CN101922419B - 热能风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机，尤其是涉及一种使用太阳热能转化为风能、再由风能转化为电能的风力发电装置。本发明在综合目前公知的各种风力发电机优势基础上，克服现有风力发电机无风不起动的缺陷，运用阳光热幅射、空气热膨胀等原理，设计出一种利用阳光热能激发空气流动、利用高空气流增强气流能量的装置，使装置即使在天然风风速等于零的情况下，也能单纯依靠阳光热能和高低空气流温差正常运转发电。产品由热基、发电二个模块组成，包括热能、风囱、涡轮、电机四个部件，共同完成一系列由热能转为风能、由风能转为机械能、再由机械能转为电能的能量转化过程，形成一整套无噪声、无污染、无废弃物、且无需燃料的环保安全发电机制。该产品尤其适合于闷热无风的山区盆地、沙漠戈壁地带使用。

Description

热能风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风力发电机，尤其是涉及一种使用太阳热能转化为风能、再由风能转化为电能的风力发电装置。

背景技术

风力发电机，简称为“风力机”，是一种利用天然风为能源，获得一定电能的设备。

目前公知的风力发电机，常见的有轮式风力发电机、立式风力发电机、塔式风力发电机、螺旋桨式发电机……，这些风力发电机无论采用何种结构，均需有一定风速的自然风；当自然风风速小于风力发电机启动极限（往往为每秒2米）时，这些风力发电机便无法正常运作发电，且这些风力发电机或多或少存在外观结构宠大、风能利用效率低、无法全方位接受天然风等缺陷，影响到风力发电机的应用范围和经济效果。

发明目的

本发明的目的，在于设计出一种利用太阳光热能便能激活空气流动的风力发电装置，赋予风力发电机以更大的应用范围和更宽广的使用空间。

发明内容

本发明在综合目前公知的各种风力发电机优势基础上，克服现有风力发电机无风不起动的缺陷，运用阳光热幅射、空气热膨胀等原理，设计出一种利用阳光热能激发空气流动、利用高空气流增强气流能量的装置，使装置即使在天然风风速等于零的情况下，也能单纯依靠阳光热能和高低空气流温差正常运转发电，从而形成一种独特的热能风力发电机。

本发明所依据的有阳光热幅射原理、气体膨胀原理、气流旋涡原理、烟囱原理等，这些原理主要内容是：

1，阳光热幅射原理：阳光热幅射与光一样，均是以电磁波形式出现；太阳的热能转换成电磁波并传播出去。当物质接受电磁波后，又转换成热的形式。在单位时间内从单位面积上放射出来的热量称为放射力（幅射力）；在单位时间内，从单位面积上通过单位立体角放射出去的热量，称为放射强度。阳光放射到物体表面的能量中，一部分被表面反射，一部分被表面吸收，剩下的部分则透过该物体；对于固体和液体而言，能量透过的比率几乎为零。能够全部吸收入射能的物体，称为黑体。

2，温室效应原理：在阳光照射下，室内温度可在不经人工加温而高于室外温度。

3，气体热膨胀原理：气体（包括空气）在压力不变的情况下，气体体积随温度升高而增大的特性，称为气体的膨胀性；气体膨胀性的大小，用体积膨胀系数来度量，它是增加一单位温度时所引起的体积相对增大量。膨胀后气体的单位体积重量变轻，呈漂浮上升趋势。

4，空气对流原理：空气中较热的部分和较冷的部分，通过循环运动，使温度趋于均匀，这是空气传热的主要方式；空气对流的特点是热空气上升，冷空气下降。

5，旋涡原理：气体在作螺旋形旋转运动时，可形成旋涡结构的气流；该气流积蓄有较大的能量。利用气流切向引入，可造成气流的旋转运动，使具有一定质点的气体通过惯性离心力而甩向外壁面作附壁流动。

