CN106609729A - 移动式风能发电站专用平衡风能发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以在长距离高速行驶的运载车辆中，建立移动式风能发电站的技术和专用平衡风能发电机的技术。移动式风能发电站可以利用在高速行驶的运载车辆上所产生的空气阻力变为空气动力的风能发电技术，为运载车辆中的空调和照明系统提供电能，以达到减少燃油消耗和供电网对列车的供电负荷。移动式风能发电站是一种全新的风能利用方式和技术，要想实现移动式风能发电技术的应用就必须解决三个主要问题。1、消除空气对发电机电磁阻力影响。2、提高风能发电机的发电效率它直接关系到移动风能发电站的技术是否得到应用。3、消除空气对发电机干扰阻力的影响才能更有效的发挥风能发电的作用。

Description

移动式风能发电站专用平衡风能发电机

技术领域

本发明涉及风力发电领域，但是有别于一般风能发电厂的技术。移动式风能发电站可以建立在高速行驶的列车上，利用列车行驶所产生的空气阻力通过平衡风能发电机变为空气动力的风能发电技术，为列车中的空调和照明系统提供电能。以达到减少列车对燃油消耗和供电网对列车的供电负荷。是一种全新的风能利用方式和技术。

背景技术

1、风能发电已不是什么新技术，一般的风能发电站主要由。塔架、发电机机舱、叶轮和逆变控制系统组成。风能发电机终年固定在风电场里不可移动，而发电厂所产生的电能又不能直接利用，还必须通过输变电网为用户提供电能。当今在全世界面临能源危机和环境污染两大难题的时期，利用清洁的可再生风能资源替代不可再生的矿物质能源为人类提供电能，已是人类共同体可持续发展的重要措施。但是风能发电受到自然天气的影响不能全天候的满负荷发电，也是一个客观的问题。2014年我国风能发电厂平均利用风能发电只有1905个小时。设想；如果在行驶的列车上建立移动式风能发电站，减少了输变电网的建设，既可以做到直接利用又可以在列车不间断的高速行驶中做到满负荷发电即发即用。虽然，不能代替空调发电车的功能，但是起码可以做的辅助发电的作用。

2、发电机主要由发电机定子与发电机转子组成，发电机定子与底座相连接，发电机转子通过发电机定子两侧端盖的轴承组嵌入定子中间，转子和定子之间除了轴承组之外没有直接的摩擦接触，但是发电机定子和转子之间的那种看不见摸不着的电磁力，会通过定子与转子之间的气隙牢牢的吸住转子线圈中的铁芯，使之形成一种强有力的电磁阻力。根据牛顿第三定律作用力和反作用力原则，作用在发电机叶轮上的风力要想扭动转子旋转切割定子磁场中的磁力线，定子磁场也会产生一个反作用力，彼此之间形成方向相反、力量相等的相互作用力。这种现象体现在运载车辆上便形成并增加了一种空气阻力。

由于安装在风能发电厂里的发电机它的塔基底座与大地连接，它的磁场阻力被大地吸收了所以不会被人们所重视，发电机没有磁场阻力这个概念。如果把发电机安装在行驶的列车上，这种阻力会通过定子与发电机的底座产生反作用力转移到列车的车身上。最终转移到车轮上。使列车在原有驱动列车向前行驶的动力上又增了这部分阻力的消耗，这种磁场阻力就会对空气产生反作用力，通常把它认为是空气阻力。所以在汽车或火车上始终都没有风能发电机的用武之地。如果找到了克服定子磁场的反作用力的方法也就找到了汽车或火车风能发电的钥匙。也就可以实现移动式风能发电的技术。

3、空气阻力是空气与行驶车辆摩擦后形成的结果。不管你愿意不愿意接受，任何车辆只要向前行驶，车辆与空气摩擦便形成的空气阻力便开始产生。而且空气阻力也是永远不可避免和永远瞬间产生的现象。这个瞬间恰好给车辆风能发电创造了一个风能发电的微环境。其一、车辆在向前行驶中风向绝对稳定。其二、车辆在匀速行驶下风速相对稳定。这种风能你不去利用它就会即刻消逝，你即使不用也不会减轻空气阻力对车辆驱动力消耗。总之只要车辆向前行驶空气阻力就相伴而生，而不是为了发电机的发电去有意增加消耗去制造风能。也可以说在车辆行驶过程中所产生的空气阻力同时，也具备了风力发电的潜在能量，因此车辆的空气阻力也正是我们所需要的风力发电的必要条件，也是最好的清洁能源利用方式。

