CN102392789A - 互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明申请提供一种逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，包括立杆和位于立杆顶端的叶片组、连接梁和发电机，其中，立杆与地面垂直，叶片组分为上叶片组和下叶片组，每组都具有多个风叶，一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的转子，另一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的定子，转子与地面垂直，所述的发电机转子通过磁悬浮轴承实现支撑。所述的逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，消除了垂直轴风机轴承的摩擦问题，大大降低风力发电机部件的耗损状况，同时提高了风能向电能的转化效率，达到最大利用风能、提高产能的目的。
Description
技术领域
本发明申请涉及一种节能减耗的风力发电机，尤其是一种采用互为逆向转动的双风叶，并且采用全永磁悬浮技术收集风能的垂直轴风力发电机，属于清洁发电设备技术领域。
背景技术
高能效电机是节能的“根”，推广清洁发电更是节能的关键。地球上的风能资源非常丰富，开发潜力巨大，可利用的风能资源达到200亿千瓦，是地球上可利用的水能20倍，风能也是可再生的清洁能源，不会污染环境，全球已有不少于70个国家在利用风能，风力发电是风能的主要利用形式，近年来，风电装机容量增长迅猛。
到2008年底，全球风电累计装机总量已超过12080万千瓦，中国风电累计装机总量突破1300万千瓦。从2003年到2008年，中国风电装机容量快速增长：累计装机容量从2003年末的56. 7万千瓦增加到了2008年末的1324.22万千瓦，增加了22.3倍；年新增装机容量从2003年的9.8万千瓦增加到了2008年的719.02万千瓦，增加了72.4倍。
尽管风力发电机多种多样，但归纳起来可分为两类：1、水平轴风力发电机，风轮的旋转轴与风向平行；2、垂直轴风力发电机，风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，在这点上相对于水平轴风力发电机是一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。
垂直轴风力发电机（vertical axis wind turbine VAWT）从分类来说，主要分为阻力型和升力型。阻力型垂直轴风力发电机主要是利用空气流过叶片产生的阻力作为驱动力的，而升力型则是利用空气流过叶片产生的升力作为驱动力的。由于叶片在旋转过程中，随着转速的增加阻力急剧减小，而升力反而会增大，所以升力型的垂直轴风力发电机的效率要比阻力型的高很多。
现有的垂直风力发电机是由风轮通过联动轴带动发电机发电，这种风力发电机要求启动速度高，要求风速在5米每秒以上才可启动，风力发电机效率低，稳定性差。另一种是风轮与发电机转动轴相连发电，但是这种电机在低速时，发电机效率低，不能满足发电机发电输出要求，风能利用率低。
风力发电的效率与风轮的转速有关，旋转发电机的输出功率一般可以由下式描述：发电机的发电电动势关系：
ε＝（二分之根号2）NBSω。
其中，ε为发电的电动势，N为线圈匝数，B为磁感，S为线圈面积，ω为线圈转动的角速度（反映线圈的转速）。从中可以推断，转速提高一倍，发电及产能也要增大一倍。
发明内容
为了解决现有垂直风力发电机的缺陷，本发明提供一种风能收集利用率高、微风启动、采用全永磁悬浮技术，而且转速高的互为逆向转动的垂直轴风力发电机。
为了达到上述目的，本发明申请采用的技术方案是：
本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，包括立杆和位于立杆顶端的叶片组、连接梁和发电机，其中，立杆与地面垂直，叶片组分为上叶片组和下叶片组，两组风叶的受力方向相反，每组都具有多个风叶，一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的转子，另一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的定子，转子与地面垂直。
进一步，所述的发电机转子通过全永磁悬浮轴承实现支撑。
所谓的全永磁悬浮轴承(Magnetic Bearing) 是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空在固定运转轨道上。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等。
全永磁悬浮风力发电机可以大大提高风能发电量，做到了“轻风起动，微风发电”，使启动风速降至为1.5m/s以下，切入风速为3m/s。根据测算，在占我国面积68%、平均风速≥3m/s的风能可利用区和较丰富区，比传统风力发电机可增加年发电时间1000小时/年。
进一步，所述的叶片组的多个风叶为板式叶片，与地面垂直。
更进一步，所述的风力发电机还包括制动手柄，所述的制动手柄位于立杆的下方，用于发电机转子的制动。
更进一步，所述的风力发电机，为了降低电机的转动惯量，微风启动，发电效率增加，电机的外壳材料将用玻璃钢材质取代普通钢材制造，玻璃钢的密度是铁的20％，采用玻璃钢将可减轻电机重量80％可达到结构紧凑合理、精度高、故障率低、使用寿命长、制造费用低的目的。
更进一步，所述的风力发电机还包括整流器、逆变器，分别连接在发电机与负载之间。
整流器是一个将交流（AC）转化为直流（DC）的装置，它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，因此，它同时又起到一个充电器的作用。
逆变器（inverter）是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，用于将风能转化的电能进行存储，并转化为交流电供负载使用。
将风力发电机带有磁铁的法兰盘（定子）与发电线圈盘（转子）分别装在上下不同的互为逆转的风叶上，定子与转子的相对速度将是上下互为逆转的转动速度之和。
由于转动速度的增加，电机的输出功率也增加，如转速提高一倍，发电增大一倍。发电机盘的上、下安装浮力式螺旋状的风叶，上风叶与电机法兰盘外壳固定为一体，下风叶与发电线圈盘固定为一体。上，下风叶与固定在各自的空心套轴上为一整体，在轴套内有轴承与中心轴连接，当有微风吹动时，上风叶带动带有磁铁的法兰盘，下风叶带动线圈逆向转动，发电机定子与转子切割磁场增加，导致发电流增加。
