CN102146871B - 小型风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的这种小型风力发电装置，包括发电机、叶轮、立柱，叶轮包括叶片和轮毂，本发明还包括一导流罩，发电机安装在导流罩中，导流罩上设有回转件，导流罩通过该回转件与立柱可转动连接，叶片的叶尖向后弯曲。本发明能使风速在2-3米/秒就发电，使小型风力发电机更加具有实用性，能充分将风能转为电能。

Description

小型风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，尤其涉及一种小型风力发电装置。

背景技术

传统的小型风力发电装置一般由发电机、叶轮、舵杆组成（见图6），发电机裸露在外面，其轴端连接叶轮的轮毂并且采用一个导流罩防止灰尘进入，发电机的另一端一方面与舵杆连接另一方面与立柱连接。叶轮的叶片相对轮毂轴向是垂直的。这种小型风力发电机的不足有以下几方面：

一、导流罩仅起防护作用。叶轮安装时是叶片与轮毂安装做好平衡之后，再装上导流罩的。轮毂材料一般为金属碳钢或铝合金，轮毂直径不能做太大，否则转动惯量增大，一般外径不超过发电机外径。而导流罩只能装在轮毂上，考虑二次安装和转动惯量的二重因素，迫使导流罩只能做得很小，很薄，很轻，甚至不做。为了不加大风轮的转动惯量和二次安装的平衡精度要求，迫使风机的轮毂、叶片制造、安装精度要求提高，增加了风机的制造难度和成本，同时对风机的综合技术参数产生了不利因素如下：

1、导流罩基本不起导流作用。造成叶轮根部涡流阻力增大，降低了风轮的转换效率;

2、由于二次安装的累积误差，影响到风轮的平衡精度，增加了启动阻力、发电效率和启动风速。同时导流罩的固定位和紧固件抗腐蚀强度不够，安装后1-2年由断、落之危险。

二、发电机裸露在外，1、当阳光曝晒高温和发电机温升的双重作用，轴承润滑脂就会熔化造成流油现象，降低了润滑效果。2、下雨时，水易进入轴承和永磁发电机内部，造成轴承、永磁体锈蚀，极易造成发电机之损坏。从理论上讲，这样的布局结构为以后的正常发电埋下了极大的隐患，更谈不上全天候、无故障运行之理念。

三、采用尾舵调风系统，由于尾舵的惯行作用，风机需几次调整才能到位。特别是风向改变频次高，使风轮对准最大迎风面时间减少，从而降低了风机的发电效益。

三、风能密度。

自然界中，风是时有时无，时大时小的一种自然现象，我们导入一个风场强度概念，即风速在1-12米/秒的特定值时，扫风面积越大，外部作用的能量越大。但是，叶片强度也随之减弱，叶片重量和转动惯量也随之增大。大风时，叶片有吹断的危险，系统的动静平衡也随之增大。同时，自然界是一般风速大都在四级左右。按贝兹理论和传统经验抄袭的叶片数据做的风力发电机其额定风速都在12米/秒左右。这样的风力机全年发电时间是非常有限的。

由于前面一、二、三项的缺陷，就贝兹理论和传统的叶片数据链做成的风机。使其发电机发出的额定功率时所需额定风速为12米/秒。在自然界中，适合人类居住的地方，其年平均风速在3-8米/秒之间，而12米/粆的风速，全年累积也只有多约5-20小时左右（台风和特大风时，风机处于刹车状态）。传统风力发电机安装在适合人类居住的地方，年发出额定时间也就那么几天。过高的额定风速要求，迫使风力发电机绝大部分时间是发不出电的，发出的电能不能克服系统的内阻进行作功，基本没有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电效率高，具有实用价值的小型风力发电装置。

本发明提供的这种小型风力发电装置，包括发电机、叶轮、立柱，叶轮由轮毂和叶片组成，本发明还包括一个导流罩，所述发电机安装在导流罩中，导流罩上设有回转件，导流罩通过该回转件与立柱可转动连接，所述叶片的叶尖向后弯曲，所述轮毂上设有用于安装叶片之根部的轮辐槽和/或轮辐孔，所述轮辐孔位于轮毂的中央台，轮辐槽在轮辐孔的外围，一个轮辐槽对应连通一个轮辐孔，每个轮辐槽上固定有一个箍环，用于稳固安装叶片之根部，在中央台对应每个轮辐孔都设置有径向紧固孔，用于紧固叶片之根部，所述轮辐槽为圆弧槽，轮辐孔为圆孔。所述轮毂采用高分子轻型复合材料制成，所述箍环由铝制成。