6，烟囱原理：利用高低空气流的温差，以及高空气流的运动，在烟囱内部造成空气负压，使烟囱内部空气上升，形成抽拔空气效果；其中，烟囱越高，负压效应越大，抽拔空气效果越好。

根据上述原理，本发明所采用的技术方案是：

⑴ 建造一大温室，屋顶覆盖以专门吸收太阳光幅射热能的吸热板，尽可能促使室内气温上升，造成室内气体热膨胀效果。

⑵ 将温室平面设计为圆角矩形或近似于圆角矩形，一方面适应于我国城乡街区土地建设规划，一方面适应于自身运作特点，最大限度地利用土地资源。

⑶ 在温室内部设置热交换墙，尽可能地增大屋顶吸热板的散热面积，促使室内气温快速提升，产生热膨胀效应而发生流动，形成风能。

⑷ 将室内热交换墙设计为弧线形状，绕室内正中位置环形阵列；热交换墙与热交换墙之间形成风道，使所有切向进入风道的空气发生旋转流动，在温室正中形成气流旋涡，聚集更大的风力能量。

⑸ 在温室屋顶正中位置耸立烟囱设施，利用高空气流与低空气流的温差效应，强劲抽拔温室内气流，提升风能强度。

⑹ 在温室屋顶与烟囱设施的连接处，设置一涡轮盘，用以吸纳室内奔流的风能，将挤入烟囱向上奔流的风能转化为向心旋转的机械能。

⑺ 在涡轮盘下方设置一恒压发电机，利用变速齿轮传递能量、改变转速，将涡轮盘的机械能转化为恒压发电机所产生的电能。

⑻ 在恒压发电机外围设置防护罩，以抵御气流旋涡所夹带风沙对恒压发电机及变速齿轮的侵害，以确保设备能够在气流旋涡中心安全平稳地运行。

与目前公知的风力发电设备相比，本发明所形成的热能风力发电机，可以取得下列有益效果：

1，全天候──本发明产品可全天候运行，无论是冬季夏季，无论是白天黑夜，无论是有风无风，无论是风大风小，本发明产品均可顺利运转；即使在隆冬黑夜，本发明产品还可以利用高低空气流的温差顺利发电。

2，全风向──本发明产品不存在风向格禁问题，无需风向调节机构，来自任何方向的自然风力均可利用。

3，可靠性强──本发明产品结构简单、操作简便，运行平稳，防护能力强，工作可靠，故障率低。

4，应用范围广──本发明产品几乎可适应于一切需要发电的场合使用，尤其适应于在闷热无风的环境中使用，既符合平原、山地、草场、林场等普通地理环境下的发电要求，也符合盆地、丘陵、沙漠、戈壁等特殊地理环境的发电需要，甚至可以将本发明产品耸立使用于城镇建筑群中，应用范围广。