发明内容

本发明的设计思路是：在高速行驶的列车上建立移动式风能发电站，为列车的空调照明提供部分电能。为列车空调和照明提供电力的方式可以分为独立柴油机组供电式，发电车集中供电式，以及DC600V机头直接供电式这三种。不论哪一种方式都是消耗一次性能源所获得的。能不能在行驶的列车上利用风能发电，减少对一次性能源的消耗或降低供电电网的负荷。因此，要想实现移动式风能发电技术的应用就必须解决三个主要问题。

1、消除空气对发电机的阻力影响。发电机安装在列车上基本体现两个阻力因素，一个是发电机形体投影面积的空气阻力，一个是发电机的磁场阻力。而磁场阻力远远大于发电机形体的空气阻力，只要解决了发电机磁场阻力不被列车车身吸收，列车风能发电的技术完全能够得以实现。依据对普通发电机在列车上的阻力分析，只有改变了发电机本身的结构设计，就能解决磁场阻力对列车的能源消耗。如果把发电机的定子也悬空起来利用平衡力的理论，通过人为的技术手段制造一个力矩平衡的工作点，就可以有效的克服了定子磁场的反作用力。最终达到抑制发电机定子的磁场阻力不会对列车车身进行转移。这就必须在行驶的列车中发电机的任何时间点和空间点要达到如图1所示的平衡状态。发电机只要达到了平衡力矩的技术状态，移动式风能发电站的设想就可以成立。根据经典力学《大小，方向，作用点》三要素的理论，本发明构思了运载车辆在行驶中空气阻力对发电机作用力和反作用力的条件，人为的通过技术手段把空气阻力一分为二变成了发电机的一对平衡力，让其分别作用在发电机的定子和转子上，在发电机轴上形成扭矩力的平衡点。此时发电机中心转轴的合力为零，因此它不会通过发电机支架把空气阻力传导到列车上，而作用在发电机定子和转子上的平衡扭矩力已完成了对磁力线的切割产生了电能。所以，平衡力中存在着巨大的能量积累，就看怎样去利用和释放这部分能量了。由于平衡力在目前的社会生产实践中没有用武之地，所以在生产实践中也没有以平衡力的原理去解决生产力的理论基础。目前，从互联网上也无法查找到相关平衡力是否成为生产力的报道。

2、在解决了发电机磁场阻力对列车的空气阻力之后，风能发电机的发电效率就显得尤为重要它直接关系到移动风能发电站的技术是否得到应用。移动式风能发电机和普通发电机有两点不同。第一、平衡风能发电机在同一付支架上的一根主轴上可以让转子和定子同时作相对旋转，两个相互旋转的作用力和反作用力可以得到合力等于零的工作点，它完全可以消除电磁场所产生的空气阻力。第二、由于定子叶轮和转子叶轮作相对的旋转，作用在风能发电机轴上的风速也相对增加了一倍。尤如两辆以120公里时速相对行驶的汽车，在会车的瞬间两车产生240公里稍纵即逝的速度和。因此，移动式风能发电机的定子与转子在120公里同等速度风力的作用下相对旋转，作用在发电机旋转轴上的速度始终保持着相对于2倍的车速关系，相对加快了切割磁力线速度提高了发电机的发电功率。根据风能计算公式W＝1/2PAV3分析，风能发电机的发电功率是取决发电机的叶轮受力面积及吸收风能的速度来决定的。最直观最简单的理解也应该是；作用在移动式发电机定子的风能功率是120公里风速，作用在发电机转子上的风能功率也是120公里风速。则移动式风能发电机的发电功率W＝定子发电功率(W＝1/2PAV3)+转子发电功率(W＝1/2PAV3)。而移动发电机所消耗的空气阻力功率则是以实际车速120公里来计算的。理论上基本可以得出收获2付出1的能效产出比。

3、虽然移动式风能发电机可以做到发电功率的产出大于发电机空气阻力的消耗，但是空气对发电机干扰阻力的影响也制约着该项技术的实施应用。因此，只有最大限度的消除空气对发电机干扰阻力的影响才能更有效的发挥风能发电的作用。本发明通过多次的实验对比最终设计了发电机隐藏安装法，它可以最大限度的降低发电机整体投影面积对空气阻力的影响，提高发电机的发电功率与发电机的阻力消耗功率的产出比。实现移动式发电的目的，同时也保障了运载车辆安全行驶的问题。

