CN102052254B

CN102052254B - 一种利用风能和燃料化学能的电力发生器

Info

Publication number: CN102052254B
Application number: CN2010105388636A
Authority: CN
Inventors: 周俊; 潘剑锋; 万彦辉; 吴庆瑞; 邵霞
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN102052254A

Abstract

本发明公开一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，沿电磁转子的周向均布三个相同的叶片，在三个叶片的外侧边缘端分别固定设置一个微型推进器，微型推进器的中心轴线与叶片的翼弦之间的夹角等于电磁转子转动平面上的升力方向与翼弦之间的夹角；微型推进器的燃烧室一端连通针孔燃料喷嘴，针孔燃料喷嘴通过电控气阀连接工质预混器；燃烧室另一端通过喷管喉部连通喷管出口；在靠近针孔燃料喷嘴处的燃烧室壁面上设置两个电子点火电极；本发明利用高速气流喷射产生的推力将叶片推动，能量来源为风能和燃料，能全天候稳定、持续产出电能，平稳地启动和运行。

Description

一种利用风能和燃料化学能的电力发生器

技术领域

本发明涉及综合利用太阳能和燃料化学能的新型风力/燃料发电系统，特别涉及电力发生器，属于新型能源利用领域。

背景技术

目前风力的运用已经成为新能源利用的一个领域，各式的风力发电机也应运而生。其中小型水平轴风力永磁发电机作为其中一种能源装置，一般在边远小家庭，牧场或工厂使用，能够产生一定量的电能，满足生产或生活的需要。其结构是由永磁电机和三片式螺旋风叶构成，螺旋的轴向是水平的，受到气体对叶片的推力而旋转电机工作。但目前的小型水平轴风力发电机的最大缺陷是：因为能量来源完全依赖风力，所以受地区、季节或天气的影响而不能稳定、持续产生电能；其次，对于一些扭矩系数大的风叶，需要很强的风力或者需借助外力才能将整个电机启动，这限制了小型风力发电机的推广。如何借助外力提高风机的工作运转时间长度，并且能够在风力不够条件下达到发电量要求便成了有待解决的问题。

微尺度燃烧喷射技术与飞行器引擎燃烧的喷射技术相似，所不同的是它是在微尺度的燃烧室内进行燃烧，燃烧时燃气具有显著的层流特点。这种小型的化学能推进器是通过工质（即燃料推进剂）的燃烧作用获得高能气流，然后经过喷管加速而产生推力。微尺度燃烧采用甲烷作为燃料，进行燃烧时，喷管出口速度随着喷管喉部直径的增大而增大，出口直径和速度之间存在着一定的线性关系。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中单靠风叶产生推力的发电机存在的完全依赖风力、受地区、季节或天气的影响而不能稳定、持续产生电能的不足，提供一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，协调利用风能和燃料化学能，在风力不稳定或者无风时，启动微型推进系统产生推力进行补充或者单独发电，提高风机的工作运转时间长度。

本发明采用的技术方案是：包括支架和电磁转子，支架下部被固定，上部连接电磁转子，沿电磁转子的周向均布三个相同的叶片，在三个叶片的外侧边缘端分别固定设置一个微型推进器，微型推进器的中心轴线与叶片的翼弦之间的夹角等于电磁转子转动平面上的升力方向与翼弦之间的夹角。

进一步地，本发明微型推进器包括燃烧室和工质预混器，燃烧室一端连通针孔燃料喷嘴，针孔燃料喷嘴通过电控气阀连接工质预混器；燃烧室另一端收缩形成喷管喉部，喷管喉部扩张形成喷管出口，燃烧室通过喷管喉部连通喷管出口；在靠近针孔燃料喷嘴处的燃烧室壁面上设置两个电子点火电极。

