具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A、图1D所示,本发明的一种致风与自然风共驱组合叶片的风力发电机,该发电机包括有发电机机组(依据设计的风力发电机的瓦数来外购该设备,并依据该发电机的转子结构来设计第二风力轮4与转子的连接结构)、飞鱼叶片组件1、喷气叶片组件2、第一风力轮3、第二风力轮4、上层预应力索5、下层预应力索6、致风组件7和立柱8。
参见图1A、图1B、图1C和图1D所示的发电机机组上设置的多个设备的俯视图上看,浮力磁铁76-2、支撑轮基座76-5和制动器基座76-4均匀公布在发电机基座76-3的内侧而上,支撑轮基座76-5上安装支撑轮76-5A,制动器基座76-4上安装制动器76-4A。发电机基座76-3固定在顶盖76上,顶盖76上设置的送风孔76-6处用于安装喷气叶片。顶盖76与发电机基座76-3的内侧设有密封槽基座76-7,第二风力轮4安装在密封槽基座76-7上,然后在密封槽76-7A中注满密封液实现第二风力轮4与密封槽基座76-7之间的密封,从而有效利用地热源。连接盘76-1上安装有立柱8。为了防止打雷气候,在立柱8的上方要设置避雷设备,如避雷针10。对于发电机机组上的设备之间的安装为目前传统的连接方式。如发电机的转子9与定子76-3A在发电机基座76-3上的安装为传统的连接方式。
参见图1E所示的本发明设计的风力发电机的剖面图上看,为了要利用地热的能源,通过热水管74、回水管75导通热栅管、热螺旋管73使得致风筒71内的空气变化为热空气,热空气向上运动,从而为喷气叶片组件2提供推力。
参见图1F和图1G所示的飞鱼叶片组件1、喷气叶片组件2、第一风力轮3和第二风力轮4之间的安装结构图上看,利用立柱8上设置的上层预应力索5、下层预应力索6拉紧第一风力轮3和第二风力轮4。第二风力轮4在以地热能为主、风力能为辅的条件下推动其转动,第一风力轮3在以风力能为主、地热能为辅的条件下推动其转动,两种复合能源致使组合叶片转动产生转动的推力,最后将风能转换为机械能,由机械能转换为电能。
参见图1H和图1I所示的第二风力轮4与致风组件7中顶盖76之间的安装结构图上看,发电机机组安装在顶盖76的下方。图1J为顶盖76的仰视图,从图中看出每个致风筒的上端安装在致风筒安装孔76B1中,致风筒73内的热空气经致风槽76-7A流向喷气叶片,喷气叶片在地热源的推动下带动第二风力轮4转动,第二风力轮4的转动传递至发电机的转子上,致使机械能转换成电能。
(一)飞鱼叶片组件1
参见图2、图2A所示,飞鱼叶片组件1包括有飞鱼机身11、气道管12、风管13、翅片14、翅片轴15和翅片调节件16;
参见图2A、图2B、图2C所示,所述气道管包括有第一气道管12A、第二气道管12B和第三气道管12C;其中,第一气道管12A、第二气道管12B和第三气道管12C平行放置;
第一气道管12A的前端为第一进气口12A1,第一气道管12A的后端为第一出气口12A2;
第二气道管12B的前端为第二进气口12B1,第二气道管12B的后端为第二出气口12B2;
第三气道管12C的前端为第三进气口12C1,第三气道管12C的后端为第三出气口12C2。
参见图2A、图2B所示,所述风管13包括有左第一风管13A、左第二风管13B、左第三风管13C、右第一风管13D、右第二风管13E和右第三风管13F;
左第一风管13A、左第二风管13B和左第三风管13C平行放置,且位于飞鱼机身11的左侧;
右第一风管13D、右第二风管13E和右第三风管13F平行放置,且位于飞鱼机身11的右侧。
左第一风管13A与右第一风管13D以纵向中心线对称布局;
左第二风管13B与右第二风管13E以纵向中心线对称布局;
左第三风管13C与右第三风管13F以纵向中心线对称布局。
