CN104989599A - 飞轮式风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮式风力发电机，包括竖杆和设置在所述竖杆顶部的风轮组件、发电机和尾翼，其中；所述风轮组件具体包括主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片以及圆环和两个飞轮配重块。上述飞轮式风力发电机，克服了传统技术的诸多技术缺陷，减少叶片转速的不稳定性以及减少叶片振动幅度以及晃动量；其可以保证叶片的频率振幅转速趋于稳定，进而保证了风力发电机的电力输出稳定，保证了风力发电质量和风力发电效率。

Description

飞轮式风力发电机

技术领域

本发明涉及发电机装备技术领域，尤其涉及一种飞轮式风力发电机。

背景技术

风能是一种清洁环保可再生资源，风能发电与太阳能、地热、海洋能、氢能、可燃冰等新能源发电相比技术成熟，而且，完全不产生碳排放，是当代最理想的绿色能源。

风力发电机是一种风能动力机械。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩，并通过低速轴、增速箱、高速轴等部件，将风能转变成机械能，最后驱动高速发电机发电，电能供离网用户使用，也可通过逆变器馈入电网。

在现有技术中，传统的风力发电机利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，进而来促使发电机发电。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。

然而，传统技术中的风力发电机依次存在一些技术缺陷；例如：传统技术中的风力发电机常常因为风力不稳，造成叶片转速不稳，进而造成风力发电机的频率不稳定。例如：三片或者五片叶片的风力发电机，因为叶片的形状不同，当自然风速为3-4米/秒时产生的叶片转速是几十到几百转每分钟不等，很显然上述叶片转速范围较大，转速变化幅度较大，这样容易造成叶片的频率振幅转速不稳，进而造成风力发电机的电力输出不稳定，影响风力发电质量和风力发电效率。

基于以上原因，传统风力发电机容易造成叶片转速不稳定，风力发电机电力输出不稳定，风机效率低等问题。很显然，如何克服传统技术中的风力发电机的上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞轮式风力发电机，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种飞轮式风力发电机，包括竖杆6和设置在所述竖杆6顶部的风轮组件、发电机4和尾翼5；

所述风轮组件具体包括主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片3以及圆环2和两个飞轮配重块1；

其中，多个所述叶片3的近端与所述主轴固定连接，多个所述叶片3的远端沿着所述圆环2的环壁固定连接；两个所述飞轮配重块1均匀沿着所述圆环2的环壁连接；所述主轴与所述发电机4键连接；所述尾翼5固定连接在所述发电机4的尾部。

优选的，作为一种可实施方案，两个所述飞轮配重块1沿着所述圆环2的重力平衡线上安装设置。

优选的，作为一种可实施方案，所述飞轮配重块1为铸铁结构件或是合金结构件。

优选的，作为一种可实施方案，所述圆环2为合金圆环。

优选的，作为一种可实施方案，所述叶片3的数量为一片或多片。

优选的，作为一种可实施方案，所述叶片3为碳纤维复合工程材料叶片。

优选的，作为一种可实施方案，两个所述飞轮配重块1与所述圆环2之间可拆卸连接。

优选的，作为一种可实施方案，所述叶片3的板面为弧面状。

优选的，作为一种可实施方案，所述尾翼5为V形形状的尾翼。

优选的，作为一种可实施方案，所述发电机4为交流发电机。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种飞轮式风力发电机，分析上述飞轮式风力发电机的主要结构可知：上述飞轮式风力发电机其由风轮组件、发电机4和尾翼5、竖杆6组成；具体的风轮组件又由主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片3以及圆环2和两个飞轮配重块1等结构组成；

本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，其在现有叶片的基础上进行改进设计，在圆环2的平均(平衡)线上加上两个飞轮配重块1(起平衡作用)，并利用飞轮效应来带动叶片的旋转，增加风力的利用率，从而提高发电量，转速平稳。即飞轮配重块1在同圆环2一起旋转过程中，由于飞轮配重块1本身具有一定的重量，因此在其旋转过程中将会对圆环2的圆周运动起到一定的导向作用；由于飞轮配重块1的惯性以及导向作用(即飞轮配重块加强了离心作用，增强的离心作用会使圆环旋转更加趋于稳定)，将会致使圆环2以及叶片3的旋转过程稳定，进而影响到叶片3转速稳定；减少叶片3转速的不稳定性以及减少叶片振动幅度以及晃动量；

综上所述，本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，叶片的频率振幅转速趋于稳定，进而保证了风力发电机的电力输出稳定，保证了风力发电质量和风力发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的一视角下的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的另一视角下的立体结构示意图；

图4为图1中本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的侧视图；

图5为图1中本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的俯视图；

附图标记说明：

飞轮配重块1；圆环2；叶片3；发电机4；尾翼5；竖杆6。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1、图2或图3，本发明实施例提供的一种飞轮式风力发电机，包括竖杆6和设置在所述竖杆6顶部的风轮组件、发电机4和尾翼5(另参见图4和图5)；

所述风轮组件具体包括主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片3以及圆环2和两个飞轮配重块1；

