CN102146889A - 适用于铁路货车车辆的风电转换装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于铁路货车车辆的风电转换装置，包括基体、风轮及发电机，基体的相对两侧面分别开设有第一和第二风道，第一和第二风道均采用曲线喇叭口设计，基体中部开设有与基体竖直中心轴同轴心的回转腔，风轮的轴可回转的固定在回转腔内，风轮的轴连接发电机的轴；风轮的轴上固定一圆盘，圆盘跟风轮的轴同轴心，风轮的叶片均匀分布在圆盘的圆周上，风轮单个叶片呈c字形，第一及第二风道的内侧口均朝向c字形叶片的内圆弧。本发明的优点是：可以安装在列车底部，实现了双向风能采集，货运车辆上加装此装置后，就有了电，为以后实现实时监测列车状态，自动控制等提供了电的基础。

Description

适用于铁路货车车辆的风电转换装置
【技术领域】
本发明涉及铁路货车车辆的发电装置，具体地说是涉及一种适用于铁路货车车辆的风电转换装置。
【背景技术】
风力发电作为一种发电方式已经逐步推广，并已投入使用，其工作原理是风能经过风机风轮转化为发电机轴的旋转机械能，再带动发电机的转子旋转，实现切割磁力线而发电。风力发电机一般安装在距离地面十至二十多米的位置，甚至更高，且多是水平轴发电机。传统的风力发电机为了有效的利用风能，主要是通过增大扫风面积，即风轮叶片尺寸较大；风机固定安装在地面，相对地面不动，由风来吹动叶片转动。目前已经商用的风力发电装置大多是是建在风能密度比较高的地方，比如我国的甘肃，沿海城市等。
中国现有铁路货车车体间的连接只采用挂钩和主风管连接，挂钩实现了货车的牵引，主风管实现了机车对货车整体的制动和缓解的控制。而随着重载铁路的发展，必须使用电子设备来进行货车的状态控制和系列参数的检测，而电子设备工作的首要前提是有电源供给。如何让中国的铁路货车带有电源就成了首要解决的问题。
目前中国铁路货运列车时速在80Km/h以下，因为完全有必要将货车行进过程中的风能转换为电能，从而实现货车电子设备供电的问题。
传统的风力发电机的组成方式和实际装置如果运用到现有铁路货车中存在以下缺点：
缺点1：现有风力发电装置体积过大。
现有风力发电装置的为了获得相应的风能，均将风轮叶片最大化作为其设计的首要目标。
同时目前风力发电装置风轮截面多以与风向垂直为最佳。从而导致了安装高度较高，难以固定在有限的铁路货车底部。
缺点2：现有风力发电装置不能随列车运行方向自动换向。
现有的风力发电机总是迎着风向转动的，难于实现随列车运行方向自动换向，不利于有效利用风能。
缺点3：现有风力发电装置不可有污物、垃圾附着，无法自动清理。
目前的的风力发电机普遍安装在离地面几十米的高度，大型的污物和垃圾不会吸附在叶片和发电机上，只有灰尘和小颗粒污物吸附，不会明显影响风力发电机的使用，不需要考虑自动清理。在铁路货车底部，坏境恶劣，大型颗粒杂物和垃圾较多，会大大降低风力发电的性能和寿命。
缺点4：现有风力发电装置对振动敏感。
现有的风力发电机结构较大，长时间高频率的振动将会严重影响风力发电机的正常工作和使用寿命，是影响风力发电发展的一个因素之一。铁路货车在行驶中，车轮和轨道会有持续振动产生。
缺点5：现有风力发电装置风向标较大。
现有的风力发电机多安装有尾翼(或称为风向标)，是为实现叶片迎风，提高风能利用率，但因为现有的风力发电机结构偏大，尾翼也会做的比较大。列车底部空间有限，无法安装传统的尾翼。
综上，目前我国运货列车车辆均没有电源，而车辆上增加可靠的电源是货车整体实现运行状态的自动检测、控制的前提。因此，火车车辆电源的研制一直受到广泛的关注。但是，到目前为止，国内还没有相关产品的报道。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以安装在列车底部的适用于铁路货车车辆的风电转换装置。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种适用于铁路货车车辆的风电转换装置，包括基体、风轮、以及发电机；