左第一风管13A的一端连接在第一气道管12A上,左第一风管13A的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
左第二风管13B的一端连接在第二气道管12B上,左第二风管13B的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
左第三风管13C的一端连接在第三气道管12C上,左第三风管13C的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
右第一风管13D的一端连接在第一气道管12A上,右第一风管13D的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧;
右第二风管13E的一端连接在第二气道管12B上,右第二风管13E的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧;
右第三风管13F的一端连接在第三气道管12C上,右第三风管13F的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧。
参见图2A、图2B所示,所述翅片14包括有左第一翅片14A、左第二翅片14B、左第三翅片14C、右第一翅片14D、右第二翅片14E和右第三翅片14F;
左第一翅片14A、左第二翅片14B和左第三翅片14C平行放置,且位于飞鱼机身11的左侧;
右第一翅片14D、右第二翅片14E和右第三翅片14F平行放置,且位于飞鱼机身11的右侧。
左第一翅片14A与右第一翅片14D以纵向中心线对称布局;
左第二翅片14B与右第二翅片14E以纵向中心线对称布局;
左第三翅片14C与右第三翅片14F以纵向中心线对称布局。
左第一翅片14A的连接端通过轴承安装在左第一翅片轴15A上;
左第二翅片14B的连接端通过轴承安装在左第二翅片轴15B上;
左第三翅片14C的连接端通过轴承安装在左第三翅片轴15C上;
右第一翅片14D的连接端通过轴承安装在右第一翅片轴15D上;
右第二翅片14E的连接端通过轴承安装在右第二翅片轴15E上;
右第三翅片14F的连接端通过轴承安装在右第三翅片轴15F上。
参见图2A、图2B所示,所述翅片轴15包括有左第一翅片轴15A、左第二翅片轴15B、左第三翅片轴15C、右第一翅片轴15D、右第二翅片轴15E和右第三翅片轴15F;
左第一翅片轴15A、左第二翅片轴15B和左第三翅片轴15C平行放置,且位于飞鱼机身11的左侧;
右第一翅片轴15D、右第二翅片轴15E和右第三翅片轴15F平行放置,且位于飞鱼机身11的右侧。
左第一翅片轴15A与右第一翅片轴15D以纵向中心线对称布局;
左第二翅片轴15B与右第二翅片轴15E以纵向中心线对称布局;
左第三翅片轴15C与右第三翅片轴15F以纵向中心线对称布局。
左第一翅片轴15A的一端连接在第一气道管12A上,左第一翅片轴15A的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
左第二翅片轴15B的一端连接在第二气道管12B上,左第二翅片轴15B的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
左第三翅片轴15C的一端连接在第三气道管12C上,左第三翅片轴15C的另一端裸露在飞鱼机身11的左侧;
右第一翅片轴15D的一端连接在第一气道管12A上,右第一翅片轴15D的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧;
