动风速小，可以在更广泛的区域建立风场。另外，本实用新型的风能发电设备，除了在水平方向上对风能发电机进行布置，还增加了在垂直方向上对风能发电机进行布置，从而形成风能发电机的立体布置，同时第二风能发电机2与第一风能发电机1具有的第二相邻水平距离l2＜相邻的第一风能发电机1具有的第一相邻水平距离l1，在本实用新型中，第一相邻水平距离l1是指同一列或者同一排中的两个相邻的第一风能发电机1之间的距离，且所述第二风能发电机2的发电功率小于所述第一风能发电机1的发电功率，且所述第二风能发电机2的叶轮5的最高端比所述第一风能发电机1的叶轮5的最低端低h1，即在功率大的风能发电机之间和周边，设置了多个功率小且高度低的相对较小型风能发电机，实现了对不同高度的风能进行充分地利用。这样在跟现有风场相同的有效面积上，可以设置更多的风能发电机，因此解决了风能有效利用区域风能利用效率低的问题，能够提高现有风场的风能利用效能，增加现有风场的发电量。
28.作为优选，所述第一风能发电机1和第二风能发电机2均为垂直轴风能发电机，垂直轴即风轮的旋转轴，相邻的第一风能发电机1之间的水平距离即第一相邻水平距离l1与第一风能发电机1叶轮半径r1的关系为：6r1≥l1≥2r1，第二风能发电机2的叶轮半径为r2，其中r1＞r2，2(r1 r2)≥l2≥(r1 r2)，所述第二风能发电机2的叶轮5的最高端比所述第一风能发电机1的叶轮5的最低端低h1，r1 r2≥h1≥0.5(r1 r2)/2。l2可保证第二风能发电机2距离第一风能发电机1足够远，从而获得充足的风能，同时，可在同样的面积上布置更多的风机，获取更大的发电量。h1可保证第一风能发电机1的叶轮5和第二风能发电机2的叶轮5之间具有足够的高度差，从而在垂直方向上合理地布局叶轮，最充分地利用风能。
29.所述第一风能发电机1、第二风能发电机2和第三风能发电机3的叶轮5均具有构成转子的垂直轴6，所述第一风能发电机和第二风能发电机均包括定子8，所述垂直轴6安装有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组7，图7所示为该支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组的结构示意图。所述有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组7包括设置在垂直轴6上作为支撑支点的支撑轴承75和设置在垂直轴6上与支撑轴承75间隔轴向距离的永磁悬浮轴承71，所述永磁悬浮轴承71包括设置在定子8上的定子拉推磁体72和对应通过软磁材料基体设置在垂直轴6上、与所述定子拉推磁体72具有轴向间隙并形成拉推磁路的转子拉推磁体73，所述定子拉推磁体72和转子拉推磁体73分别由两个或两个以上在径向紧密贴合设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，且上、下对应相同径向位置的环形永磁体的磁性大小相同、极性相反，所述轴向间隙在两拉推磁体磁力的有效作用范围内，所述定子拉推磁体72位于转子拉推磁体73之上；所述定子拉推磁体72和转子拉推磁体73靠近所述垂直轴6的环形永磁体的靠近所述垂直轴6的环形表面与所述垂直轴6表面具有径向间距。作为优选，所述径向间距为所述轴向间隙的2.5-3.5倍。
30.所述支撑轴承位于所述永磁悬浮轴承71的上方，各环形永磁体径向宽度相同，所述定子8为软磁材料制成，所述定子8靠近垂直轴6的径向距离略短于所述定子拉推磁体72靠近所述垂直轴6的环形永磁体内环到垂直轴6的距离，所述软磁材料基体74为环形结构，其固定环形永磁体部分的径向长度比构成所述转子拉推磁体73的环形永磁体径向总长度略长。
31.本实用新型的风能发电设备采用的有支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组7将现有带磁悬浮的轴向轴承的磁悬浮结构进行改进，即将两个异极磁环替换为两个固定在软磁材料基体上的拉推磁体——定子拉推磁体72和转子拉推磁体73，所述定子拉推磁体72和转子拉推磁体73分别由两个或两个以上在径向紧密贴合设置且磁极沿径向交替分布的环形永磁体构成，这样的磁体结构，就只有工作磁隙，无非工作磁隙，加上两个拉推磁体内磁环与竖直轴表面具有径向间距，磁体形成的磁路通过自回路短路，从而使磁路磁阻大为减少，效率大为提高。由于磁阻大为减少，相同承重下，本实用新型每件磁钢小，好生产，好安装。加上拉推磁路径向稳定性高，使本实用新型的磁悬浮轴承的径向回复力增加至少4倍，同时吸力大，磁钢重1.2公斤(1.8h)就可悬浮重量284公斤，将轴承载荷减少98％，摩擦力减少98％。
32.在图1所示的实施例中，第一风能发电机1的排列与传统的排列相同，即排成多排和多列，四个相邻的第一风能发电机1构成四边形，在四边形的每个边上设置一个第二风能发电机2，该四边形的对角线上设置一个第二风能发电机2。第一风能发电机1与第二风能发电机2形成间隔排列，在本实施例中，两个相邻的第一风能发电机1之间的水平距离l1＝5r1，
第二风能发电机2位于四边形的边的中点位置或者四边形的对角线的中点位置，即l2＝l1/2＝2.5r1。