另外，本发明产品还有工作环境安静，无需燃油、无噪声、无污染等绿色环保优点，市场空间广阔，具有极高的经济附加价值和社会使用价值。

下面，结合一实施例及附图，对本发明作进一步说明。

附图说明

图1，是本发明一实施例的组织结构示意图。

图2，是本发明一实施例产品热能部件的构件示例图。

图3，是本发明一实施例产品风囱部件的构件示例图。

图4，是本发明一实施例产品涡轮部件的构件示例图。

图5，是本发明一实施例产品电机部件的构件示例图。

图6，是本发明一实施例产品装配完毕后的外观立体示例图。

具体实施方式

本发明作为一项产品技术方案，通过特定模块、部件的组合，可得到具体实施。本发明产品各模块、部件之间的组织结构，如图1所示。

图1中，本发明所述的热能风力发电机，由热基、发电二个模块组成，每个模块又各包含着二个不同的部件，其中：

◆ 热基模块──包含热能、风囱二个部件。

◆ 发电模块──包含涡轮、电机二个部件。

产品模块中的每个部件，均包含着若干个不同的构件，其中：

◇ 热能部件──包括隔热底座、垫台、进风墙、热交换墙、热能片A、热能片B、热能片C、热能片D八个构件。

◇ 风囱部件──包括涡轮支承座、囱连接座、囱基、囱筒四个构件。

◇ 涡轮部件──包括紧固螺母、垫圈、变速主轮、下轴承盘、轴承钢珠、上轴承盘、涡轮盘、中心轴、销九个构件。

◇ 电机部件──包括定位座、底座、底座螺丝、恒压发电机、销、变速从轮、护罩片A、护罩架、定位轴承、护罩片B、护罩片C、护罩片C十二个构件。

实施例中，热基模块是将太阳热能转化为风能的主体设施，也是整个发电装置中的“温室”，其中各个构件之间配合关系如图2所示。

在图2中，热基模块由隔热底座（1）、垫台（2）、进风墙（3）、热交换墙（4）、热能片A（5）、热能片B（6）、热能片C（7）、热能片D（8）这八个构件组成；其中：隔热底座（1）置于模块的最底层，作为，整个模块及至整个发电装置的基础屏护，同时起到防止热能流失的作用；垫台（2）置于隔热底座（1）的正中上方，用于安装固定装置中的发电设备，同时起到烘托受热气流上升、防止气流直冲流失的作用。

图2中的进风墙（3），是热能部件的立面外观，其中排列设置多个进风口，使周边冷空气能够及时补充进入模块内部；同时，进风墙（3）又以围墙的方式，设定了热基模块的面积范围，限定了整个热能风力发电装置在水平投影面上的形状。本实施例产品的水平投影面形状为圆角矩形，长宽比例在1:1至3:2之间，圆角半径为矩形短边边长的5％至15％之间。

图2中的热能片A（5）、热能片B（6）、热能片C（7）、热能片D（8），是实施例产品吸纳太阳光热能的主要构件，是“温室”的屋顶。每一热能片均由多片太阳能吸热板组成，覆盖于热能部件顶面，用于加热部件内部的空气，提升空气温度。热能片在实施时的水平倾角，设置在3°至7°之间。

图2中的热交换墙（4），是实施例产品扩大散热面积的装置，上端与热能片A、热能片B、热能片D、热能片D连接，下端耸立于隔热底座之上，水平截面为弧线形状态；热能部件内部设置8至36道热交换墙，绕部件正中位置环形阵列，形成涡流形状；热交换墙与热交换墙之间，形成弧形进风通道；当顶面热能片到太阳光热能时，热交换墙可辅助将热能散发到进风通道的空气中，提升空气温度，激发空气热膨胀效应，促使受热空气沿着弧形通道旋转流动到垫台（2）上方，在热能部件中心形成旋涡结构的气流，凝聚强劲风能。

在实施例中，引导旋涡气流流动、提升风能强度的任务，落实在风囱部件上。本实施例风囱部件各构件的配合关系及具体结构，如图3所示。

图3中，风囱部件由涡轮支承座（9）、囱连接座（10）、囱基（11）、囱筒（12）四个构件组成，在实施过程中，囱连接座（10）、囱基（11）、囱筒（12）三个构件依次重叠连接，形成风囱部件的主体；其中，囱基（11）是部件的主心骨，它下端连接囱连接座（10），上端连接囱筒（12），自身结构为圆台筒体，面垂直斜角在80°至87°之间。而涡轮支承座（9）作为承载发电模块涡轮部件的支撑机构，紧密嵌套在囱连接座（10）之中。

在实施例中承担将风能转化为机械能任务的，是发电模块中的涡轮部件； 该部件中各构件的具体形状和方位配合关系，如图4所示。

图4中，涡轮部件由紧固螺母（13）、垫圈（21）、变速主轮（14）、下轴承盘（15）、轴承钢珠（16）、上轴承盘（17）、涡轮盘（18）、中心轴（19）、销（20）九个构件组成，其中，下轴承盘（15）、轴承钢珠（16）、上轴承盘（17）三个构件相互配合，可形成完整的推力球轴承，作为转化风能为机械能的核心构件涡轮盘（18），就紧密嵌套其中。