右第二翅片轴15E的一端连接在第二气道管12B上,右第二翅片轴15E的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧;
右第三翅片轴15F的一端连接在第三气道管12C上,右第三翅片轴15F的另一端裸露在飞鱼机身11的右侧;
参见图2A、图2B所示,所述调节件16包括有左第一调节件16A、左第二调节件16B、左第三调节件16C、右第一调节件16D、右第二调节件16E和右第三调节件16F;
左第一调节件16A、左第二调节件16B和左第三调节件16C平行放置,且位于飞鱼机身11的左侧;
右第一调节件16D、右第二调节件16E和右第三调节件16F平行放置,且位于飞鱼机身11的右侧。
左第一调节件16A与右第一调节件16D以纵向中心线对称布局;
左第二调节件16B与右第二调节件16E以纵向中心线对称布局;
左第三调节件16C与右第三调节件16F以纵向中心线对称布局。
左第一调节件16A的拉杆连接在左第一翅片14A的下板面上,左第一调节件16A的支撑板安装在飞鱼机身11的左侧;
左第二调节件16B的拉杆连接在左第二翅片14B的下板面上,左第二调节件16B的支撑板安装在飞鱼机身11的左侧;
左第三调节件16C的拉杆连接在左第三翅片14C的下板面上,左第三调节件16C的支撑板安装在飞鱼机身11的左侧;
右第一调节件16D的拉杆连接在右第一翅片14D的下板面上,右第一调节件16D的支撑板安装在飞鱼机身11的右侧;
右第二调节件16E的拉杆连接在右第二翅片14E的下板面上,右第二调节件16E的支撑板安装在飞鱼机身11的右侧;
右第三调节件16F的拉杆连接在右第三翅片14F的下板面上,右第三调节件16F的支撑板安装在飞鱼机身11的右侧。
参见图2所示,飞鱼机身11的底部是连接体17,连接体17上设有第一螺栓孔17A。通过在第一螺栓孔17A中放置螺钉实现飞鱼机身11下端与第一风力轮3的上安装板面3A的固定安装。
参见图2A、图2B所示,将左第一风管13A、右第一风管13D、左第一翅片轴15A和左第一翅片轴15D焊接在第一气道管12A上,形成第一预成型件;
将左第二风管13B、右第二风管13E、左第二翅片轴15B和左第二翅片轴15E焊接在第二气道管12B上,形成第二预成型件;
将左第三风管13C、右第三风管13F、左第三翅片轴15C和左第三翅片轴15F焊接在第三气道管12C上,形成第三预成型件。
将第一预成型件、第二预成型件和第三预成型件安装在飞鱼模具中,且三个预成型件平行放置;然后采用玻璃钢材料一体注塑成型,得到飞鱼机身11。即飞鱼叶片为玻璃钢钢外壳,内填泡沫复合材料。
在本发明中,飞鱼机身11的前端是第一气道管12A、第二气道管12B和第三气道管12C的进气口端,飞鱼机身11的后端是第一气道管12A、第二气道管12B和第三气道管12C的喷气口端。在自然风的条件下,空气从飞鱼机身11的前端进入,从飞鱼机身11的后端喷出去。因此,从图2上看,飞鱼机身11的前端有第一进气口11A、第二进气口11B、第三进气口11C;飞鱼机身11的后端有第一喷气口11D、第二喷气口11E、第三喷气口11F。
在本发明中,基本设计参数:扫掠面积,由风力机的总体尺寸决定,叶片数5~18个(叶片数是指飞鱼叶片组件和喷气叶片组件构成的复合叶片的个数,若需要叶片数为5,则是需要5个飞鱼叶片组件和5个喷气叶片组件);叶尖速比取λ=2~10,叶尖速比是用来表述风电机特性的一个十分重要的参数。它等于叶片顶端的速度(圆周速度)除以风接触叶片之前很远距离上的速度;转子展弦比为组合叶片高度与风力轮直径之比取0.5~1.2;切入风速3m/s,切出风速25m/s;温度15℃;空气密度为1.225kg/m3;额定风速12m/s;实度为叶片展开曲面面积之和除以扫掠面积。初选10~25%,以能够在大风超速时形成“围墙”减少吸风量而降速,具有自我保护功能为佳;飞魚叶片及喷气叶片的片体截面可以采用NACAooXX(如NACA2415翼型等)对称翼型,并加以修正。
