CN104295451A - 一种小风力发电装置及发电系统 - Google Patents

一种小风力发电装置及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小风力发电装置及发电系统，包括多个叶片，在多个叶片形成的空腔中设有一个主轴，所述主轴上设置有风筒和与风筒相连接的发电机，所述发电机通过磁悬浮轴承与叶片相连接。本发明实现启动风速低、适用范围广、可靠性高、经济效益好与使用寿命长的优点。

Description

一种小风力发电装置及发电系统
 
技术领域
本发明涉及发电设备，具体地，涉及一种陀螺叶片和S形双筒风轮结构的磁悬浮直驱式小型低风速风力发电装置及发电系统。
背景技术
众所周知，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能很早就被人们利用，主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。根据风力强度分为0-2级称为轻微风，一般低风速风力发电机是指：切入风速为1.2m/s；发电风速≥2 m/s；风机功率≤600W的风力发电机系列产品。
风力发电是利用风能带动风叶旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电；依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。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。
水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。升力型旋转速度快，阻力型旋转速度慢。对于风力发电，多采用升力型水平轴风力机。大多数水平轴风力机具有对风装置，能随风向改变而转动。对小型风力机，这种对风装置采用尾舵，而对于大型风力机，则利用风向传感元件及伺服电动机组成的传动装置。
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。S型风车是阻力型，具有结构简单、易于制作，具有大启动转矩、容易运行，且在任意风速下都易于转动，在强风下也能运行，其不足是转速较慢，风能利用系数较低。。
上述风力发电机有较大的启动力矩，但尖速比低，在风轮尺寸、重量和成本一定的情况下，提供的功率输出低。另外，垂直轴风力发电机的启动风速高，一般需风速至少为3、5m/s的3级风和缓风才能启动。 
现有技术中存在启动风速高、应用范围小、可靠性低、经济效益差与使用寿命短等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种陀螺叶片和S形双筒风轮结构的磁悬浮直驱式小型低风速风力发电装置，以实现启动风速低、适用范围广、可靠性高、经济效益好与使用寿命长的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种小风力发电装置，包括多个叶片，在多个叶片形成的空腔中设有一个主轴，所述主轴上设置有风筒和与风筒相连接的发电机，所述发电机通过磁悬浮轴承与叶片相连接。
优选地，所述风筒包括层叠设置呈90弧度的第一风筒和第二风筒，位于下层的第二风筒与发电机相连接。
优选地，所述第一风筒和/或第二风筒为S形。
优选地，所述叶片通过叶片上托和叶片下托安装在所述主轴上，所述叶片上托内安装定位轴承。
优选地，所述叶片为3根陀螺形叶片，并呈120度圆周设置，所述陀螺形叶片上、下端分别安装在叶片上托和叶片下托上，所述陀螺形叶片为升力型翼片结构。
优选地，所述发电机的外转子与所述第二风筒连接，所述发电机的内定子镶嵌在主轴上，且与磁悬浮轴承套接。
优选地，还包括与主轴相连接的避雷针。
一种发电系统，包括小风力发电装置，还包括一蓄电池和与发电机相连接的控制器和逆变器，所述控制器用于控制发电机的工作状态以及蓄电池的工作状态，逆变器用于将直流电转换为交流电。
本发明具有的有益的效果是：本发明实现启动风速低、适用范围广、可靠性高、经济效益好与使用寿命长的优点。
附图说明
图1是本发明一种小风力发电装置一种实施例的结构示意图；
图2是本发明一种发电系统的结构示意图；
图中：1避雷针，2叶片上托，3定位轴承，4陀螺形叶片，5第一风筒，6第二风筒，7发电机，8法兰，9磁悬浮轴承，10叶片下托。
具体实施方法
结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种小风力发电装置，包括多个叶片，在多个叶片形成的空腔中设有一主轴，所述主轴上设置有风筒和与风筒相连接的发电机7，所述发电机7通过磁悬浮轴承9与叶片相连接，本实施例中优选地发电机7为小功率直驱永磁发电机7。
本实施例中优选地，叶片通过叶片上托2和叶片下托10安装在所述主轴上，所述叶片上托2内安装定位轴承3，叶片横截面呈流线形，大头为迎风面；风筒包括层叠设置的第一风筒5和第二风筒6，位于下层的第二风筒6与发电机7相连接，且第一风筒5和/或第二风筒6为S形；叶片和风筒共同构成风轮，主轴顶端连接避雷针1。