所述基体的相对两侧面分别开设有第一风道和第二风道，第一风道和第二风道均采用曲线喇叭口设计，所述基体中部开设有与基体竖直中心轴同轴心的回转腔，所述风轮的轴可回转的固定在回转腔内，风轮的轴连接发电机的轴；
所述风轮的轴上固定一圆盘，圆盘跟风轮的轴同轴心，所述风轮的叶片均匀分布在所述圆盘的圆周上，所述风轮单个叶片呈c字形，第一风道及第二风道的内侧口均朝向c字形叶片的内圆弧。
还包括监测系统以及电源，所述监测系统包括控制系统及电动机，所述控制系统包括中央处理单元、检测单元、第一执行单元以及第二执行单元，所述检测单元与中央处理单元连接，发电机、第一执行单元以及第二执行单元均连接到检测单元，电源连接到第一执行单元以及第二执行单元，第二执行单元又连接到电动机，电动机连到风轮，风轮又连到发电机，所述电源采用蓄电池；
所述风轮的轴与发电机之间有一个空套齿轮，平时风轮的轴与发电机的轴联动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，发电机空套，发电机的轴和风轮的轴相对无运动，所述风轮的轴与电动机之间也有一个空套齿轮，平时电动机空套，电动机的轴和风轮的轴相对无运动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，风轮的轴和电动机的轴联动，电动机带动风轮反向转动。
所述基体位于第一风道及第二风道的外侧固定有防护栏。
所述风轮的轴一端安装在位于回转腔底部的轴套内，一端安装在位于回转腔顶端的轴套内。
所述基体上方为控制室，发电机、监测系统，以及电源均固定安装在控制室内。
在基体与铁路货车的连接处以及基体内部各零部件上均粘上一层弹性材料。
本发明的优点是：1.在进风量不变的情况下，将风能转换装置体积做到很小，并且保证风能利用率和结构强度，从而能够将风能转换装置安装到铁路货车的底部，能承受振动等冲击；
2、采用双向太极回转式风道设计，使车辆在前进或后退时均能有效利用风力发电，并且当发电机4产生的电为直流时，电流方向不变，为交流时，相位不变，实现了电动机54转子转向一致，从而实现双向风能采集；
3.实时监测风向，根据流体力学，空气动力学，保证进气量最大，风能利用率高。使风机时刻都处在最佳的发电状态，保证低风速时有较好的电流产生，解决了进风口与风向偏移的问题；
4.自动报警，无线实时传送数据，实现对风机的监测，当风机某一部分出现异常时可以实时报警，停止工作，并传递给控制室；
5.当风道一端堵塞时，发电机空套，电源给电动机供电，反向吹风，逆向转动，实现自动清洁风道；
6、系统采用了阻尼减震，保证发电和储能装置的正常，提高了系统可靠性。
【附图说明】
图1为本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置的竖向截面图；
图2为本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置的横向截面图；
图3为本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置的风轮立体结构图。
图4为本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置的监测系统电路框图。
【具体实施方式】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参阅图1至图3，本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置包括基体1、风轮2、发电机4、监测系统，以及电源6。
所述基体1是其它各部件的安装联结基体，基体1的相对两侧面分别开设有第一风道12和第二风道14，第一风道12和第二风道14均采用曲线喇叭口设计，使空气在推动风轮2时速度变大，以使车辆在低速(20公里/小时)运行的情况下也能可靠发电。基体1位于第一风道12及第二风道14外侧固定有防护栏15，保护内部的装置不受破坏。
