CN103174591B - 平板式风力发电机 - Google Patents
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Abstract
公开一种平板式风力发电机，包括：风机模块，其具有平板框架，至少两个微型风力发电机单元组成的阵列设置在平板框架中，微型风力发电机单元的功率小于100W，且其启动风速低于3米每秒；安装在风机模块上的整机用电子模块，用于为所述至少两个微型风力发电机单元提供电子控制；机座，其固定于地面或建筑物，风机模块在边侧枢转地支撑在机座上，所述枢转支撑所围绕的轴称为枢转轴；其中平板式风力发电机具有倾斜机制，以响应不同的风速使风机模块倾斜。由于使用微型风力发电机单元，本发明的风机可利用较低风速的风力。此外，由于具有倾斜机制，本发明风机的发电效率在风力变化的情况下仍保持较高的水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机，尤其是一种由微型风力发电机单元组成的平板式风力发电机。
背景技术
作为替代传统化石燃料的可再生能源的一个主要方面，风能由于其极高的环保性而受到人们的重视。在风能充沛的通常也是远离城市的广阔空旷地区，人们可以建设由许多大型风力发电机组成的风力发电场。这些大型的风力发电场每年可以提供高达几千至几万千瓦的电力，因而为整个电力供应提供了显著的补充。
然而，此类由大型风机组成的发电厂有许多局限。首先，其必须布置在风力资源充沛的地区，而上述地区往往远离最需要电能的大城市或工厂。其次，大型风力发电机本身的制造、安装、维护等成本较高，导致其发电成本较高。其中尤其是机组的制造成本通常占整个风电成本的70％以上，虽然彭博新能源财经(BNEF)分析称机组设备成本的下降以及生产效率的提高有望在将来使风电成本在风力情况较好的地区拥有足够的竞争力(相对于现在的化石燃料发电)。但毫无疑问，由大型风机组成的发电厂至少不是廉价的电力供应者。
因此，除了适于并网的大型风机发电外，人们也在研究中小型风机发电的应用前景。例如，边远地区的用电量通常较小，导致常规的电网延伸极不经济，甚至可能出现线路损耗大于负荷消耗的情况。由于上述边远地区中的许多地区都具有少量风力资源(例如低速或中低速风力资源)，因此采用中小型风力发电能够以较高的性价比向这些无电人口提供电力。对于许多其他的位置固定的少量电力需要的情况，例如高速公路检测、气象站、通讯基站和农业灌溉等，中小型风力发电经常可以恰当地满足其需要。
除了在上述固定位置处应用风机发电的情形以外，最近，人们还注意到了位置变动情况下的微量或少量用电需要。例如，野外露营时人们也希望能够用电，并且显然野外中的风速可能显著地低于大型风力发电场中的风速，也明显低于中小型风力发电机适于发电的风速。此时，微型风力发电机，其由于启动风速较低(例如四米/秒以下)以及便于载运甚至携带而更适于满足人们的需要。
目前，市场上已经出现额定功率50w的微型发电机以用于例如野外露营等。如图1所示，上述微型风力发电机10、20可以分别看作是常规水平轴或垂直轴发电机的简化及缩小版，并且其启动风速可低于四米/秒。上述微型发电机的尺寸通常在40厘米以下，重量也很小，因而便于个人携带。但是，显然50w的额定功率意味着许多用电量更大的需要，例如500w的需要将难以满足。此外，每个上述微型风机都需要具有类似汽车轮胎抱死的制动机构以应对过强的风力，以及例如对风装置(水平轴型风机)。显然，为提供仅仅50w的功率而设置这样的机构看起来是缺乏效率的。
另外如图2所示，当风速达到风机的最佳工作风力后，由于现有的风机没有风速响应机制(强风保护机制或制动机构并非本文所述的风速响应机制)，因此，在风速高于最佳工作风速后现有的风机的输出功率将单调下降。例如，假定某风电场所在地区出现的最频繁风力为12米/秒，图2中的风机的最佳工作风速为12米/秒。其后当风速到达20米/秒时(该风速可能是该风电场所在地区出现的第二频繁风力)，该风机的输出功率仅为最佳工作功率的64％(900/1400＝0.64)。由于低于12米/秒的风速下的输出功率更低(即，最高点左侧的功率减小速度比右侧的功率减小速度更快)，因此，设计人倾向于将机组的最佳工作状态设置在12米/秒处以尽可能地利用该风电场的风力，但速度为20米/秒的第二频繁风力仍有显著的浪费。
发明内容
鉴于此，本申请的发明人想到将至少两个微型风力发电机单元组成阵列，以使其在弱风下提供较高的功率。此外，在将上述微型风力发电机单元组成阵列的过程中，发明人还想到为其提供一个整体电子控制系统或其他整体用的机构(如采用水平轴风机单元时需要具备的对风装置)，以及基于倾斜概念的整体的风速响应机制以提高风力的利用效率。本发明提供一种由至少两个微型风力发电机单元组成的平板式风机，旨在解决现有技术中存在的上述技术问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个实施例，提供一种平板式风力发电机，其包括：
