CN101446266A - 一类小型风力发电机制造技术 - Google Patents

Abstract

本发明在欧洲小型风力发电机技术的基础上，根据中国的国情设计出适合小型农场、兵站、通讯站、家庭用的定桨距风力发电机组，主要结构特点是：桨叶与轮的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度随之变化。本发明完成了定桨距风力发电机组必须解决的问题，当风速高于风轮的设计点风速既额定风速时，桨叶能够自动地将功率限制在额定值附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。本发明用于风力发电的小型风力发电机设计的非常理想，它们在P＞30％额定功率范围内，均有高于90％的效率。

Description

一类小型风力发电机制造技术

技术领域：发明属于天然能源利用、风力发电机器设计及制造、自动化等领域。

背景技术：着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日益匮乏。据专家预测，煤炭还可开采221年，石油39年，天然气只能用60年。如何实现能源的可持续发展，从而保证经济的可持续发展和社会的可持续发展，已经是各国政府必须解决的大问题，即能源战略问题。唯一的出路就是有计划的利用常规能源、节约能源、开发新能源和可再生能源。现在作为占能源消耗首位的电能是二次能源，是由其他能源转换而来的。目前世界各国电能产生主要靠是火力发电。火力发电以碳氢化合物为主要成分的煤、重油等为燃料，燃烧后向大气排放SO2、CO2、等有害气体及烟尘、SO2形成酸雨，对农作物、森林、建筑物及金属材料构成危害和腐蚀浪费.CO2形成温室效应，改变局部气候，造成各种自然灾害.为了减少火电对大气的污染，实现能源的持续发展，世界各国都在积极的发展风力发电.随着全世界风发电装机容量的快速发展和风力发电机技术的成熟和不断完善，在今后10年，风力发电必将成为世界各国更加重视和重点开发的能源之一。

风力发电的前景广阔、优点明显：风力发电是可再生的洁净能源：风力发电是一种可再生的洁净能源，不消耗资源，不污染环境。这是火力发电所无法比拟的优点。风力发电可靠性高：把现代高科技应用于风力发电机组，使风力发电可靠性大大提高，大、中、小型风力发电机组可靠性从20世纪80年代的50％提高到98％，高于火力发电，并且机组寿命可达20年。风力发电造价低：从国外建成的风电场看，单位千瓦造价和单位千万时电价都低于火力发电，和常规能源发电相比具有竞争力。运行维护简单：现代大、中、小型风力机自动化水平很高，由于采用了微机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护更加完善，并且实现了单机独立控制，多机群控和遥控，完全可以无人值守，只需定期进行必须要的维护。不存在大修问题。实际占地面积小：小型风力发电机占地几平方米可供农、牧、渔、家庭使用。发电方式多样化：风力发电既可离网运用，也可以和其他能源，如柴油发电、太阳能发电、水力发电组成互补系统，还可以独立运行，因此，对于解决边远无电地区的用电问题提供了现实可行性。

风力资源及风力发电的分析：广义上讲，风能也是太阳能的一部分。太阳能以辐射短波的形式不间断地以17×1012kw的辐射照度发射到地球上来。其中半数以上的辐射能因受气体分子与云层的反射作用而损耗，其余不到20％的能量则被空气与云层所吸收。根据估算，一年中整个地球可从太阳获得5.4×1024J的热量。据理论计算，太阳辐射到地球的热能中约2％被转变成风能，全球大气中总的风能量约为1014MW，其中蕴藏的可被开利用的风能约有3.5×109MW，这比世界上可利用的水能大10倍。

中国风力资源十分丰富，全国风能储量约4.8×109MW，可开发利用的风能资源总量达2.53亿kW。由于中国幅员辽阔，地形复杂，风能的地区性差异很大，即使在同一地区，风能也有较大的不同。在中国，风能资源主要分布在新疆、内蒙古等北部地区和东部至南部沿海地带几岛屿。根据全国气象台风能资料的统计和计算，绘制出中国风能分布和中国每年3～20m/s风度累计时数分布，中国一般用有效风能密度和年累计有效风速小时两个指标来表示风力资源的潜力和特征。

东南沿海、山东半岛、辽宁半岛以及海上岛屿。这一地区由于面向海洋，海面上风速比陆地大，有效风能密度在200W以上。大于或等于3m/s风速的时间，全年有6000～8000h；大于或等于6m/s风速时间，也有3500h以上。这一带的风能最佳区在离海岸20km范围内。至于季节分配，东南沿海，台湾及南海诸岛秋季风能最大，冬季次之；山东、辽宁半岛则是春季风能最大，冬季次之。