在本发明中,是以飞魚叶片与喷气叶片组合为共驱的风力发电机,亦可根据风况单独设计为飞魚叶片风力发电机或喷气叶片风力发电机,或组合其他叶片如达里厄型垂直轴风力机转子叶片等。以达到大容量、成本低、风能转化率高的目的。
在本发明中,飞魚叶片是以空气动力学、仿生学、复合材料学等多学科综合知识设计而成的高效风能捕捉器。飞鱼机身11,使用NACA层流翼型,升力驱动,能量利用率较高,根据贝茨理论,升力型风力机的能量利用率为59.3%,阻力型风力机的能量利用率仅为19%~40%。飞鱼机身头部气道管12A似魚嘴,吸入空气并减少阻力;风管13似魚的呼吸魚鳃,来风面进气,背风面出气,出气的反力推动魚身;翅片14似飞机机翼,其升力减轻风力轮的重力荷载;翅片轴15和翅片调节件16是仿鸟的扑翼和昆虫的振翅,蕴藏着无穷的奥秘,其超强的技能,来源于非定常涡流升力;气道管12的尾部为喷气端,喷出气的反力即是对魚身的推力。飞魚叶片及喷气叶片采用复合材料,其比刚度和比强度高,其各向异性、性能可设计性和复杂形状的可加工性,使飞魚叶片满足重量轻、安全可靠、经济合理的要求。
(二)喷气叶片2组件
参见图3、图3A、图3B、图3C所示,喷气叶片组件2包括有喷气壳体21、上连接体22和下连接体23;上连接体22安装在喷气壳体21的上端,下连接体23安装在喷气壳体21的下端。上连接体22与第一风力轮3连接,下连接体23与第二风力轮4连接。
所述喷气壳体21的内部设有进气通道24、第一排气通道25A、第二排气通道25B、第三排气通道25C;喷气壳体21的内壁与进气通道24、第一排气通道25A、第二排气通道25B、第三排气通道25C之间填充有填充物26。进气通道24用于热力产生的气流进入,然后通过第一排气通道25A、第二排气通道25B、第三排气通道25C喷出,从而形成气流流动。喷出气体的反力作用在喷气壳体21上,推动风力轮绕立柱8旋转。
本发明设计的喷气叶片热空气(或称为热气流)从叶片的底部进入,然后由尾部喷气管喷出,根据牛顿第二定律产生的推力,即单位时间内喷出气体的数量(kg/s)和喷出气体的速度(m/s)的乘积即为推力,调节致风筒的高度、筒内温度、进风门开启大小等即可控制推力大小。即喷气叶片为玻璃钢钢外壳,内填泡沫复合材料。
在本发明中,喷气叶片组件2采用气动与推进相结合的叶片构形,在风力机中具有很大的潜力。
(三)致风组件7
参见图7、图7A、图7B所示,致风组件7包括有致风筒71、热力栅管72、热力螺旋管73和致风筒顶盖76,热力栅管72和热力螺旋管73设置在致风筒71内;多根致风筒71呈圆周排列安装在致风筒顶盖76的连接盘76B上。
致风筒71为空心圆柱结构,一个风力发电机上致风筒71一般设置4~8个。致风筒71的上端安装在顶盖76D的送气孔中,致风筒71的下端安装在基座7A上。致风筒71的下端设有进风口711,该进风口711与进风道相连通,并通过安装的闸门来调节进风量。
热力栅管72由进水管721和出水管722组成,所述进水管721的另一端与热水管74一端连接,热水管74另一端接通热水,所述出水管722的另一端与回水管75一端连接,回水管75另一端接通热水。
热力螺旋管73为螺旋结构,热力螺旋管73的进水口端与热力栅管72的进水管721的一端连接,热力螺旋管73的回水口端与热力栅管72的出水管722的一端连接。热力螺旋管73贴覆在致风筒71的内壁。
致风筒顶盖76包括有外圆盘76A、连接盘76B、内圆盘76C,内圆盘76C的外壁与外圆盘76A的内壁构成密封槽基座76-7(如图1B所示);内圆盘76C与外圆盘76A之间是送气孔76-6,在所述密封槽基座76-7上安装第二风力轮4,在顶盖76上安装发电机基座76-3;连接盘76B位于外圆盘76A的下方;
