CN103174621B - 一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气压缩装置，特别是涉及一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置。该装置主要包括风轮、太阳能薄膜电池、变速齿轮箱、直流电机、偏航系统、活塞缸。太阳能薄膜电池均匀安装在风轮的叶片上，风轮的轮毂安装在变速齿轮箱的动力输入轴上，变速齿轮箱的动力输出轴经曲柄连杆机构与活塞缸的活塞传动连接，变速齿轮箱安装在偏航系统的偏航底座上，偏航系统安装在塔架上；太阳能薄膜电池向直流电机供电，直流电机带动变速齿轮箱的动力输出轴转动。本发明由于在风轮上均匀安装有太阳能薄膜电池，将吸收风能和太阳能的设备巧妙组装为一个整体。风能驱动风叶转动后驱动活塞而压缩空气，太阳能经太阳能薄膜电池产生直流电驱动直流电机带动风轮而间接压缩空气。

Description

一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置

技术领域

本发明涉及一种用于扬水的空气压缩装置，尤其是综合利用风能和太阳能的空气压缩装置。

背景技术

空气压缩机是一种将原动机的动力能转变为气体压力能的工作机。其种类多、用途广，有“通用机械”之称。市场上活塞式、离心式、双螺杆式、滚动转子式和涡旋式等各种不同类型压缩机。当前我国的压缩机设计制造技术取得了长足的进步，在某些方面的技术水平也已经达到国际先进水平。

风能与太阳能，被誉为人类生存的“未来能源”，取之不尽，用之不竭，在工农业生产中具有广阔的应用前景。随着人们对使用环境及能耗、环保等方面要求的提高，利用风能的风力压缩机暂露头角。但国内风力压缩机在技术和特殊产品等方面还不能满足生产需要。在技术水平、质量、成套性等方面与发达国家的技术水平还有较大差距。其中容量低、噪声大、效率低、可靠性差是风力压缩机发展面临的主要问题。其中由于天气阴晴不定、风速多变的原因，风力压缩机效率低下，难以得到大面积的推广应用。因此探索高效的清洁能源利用方法，开发太阳能和风能的混合利用装置，提高基于清洁能源的空气压缩装置的运行效率，对解决化石燃料的日渐枯竭以及生态环境的日趋恶化具有重要意义。

发明专利“太阳能风能变为气压能和用气压能提水的机械装置”（专利号： 02128730.9）和发明专利“太阳能风能由低能流密度变为高能流密度水力势能的装置” (专利号：200510006667.3）均综合利用太阳能和风能压缩空气并将气压能用于提水，但太阳能变为气压能的装置与风能变为气压能的装置是完全独立分开的装置，设备复杂而笨重。实用新型专利“风光互补风机”（专利号：201120046261.9）将太阳能薄膜电池安装在风叶上，巧妙地将两种装置合并为一，设备结构简单。但风光互补风机用于发电，太阳能经薄膜电池蓄能后经逆变输出发电，而风能驱动转子转动而切割磁力线后发电输出。由于采用了逆变器，增加了设备投入成本，也使能耗增大。

发明内容

本发明提供一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置，该空气压缩装置克服由于风力不稳定而造成风力压缩机效率低下的缺陷。具备体积小、重量轻、效率高；正常运行时无振动、结构紧凑、维护方便、可靠性高的特点。

本发明的技术方案在于：一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置，该装置主要包括风轮、太阳能薄膜电池、变速齿轮箱、直流电机、偏航系统、活塞缸。所述的风轮由四片叶片及轮毂组成。所述活塞缸的缸体上设置有进气阀和排气阀。所述进气阀和排气阀为菌状气阀，所述排气阀的排气口经出气管连接至储气罐。所述太阳能薄膜电池均匀安装在风轮的叶片上，所述风轮的轮毂安装在变速齿轮箱的动力输入轴上，所述变速齿轮箱的动力输出轴经曲柄连杆机构与活塞缸的活塞传动连接，以带动活塞往复运动，所述变速齿轮箱安装在偏航系统的偏航底座上，所述偏航系统安装在塔架上，以使该装置能够灵活转动并自动对风，所述尾翼一直迎着风向，所以使叶轮始终对准风向，充分利用风能。所述直流电机的电源输入端直接与太阳能薄膜电池相连接，所述直流电机的动力输出轴经传动机构与变速齿轮箱的动力输出轴传动连接。所述太阳能薄膜电池与风轮叶片集成为一体，太阳能薄膜电池吸收太阳能，转化为直流电，驱动直流电机带动活塞缸压缩空气；风轮转化风能而带动活塞压缩空气。太阳能和风能互补产生压缩空气能。