其中，多个所述叶片3的近端与所述主轴固定连接，多个所述叶片3的远端沿着所述圆环2的环壁固定连接；两个所述飞轮配重块1均匀沿着所述圆环2的环壁连接；所述主轴与所述发电机4键连接；所述尾翼5固定连接在所述发电机4的尾部。

需要说明的是，上述飞轮式风力发电机还可能涉及增速器、传动轴、制动器和电控系统等结构；所述制动器用于对所述发电机的输出动力进行制动。这样通过制动器便可以直接对发电机进行制动，进而停止风机运行，控制叶片转动发电工作。同时，电控系统包括整流器、稳压器等电气件，关于上述飞轮风力发电机的相关附属结构，均为风力发电机的公知技术，对此本发明实施例不再一一赘述。

分析发明实施例提供的飞轮式风力发电机的主要结构可知：上述飞轮式风力发电机其由风轮组件、发电机4和尾翼5、竖杆6组成；具体的风轮组件又由主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片3以及圆环2和两个飞轮配重块1等结构组成；

本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，其在现有叶片的基础上进行改进设计，在圆环2的平均(平衡)线上加上两个飞轮配重块1(起平衡作用)，并利用飞轮效应来带动叶片的旋转，增加风力的利用率，从而提高发电量，转速平稳。即飞轮配重块1在同圆环2一起旋转过程中，由于飞轮配重块1本身具有一定的重量，因此在其旋转过程中将会对圆环2的圆周运动起到一定的导向作用；由于飞轮配重块1的惯性以及导向作用，将会致使圆环2以及叶片3的旋转过程稳定，进而影响到叶片3转速稳定；减少叶片3转速的不稳定性以及减少叶片振动幅度以及晃动量；

综上所述，本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，叶片的频率振幅转速趋于稳定，进而保证了风力发电机的电力输出稳定，保证了风力发电质量和风力发电效率。

实验验证证明：使用本发明实施例提供的飞轮发电机以后，振幅转速可以达到5左右，基本转速为80转每分钟，同时平均转速75-80转每分钟；

需要说明的是，圆环2的原材料就是一块普通铸铁，通过数控机床加工，成圆形圆环后可保证其转动起来不抖动，下一步在这个圆环状的铸铁上寻找平衡两个点加重，使它转动起来更有力量；需要说明的是，上述平衡点(即重力平衡线上的两个点)可以使用类似于轮胎动平衡原理以及设备进行寻找和配重；

下面对本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的具体结构做一下详细的说明：

在具体结构中，两个所述飞轮配重块1沿着所述圆环2的重力平衡线上安装设置。

需要说明的是，上述飞轮配重块1可以是多个(例如2个或2个以上)；很显然只要保证飞轮配重块1安装在圆环2上后，保证圆环动力平衡即可；所以上述飞轮配重块可以是2个以上；不过最为最优选的技术方案，圆环2加工后的质量足够均匀且加工精度足够高，致使圆环2的重力平衡线上的两点就是穿过圆环2的中心水平线的两个点(即圆环2环壁轨迹上与穿过圆环2的中心水平线的两个交叉点)；上述两个点上对应安装两个重量相同形状相同的飞轮配重块即可。

优选的，作为一种可实施方案，所述飞轮配重块1为铸铁结构件或是合金结构件。

需要说明的是，上述飞轮配重快1可以是多种材料形式，优选则使用铸铁的飞轮配重块或是合金的飞轮配重块。

在具体结构中，所述叶片3的数量为一片或多片。所述叶片3为碳纤维复合工程材料叶片。

需要说明的是，上述叶片可以优选选择使用碳纤维复合工程材料叶片，其在保证叶片正常承载能力的同时，降低其自身重量，进而减少叶片启动阻力以传动时的机械能损耗，进而提升了飞轮式风力发电机的风机效率。

优选的，作为一种可实施方案，两个所述飞轮配重块1与所述圆环2之间可拆卸连接。

需要说明的是，上述飞轮配重块1与圆环2的连接方式最优选为可拆卸连接；即随时时间的推移，圆环2的飞轮配重块1可能发生位移或是损坏；届时可将损坏的飞轮配重块进行更换或是调整飞轮配重块的相对位置进行修理调整。

需要说明的是，所述叶片的板面为弧面状，叶片的翼形，独特设计的翼形，其可以保证叶片具有一定的承载能力的同时，兼顾了风机效率(叶片兜风作用更为明显)和气动阻力，降低了电机启动力矩。即稳固叶片弧面弧度的作用，避免了叶片承载变形的发生；一般来讲平板式的叶片容易受到强风吃动而变形；然而本发明实施例中的叶片则不会发生这种情况。同时，叶片是碳纤维材料，有效地避免了叶片被腐蚀，易受雷击影响的问题，同时树脂面漆层有效地增加了叶片表面的光滑程度，降低了叶片空气摩擦力，进而提升了飞轮式风力发电机的风机效率和结构稳定性和可靠性。