外圆盘76A上设有多个通风孔76A1,该通风孔76A1一方面能够减轻致风筒顶盖76的整体重量,另一方面在喷气叶片旋转的条件下,使自然风在顶盖76与组合叶片之间形成一屏障,减少大风时对组合叶片的吹动。
连接盘76B上设有多个用于安装致风筒71上端的安装孔76B1。
在本发明中,储水箱中致风的热水(一般为30℃~60℃),热力管72的一端与进水管721相连,从致风筒71底部进入并贴覆在致风筒71的内壁上,在底部栅状安装一个园环后成螺旋上升至致风筒顶部,再从顶部螺旋下降,至底部后与回水管722连接。经热水管74进入热力螺旋管73的进水管731中,然后流经热力盘管72后,从螺旋管73的出水管732回流至回水管75,最后回流至储水池中。由于致风筒71为空心结构,且热力盘管72贴覆在致风筒71的内壁,经致风筒71的缺口711进入筒内的风在温度差的条件下,形成旋风。从致风筒71的进风口711进入的冷空气,遇热上升,沿热力螺旋管72螺旋上升,生成较强的外热内凉的“龙卷风”在致风筒71的筒内运行,经致风筒71的上部后被送入的第二风力轮4的送风槽中,后经接风槽接口,将风送出。
在本发明中,产生致风所需热力可以是:地热、太阳能、燃气、风致热、电热、工厂余热、垃圾处理致热、沼气致热、生物致热等,依当地情况适选其一。
在自然界,由于太阳对地表面不均匀加热,使大气层中高、低压区间的空气流动而形成风。旋转的龙卷风蕴含着巨大的能量,旋涡的特点是中心压力较低,导致向上吸力,从而产生升力。在本发明中,根据此原理设计的人工致风筒,是对自然风的补充和平衡。
(四)第一风力轮3
参见图1、图4所示,第一风力轮3上设有与飞鱼叶片连接螺栓孔的上板面31、有与喷气叶片连接螺栓孔的下板面32、内侧板面33、索锁扣34;索锁扣34安装在内侧板面33上,索锁扣34用于固定上层预应力索5的一端,上层预应力索5的另一端固定在立交柱8上;
上板面31用于安装飞鱼叶片组件1;
下板面32用于安装喷气叶片组件2的上连接体。
(五)第二风力轮4
参见图1、图5所示,第二风力轮4上设有与喷气叶片连接螺栓孔的上板面41、下面板42第一下竖板42A、第二下竖板42B、内侧板面43、索锁扣44、外侧板面45;索锁扣44安装在内侧板面43上,索锁扣44用于固定下层预应力索6的一端,下层预应力索6的另一端固定在立交柱8上;
上板面41上设有进风口41A,该进风口41A与进气通道24对齐;上板面41上安装有喷气叶片组件2。
外侧板面45上安装有发电机的转子9。下面板42上焊接有接风槽、有浮力磁铁。
第一下竖板42A和第二下竖板42B围合为接风槽。
在本发明中,第一风力轮3与第二风力轮4构成组合叶片的安装平台,该平台能够为叶片提供致风空间,并以立柱为中心,在风力的推动下转动,致使两个风力轮转动,从而带动永磁直驱风力发电机的转子转动,产生电力。风力轮重量轻,其刚度和强度大,为大型垂直轴风力发电机提供了发展空间。
(六)上层预应力索5
参见图1B、图1C所示,上层预应力索5的一端连接在第一风力轮3上,上层预应力索5的另一端连接在立柱8的下推力盘83的下凸耳831上。
(七)下层预应力索6
参见图1B、图1C所示,下层预应力索6的一端连接在第二风力轮4上,下层预应力索6的另一端连接在立柱8的上推力盘82的上凸耳821上。
在本发明中,用预应力索对称均匀地将中心支柱与风力轮紧固在一起,制成重量很轻的发电机转子安装结构,有益于发电机的低成本、低风速启动和可靠运行。
(八)立柱8
参见图1、图6、图6A、图6B、图6C、图6D、图6E所示,立柱8上设有柱帽81、上推力盘82、下推力盘83、止推轴承支座84、立柱支座85、上止推轴承86、下止推轴承87;其中,上推力盘82与下推力盘83的结构相同,反向安装;上止推轴承86与下止推轴承87的结构相同,反向安装;