所述基体1中部开设有与基体1竖直中心轴同轴心的回转腔16，所述风轮2的轴可回转的固定在回转腔16内，基体1上方为控制室18，发电机4、监测系统，以及蓄电池6均固定安装在控制室18内。所述风轮2的轴22一端安装在位于回转腔16底部的轴套内，一端安装在位于回转腔16顶端的轴套内，所述风轮2的轴22与发电机4之间有一个空套齿轮，平时风轮2的轴与发电机4的轴联动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，发电机4空套，发电机4的轴和风轮2的轴相对无运动。
为了控制风轮2的尺寸，本次设计的风轮2的叶片采用类似水轮机叶片结构，风轮2的叶片小而多，所述风轮2的轴22上固定一圆盘24，圆盘24跟轴22同轴心，所述风轮2的叶片均匀分布在所述圆盘24的圆周上，实现大转矩推动叶轮转动。所述风轮2单个叶片呈c字形，第一风道12及第二风道14的内侧口均朝向c字形叶片的内圆弧，该叶片结构符合空气动力学规律，既有效的提高了风能利用率，又保证了叶片的结构强度，控制了风轮2的整体尺寸。
请同时参阅图4，所述监测系统包括控制系统52及电动机54，所述控制系统52包括MCU(中央处理单元)、检测单元、第一执行单元以及第二执行单元。所述检测单元与MCU连接，发电机4、第一执行单元以及第二执行单元均连接到检测单元，电源6连接到第一执行单元以及第二执行单元，第二执行单元又连接到电动机54，电动机54连到风轮2，风轮2又连到发电机4。所述电源6采用蓄电池。
所述风轮2的轴22与电动机54之间也有一个空套齿轮，平时电动机54空套，电动机54的轴和风轮2的轴相对无运动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，风轮2的轴和电动机54的轴联动，电动机54带动风轮2转动。
针对现有技术的各项缺点，本发明适用于铁路货车车辆的风电转换装置的工作原理及优点如下所述。
针对上述缺点1：现有风力发电装置体积过大。
当风从第一风道12进入时，第一风道12逐渐收缩，根据流体力学公式：V1*S1＝V2*S2
V1---进风口风速；
S1---进风口面积；
V2---出风口风速；
S2---出风口面积；
风速会随着风道的变小而加快(S2变小，V2增大)，然后高速的风力进入回转腔16，产生回转推力，推动风轮2的叶片转动，从而实现了在较小风力的情况下风轮2将风力转换为机械能的目的。保证一定的空气接触面的前提下，缩小了风轮2的体积。
针对上述缺点2：现有风力发电装置不能随列车运行方向自动换向。
现有的风力发电机4总是是迎着风向转动的，难于实现随列车运行方向自动换向，不利于有效利用风能。
本装置是安装在铁路货车底部，为了保证列车在前进或后退时均能实现发电，第一风道12和第二风道14均采用曲线喇叭口设计，第一风道12及第二风道14的内侧口均朝向c字形叶片的内圆弧，因此，第一风道12及第二风道14均可以当作进风道或出风道，使车辆在前进或后退时风轮2均能最大吸收风能，利用风力发电。
针对上述缺点3：现有风力发电装置不可有污物、垃圾附着，无法自动清理。
污物清理模式1：监测阻塞后主动清理。
当第一风道12为进风道时，此时若有污物(例如垃圾袋、纸张等)堵塞第一风道12，风力会被阻挡，该装置的监测系统的检测单元首先检测车辆运行速度；当列车运行速度大于20公里/小时时，检测单元检测此时发电机4是否有电流输出，当检测到的电流值满足此速度下标定电流值时，MCU发出指令打开第一执行单元，断开第二执行单元，开始向电源充电；当检测到的电流值远小于此速度下标定电流值，或无电流输出时，检测单元将信号发给MCU，MCU判断第一风道已被堵塞，发出指令断开第一执行单元，打开第二执行单元，此时电源给电动机54供电，反向吹风，实现第一风道12的清理。
当第二风道14为进风道时，此时若有污物(例如垃圾袋、纸张等)堵塞第二风道14，其清理过程与上述相同。
污物清理模式2：定期清理。
该装置自开始有额定电力输出开始计时，当每隔2-3个小时区间内，电源有多余电能供给时，该装置电源给电动机54供电，工作1-2分钟，反向吹风，从而实现风道的自动定时清理。
风道清理状态下电机转速模式及转速设定：
为了更加高效的清洗风道中的污物，该装置设置有如下几个清洗模式：
清洗模式1：恒定高速清洗模式。
发电机4空套，此时系统给电动机54上电，电机转速在1000r/min时持续工作1分钟。