所述叶片具有芯杆和外壳，芯杆的一端为叶根，上面有安装孔，用于与轮毂连接，另一端作为叶脉固定在外壳中。

所述外壳靠近叶尖端的部分向顺风方向往后弯曲，形成离心作用，芯杆从叶根到叶尖由大径的圆管形到小径的圆管形再过渡到扁平状，芯杆包括一根主杆和一根加强杆，加强杆套在主杆靠近叶根的一端并与之紧配合为一体。所述芯杆由铝制成，外壳由高分子轻型复合材料制成。

本发明由于改进了导流罩、摈弃了舵杆，并且叶尖向后弯曲，这些因素都使得本发电装置能在风力低速段起动，有效提高发电效率，并且发电效率达到70%时无噪音。首先本发明的导流罩使用能起到整流扩压作用，叶尖向后弯曲成弧形，充当了一个离心叶片的作用，当风轮达到一定转速后由于叶片尖部的离心作用，迫使风轮后部产生了一个负压区A，空间结构如图5所示，这个负压区空间区的大小，负压强度是随着风速的变化组成一定的函数关系。负压空间区的产生，起到了以下两个积极作用：

1、使扩压提速效果更加增强，增加了相对风速;

2、减少了叶片根部在负压区的涡流阻力，弥补了叶片半径变化，因线速度不同，攻角变化，影响升力系数，阻力系数，对叶形设计的束缚，使叶片得以在低风速区段就能起动，高效捕风发电的要求得以实现。导流罩与立柱通过回转件连接，快速准确对风，使风力得到最大效率的利用。

发明人通过试验本发明的做功效率可提高42%，起动风速低，起动风速一般为1.8-2米/秒，额定风速，一般为5-8米/秒，风速在2-3米/秒就能发电。因此本发明大部分时间都能发电，为人类提供了一种真正意义上的环保新能源。 

本发明中的轮毂和叶片采用了另一种连接方式，叶片增加了芯杆，使本叶片形成一种仿树叶的形状，不仅叶片根部结实具有很高的强度，而且叶尖重量轻，扫风面积大，叶根上的安装孔可以根据需要确定其位置，从而确定叶片与轮毂的相对位置，这样就能在一定范围内进行风轮直径和攻角的调整，以适合安装位置的风场要求，从而达到提高发电效率的目的。并且本发明的这种叶片防腐蚀抗老化，互换性好，成本低，能够工业化生产。

本发明中的导流罩由于具有能容纳发电机的内腔，解决了发电机的防水防晒问题，并且导流罩的外形具有向各叶片导风的流线形曲面，因此这种导流罩比传统的导流罩要大得多，该导流罩能引导风到达各叶片，扩压作用增加了相对风速，使叶轮中心部分不能作功的动能经导流作用变成升力作功，相应的增加了各叶片作功的扫风面积，并且导流罩能起到非常稳定而快捷的对风作用，使风能损耗极小，风能转化率得到显著提高。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的轮毂的结构示意图。