本发明的技术效果是：本发明在叶片上安置微型推进器，利用高速气流喷射产生的推力将叶片推动，能量来源为风能和燃料，因为不完全依赖风速，所以不受地区，季节或天气的影响，能全天候稳定、持续产出电能，平稳地启动和运行，是一种联合供能实现不同规模大小的发电系统。其次，整个微型推进器无运动部件，燃烧室结构装置也得到了简化，因此无噪音、安装简便、维护简单，耐用性好。此外，与传统能源系统相比，本发明若以氢气为燃料，则完全无污染，还具有微排放、可充分运用生物质沼气能等新型燃料的优点，特别适用于家庭用户或偏远地区，而且装置安装轻便简单，有一定的实用价值。

附图说明

图1是本发明结构图；

图2是图1中微型推进器9的结构放大图；

图3是图1中一个叶片的受力原理图；

图中：1.燃烧室；2.喷管喉部；3.喷管出口；4、5.电子点火电极；6.电控气阀；7.针孔燃料喷嘴；8.工质预混器；9.微型推进器；10.第一叶片；11.电磁转子；12.第二叶片；13.支架；14.第三叶片。

具体实施方式

如图1，本发明包括支架13、电磁转子11和叶片；支架13下部被固定，上部连接电磁转子11，沿电磁转子11的周向均布三个相同的叶片，分别是第一叶片10、第二叶片12和第三叶片14。在三个叶片的外侧边缘端分别固定安装一个微型推进器9。为了保证三个叶片能够安全的承担燃烧时高温等外界载荷，三个叶片采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，在对材料强度和耐高温要求较高的叶片边缘处，使用碳纤维作为增强材料可提高叶片的承载能力，而且具有导电性的碳纤维可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

如图2，微型推进器9包括燃烧室1和工质预混器8，燃烧室1采用Al₂O₃材料制作，燃烧室1的一端连通针孔燃料喷嘴7，针孔燃料喷嘴7通过电控气阀6连接工质预混器8。燃烧室1的另一端收缩成喷管喉部2，喷管喉部2再扩张成喷管出口3，使燃烧室1通过喷管喉部2连通喷管出口3，喷管出口3的开口连通外部大气。在靠近针孔燃料喷嘴7处的燃烧室1壁面上设置两个电子点火电极4、5。

微型推进器9的长度不宜过长，如果过长会使其壁面的温度下降，且气体分子与壁面碰撞后会降低速度，还会增加摩擦。为了减小剪切力，使切向动量转换为轴向动量，将喷管出口3壁面设置为抛物线型。燃烧室1直径D1是：8mm≤D1≤12mm，喷管喉部2的直径d是：1.2mm≤d≤2.4mm，喷管出口3的直径D2是：8mm≤D2≤12mm，燃烧室1与喷管出口3的总长度L 是：15mm≤L≤20mm，喷管扩张全角α是：60度≤α≤75度。本发明为了喷管0mm,设置为口减小燃烧室的热量损失从而维持稳燃，燃烧室1的壁面采用Al₂O₃材料，由纯度为96%的1mm厚的α相的多晶氧化铝薄片(α- Al₂O₃)加工成，在1800摄氏度能保持其完整性。

微型推进器9工作时，预混燃料由工质混合器8从针孔燃料喷嘴7引入燃烧室1内，此时，电子点火电极4、5接到点火命令进行点火，完成点火过程。燃料工质在燃烧室1进行燃烧，产生高能燃气，即推进剂燃烧过程。燃气通过喷管喉部2压缩后产生高速气流，在喷管出口3处产生推力，即产生推力过程。燃气在燃烧室1里的温度达1000K以上，压强为0.8MPa左右，喷管出口3产生的推力f可以通过如下公式计算：f =m v + (p-p_a) A ，m v是动量推力，是推进剂质量流量m与排气相对风叶的速度v之积；(p-p_a) A是压差推力，是喷管出口3横截面积A乘以排气压力p与环境流体压力p_a之差。压力之差是力c推进剂产生的推进力直接对叶片做功，叶片在更大的推进力下旋转，进而带动发电机发电。