附图说明

图1是移动式风能发电站专用平衡风能发电机原理图。

附图1中标识：1、代表发电机的同轴。2、代表发电机转子的旋转方向。3、代表发电机外转子相当于普通发电机定子的旋转方向。4、代表发电机轴承支架。

图中：发电机的转子(2)和发电机的定子(3)同时围绕发电机同轴(1)向相对的方向转动。如果这两个力矩大小相等，方向相反，同时作用在发电机轴上，此时发电机轴的两个受力点相加，一定是0的工作状态。只要达到了平衡，发电机的电磁阻力会被平衡的力矩吸收了，也就不会通过发电机的支架对车身产生磁场阻力的转移。这一组平衡力矩的代数和是转子力矩+定子力矩＝0。发电机只要符合了这个数学式的条件，在行驶的汽车上发电机只会在较小的空气干扰阻力下，便可获得大于发电机空气干扰阻力所消耗能量的电能。得到产出大于消耗的结果。

图2是移动式风能发电站专用平衡风能发电机剖面图。

附图2中标识：1、代表发电机同轴。2、代表发电机外转子叶轮(这里的外转子是指原有的发电机定子，以下雷同)。3、代表发电机外转子壳体。4、代表发电机外转子永磁体盘。5、代表发电机碳刷座。6、代表主动变向齿圈。7、代表中间导向齿轮及轴承支架。8、代表被动齿轮。9、代表发电机转子轴承。10、代表发电机轴承支架。11、代表发电机转子叶轮。12、代表主动变向齿圈和发电机转子叶轮的连接。13、代表发电机轴承支架。14、代表发电机滑环。15、代表发电机电枢线圈。16、代表发电机外转子叶轮与发电机外转子壳体的连接装置。17代表发电机底座。18、代表代表发电机轴承支架。

图中：1、发电机外转子叶轮(2)与发电机外转子壳体(3)通过发电机外转子叶轮与外转子壳体(16)的连接装置相连，并通过轴承与发电机同轴1做滚动连接，这样可以不受发电机同轴的旋转方向限制。

2、发电机转子叶轮(11)与主动变向齿圈(6)通过主动变向齿圈和发电机转子叶轮的连接装置(12)相连，进一步的通过连接在叶轮上的轴承9与发电机同轴1做滚动连接，不受发电机同轴的旋转方向限制。

3、发电机中间导向齿轮(7)把发电机导向齿圈(6)传递的动能传递给被动齿轮(8)。强迫发电机同轴(1)做反方向转动。

4、发电机同轴(1)与发电机线圈盘(15)和发电机滑环(14)紧密相连，通过发电机轴承支架(10)、(13)、(18)与叶轮做相反方向的旋转。

5、发电机永磁体(4)与发电机线圈盘(15)在相互旋转中切割磁力线，产生的电能通过发电机碳刷(5)输送到整流调压器上

图3是移动式风能发电站专用平衡风能发电机变向齿轮组平面图。

附图3中标识：1、代表齿轮圈与转子叶轮的安装孔。2、代表齿轮圈。3、代表被动齿轮。4、代表中间导向齿轮。

图中：发电机主动齿圈(2)与中间导向齿轮(4)做逆时针旋转，由于齿轮的变向作用使得被动齿轮(3)带动发电机同轴做顺时针旋转。

图4是移动式风能发电站专用平衡风能发电机齿轮组与转子涡轮结合示意图。

附图4中标识：1、代表齿轮圈与内转子叶轮的安装孔。2、代表齿轮圈。3、代表被动齿轮。4、代表中间导向齿轮。5、代表齿轮圈与内转子叶轮的安装孔。6、代表安装在转子叶轮总成上的轴承。7、代表叶轮总成。8、代表叶轮叶片。