本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，具有以下的优点;
1、 完全消除了垂直轴风机轴承的摩擦问题，大大降低风力发电机部件的耗损状况，同时提高了风能向电能的收集与转化效率，达到最大利用风能提高产能的目的；
2、 它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和系统本身所需；
3、 低风速启动，无噪音,为静音式风力发电机；
4、 比同类型风力发电机效率高于10-30%。
附图说明
图1是本发明申请一个实施例的结构示意图；
图2是本发明申请另一个实施例的结构示意图；
图3是本发明申请另一个实施例的叶片组的剖面结构示意图；
其中，1为立杆、2为连接梁、31为上叶片组、32为下叶片组、41为发电机的转子、42为发电机的定子、5为制动手柄、6为整流器、7为逆变器、8为负载。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机进行描述，目的是为了公众更好的理解本发明的技术内容，而不是对所述技术内容的限制，在以与本发明相同或近似的原理，对所述风力发电机作出的改进，包括对相应结构的增减和替换，对各部分结构大小、形状、质地的改变，都在本发明申请所要求保护的技术方案之内。
实施例一
如图1所示，本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，包括立杆1和位于立杆1顶端的叶片组、连接梁和发电机，其中，立杆1与地面垂直，叶片组分为上叶片组31和下叶片组32，每组都具有多个风叶，优选的，风叶采取立式叶片结构，具有较大的受风面积，在本实施例中，上叶片组31的风叶通过连接梁2连接发电机的转子41，下叶片组32的风叶通过连接梁2连接发电机的定子42，转子41与地面垂直，构成风力发电机的转轴，转轴与风向垂直，因此为垂直轴风力发电机，进一步的，所述的发电机转子通过磁悬浮轴承实现支撑，以达到降低摩擦力的作用，还可以在立杆1下部安装制动手柄5，用于发电机转子的制动。
当然，上、下组叶片组与发电机转子与定子的连接，并不限于本实施例中所描述的，事实上，上叶片组31的风叶也可以通过连接梁2连接发电机的定子42，下叶片组32的风叶也可以通过连接梁2连接发电机的转子41。
实施例二
如图2所示，本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，包括立杆1和位于立杆1顶端的叶片组、连接梁和发电机，其中，立杆1与地面垂直，叶片组分为上叶片组31和下叶片组32，每组都具有多个风叶，优选的，风叶采取立式叶片结构，具有较大的受风面积，在本实施例中，上叶片组31的风叶通过连接梁2连接发电机的转子41，下叶片组32的风叶通过连接梁2连接发电机的定子42，转子41与地面垂直，构成风力发电机的转轴，转轴与风向垂直，因此为垂直轴风力发电机，进一步的，所述的发电机转子通过磁悬浮轴承实现支撑，以达到降低摩擦力的作用，还可以在立杆1下部安装制动手柄5，用于发电机转子的制动。
进一步，所述的风力发电机还包括整流器、逆变器，分别连接在发电机与负载之间；整流器是一个将交流（AC）转化为直流（DC）的装置，它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压，因此，它同时又起到一个充电器的作用；逆变器（inverter）是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，用于将风能转化的电能进行存储，并转化为交流电供负载使用。
如图3所示，在本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机中，上叶片组31连接在转子41，下叶片组32连接在定子42，由于上、下叶片组的方向排布相反，接收风力的受力面不同，造成上、下叶片组在相同风向（图中直线箭头）下，其各自的转动方向相反（弧线箭头），提高了发电机的产能效率。
本发明申请所述的互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，消除了垂直轴风机轴承的摩擦问题，大大降低风力发电机部件的耗损情况，同时提高了风能向电能的收集与转化效率，达到最大利用风能提高产能的目的。
Claims (9)
1.一种互为逆向转动双风叶全永磁悬浮垂直轴风力发电机，包括立杆和位于立杆顶端的叶片组、连接梁和发电机，其特征在于：立杆与地面垂直，叶片组分为上叶片组和下叶片组，两组风叶的受力方向相反，每组都具有多个风叶，一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的转子，另一组叶片组的风叶通过连接梁连接发电机的定子，转子与地面垂直。
2.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的发电机的转子通过全永磁悬浮轴承实现支撑。
3.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的叶片组的多个风叶为板式叶片，与地面垂直。
4.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的风力发电机还包括制动手柄，所述的制动手柄位于立杆的下方，用于发电机转子的制动。
5.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述的风力发电机还包括整流器、逆变器，分别连接在发电机与负载之间。
6.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述电机定子的外壳材料为玻璃钢材质，降低电机的转动惯量，微风启动，发电效率增加。
7.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述上叶片组和下叶片组的风叶数目为三个以上。
8.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：所述上叶片组和下叶片组的风叶数目为奇数个。
9.根据权利要求1所述的风力发电机，其特征在于：上叶片组与电机法兰盘外壳固定为一体，下叶片组与发电线圈盘固定为一体，上，下叶片组与固定在各自的空心套轴上为一整体，在轴套内有轴承与中心轴连接，当有微风吹动时，上叶片组带动带有磁铁的法兰盘，下叶片组带动线圈逆向转动，发电机定子与转子切割磁场增加，导致发电流增加。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120328 |