需要说明的是，风机的风轮叶片是接受风能的最主要部件。叶片的设计要求有较高地接受风能的翼型、合理的安装角、科学的升阻比、叶尖速比和叶片型线扭曲。由于叶片直接迎风并获得风能，所以要求叶片有合理的结构、采用先进的材料和科学的工艺，以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等作用于叶片的各种弯矩和拉力，而且还要求叶片重量轻、结构强度和疲劳强度高、运行安全可靠、易于安装和方便维护、制造简单、制造和使用成本低。另外，叶片表面要光滑，以减少叶片转动时与空气的磨擦阻力。

风机叶片的总体要求：良好的空气动力学外形，可充分利用风电场的风能资源，获得尽可能多的风能；可靠的结构强度，具备足够的承受极限载荷和疲劳强度的能力；良好的空气动力学特性、气动稳定性，避免共振和颤振现象；具有耐腐蚀、防雷击和维护方便的特点；优化结构设计，尽可能减轻叶片重量，降低制造成本。

优选的，作为一种可实施方案，所述尾翼5为V形形状的尾翼。

优选的，作为一种可实施方案，所述发电机4为交流发电机。

需要说明的是，上述发电机4则选择质量好，可靠性高，适应性强且使用寿命长久的交流发电机设备。

需要说明的是，在本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，最核心的构造为飞轮；该飞轮具有较大转动惯量，由于风轮叶片做功是不连续的，所以风轮转速也是有变化的，当风轮转速增高时，飞轮动能增加把能量贮蓄起来，当风轮转速降低时，飞轮动能减少，把能量释出来，飞轮可以用来减少风轮在运转过程中转速波动；

经过多次试验证明：为验证飞轮作用，准备一台400w风力发电机，标配三叶片，直径1.5米，使用风速三点五米无法带功自起动，选取的叶片有四种，分别是标配三叶片三角形，荷兰风车那种梯形的，长条形的，扇形的，使用外环圈直径一米风轮，飞轮模块(即飞轮配重块)质量单边是叶片总质量的1-1.5倍，叶片数量从小2至6片，外形大小不等，获得风轮带功转速几十转到一百五不等；若采用动平衡设备，转速提到二百以上不成问题；

实验二，用弹簧测力计给五百克两个飞轮模块做了风轮转速力距测试，因为是手动作为动力推动风轮自转，可能不准，直径五十公分力距三千克，一米五千克，一米五七千克，通过一些试验得到以下优点，

优一，使风力发电机在转动过程中没有转速波动；

优二，通过飞轮设计公式和转动惯量公式作为参考，不一定要设计那么大直径风轮，也能获得同样力距；

优三，因为这个飞轮设计有外环作为配套设计，外环把所有叶片整合在一起，使用起来结构稳定性更强，所以厂家在叶片设计上，对叶片形状和材料使用上更宽松。综上，经过上述多次试验证明，在飞轮式风力发电机的具体构造中，飞轮起到了至关重要的核心作用；飞轮显然可以作为上述分轮式风力发电机关键技术以及关键保护点。

本发明实施例提供的飞轮式风力发电机的关键点和欲保护点在于：飞轮技术在风力发电机上的应用；从整个飞轮式风力发电机的来看，其至少具有如下技术特点：本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，1、提高风力利用率，风能利用率有显著提高；2、转速比较平均，电力输出稳定；3、叶片的受力强度，例如：以三片为例，原有传统的叶片是单片受力，本发明实施例的叶片为均匀受力；4、便于维修保养；5、设计先进；6、可靠性高；

综上所述，本发明实施例提供的飞轮式风力发电机，克服了传统技术的诸多技术缺陷，具有较多的技术优势和进步；因此。本发明实施例提供的飞轮式风力发电机将会带来良好的市场前景和经济效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种飞轮式风力发电机，其特征在于，包括竖杆(6)和设置在所述竖杆(6)顶部的风轮组件、发电机(4)和尾翼(5)，其中；

所述风轮组件具体包括主轴和围绕该主轴均匀间隔分布的多个叶片(3)以及圆环(2)和两个飞轮配重块(1)；

其中，多个所述叶片(3)的近端与所述主轴固定连接，多个所述叶片(3)的远端沿着所述圆环(2)的环壁固定连接；两个所述飞轮配重块(1)均匀沿着所述圆环(2)的环壁连接；所述主轴与所述发电机(4)键连接；所述尾翼(5)固定连接在所述发电机(4)的尾部。

2.如权利要求1所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

两个所述飞轮配重块(1)沿着所述圆环(2)的重力平衡线上安装设置。

3.如权利要求2所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述飞轮配重块(1)为铸铁结构件或是合金结构件。

4.如权利要求3所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

两个所述飞轮配重块(1)与所述圆环(2)之间可拆卸连接。

5.如权利要求1所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述圆环(2)为合金圆环。

6.如权利要求5所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述叶片(3)的数量为一片或多片。

7.如权利要求6所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述叶片(3)为碳纤维复合工程材料叶片。

8.如权利要求7所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述叶片(3)的板面为弧面状。

9.如权利要求1所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述尾翼(5)为V形形状的尾翼。

10.如权利要求1所述的飞轮式风力发电机，其特征在于，

所述发电机(4)为交流发电机。