进一步，所述偏航系统包括偏航底座、尾翼、尾翼连接架、尾翼调节杆、销钉、手动制动拉环、刹车制动装置，所述尾翼连接架安装于偏航底座上，尾翼与尾翼连接架铰接，尾翼与尾翼连接架相对转角为90°；尾翼还通过其延伸出的尾翼调节杆、销钉、手动制动拉环的相互配合，实现压缩机的自动偏航与开关作用；所述刹车制动装置安装于风轮的轮毂上。

当遇到强风或台风时，偏航系统的尾翼在尾翼调节杆、销钉的作用下自动收起，风轮自动偏航90°背风，以保护风轮。

进一步，所述曲柄连杆机构包括连杆组件和曲柄组件，所述曲柄组件安装在变速齿轮箱的动力输出轴上，所述曲柄组件活动端经连杆组件与活塞相连接。

进一步，所述变速齿轮箱为一级齿轮传动的增速齿轮箱，该增速齿轮箱包括主轴、大齿轮、高速轴、小齿轮、箱体，所述主轴为动力输入轴，并与箱体外部的风轮轮毂固定连接，所述高速轴为动力输出轴，所述大齿轮安装在主轴上，所述小齿轮安装在高速轴上，所述大齿轮与小齿轮相互啮合，为空气压缩机的工作提供必需的转速和转矩。

进一步，所述轮毂为刚性轮毂，所述轮毂由三个放射形喇叭口拟合而成。轮毂的作用是将叶片固定在一起，并且承受风力作用在叶片上的推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩，然后传递到主轴上。

进一步，所述风轮额定转速低于主轴的0.7倍的一阶临界转速。当风速达到额定值风速时，即达到风轮额定转速时，刹车制动装置自动启动，使风轮限速。

主轴、曲柄等转动件的结构设计中，除了满足强度要求外，还进行了相关转动件的动平衡校正，减小偏心质量，特别是质量较大的转动件。

本发明的有益效果如下：

一是本发明首先将太阳能薄膜电池均匀安装在风轮叶片上。太阳能薄膜电池吸收太阳能产生直流电，驱动直流电机而带动活塞，压缩空气；风叶在风能的驱动下转动而驱动活塞，太阳能和风能互补压缩空气，而后用于扬水。本发明在晴天风力较弱时利用太阳能压缩空气、在阴天无阳光时利用风能压缩空气，克服传统风力压缩机效率低下的缺点。同时，将太阳能薄膜电池和风轮叶片集成在一起，结构紧凑美观。

二是本发明的叶轮额定转速低于主轴的0.7倍的一阶临界转速，使设备正常运行且无振动、无噪音，真正的绿色环保、清洁能源。此外通过对风轮结构的改进与偏航系统的设计，提高了风能的利用率，降低了起动风速，提高了设备的效率。

三是当遇到强风或台风时，偏航系统的尾翼在尾翼调节杆、销钉的作用下自动收起，风轮自动偏航90°背风，以保护风轮。同时刹车制动装置作用，使压缩机停机。此外也可以通过手动制动拉环实现压缩机的自动偏航与开关作用，操作方便，且安全可靠性高。

附图说明

图1为本发明的空气压缩装置结构示意图。

图2为活塞缸的结构简图。

附图标号如下：1、出气管    2、气导管    3、偏航底座    4、风轮    5、主轴    6、增速齿轮箱   7、销钉    8、尾翼连接架    9、偏航系统    10、减震弹簧   11、尾翼    12、手动制动拉环    13、减震铰点    14、尾翼调节杆    15、活塞式压缩机   16、止回阀    17、储气室    18、直流电机    19、高速轴   20、曲柄组件    21、连杆组件    22、气缸    23、活塞组件   24、排气阀    25、进气阀。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

如图1和图2所示，一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置，包括风轮4和太阳能薄膜电池、增速齿轮箱6、偏航系统9、活塞式压缩机15等。所述的风轮4由四片叶片、太阳能薄膜电池及轮毂组成，太阳能薄膜电池均匀安装在叶片上，吸收太阳能驱动直流电机18带动主轴5。所述增速齿轮箱6为一级齿轮传动，包括主轴、大齿轮、高速轴、小齿轮、箱体等。所述主轴5与箱体外部的风轮4紧固连接，主轴上装有大齿轮。所述大齿轮与高速轴19上的小齿轮啮合，为压缩机15的工作提供必需的转速和转矩。所述偏航系统9是依靠风力通过相关机构控制尾翼11完成对风动作的偏航方式。包括偏航底座3、尾翼11、尾翼连接架8、尾翼调节杆14、销钉7、手动制动拉环12、刹车制动装置等。所述偏航底座3的内、外圈分别与齿轮增速箱和塔架联接，保证活塞式风力压缩机主体部分转动的灵活性。所述尾翼连接架8装于偏航底座3上，尾翼11与尾翼连接架8铰接，尾翼与尾翼连接架相对转角为90°。所述尾翼一直迎着风向，所以使风轮4始终对准风向，充分利用风能。尾翼还通过其延伸出的尾翼调节杆14、销钉7、手动制动拉环12的相互配合，实现压缩机的自动偏航与开关作用。所述刹车制动装置装于风轮4的轮毂上。所述空气压缩装置包括气缸22、活塞组件23、驱动活塞往复运动的连杆组件21和曲柄组件20、控制气体进出的进气阀25与排气阀24。