清洗模式2：变速曲线清洗模式。
发电机4空套，此时系统给电动机54上电，电机转速在500r/min～1500r/min之间变速工作2分钟，变速曲线为三角波方式，实现污物的高效清理。
针对上述缺点4：现有风力发电装置对振动敏感。
本装置风轮2的叶片是在基体1内做回转运动，基体1位于第一风道12及第二风道14外侧固定有防护栏15，有效减轻了风轮2的振动。振动的来源主要有两个：
振动1.货运列车行驶中风吹动风轮2的叶片。
货运列车行驶速度达到20公里/小时后，风推动风轮2叶片转动，此时风能转化为机械能，风与叶片的相互作用会产生振动，随着车速的提高，振动越来越大。
振动2.铁路货车行驶中踏面与钢轨接触产生的振动
货车是大载重，踏面与钢轨的接触摩擦大，会快引起踏面的损伤变形，使车轮不圆度加大，产生振动；钢轨的接缝处也是振动的来源之一。
本装置基体具有阻尼装置：在基体1与货车的连接处以及基体1内部各零部件上均粘上一层弹性材料如橡胶，即可增加其阻尼，有效的抑制共振，保持风轮2、电动机54及发电机4运转的平顺特性。
缺点5：现有风力发电装置风向标较大。
现有的风力发电机4多安装有尾翼(或称为风向标)，是为实现叶片迎风，提高风能利用率，但因为现有的风力发电机4结构偏大，尾翼也会做的比较大。列车底部空间有限，无法安装传统的尾翼，该适用于铁路货车车辆的风电转换装置实现了在较小风力的情况下风轮2将风力转换为机械能的目的，因此不需要安装尾翼。

Claims (6)

1.一种适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：包括基体、风轮、以及发电机；
所述基体的相对两侧面分别开设有第一风道和第二风道，第一风道和第二风道均采用曲线喇叭口设计，所述基体中部开设有与基体竖直中心轴同轴心的回转腔，所述风轮的轴可回转的固定在回转腔内，风轮的轴连接发电机的轴；
所述风轮的轴上固定一圆盘，圆盘跟风轮的轴同轴心，所述风轮的叶片均匀分布在所述圆盘的圆周上，所述风轮单个叶片呈c字形，第一风道及第二风道的内侧口均朝向c字形叶片的内圆弧。
2.如权利要求1所述的适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：还包括监测系统以及电源，所述监测系统包括控制系统及电动机，所述控制系统包括中央处理单元、检测单元、第一执行单元以及第二执行单元，所述检测单元与中央处理单元连接，发电机、第一执行单元以及第二执行单元均连接到检测单元，电源连接到第一执行单元以及第二执行单元，第二执行单元又连接到电动机，电动机连到风轮，风轮又连到发电机，所述电源采用蓄电池；
所述风轮的轴与发电机之间有一个空套齿轮，平时风轮的轴与发电机的轴联动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，发电机空套，发电机的轴和风轮的轴相对无运动，所述风轮的轴与电动机之间也有一个空套齿轮，平时电动机空套，电动机的轴和风轮的轴相对无运动，当需要清洁风道时，空套齿轮滑动，风轮的轴和电动机的轴联动，电动机带动风轮反向转动。
3.如权利要求1所述的适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：所述基体位于第一风道及第二风道的外侧固定有防护栏。
4.如权利要求1所述的适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：所述风轮的轴一端安装在位于回转腔底部的轴套内，一端安装在位于回转腔顶端的轴套内。
5.如权利要求2所述的适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：所述基体上方为控制室，发电机、监测系统，以及电源均固定安装在控制室内。
6.如权利要求1至5任一项所述的适用于铁路货车车辆的风电转换装置，其特征在于：在基体与铁路货车的连接处以及基体内部各零部件上均粘上一层弹性材料。
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