风机模块，所述风机模块具有平板框架，至少两个微型风力发电机单元组成的阵列设置在所述平板框架中，所述微型风力发电机单元的功率小于100W，并且其启动风速低于3米每秒；
整机用电子模块，用于为所述至少两个微型风力发电机单元提供电子控制，所述电子模块安装在所述风机模块上；
机座，其固定于地面或建筑物，所述风机模块在边侧枢转地支撑在所述机座上，所述枢转支撑所围绕的轴称为枢转轴；
其中所述平板式风力发电机具有倾斜机制，以响应不同的风速使所述风机模块倾斜。
通过将至少两个微型发电机单元组合成平板式整体，本发明的风机可利用较低风速风力；通过提供整体电子模块，本发明风机所需要的电子部件较少。此外，由于本发明的风机具有倾斜机制，其发电效率在风力变化的情况下仍保持在较高的水平。
附图说明
图1示出现有技术水平轴和垂直轴两种类型的微型风力发电机。
图2示出传统的风力发电机风速与输出功率的关系。
图3为本发明平板式风机的正视图，其中垂直轴型的微型风力发电机单元设置在所述风机模块中；所述风机模块水平地枢转支撑在机座上。其中图3还示出根据本发明一个实施例的强风断开机构。
图4-5示出根据本发明的一个实施例，其中通过重力形成倾斜机制，图4-5还示出用于本发明平板式风机中的倾斜限位机构。
图6示出根据本发明另一实施例的平板式风机的正视图，其中垂直轴型的微型风力发电机单元设置在所述风机模块中；所述风机模块水平地枢转支撑在机座上，弹力机构连接在风机模块和机座之间。
图7示出根据本发明一实施例的用作可调节强风断开机构的部件的至少两个孔的螺钉板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同的标号表示相同或相似的元件。下面参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能解释为对本发明的一种限制。
参考图3，示出本发明平板式风机100的正视图。其包括：
风机模块110，所述风机模块具有平板框架，至少两个微型风力发电机单元111组成的阵列设置在所述平板框架中，所述微型风力发电机单元111的功率小于100W，例如为50W，并且其启动功率低于3米每秒；所述微型风力发电机单元111的叶片材料可以是塑料、玻璃钢、碳纤维、或金属材料、竹木质材料或柔性材料。
整机用电子模块(未示出)，用于为所述至少两个微型风力发电机单元提供电子控制，所述电子模块优选为可拆卸地安装在所述风机模块上，例如图1中的背侧；
机座130，其固定于地面或建筑物，所述风机模块110在上侧枢转地支撑在所述机座130上，所述枢转支撑所围绕的轴称为枢转轴A；
其中所述平板式风力发电机具有倾斜机制，以响应不同的风速使所述风机模块110倾斜。
参考图4和图5，示出一种形成所述倾斜机制的方法。所述枢转轴A为水平轴并形成在所述风机模块的重心G的上方，从而借助于风机模块的重力形成所述倾斜机制。
具体地说，如图5所示，当风W从图5中的左侧吹向右侧时，风机模块110绕枢转轴A转动，其相对于竖直方向所倾斜的角度取决于风力的大小和风机模块的单位面积的重量。因此，通过适当控制风机模块的单位面积的重量，可以大致确定在不同风力下风机模块110的倾斜角度。
以倾斜之后的风机模块110为参考点，可以将风力看作是垂直于风机模块110方向的风力WV和平行于风机模块110方向的风力WH之和。当倾斜角度适当时，其中WV风力将接近本发明微型风力发电机单元111的最佳工作风力。
例如，如图4所示，假定微型风力发电机单元111的最佳工作风力为4米/秒并且在4米/秒的风速下通过静摩擦力保持在完全对风的竖直状态(假定风为水平方向)。通过控制风机模块110的单位面积的重量以及枢转轴A与风机模块重心G之间的距离，可以使风机模块110在风速为8米/秒时相对于竖直方向倾斜60度。此时，垂直作用在风机模块110上的WV风力则是8×cos60°＝4米/秒，意味着风机模块上的各个微型风力发电机单元仍工作在最佳状态。
因此，可以看出，即使是简单的倾斜机制，也可以显著提高整个风机的最佳工作范围。这意味着微型风力发电机单元本身能够有更多和更平稳的电力供应。
参考图4和5，优选地，本发明的平板式风机还包括倾斜限位机构150，所述倾斜限位机构150固定在所述机座上，并限制所述风机模块的倾斜角度。
具体地说，所述倾斜限位机构可设置在所述风机模块110的上方，并具有前限位杆151和后限位杆152。当风向为图5中的从左至右方向时，后限位杆152防止风机模块110过度倾斜；相反，当风向为从右至左方向时，前限位杆151防止风机模块110过度倾斜。