第一叶片10的受力分析如图3所示，第二叶片12和第三叶片14的受力分析与第一叶片10相同。AB线段是叶片的翼弦；F是作用在第一叶片10上的气动力，F的方向与翼弦AB相垂直。F_L是电磁转子11转动平面上的升力，F_L的方向与来自正前方的迎面气流气体速度的方向相垂直，并且F_L的方向与翼弦AB的夹角为β。F_D是电磁转子11转动平面上的阻力。

如图1、3所示，将微型推进器9安装在叶片上时，使微型推进器9的中心轴线与叶片翼弦AB的夹角为β，即该夹角等于电磁转子11转动平面上的升力方向与翼弦AB之间的夹角，这样，喷管出口3的法线方向n与F_L反向，喷管出口3产生的推力与F_L相同。并且燃烧室1应安装在叶片的外侧边缘端，即距离叶片的中心轴最远处，这样扭矩较大。当气体燃料经燃烧室1燃烧，高温高压燃烧气体在喷管出口3处产生了高速气流，通过反作用力直接推动叶片转动，很好地利用了燃料化学能来辅助发电。

本发明在实际使用时，使电子点火电极4、5与风速自动感应器联动，当风速不足时立即点火。电控气阀6和电子点火电极4、5一起与风速感应器联动控制燃烧的开启运行。例如，在自控系统中设置叶片可以正常在风力作用下发电的额定风速为20m/s，当风速减小时，或叶片不能正常旋转工作时，可以通过环境风速自动感应器反馈调节电子点火电极4、5和电控气阀6，从而引导燃气导入燃烧室1点火燃烧，也可切换为手动调节模式，选择性地升降叶片的转速。一般地，风速大时可单独利用风能发电，风速小时则启动燃料供给，由燃料燃烧喷射产生推力带动叶片加速转动发电。

本发明在使用时，燃料可优先选择人畜肥堆沤、材料加工工厂废料等产生的生物质沼气，经过简单脱硫装置过滤后可作为装置的燃料，燃烧产物为水蒸气和二氧化碳混合气，与直接排放沼气或燃烧传统化石燃料相比，很大程度地预防或减小了环境污染。

Claims

1.一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，包括支架（13）和电磁转子（11），支架（13）下部被固定，上部连接电磁转子（11），沿电磁转子（11）的周向均布三个相同的叶片，其特征是：在三个叶片的外侧边缘端分别固定设置一个微型推进器（9），微型推进器（9）的中心轴线与叶片的翼弦之间的夹角等于电磁转子（11）转动平面上的升力方向与翼弦之间的夹角，所述电磁转子（11）转动平面上的升力的方向与来自电磁转子（11）正前方的迎面气流气体速度的方向相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，其特征是：所述微型推进器（9）包括燃烧室（1）和工质预混器（8），燃烧室（1）一端连通针孔燃料喷嘴（7），针孔燃料喷嘴（7）通过电控气阀（6）连接工质预混器（8）；燃烧室（1）另一端收缩形成喷管喉部（2），喷管喉部（2）扩张形成喷管出口（3），燃烧室（1）通过喷管喉部（2）连通喷管出口（3）；在靠近针孔燃料喷嘴（7）处的燃烧室（1）壁面上设置两个电子点火电极（4、5）。

3.根据权利要求2所述的一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，其特征是：所述燃烧室（1）的直径D1是：8mm≤D1≤12mm；喷管喉部（2）的直径d是：1.2mm≤d≤2.4mm；喷管出口（3）的直径D2是：8mm≤D2≤12mm；燃烧室（1）与喷管出口（3）的总长度L是：15mm≤L≤20mm；喷管扩张全角α是：60度≤α≤75度。

4.根据权利要求2所述的一种利用风能和燃料化学能的电力发生器，其特征是：燃烧室（1）的壁面采用纯度为96%、1mm厚、α相的多晶氧化铝薄片材料。