本发明的工作过程：风向是不断变化的，为了使风轮4旋转平面始终正对风向。风光互补空气压缩装置依靠偏航系统的尾翼完成自动对风。在空气动力的作用下风轮带动主轴一起转动，通过一级的齿轮增速箱为压缩机的曲轴旋转提供了必需的转速和转矩。当压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；压缩机的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。

当遇到强风或台风时，尾翼在尾翼调节杆、销钉的作用下自动收起，活塞式风力压缩机偏航90°背风，保护风轮。同时刹车制动装置作用，使活塞式风力压缩机停机，此外也可以通过手动制动拉环实现风光互补空气压缩机的自动偏航、及开关作用。

本发明由于在风轮叶片上均匀安装有太阳能薄膜电池，将吸收风能和太阳能的设备巧妙组装为一个整体。风能驱动风叶转动后驱动活塞而压缩空气，太阳能经太阳能薄膜电池产生直流电驱动直流电机带动风轮而间接压缩空气。本发明将风能和太阳能直接转化为活塞运动的机械能而将能量存储于压缩空气中，风能和太阳能互补，显著提高风能空气压缩设备的效率。晴天风力弱时，利用太阳能压缩空气；阴天风力较强时，通过杠杆原理充分利用风能；而在台风时，通过偏航系统、刹车制动装置开始作用，使其自动停机并使风轮处于背风位置，保护风轮免受破坏。本发明具有绿色环保、效率高、成本低、外观整洁大方便于推广普及等优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于扬水的风光互补型空气压缩装置，该装置主要包括风轮、太阳能薄膜电池、变速齿轮箱、直流电机、偏航系统、活塞缸，所述活塞缸的缸体上设置有进气阀和排气阀，其特征在于：所述太阳能薄膜电池均匀安装在风轮的叶片上，所述风轮的轮毂安装在变速齿轮箱的动力输入轴上，所述变速齿轮箱的动力输出轴经曲柄连杆机构与活塞缸的活塞传动连接，以带动活塞往复运动，所述变速齿轮箱安装在偏航系统的偏航底座上，所述偏航系统安装在塔架上，以使该装置能够灵活转动并自动对风；所述直流电机的电源输入端直接与太阳能薄膜电池相连接，所述直流电机的动力输出轴经传动机构与变速齿轮箱的动力输出轴传动连接；所述偏航系统包括偏航底座、尾翼、尾翼连接架、尾翼调节杆、销钉、手动制动拉环、刹车制动装置，所述尾翼连接架安装于偏航底座上，尾翼与尾翼连接架铰接，尾翼与尾翼连接架相对转角为90°；尾翼还通过其延伸出的尾翼调节杆、销钉、手动制动拉环的相互配合，实现压缩机的自动偏航与开关作用；所述刹车制动装置安装于风轮的轮毂上；当遇到强风或台风时，偏航系统的尾翼在尾翼调节杆、销钉的作用下自动收起，风轮自动偏航90°背风，以保护风轮。

2.根据权利要求1所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：所述曲柄连杆机构包括连杆组件和曲柄组件，所述曲柄组件安装在变速齿轮箱的动力输出轴上，所述曲柄组件活动端经连杆组件与活塞相连接。

3.根据权利要求1或2所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：所述变速齿轮箱为一级齿轮传动的增速齿轮箱，该增速齿轮箱包括主轴、大齿轮、高速轴、小齿轮、箱体，所述主轴为动力输入轴，所述高速轴为动力输出轴，所述大齿轮安装在主轴上，所述小齿轮安装在高速轴上，所述大齿轮与小齿轮相互啮合。

4.根据权利要求3所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：所述风轮额定转速低于主轴的0.7倍的一阶临界转速。

5.根据权利要求4所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：当风速达到额定值风速时，即达到风轮额定转速时，刹车制动装置自动启动，使风轮限速。

6.根据权利要求1所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：所述进气阀和排气阀为菌状气阀，所述排气阀的排气口经出气管连接至储气罐。

7.根据权利要求1所述的用于扬水的风光互补型空气压缩装置，其特征在于：所述轮毂为刚性轮毂，所述轮毂由三个放射形喇叭口拟合而成。