参考图6，示出根据本发明另一实施例的平板式风机200的正视图，其中垂直轴型的微型风力发电机单元211设置在所述风机模块210中；所述风机模块210在左侧枢轴A’处竖直地枢转支撑在机座230上。
如图6所示，本发明的平板式风机还包括弹力机构240，所述弹力机构240优选可拆卸地连接在风机模块的连接钩214和机座230之间而构成所述倾斜机制。
与重力机制类似，通过设置弹力机构的连接位置及弹力大小，可以同样扩大整个风机的工作范围。甚至通过在不同位置处设置至少两个弹簧，可以使风机模块在高于最佳工作风力的一个较宽的范围内，基本与理想的倾斜角度相匹配。原则上，每加入一个位置不同的弹力机构，便可获得另一个最优工作风力。例如，对微型风力发电机单元211来说，在不使用重力机制但仍具有适当的静摩擦力的情况下，使用一个弹力机构，可以在4米/秒和8米/秒的情况下均得到最大输出，而使用两个弹力机构(其连接至风机模块的另一位置)则可以在4米/秒和8米/秒以及例如10米/秒下均得到最大输出功率。由于上述弹力机构是用于整个风机模块而非每个微型风力发电机单元，因此，增加一个弹力机构不会对整个风机模块的成本造成太大的影响。
替代地，本发明的平板式风机还包括连杆铰链，所述连杆铰链可以上悬式安装在所述风机模块和所述机座之间而构成所述倾斜机制。
具体地说，各种用于例如门或窗的开关的四连杆或五连杆铰链，例如公告号为CN2474685Y中所教导的连杆铰链等等均可适当变型而用于使本发明的风机模块倾斜。由于连杆铰链的变型和设计为本领域的公知常识，申请人在此不再赘述。
优选地，本发明的平板式风力发电机还包括阻尼机构(未示出)，其连接在所述风机模块110、210与所述机座130、230之间，以使风机模块110的倾斜移动变得平滑。所述阻尼器可包括例如弹簧阻尼器、液压阻尼器、粘滞阻尼器等。
再次参考图3，优选地，本发明的平板式风机的机座130还包括位于机座的左右两侧的可倒伏架173，其在底部通过枢轴175枢转地支撑在机座130中，所述风机模块110枢转地支撑在所述可倒伏架173上，所述可倒伏架173通过强风断开机构连接至机座130。
具体地说，机座130还包括在左右两侧的固定柱135，每个固定柱135具有一体形成与其上或固定安装在其上的螺孔板138；所述可倒伏架173与所述螺孔板138通过拉力螺钉137连接，拉力螺钉137用作所述强风断开机构。
也就是说，当风力超过预定值时，所述拉力螺钉137将断开。从而，可倒伏架173枢转倒伏，而携带风机模块110落入机座130的空腔(未示出)内。
优选地，当风机模块110进入机座130的空腔以后，可致动机座130的遮盖机构(未示出)关闭以保护风机模块。
替代地，所述强风断开机构可以是磁力部件等。
优选地，所述强风断开机构为可调节断开机构。
示例地，所述可调节断开机构包括图7所示的至少两个螺孔的螺孔板138’，所述至少两个螺孔的螺孔板中形成至少两个螺孔而对应不同拉断力的拉力螺钉。
本发明平板式风机可与蓄电装置，例如铅酸蓄电池、锂电池等蓄电装置结合使用。
优选地，本发明的平板式风机可结合到各种建筑物，例如路灯、广告牌等上面。
此外，如果微型风力发电机单元是水平轴型元件，则需要确定季风气候的主要风向。例如我国华北地区大多北偏西，其方向在相当长的时间内基本不变。因此只要安装的方向合适便获得大部分风能。对于方向多变的地区，可以加旋转跟踪装置，以最大效率地利用风能。由于整个风机只需要一个旋转跟踪装置，因此对整个风机的成本的影响并不大。
由于本发明的平板式风力发电机由微型风力发电机单元组成，其可以高效率地利用风速3米每秒以下的风力资源。在风速较低的广大地区，特别是城市，本发明的平板式风力发电机均适用。由于外部轮廓为平板式并且具有较小的体积，本发明的风机适于与建筑一体化，不另外占用土地资源。在用于路灯或广告牌等装置或建筑中时，其电能的产出可直接供上述装置或建筑使用。
尽管已经结合特定实施例描述了本发明，应该理解，本领域技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对上述实施例进行各种形式和细节的改变。
Claims (11)
1.一种平板式风力发电机，包括：
风机模块，所述风机模块具有平板框架，至少两个微型风力发电机单元组成的阵列设置在所述平板框架中，所述微型风力发电机单元的功率小于100W，并且其启动风速低于3米每秒；
整机用电子模块，用于为所述至少两个微型风力发电机单元提供电子控制，所述电子模块安装在所述风机模块上；
机座，其固定于地面或建筑物，所述风机模块在边侧枢转地支撑在所述机座上，所述枢转地支撑所围绕的轴称为枢转轴；