33.在图2所示的实施例中，第一风能发电机1的排列与传统的排列相同，即排成多排和多列，四个相邻的第一风能发电机1构成四边形，在四边形的对角线上设置一个第二风能发电机2。在本实施例中，两个相邻的第一风能发电机1之间的第一相邻水平距离l1＝3r1，第二风能发电机2位于对角线的中点位置。
34.在图3所示的第三实施例、图4所示的第四实施例和图5所示的第5实施例中，所述风能发电设备除了包括上述第一风能发电机1和第二风能发电机2，还包括第三风能发电机3，第三风能发电机3的风轮的半径为r3，其中r1＞r2＞r3，第三风能发电机3为具有永磁悬浮轴承71的垂直轴风能发电机，第三风能发电机3与第一风能发电机1和第二风能发电机2的结构相同，其垂直轴6通过有上述支点无摩擦轴向永磁悬浮轴承组7与所述定子8装配在一起。所述第三风能发电机3与第二风能发电机2之间的水平距离为第三相邻水平距离l3，2(r2 r3)≥l3≥r2 r3。相邻的所述第三风能发电机3与第一风能发电机1之间的水平距离为第四相邻水平距离l4，2(r1 r3)≥l4≥r1 r3，所述第三风能发电机3的叶轮的最高端比所述第二风能发电机2的叶轮的最低端低h2，r2 r3≥h2≥0.5(r2 r3)/2。
35.在图3所示的实施例中，多个第一风能发电机1排成多排和多列，四个相邻的第一风能发电机1构成四边形，两个相邻的第一风能发电机1之间的水平距离l1＝6r1。在四边形的每个边设置一个第二风能发电机2和一个第三风能发电机3，四边形的对角线上设置一个第二风能发电机2和一个第三风能发电机3。一个第二风能发电机2和一个第三风能发电机3在对角线上均布。
36.在图4所示的实施例中，多个第一风能发电机1排成多排和多列，四个相邻的第一风能发电机1构成四边形，两个相邻的第一风能发电机1之间的水平距离l1＝5r1。四边形的每个边上设置一个第三风能发电机3，四边形的对角线上设置一个第二风能发电机2和一个第三风能发电机3。对角线上的一个第二风能发电机2和一个第三风能发电机3在对角线上均布。
37.图5所示的实施例中，多个第一风能发电机1排成多排和多列，四个相邻的第一风能发电机1构成四边形，两个相邻的第一风能发电机1之间的水平距离l1＝5r1。四边形的每个边上设置一个第二风能发电机2，四边形的对角线上设置两个第三风能发电机3。两个第三风能发电机3在对角线上均布。
38.在第一、二实施例中，所述第二风能发电机2的叶轮的转向和与其相邻的第一风能发电机1的叶轮的转向相反。在第三实施例、第四实施例和第五实施例中，所述第二风能发电机2的叶轮的转向和与其相邻的第一风能发电机1的叶轮的转向，同时第二风能发电机2的叶轮的转向和与其相邻的第三风能发电机3的叶轮的转向相反。第一风能发电机1的叶轮受到风的作用力后旋转，叶轮旋转会产生向下且与叶轮的旋转方向相反且倾斜下行的气体尾流，相邻的第二风能发电机2的叶轮的转向与第一风能发电机1的叶轮的转向相反，在与第一风能发电机1相邻的一侧，气体尾流的方向与第二风能发电机2的叶轮的旋转轨迹相切且方向一致，因此，该气体尾流会对第一风能发电机1的叶轮的旋转提供进一步的动力，即第二风能发电机2所能利用的风能不仅包括自然产生的风能，还包括第一风能发电机1的叶轮旋转产生的气体尾流的风能，这无疑可提高第二风能发电机2的发电量。同时，第三风能
发电机3的叶轮的转向与相邻的第二风能发电机2的叶轮的转向相反，因此，同理，第二风能发电机2的叶轮旋转产生的气体尾流会为第三风能发电机3的叶轮的旋转提供额外的风能。
39.上述各实施例中的四边形优选选用平行四边形，更优选的为正方形，l1即指正方形的边长，图1-5中的虚线为其中一个四边形的边和对角线。
40.如图6所示，所述第一风能发电机1和/或第二风能发电机2和/或第三风能发电机3的塔筒4还设有太阳能发电板9，且所述太阳能发电板9位于所述叶轮5的下方。在白天，太阳能发电板9依靠太阳能发电，构成风力发电的补充，可进一步提高发电量。在一实施例中，第一风能发电机1、第二风能发电机2和第三风能发电机3的结构均相同，均设有太阳能发电板9。所述第一风能发电机、第二风能发电机和第三风能发电机的叶轮、塔筒和固定支架还贴有太阳能发电膜(图中未示出)。
41.在另外一实施例中，所述第一风能发电机和第二风能发电机均为水平轴风能发电机，相邻的第一风能发电机之间的水平距离即第一相邻水平距离l1与第一风能发电机叶轮半径r1的关系为：9r1≥l1≥5r1，相邻的第二风能发电机与第一风能发电机之间的水平距离即第二相邻水平距离l2与第一风能发电机叶轮半径r1和第二风能发电机叶轮半径r2的关系为：3(r1 r2)≥l2≥1.5(r1 r2)，r1＞r2，所述第二风能发电机的叶轮的最高端比所述第一风能发电机的叶轮的最低端低h1，r1 r2≥h1≥0.5(r1 r2)/2。在该实施例中，还可包括第三风能发电机，第三风能发电机也为水平轴风能发电机，其叶轮直径为r3，且r3＜r2。相邻的第三风能发电机与第二风能发电机之间的水平距离即第三相邻水平距离l3与第三风能发电机叶轮半径r3和第二风能发电机叶轮半径r2的关系为：3(r3 r2)≥l2≥1.5(r3 r2)。相邻的第三风能发电机与第一风能发电机之间的水平距离即第四相邻水平距离l4与第三风能发电机叶轮半径r3和第二风能发电机叶轮半径r1的关系为：3(r3 r1)≥l2≥1.5(r3 r1)。
42.以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出的各种修改或等同替换也落在本实用新型的保护范围内。