柱帽81的中心设有安装孔811,通过安装孔811将避雷针10固定在支柱8上。
柱帽81的下方设有帽沿812、柱帽连接环813和柱帽内环814;柱帽内环814的上端端面上设有螺纹孔851,通过在该螺纹孔851中放置螺钉实现将柱帽81与立柱支座85的上端的固定连接;柱帽为防雨水之用。
立柱支座85的外壁与柱帽连接环813之间形成有一空腔,该空腔用于放置上推力盘82,且上推力盘82套接在立柱支座85的上端,并通过柱帽连接环813阻挡部分上推力盘82,实现对上推力盘82在立柱支座85的上端的安装位置限定。
上推力盘82套装在立柱8的上部,压紧在止推轴承支座84的上端,上推力盘82的外环面上均匀设有多个上凸耳821,上推力盘82的内部设有内凸台822。所述上凸耳821用于连接下层预应力索6的一端。所述内凸台用于放置上止推轴承86。
下推力盘83套装在立柱8的下部,压紧在止推轴承支座84的下端,下推力盘83的外环面上均匀设有多个下凸耳831,下推力盘83的内部设有内凸台832。所述下凸耳831用于连接上层预应力索5的一端。下推力盘内部设有的内凸台832用于放置下止推轴承87。
止推轴承支座84为空心圆柱结构,止推轴承支座84的上端设有上内凸台841,止推轴承支座84的下端设有下内凸台842;所述上内凸台841用于放置上止推轴承86;所述下内凸台842用于放置下止推轴承87。
立柱支座85的套筒856的上端端面设有螺纹孔851;立柱支座85的上端设有底盘853,底盘853上设有通孔852,底盘853与套筒856焊接在支柱8的下端,底盘853上设有多个加强肋条854。套筒856为中心是通孔857,套筒856从上至下套接有上推力盘82、上止推轴承86、止推轴承支座84、下止推轴承87和下推力盘83。支座有与基础连接的地脚螺栓孔。
立柱8是第一风力轮3、第二风力轮4旋转的定位中心,第一风力轮3绕上推力盘82转动,第二风力轮4绕下推力盘83转动。
(九)发电机机组
在本发明中,发电机机组中的发电机转子9固定在第二风力轮4的外侧板45上,发电机定子76-3A安装在发电机基座76-3上,发电机基座76-3安装在顶盖76上(如图1B所示)。对于发电机可以采用永磁直驱发电机,定子绕组水内冷,定子铁芯与转子绕组为空冷。
(十)避雷针10
参见图1、图1E所示,避雷针10通过柱帽上的安装孔811将固定在支柱8上,支柱与叶片内的避雷网及其他部分的避雷线网相连,通过支柱的地脚螺栓与基础内下钢筋相连,钢筋与防雷环及接地棒相连,形成本发明设计的发电机的避雷系统。
本发明设计的风力发电机,其包括有“飞鱼叶片”与“喷气叶片”共安装在风力轮上,用预应力索与上部推力盘及下部推力盘相连,推力盘将重力传给上部及下部止推轴承,压紧在止推轴承支座上,轴承支座固定在立柱上,自然风经“飞鱼叶片”产生的推力与致风经“喷气叶片”产生的推力共同驱动风力轮,围绕立柱旋转,发电机转子固定在风力轮上,发电机定子固定在平台上,由此将风力推动的机械能转换为电能。为了轻便运行,风力轮与平台上装有悬浮用的多对永磁铁和电磁铁,电磁铁通电时,其斥力减少了风力轮的重量,为了平稳运行设有支撑轮、制动器和控制柜。热力致风筒有4~12个,利用温差生风原理,将热力送至致风筒,使筒内温度升高,冷空气由进风口进入致风筒,气流上升,至接风槽和送风槽,送至“喷气叶片”喷出,液体密封槽确保接送风的过程不漏风,致风筒内有热力盘管、热力螺旋管、相变蓄热器,从进风道进入的冷空气,遇热上升,沿热力螺旋管上升生成较强的外热内凉的“龙卷风”,热源间断时有相变蓄热器保持筒内温度。立柱上端有柱帽和避雷针,下端用地脚螺栓固定在平台上,基础内的主钢筋上连至避雷针下与接地环焊接,接地环上有多根垂直接地棒。