涡轮盘（18）是涡轮部件的核心构件，由12至26个扇叶片环形阵列组成；每个扇叶片的长宽比例在10:1到5:1之间，扇叶片的水平倾角在30°至45°之间。当气流由下而上穿越涡轮盘（18）升腾流动时，气流所带的能量就推动扇叶片作水平运动，促使涡轮盘（18）绕轴心旋转，从而产生机械能。

在实施过程中，涡轮盘（18）所产生的机械能通过销（20）传递给套嵌于涡轮盘（18）中心的中心轴（19），再由中心轴（19）传递给变速主轮（14）［变速主轮（14）由垫圈（21）、紧固螺母（13）固定于中心轴（19）下端］，最终由变速主轮（14）传递给电机部件，从而完成机械能在涡轮部件中的一系列传递过程。

在本实施例中，电机部件各个构件的具体形状及相互方位配合关系，如图5所示。

图5中，电机部件由定位座（22）、底座（23）、底座螺丝（24）、恒压发电机（25）、销（26）、变速从轮（27）、护罩片A（28）、护罩架（29）、定位轴承（30）、护罩片B（31）、护罩片C（32）、护罩片C（33）十二个构件组成，其中，定位座（22）、底座（23）、底座螺丝（24）、恒压发电机（25）、销（26）、变速从轮（27）六个构件组成部件的主体，承担着将机械能转化为电能的功能；而护罩架（29）、定位轴承（30）、护罩片A（28）、护罩片B（31）、护罩片C（32）、护罩片C（33）六个构件互相配合，则可组成完整的电机护罩，该护罩置于电机部件的外围，用以抵御气流风沙对发电机、变速齿轮的侵袭；在该护罩中，定位轴承（30）置于护罩架（29）顶端正中位置，其轴心位置与涡轮部件中心轴构件的垂直中心线对齐。

在电机部件中，接受涡轮部件机械能传递的是变速从轮（27），该构件与涡轮部件变速主轮（14）配合，可形成完整的变速离合机构；移动、变换变速从轮所属恒压发电机的水平方位，可实现变速从轮（27）与变速主轮（14）之间的脱离、咬合功能；变速从轮（27）与变速主轮（14）之间的直径比为1:5，变速主轮（14）每旋转一周，即可驱动变速从轮（27）旋转五周。

在实施过程中，将热基模块、发电模块所有的部件按照一定的方位关系进行组合拼装，可形成完整的实施例产品，所形成产品外观如图6所示。

图6中，热基模块中的风囱部件，置于热基模块热能部件的上方，共同形成实施例产品的外观，置于发电模块的外围。该外观通过热能片A、热能片B、热能片C、热能片D吸收太阳光热能，加热装置内部空气，使被加热空气沿着由热交换墙组成的风道漂浮上升，形成风能；同时，以风囱部件接驳自然界高空气流，通过高低空气流之间的温差，及高空气流流动的风速，抽拔风囱部件内部空气，提升装置内部的风能强度。

在实施过程中，发电模块的所有部件，均置于热基模块内部之中，处于外界不可见状态。其中，涡轮部件置于电机部件之上，嵌于热基模块风囱部件之中，将热基模块所产生的风能转化为机械能，形成风能转化为机械能的能量转化机构；该机构再通过中心轴、变速主轮、变速从轮构件，将机械能传递到恒压发电机，共同完成热能→风能→机械能→电能的一系列能量转化过程，形成一整套无噪声、无污染、无废弃物、且无需燃料的环保安全发电机制。

本发明在实施过程中，可以根据实际情况灵活设计出模块的具体形状和不同规格，并通过各种相应规格模块的有机组合，形成多种实施方案，开拓出千姿百态产品。

Claims (2)