其中所述平板式风力发电机具有倾斜机制，以响应不同的风速使所述风机模块倾斜；
倾斜限位机构，所述倾斜限位机构固定在所述机座上，并限制所述风机模块的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的平板式风力发电机，其中所述枢转轴为水平轴并形成在所述风机模块的重心的上方，从而借助于风机模块的重力形成所述倾斜机制。
3.根据权利要求1所述的平板式风力发电机，还包括弹力机构，所述弹力机构连接在所述风机模块和所述机座之间而构成所述倾斜机制。
4.根据权利要求1所述的平板式风力发电机，还包括连杆铰链，所述连杆铰链连接在所述风机模块和所述机座之间而构成所述倾斜机制。
5.根据权利要求1所述的平板式风力发电机，还包括阻尼机构，其连接在所述风机模块与所述机座之间，以使风机模块的倾斜移动变得平滑。
6.根据权利要求1所述的平板式风力发电机，其中所述机座还包括可倒伏架，其通过强风断开机构连接至所述机座，所述风机模块在边侧枢转地支撑在所述可倒伏架上；当风速超过预定阈值时，所述强风断开机构断开，使得所述可倒伏架倒伏。
7.根据权利要求6所述的平板式风力发电机，其中所述强风断开机构为拉力螺钉或磁力机构。
8.根据权利要求6所述的平板式风力发电机，其中所述强风断开机构为可调节断开机构。
9.根据权利要求8所述的平板式风力发电机，其中可调节断开机构包括至少两个螺孔的螺孔板，所述至少两个螺孔的螺孔板中形成对应不同拉力螺钉的至少两个螺孔。
10.一种路灯，其特征在于包括如权利要求1到9中任一所述的平板式风力发电机。
11.一种广告牌，其特征在于包括如权利要求1到9中任一所述的平板式风力发电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: The 065001 Hebei economic and Technological Development Zone of Langfang Huaxiang new Austrian industrial park south block B Applicant after: ENN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Applicant after: ENN UBIQUITOUS ENERGY NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: The 065001 Hebei economic and Technological Development Zone of Langfang Huaxiang new Austrian industrial park south block B Applicant before: ENN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Applicant before: ENN ENERGY SERVICE Co.,Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: The 065001 Hebei economic and Technological Development Zone of Langfang Huaxiang new Austrian industrial park south block B Patentee after: ENN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee after: ENN FANNENG NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: The 065001 Hebei economic and Technological Development Zone of Langfang Huaxiang new Austrian industrial park south block B Patentee before: ENN SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee before: ENN UBIQUITOUS ENERGY NETWORK TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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