CN106368896A - 鹦鹉螺等角螺线风轮发电机 - Google Patents

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Abstract

鹦鹉螺等角螺线风轮发电机的风轮由鹦鹉螺等角螺线叶片和轮毂组成，叶片的径向剖面为椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型；以两叶片风轮为例说明它的转动特点：当一个叶片背对风时，其径向剖面是椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型，阻力系数很小；此时，另一个叶片椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型的侧面正好迎风，阻力系数又很大，因此推力很大；同时，背风叶片伸到迎风叶片内部的部分，还起加速导向作用，将来风引到迎风叶片的外侧，就会以较小的力推动风轮旋转；风轮另一个特点是叶片呈鹦鹉螺等角螺线状，旋转时的摩擦阻力很小；所以，风轮转速较高。

Description

鹦鹉螺等角螺线风轮发电机
技术领域
本发明采用的动力是风能，是一种清洁可再生的能源，因此，属于新能源技术领域。具体地说，就是以一种鹦鹉螺等角螺线风轮带动发电机发电的一种装置。
背景技术
风力发电机就是将风能转化为电能的机械装置，风轮是风力发电机最主要的部件，由叶片和轮毂组成。叶片在气流作用下使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿轮增速箱，驱动发电机发电。
风力发电机按旋转轴与地面的相对位置，可分为水平轴与垂直轴式。
水平轴发电机的叶片是桨叶形，它的剖面为非对称翼型。叶片在高速旋转过程中，受到一个交变载荷，这就要求叶片有很高的抗疲劳强度；同时，叶片在旋转时尖速比高，气动噪音大，对电磁波信号也有一定的干拢。因此，在城市社区、公共场所、机关、企事业单位、居民住宅等场所推广应用受到很大限制。
垂直轴风力发电机组可分为两个主要类型，一类称为阻力型，另一类称为升力型。
阻力型最典型的垂直轴风力发电机组是芬兰工程师萨窝纽斯(Savonius)在20世纪20年代发明的萨窝纽斯型(Savoniustype)风力发电机组，选用的是S型风轮。它由两个半圆筒形叶片组成，两圆筒的轴线相互错开一段距离。其优点是起动转矩较大，启动性能良好，缺点是它的旋转阻力大，转速低，风轮在旋转时会产生不对称气流，从而产生侧向推力。一般只用于小型风力发电机。
升力型最典型的垂直轴风力发电机是由法国工程师达里厄(G·J·M·Darrieus)在1931年发明的达里厄型(Darrieustype)风力发电机组，根据叶片的形状，达里厄风力发电机组可分为直叶片和弯叶片两种，叶片的翼形剖面多为对称翼形。弯叶片主要是使叶片只承受张力，不承受离心力，且弯叶片制造成本比直叶片高。直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑，以防止离心力引起过大的弯曲应力，但这些支撑会产生气动阻力，降低效率。
达里厄型风力发电机组的转速较高，旋转惯性大，结构相对简单，成本较低，适合大型风力发电机组。但达里厄型风力发电机组一般都启动转矩小，启动性能差，必须靠其他动力启动，达到要求的转速才能正常运行。这种风力发电机组大都需要具有启动机构和离合器等，这样就增加了系统结构的复杂性，提高了成本。
垂直轴风轮的叶片所受的是恒定载荷，叶片疲劳寿命要比水平轴风轮长。垂直轴风力发电机的尖速比一般在1.5～2，基本上不产生气动噪音，可以在城市公共设施、高层建筑上安装，因此，垂直轴风力发电机比水平轴有更广阔的应用领域。
自然界风的大小和方向是不断变化的，因此，风能具有不稳定的特点；如何使风力发电机的输出功率稳定，是风力发电技术亟待解决的一个重要课题。
发明内容
本发明属于阻力型风力发电机，叶片采用鹦鹉螺等角螺线结构，既能增大迎风面推力，又能减小背风面阻力和风轮的旋转阻力，从而提高了发电效率。同时提出了在宽风速下，稳定发电机输出功率的方案。
本发明包括以下几个方面的内容：
1、鹦鹉螺等角螺线风轮发电机是由鹦鹉螺等角螺线风轮、垂直轴、轴承、轴承座、联轴器、增速箱、发电机、钢支架、控制器、蓄电池、逆变器等组成。
鹦鹉螺等角螺线风轮由鹦鹉螺等角螺线叶片和轮毂组成，叶片的径向剖面为椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型。
2、以两叶片为例说明鹦鹉螺等角螺线风轮的转动特点：当叶片3背对风时，其剖面是椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型，阻力系数很小；此时，另一个叶片3的椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型的侧面正好迎风，阻力系数又很大，两侧阻力系数相差5-10倍；同时，背风叶片3伸到迎风叶片3内部的部分，还起加速导向作用，将来风引到迎风叶片3的外侧，就会以较小的力推动风轮旋转；当风以一定速度进入迎风叶片3内部90度时，遇到隔板2后减速，隔板2受到一个侧向推力，推动轮毂1开始转动。风轮另一个特点是叶片呈鹦鹉螺等角螺线状，旋转时的摩擦阻力很小；所以，风轮转速较高。
3、风轮叶片分为单叶、双叶，三叶、四叶和五叶五种形式，单叶等角螺线角度为540度，双叶每个叶片等角螺线角度为270度，三叶每个叶片等角螺线角度为180度，四叶每个叶片等角螺线角度为135度，五叶每个叶片等角螺线角度为108度。每个叶片角度的等分数根据风轮直径的大小来确定，以便于安装和制造为原则。
4、风轮在垂直轴方向可以安装一个、两个或多个，两个风轮之间间距为1-2个风轮高度，大型的风轮四周安装钢立柱，风轮之间安装隔板；风轮个数多少根据发电机功率大小和成本进行确定。可采用上下叶轮等径的圆柱形安装模式，也可以下大上小的圆锥形安装模式。
5、采用小型发电机助力大中型发电机的模式来保证发电机稳定运行，即小型发电机为蓄电池充电，经逆变后带动同步电机运转，同步电机通过齿轮或或链轮或皮带轮助力大中型发电机进行发电，当发电机超过额定转速时，同步电机切换到发电模式与大中型发电机一起发电。
6、发电机既可以采用直驱方式发电，也可以采用增速方式发电。
7、鹦鹉螺等角螺线风轮发电机具有旋转阻力小，启动风速低、风速适应范围广，结构牢靠、噪音低等特点，既可在风速较低的城镇地区使用，也可在风速较高的旷野、高山和沿海使用，具有非常广阔的开发和应用前景，将会产生巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1是两叶风轮三视图。
图2是三叶、五叶风轮俯视图。
具体实施方式
鹦鹉螺等角螺线风轮发电机采用分布式离网或并网模式发电，中小型发电机安装在城市社区的高层建筑楼顶，机关企事业办公楼的顶部，边防哨所，海岛渔村，高速公路两侧和服务区，海上平台和渔船上；大型发电机建在风力资源较好的城市周围，这样就大大减少了风电的传输成本和传输损失。在风资源较好的地区新建办公住宅楼时，将顶部设计成发电楼层，顶层安装发电机，楼顶安装风轮，实现清洁能源与建筑的结合。
小型的既可以垂直安装，也可以水平安装(水平安装时，发电机安装在回转轴上，风轮安装在发电机两侧轴上)。既可以安装在固定场所，也可以安装在移动物体上(集装箱式)，用于野外施工和部队机动使用。