内蒙古、甘肃北部、宁夏、陕西愉林地区。这一地区风能密度也在200W左右。大于或等于3m/s风速的时间每年有6000h以上；大于或等于6m/s风速的时间每年为2200-2500h。由于这一地区地形较平坦，所以风能密度范围较大，这是利用风能的一个有利条件。这一地区风速的季节分配是东部北边和西部春季最大，夏季次之；东部南边则春季最大，冬季次之。

黑龙江南部、吉林东部。风能密度在200W以上。大于或等于3m/s风速的时间每年有5000h～6000h；大于或等于6m/s风速的时间每年在2000h左右。该地区春季风能最大，秋季次之。风能较佳区：西藏高原中北部。风能密度在150W以上。大于或等于3m/s风速的时间每年在5000h以上；大于或等于6m/s风速的时间每年在2000h以上。该地区由于空气密度小，所以风能密度低，常为我国次大风能区。大于或等于3m/s风速的时间，每年50％以上集中在春季，夏季次之。三北北部。包括东北图门江、燕山北麓、河西走廊到新疆阿拉山口一带，风能密度在150～200W。大于或等于3m/s风速的时间每年有4000～5000h；大于或等于6m/s风速的时间每年有1500～2000h。这一地区除新疆北部夏季风能大之外，其余地区以春季最大。东南沿海(离海岸线20～50km)。其风能密度及大于或等于3m/s和6m/s风速的时间每年的小时数，基本和三北北部地区一致，但秋季风能最大，冬季次之。以上地区风能密度为50～150W。大于或等于3m/s风速的时间每年有2000～4000h；大于或等于6m/s风速的时间每年有500～1500h。该地区在我国分布面积较广。

从上述的风值力资源分布情况来看，中国有相当大的地区有着丰富的风能资源，具有很大的开发利用价值。

参考附图：中国全年风速大于3m/s小时数分布图

家庭用电量计算：根据实际使用情况，计算以后风力发电机的负荷。一个家庭使用一台350W的小型风力发电机就可以保证正常用电。

本发明小型风力发电机风力发电机的原理：发电机通过叶片直接地带动3个绕组的AC发电器，转动的永久磁铁在定子内旋转。交流电在发电机机架之内被变成直流，。直流电压通过滑动的电流滑环被传送到控制器上，由于通过电流滑环所以导线不会被缠绕。

摩擦产生的热量：由于发电机转子的高速旋转转子、定子会升温，温度过高会损坏设备。风力发电机嵌入过热保护功能，在到达热保护极限时设备将减少输出电流让绕组冷却，免受发电机损伤，此时发电机旋转将缓慢，当发电机温度恢复正常后，发电机恢复正常发电。尾翼系统：尾翼被设计风速接近15m/s的风力发电机入风的主要方向。在此之上“尾翼”系统自动转动发电机为风力发电机保持一个迎风角度，由于发电机要求最大的电流输出，风的大、小由支撑结构用尾翼改变方向。在长期的大风和恶劣的环境下要想使风力发电机正常运行，系统尽可能保持垂直位置。

本发明小型风力发电机的详细数据：小型风力发电机组从20世纪80年代中期开始逐步实现了商品化、产业化。经过十余年的发展，容量已从数百瓦、千瓦级增大到兆瓦级，并以定桨距(失速型)风力发电机组为主导机型。尽管在兆瓦级风力发电机组的设计中已开始采用变桨距技术和变速恒频技术，但由此增加了控制系统与伺服系统的复杂性也对机组的成本和可靠性提出了新的挑战。因此，定桨距风力发电组结构简单、性能可靠的优点是始终存在的。

本发明小型定桨距风力发电机组的特点

本发明在欧洲小型风力发电机技术的基础上，根据中国的国情设计出适合小型农场、兵站、通讯站、家庭用的定桨距风力发电机组，主要结构特点是：桨叶与轮的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速既额定风速时，桨叶能够自动地将功率限制在额定植附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。本发明用于风力发电的小型风力发电机已设计的非常理想，它们在P>30％额定功率范围内，均有高于90％的效率。

小型风力发电机的应用范围

最轻巧的小型风力发电机！例如：新型的910-3-300小型风力发电机以极小的体积、极轻的重量实现了额定功率300W、最大功率500W的输出能力，完全满足一般家用要求。通过使用新材料及新工艺，机身成功的将重量控制在12.5公斤，这是同功率其他产品的1/2！同时体积也减至其他同功率产品的2/3。