图中：齿圈(2)通过(1)和(5)与和叶轮总成(7)连接，发电机同轴穿过被动齿轮(3)和安装在转子叶轮总成上的轴承(6)实现相互旋转的目的。

图5是移动式风能发电站专用平衡风能发电机总成示意图。

附图5中标识：1、代表发电机同轴。2、代表发电机外转子叶轮3、代表隐藏在涡轮壳里的发电机总成。4、代表中间导向齿轮轴。5、代表转子涡轮壳。6代表主动齿圈。7、代表中间导向齿轮轴。8、代表被动齿轮。9、代表发电机安装吊架。10、代表发电机同轴轴承支架。11、代表转子叶轮。12、代表主动变向齿圈和发电机转子叶轮的连接。13、发电机中间支架。14、代表外转子涡轮壳。15、代表发电机安装吊架。16、代表发电机外转子叶轮与发电机外转子壳体的连接装置。17、代表发电机底座。18、代表发电机同轴轴承支架。

图6是移动式风能发电站在空调发电车上安装风能发电机示意图。

附图6中标识：1、代表发电机。2、代表发电机涡轮壳。3、代表移动发电站的载体车厢。

具体实施方式

具体实施方式：以青藏铁路西宁至拉萨为实施例。西宁至拉萨全程1972公里运行约21小时。列车由内燃机车牵引时速每小时120公里，列车车厢的空调照明采用发电车集中供电式。发电车集中供电式是指列车尾部挂一辆发电车。里面设置了三台单机功率400千瓦的康明斯柴油发电机组，由这些机组向全列车供电带动空调照明。本发明首先要说明移动式风能发电站不是取代发电车的功能，而是利用列车行驶时产生的风能补充发电车的发电功率，以降低发电车燃油消耗为目的。1、根据已知列车的运行时速，设计生产适应于100-120公里的发电机组。根据风能计算公式W＝1/2PAV3计算，设叶轮的受风面积0.1平方米，在风速120公里的条件下，排除空气阻力对发电机的消耗基本可以发2kw的电能。显然1台风能发电机的发电功率对于列车的空调照明耗电补充量极其微弱，但是发电机的集群发电效应也是一个不可忽视的能量。2、进一步的根据发电车车顶的实际使用面积，已知发电车长23.1宽3.1米。在车厢的顶部均匀的开30--40个天窗。3、进一步的把发电机倒挂在发电车的顶部，只漏出1小部分叶轮的叶片。把大部分叶片和发电机都隐藏在发电车的车厢里，以减少发电机对空气形成的阻力消耗提高发电机的发电效率。4、进一步的把每台发电机连接在调压器上通过整流和逆变使之达到380伏50赫兹的工频电压。5、进一步的把发电机的电能并入列车供电系统为列车车厢提供空调照明用电。也可以独立的自成供电体系为临近的列车车厢供电。那还需要增加蓄电池的投资成本经济上不划算。由于发电车车顶的利用面积有限，发电机的装机容量也是及其有限，但是，如果全路网的列车每趟都节约一点点燃油也是一个不小的数量。

根据风能计算公式W＝1/2PAV3分析：

当列车行驶速度120/h时，此时风中能量＝1/2PA×33m/s3此定义为“式1”。

如果增加到240/h时；此时风中能量＝1/2PA×66m/s3此定义为“式2”。

用式2去除以式1，比值为663÷333＝287496÷35937＝8倍。即风速从每秒33米增加到每秒66米后(2倍关係)，风中的能量增加了8倍。可想时速240公里的列车发移动风能电机的单机容量可做到16kw。

总之，列车在向前行驶的每一分钟都是一个移动的风能发电站载体，而且是行驶速度越快发电机发电的能量就越大。正是由于移动式风能发电机改变了发电机的结构实现了相对旋转的技术特点，做到了平衡发电机电磁阻力的作用，移动风能发电机以消耗部分空气阻力为代价，换取了空气中取之不尽的风电资源。基本做到了辅助空调发电车的发电功能，减少了列车对石油资源的消耗。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.移动式风能发电站有别于一般的风能发电站，需要一种特制的风能发电机，该发电机可以利用相互旋转的方法，使发电机转子线圈与发电机定子磁场在切割磁力线时形成一种平衡的扭矩力，其特征采用定子单侧端盖悬架技术解决了定子的旋转问题。

2.在同一侧受到风力的条件下由涡轮带动齿圈、中间齿轮、被动齿轮，其特征在于改变了转子叶轮与发电机同轴传动方向。

3.为了减少空气对发电机的干扰阻力，移动式风能发电机的安装方法有别于一般发电机的安装，其特征在于把发电机的大部分结构隐藏在车厢里。