其中，所述叶片为陀螺形叶片4，且横截面呈流线形，大头为迎风面，属升力型翼片结构，陀螺形叶片4套接在主轴上、本实施例中陀螺形叶片4为3片，呈120弧度圆周设置，陀螺形叶片4上、下端分别通过三爪法兰8与安装在主轴的叶片上托2和叶片下托10连接，陀螺形叶片4采用高强度超轻铝合金压制而成。
本实施例中第一风筒5和/或第二风筒6为S形，并呈90度层叠设置在主轴上，发电机7采用圆周线速度较大、扁平圆形结构的小功率直驱永磁发电机7，第二风筒6与的外转子直接连接，内定子镶嵌在主轴上，且与磁悬浮轴承9套接，叶片与风筒组成的风轮直接驱动风力发电机7外转子旋转。
本实施例中所述避雷针1与陀螺形叶片4的三爪法兰8之间，还配合设有自上向下依次套设在主轴上的压紧螺母与平垫。
本实施例中叶片与风筒的配合使用增加了扫风面积，提高风能利用效率。风轮采用高强度超轻铝合金精密压铸而成，具有良好的强度和韧性，重量轻，不变形，防腐，防锈能力强。
一种发电系统，包括小风力发电装置、智能控制器、逆变器及蓄电池（如图2所示）。所述控制器具有三段均衡充电、自升压、过充、过放等功能；用于控制发电机7以及蓄电池的工作状态。逆变器将直流转换为交流，蓄电池是储存电能的设备。
在上述实施例中，由于包括双“S”型风筒、垂直轴（即垂直设置的主轴）与柔性陀螺型叶片构成的高效风轮；由向心球轴承和磁悬浮组成的阻力矩极小的支承系统；另外采用直接驱动外转子转动的永磁发电机7，因转速低、极数多、体积大，为利用其圆周线速度发电机7做成薄而大的扁平圆形结构，这样不但提高了低转速时的发电能力，而且也有利于散热。同时，由于其频率与极对数成正比，在设计发电机7时选取适合的极对数，以减少发电机7的体积，减轻其重量；同时，小型风机控制器采用三阶段充电方法，实现风电对蓄电池均衡充电，最大限度延长蓄电池的使用寿命；在风速低于2米/秒时，控制器自动启动升压功能，满足蓄电池的充电要求；且具备温度补偿功能；控制器具有光控、时控功能，可根据用电负荷状况，调节用电需求；具有风机调速或泄荷控制以及安全保护功能控制。为此，本发明使风力发电机7具有风速为0.55—1.6m/s的微风启动，低风速发电的功能。这样，可以提高叶片和S形双筒风轮结构的磁悬浮直驱式小型低风速风力发电装置的可靠性和经济性，并可以很好地降低风力发电机7对风速的要求；而且运转平稳、无抖动、无噪音。
在现有技术中，垂直轴风力发电机7的启动风速高，一般需风速至少为3.5m/s的3级风才能启动。
在上述实施例中，一种风力发电装置，采用陀螺叶片和S形双筒风轮结构、磁悬浮技术、低转速发电的直驱式永磁发电机7，在没有任何机械摩擦阻力以及在风力作用下，使电机转动并切割磁力线发出交流电，微风起动、高效发电、运行平稳、使用安全；1-1.5m/s微风就可启动，至少可以提高30%的发电效率，采用磁悬浮轴承9，减少启动力矩，充分发挥风能发电的优势；通过对各部件的合理配置和优化设计，能够保证微风发电、稳定可靠、经济、长寿命等特点，且不受季节影响的并且至少扩大了50%以上的应用地区，市场前景非常乐观。
综上所述，本发明各实施例的双向风筒式磁悬浮风力发电装置，由于包括垂直设置的主轴，设在主轴顶端的避雷针1，设在主轴底端的承重法兰8，自上向下依次配合套设在主轴上的陀螺形叶片4组件与向心球轴承组件，以及位于陀螺形叶片4组件形成的内腔中、且自上向下依次配合套设在主轴上的磁悬浮轴承组件、S形双风筒的风轮结构、直驱永磁电机、自适应控制器组成的低风速风力发电机系统；既可单独利用风能，或与太阳能互补方式组合形成风-光互补型供电系统；从而可以克服现有技术中启动风速高、适用范围小、可靠性低、经济效益差与使用寿命短的缺陷，以实现启动风速低、适用范围广、可靠性高、经济效益好与使用寿命长的优点。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小风力发电装置，其特征在于，包括多个叶片，在多个叶片形成的空腔中设有一个主轴，所述主轴上设置有风筒和与风筒相连接的发电机，所述发电机通过磁悬浮轴承与叶片相连接。
2.根据权利要求1所述的小风力发电装置，其特征在于，所述风筒包括层叠设置呈90弧度的第一风筒和第二风筒，位于下层的第二风筒与发电机相连接。
3. 根据权利要求2所述的小风力发电装置，其特征在于，所述第一风筒和/或第二风筒为S形。
4.根据权利要求1所述的小风力发电装置，其特征在于，所述叶片通过叶片上托和叶片下托安装在所述主轴上，所述叶片上托内安装定位轴承。
5.根据权利要求4所述的小风力发电装置，其特征在于，所述叶片为3根陀螺形叶片，并呈120度圆周设置，所述陀螺形叶片上下端分别安装在叶片上托和叶片下托上，所述陀螺形叶片为升力型翼片结构。
6.根据权利要求1-5任何一项所述的小风力发电装置，其特征在于，所述发电机的外转子与所述第二风筒连接，所述发电机的内定子镶嵌在主轴上，且与磁悬浮轴承套接。
7. 根据权利要求1-5任何一项所述的小风力发电装置，其特征在于，还包括与主轴相连接的避雷针。
8.一种发电系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任何一项所述的风力发电装置，还包括一蓄电池和与发电机相连接的控制器和逆变器，所述控制器用于控制发电机的工作状态以及蓄电池的工作状态，逆变器用于将直流电转换为交流电。
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