因为具有了轻巧的特点，可以由两个人完成安装，将单根的立杆下端连接在塔架底座上，上端与机身法兰连接，通过固定钢索即可树起风力发电机。

而新材料的使用则可以使发电机耐腐蚀及不易损坏，风叶和尾翼使用玻璃纤维制成，发电机外壳使用玻璃纤维注模成型，这种材料均在得到较轻重量的同时拥有较高的强度和耐腐蚀的特性，这样在户外可以经受风吹雨打。具有运行噪音小及启动风速小的特点。

910-3系列小型风力发电机的应用范围十分广泛，从路灯照明到小型家用，从野营帐篷到通信设备，只要所处环境有足够的风力资源，都可为您带来源源不断的能源。

1、装到路灯上910-3系列小型风力发电机可以安装到路灯的顶端作为照明电源，为此路灯的灯杆顶端需额外有外径48mm、长约100mm的钢管用于与风力发电机下部法兰连接，且在风机下面(由电机轴中心算起)800mm内不能有影响风机回转和风叶转动的障碍。

2、装在房屋外壁：果安装在房屋外壁，需准备外径48mm、长度视房屋高度而定的一段钢管，为保证安全，钢管的一端建议埋入地下至少200mm。钢管的长度必须保证在安装风机后在风机下面(由电机轴中心算起)800mm内不能有影响风机回转和风叶转动的障碍。

为了固定钢管到墙壁上，可以焊接或使用U型夹具，考虑到房屋建筑方法和特点的不同，我们不为此提供安装建议，但为确保安全，钢管上两个固定点的距离不宜超过1m。

3、装在蒙古包外或其他类似空地：是大部分家用风机的安装方法，为此我们特别提供了一套塔架附件供您选择，通过使用该附件您可以快速而牢固的竖起风机。考虑到昂贵的运输成本和极其简单的制造工艺，这套附件中没有提供立杆，请自行采购外径48mm、长度6m的钢管作为立杆。因为前所未有的超小体积和超轻重量，安装只需两人即可完成。

4、在野营帐篷外或其他临时使用的场地

因为具有了极小的体积和极轻的重量，可以把910-3系列小型风力发电机带至任何需要的场合，尤其是当您想在野外住上一段时间的时候。您可以自己制作一个合适的支架，注意与发电机连接的钢管(或铝合金管)外径需为48mm。

5、装在通信或监测基站：些通信或监测站因为位置远离电网，风力发电机无疑是代替电源的很好选择。建议根据具体情况参考前面的安装方法或固定到设备塔架上，注意与发电机连接的钢管外径需为48mm。

6、装在船上

910-3系列可以在船上作为柴油发电机的补充，建议根据船上的具体情况进行安装，注意与发电机连接的钢管外径需为48mm。

Claims (5)

1.本发明是一种小型风力发电机风力发电原理及制备技术：发电机通过叶片直接地带动3个绕组的AC发电器，转动的永久磁铁在定子线圈外圈转。交流电在发电机机架之内被变成直流。直流电压通过滑动的电流滑环被传送到控制器上，由于通过电流滑环所以导线不会被缠绕。通过对产生的热量处理，尾翼系统设计，控制系统，蓄电池等实现。

2.根据权利要求书1所述的产生的热量处理：由于发电机转子的高速旋转磨察定子会升温，温度过高会损坏设备。风力电机嵌入新型材料功能，在到达热保护极限时设备将减少输出电流让绕组冷却，免受发电机损伤，此时发电机旋转将缓慢，当发电机温度恢复正常后，发电机恢复正常发电。

3.根据权利要求书1所述的尾翼系统：尾翼被设计风速接近15m/s的风力发电机入风的主要方向，在此之上“尾翼”系统自动转动发电机为风力发电机保持一个迎风角度，由于发电机要求最大的电流输出，风的大、小由支撑结构用尾翼改变方向。在长期的大风和恶劣的环境下要想使风力发电机正常运行，系统尽可能保持垂直位置。

4.根据权利要求书1所述的小型风力发电机控制系统的设计，它们在P>30％额定功率范围内，均有高于90％的效率。

5.根据权利要求书1所述的主要结构特点是：桨叶与轮的连接是固定的，即当风速变化时，桨叶的迎风角度随之变化。这一特点给定桨距风力发电机组提出了两个必须解决的问题。一是当风速高于风轮的设计点风速既额定风速时，桨叶能够自动地将功率限制在额定植附近，因为风力机上所有材料的物理性能是有限度的。

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