图3是本发明中的叶片的结构示意图。

图4是本发明中的导流罩的结构示意图。

图5是本发明风轮后部形成负压区的空间示意图。

图6是传统小型风力发电装置的结构示意图。

具体实施方式

从图1可以看出本发明仍具有发电机1、叶轮2、立柱3，叶轮2由轮毂21和叶片22组成，但还有导流罩4，发电机1安装在导流罩4中。从图2可以看出，轮毂21上设有用于安装叶片22之根部的轮辐槽211和/或轮辐孔212。轮辐槽211为圆弧槽，轮辐孔212为圆孔。轮辐孔212位于轮毂的中央台213，轮辐槽211在轮辐孔212的外围，一个轮辐槽211对应连通一个轮辐孔212，每个轮辐槽211上固定有一个箍环214，用于稳固安装叶片22之根部，箍环214由铝制成，在中央台213对应每个轮辐孔212都设置有径向紧固孔215，用于紧固叶片22之根部。轮毂采用高分子轻型复合材料制成。从图3可以看出，叶片22包括芯杆221和外壳222，外壳222用于扫风，芯杆221一端作为叶根，另一端作为叶脉固定在外壳222中。外壳222靠近叶尖端的部分向顺风方向往后弯曲。芯杆221采用铝或合金铝制成，外壳222由高分子轻型复合材料制成。芯杆221从叶根到叶尖由大径的圆管形到小径的圆管形再过渡到扁平状。制造时采用一根细管作为主杆2211，一根粗管作为加强杆2212，加强杆2212套在主杆2211靠近叶根的一端并与之紧配合为一体，使加强杆2212一端在外壳222内一端在外壳222外，以加强叶片22根部的强度，在外壳222外的一端作为叶根它要与轮毂连接，因此上面设有安装孔223，主杆2211向叶尖方向延伸，然后过渡到扁平状，使外壳222的外形由根部到叶尖逐渐变薄，重量逐渐减轻，同时受到芯杆221的最佳支撑，使叶片22在风大的情况下不易折断，提高叶片22的使用寿命。叶片22通过螺杆固定在轮毂21上，在安装前，只需改变芯杆221上安装孔的位置就能改变叶片22与轮毂21的相对位置，从而调整叶片的半径和攻角。从图4可以看出，导流罩4包括罩体41，罩体41材料采用高分子轻型复合材料，在罩体41的内腔中靠开口端附近设有用于安装发电机1的安装脚42，在罩体41上有安装孔，该安装孔中固定有回转件43，回转件43最好采用轴承。立柱3通过该回转件与导流罩4连接，起到支撑作用，导流罩4在风的作用下非常灵活而平稳地自动调节叶轮2的方位，使风始终以最佳角度作用于叶轮2。风从导流罩4流线状地到达叶片22，由于叶尖向后弯曲，当风轮达到一定转速后叶片尖部将起到离心作用，进而迫使风轮后部产生了一个负压区，空间结构如图5所示。发电机1的输入轴与叶轮2的轮毂21中心孔连接，由叶轮2带动发电机1转动发电。

Claims (6)

1.一种小型风力发电装置，包括发电机（1）、叶轮（2）、立柱（3）、导流罩（4），叶轮（2）由轮毂（21）和叶片（22）组成，所述发电机（1）安装在导流罩（4）中，导流罩（4）上设有回转件，导流罩（4）通过该回转件与立柱（3）可转动连接，所述叶片（22）的叶尖向后弯曲，其特征在于所述轮毂（21）上设有用于安装叶片之根部的轮辐槽（211）和轮辐孔（212），所述轮辐孔（212）位于轮毂（21）的中央台（213），轮辐槽（211）在轮辐孔（212）的外围，一个轮辐槽（211）对应连通一个轮辐孔（212），每个轮辐槽（211）上固定有一个箍环（214），用于稳固安装叶片（22）之根部，在中央台（213）对应每个轮辐孔（212）都设置有径向紧固孔（215），用于紧固叶片（22）之根部，所述轮辐槽（211）为圆弧槽，轮辐孔（212）为圆孔。

2.根据权利要求1所述的小型风力发电装置，其特征在于所述轮毂（21）采用高分子轻型复合材料制成，所述箍环（214）由不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的小型风力发电装置，其特征在于所述叶片（22）具有芯杆（221）和外壳（222），芯杆（221）的一端为叶根，上面有安装孔（223），用于与轮毂（21）连接，另一端作为叶脉固定在外壳（222）中。

4.根据权利要求3所述的小型风力发电装置，其特征在于所述外壳（222）靠近叶尖端的部分向顺风方向往后弯曲，形成离心作用，所述芯杆（221）从叶根到叶尖由大径的圆管形到小径的圆管形再过渡到扁平状。

5.根据权利要求3或4所述的小型风力发电装置，其特征在于所述芯杆（221）包括一根主杆（2211）和一根加强杆（2212），加强杆（2212）套在主杆（2211）靠近叶根的一端并与之紧配合为一体。

6.根据权利要求3所述的小型风力发电装置，其特征在于所述芯杆（221）由铝制成，外壳（222）由高分子轻型复合材料制成。

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