Claims (6)

1.鹦鹉螺等角螺线风轮发电机是由鹦鹉螺等角螺线风轮、垂直轴、轴承、轴承座、联轴器、增速箱、发电机、钢支架、控制器、蓄电池、逆变器等组成。
2.权利要求1所述的鹦鹉螺等角螺线风轮，其特征在于：鹦鹉螺等角螺线风轮由鹦鹉螺等角螺线叶片和轮毂组成，叶片的径向剖面为椭圆型或对称翼型或对称等角螺线型。
3.权利要求2所述的鹦鹉螺等角螺线叶片，其特征在于：叶片呈鹦鹉螺等角螺线状。
4.权利要求1所述的鹦鹉螺等角螺线风轮，其特征在于：风轮叶片分为单叶、双叶或多叶；单叶等角螺线角度为540度，双叶每个叶片等角螺线角度为270度，三叶每个叶片等角螺线角度为180度，四叶每个叶片等角螺线角度为135度，五叶每个叶片等角螺线角度为108度。
5.权利要求1所述的鹦鹉螺等角螺线风轮，其特征在于：风轮可以安装一个，两个或多个；两个风轮之间间距为1-2个风轮高度；大型的风轮四周安装立柱，风轮之间安装隔风板。
6.权利要求1所述的鹦鹉螺等角螺线风轮发电机组，其特征在于：采用小型发电机助力大中型发电机的模式来保证发电机稳定运行，即小型发电机为蓄电池充电，经逆变后带动同步电机运转，同步电机通过齿轮或链轮或皮带轮助力大中型发电机进行发电，当发电机超过额定转速时，同步电机切换到发电模式与大中型发电机一起发电。
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