1.一种热能风力发电装置，由热基、发电二个模块组成，其特征是：

⑴ 所述的热基模块，由热能、风囱二个部件组成；其中的热能部件，包括隔热底座、垫台、进风墙、热交换墙、热能片A、热能片B、热能片C、热能片D八个构件；其中的风囱部件，包括涡轮支承座、囱连接座、囱基、囱筒四个构件；

⑵ 所述的发电模块，由涡轮、电机二个部件组成；其中的涡轮部件，包括紧固螺母、垫圈、变速主轮、下轴承盘、轴承钢珠、上轴承盘、涡轮盘、中心轴、销九个构件；其中的电机部件，包括定位座、底座、底座螺丝、恒压发电机、销、变速从轮、护罩片A、护罩架、定位轴承、护罩片B、护罩片C、护罩片D十二个构件；

⑶ 在整个热能风力发电装置中，所述的热基模块置于发电模块的外围，通过热能片A、热能片B、热能片C、热能片D吸收太阳能，加热装置内部空气，使被加热空气沿着由热交换墙组成的风道漂浮上升，形成风能；同时，以风囱部件接驳自然界高空气流，通过高低空气流之间的温差，及高空气流流动的风速，抽拔风囱部件内部空气，提升装置内部的风能强度；

⑷ 所述热基模块中的热能部件，内部设置8至36道互为间隔的热交换墙；热交换墙上端与热能片A、热能片B、热能片C、热能片D连接，下端耸立于隔热底座之上，热交换墙与热交换墙之间形成弧形进风通道；所有进风通道环形阵列，形成涡流形状；

⑸ 所述热基模块中的风囱部件，由涡轮支承座、囱连接座、囱基、囱筒四个构件组成，其中，囱连接座、囱基、囱筒三个构件依次重叠连接，形成风囱部件的主体；而涡轮支承座则嵌套在囱连接座之中，成为承载发电模块涡轮部件的支撑机构；囱基立面垂直斜角在80°至87°之间；

⑹ 在所述的发电模块涡轮部件中，下轴承盘、轴承钢珠、上轴承盘三个构件相互配合，可形成完整的推力球轴承；所述涡轮部件中的涡轮盘构件，嵌套于该推力球轴承中间；

⑺ 所述发电模块涡轮部件中的变速主轮，与所述发电模块电机部件中的变速从轮相配合，可形成完整的变速离合机构；移动、变换变速从轮所属恒压发电机的水平方位，可实现变速从轮与变速主轮之间的脱离、咬合功能；变速主轮与变速从轮之间的直径比为1:5，即变速主轮每旋转一周，驱动变速从轮旋转五周；

⑻ 在所述发电模块电机部件中，护罩架、定位轴承、护罩片A、护罩片B、护罩片C、护罩片D六个构件互相配合，可组成完整的电机护罩；该护罩置于恒压发电机、变速主轮、变速从轮的外围，用以抵御气流风沙的侵袭；在该护罩中，定位轴承置于护罩架顶端正中位置，其轴心位置与涡轮部件中心轴构件的垂直中心线对齐；

⑼ 所述热基模块中的风囱部件，置于所述热基模块热能部件的上方，共同形成装置的外观，实现将热能转化为风能的功能；

⑽ 所述发电模块中的涡轮部件，置于所述发电模块电机部件的上方，形成风能转化为机械能的能量转化机构；

⑾ 在整个热能风力发电装置中，所述的发电模块被包含在热基模块内部之中，通过涡轮盘将热基模块产生的风能转化为机械能，再通过中心轴、变速主轮、变速从轮构件，将机械能传递到恒压发电机，完成热能→风能→机械能→电能的一系列能量转化过程，形成一整套无噪声、无污染、无废弃物、且无需燃料的环保安全发电机制。

2.根据权利要求1所述的热能风力发电装置，其特征是：所述发电模块涡轮部件中的涡轮盘，由12至36个扇叶片环形阵列组成；每个扇叶片的长宽比例在10:1到5:1之间，扇叶片的水平倾角在30°至45°之间。

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