CN106870199A - 一种风光联合发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风能光能联合发电设备，包括太阳灶，斯特林机，飞轮，鼓形齿式联轴器，超越离合器，立轴风扇，发电机等主要机构。其技术要点是：采用基于斯特林循环利用太阳能热效应的发电方式，完全替代单晶硅、多晶硅材料，降低生产能耗，减少污染。以立轴风扇代替风轮塔架式发电机克服了强风下不能工作的缺点，不易损坏，易于维护，价格低廉。在斯特林机中加装回热器以提高热能的利用效率，在冷气缸外部加装散热片以提高散热效率。利用一定质量的飞轮储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。用超越离合器解决两动力轴转速不匹配的问题。

Description

一种风光联合发电机
技术领域
本发明涉及一种同时利用风能光能的联合发电设备，属于风能光能联合发电技术领域。
背景技术
社会经济发展、进步需要能源支撑，而能源供给主要以一次性化石燃料为主，如今化石燃料日趋匮乏及环境污染问题日益严重，能够替代一次性能源的可再生、清洁、环保的绿色能源研究，特别是清洁能源发电的应用已经势不可挡。针对我国南海地区的现实情况，人员生活所需的能源要靠从陆地运送汽油柴油供给，成本较高。所以利用南海地区日照强、风能密度大的特点，在南海建立小型的风能、太阳能发电装置来供应日常所需能源是一个大趋势。
风能、太阳能发电方式就是典型的清洁发电方式，具有众多优势，同时也存在风、太阳光的不稳定和不确定性，发电成本高等缺点。综合考虑这两种发电方式的特点，采用风能光能联合发电系统能充分发挥风能、太阳能各自的优势，保证更加稳定充足的电力供应。
过去的十年间，光伏发电产业受到了各国政府的大力支持，发展清洁能源已经被提到国家战略层面，光伏发电一直以清洁为宣传口号，但其所使用的硅光板的生产需要消耗大量的能源，也会产生很大的污染。而采用以太阳能为热源的斯特林循环发电，不需要使用能耗高、污染大的单晶硅、多晶硅材质的光伏板，真正发挥了太阳能清洁能源的特点。理论研究表明，基于斯特林循环的太阳能发电方式比传统光伏发电方式具有更高的发电效率，具有很好的发展前景。
传统的主流风力发电机均采用风轮搭配塔架的建设方式，发电设备距地面几十米左右，强风期间这种塔架式风力发电机不能工作，无法适应南海地区终年强风的恶劣气候条件。在这种情况下，立轴风力发电机就发挥了其独特的优势。立轴风力发电机发电效率较传统的风轮塔架式发电机发电效率低，但其能够在各种风速条件下稳定发电，甚至能抵御超强台风，不易损坏，易于维护，价格低廉。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种风光联合发电设备。基于斯特林循环利用太阳能的热效应发电，避免使用能耗高污染大的光伏板；采用不易损坏，易于维护，价格低廉的立轴风扇克服风轮塔架式发电机强风下不能工作的缺点。
本发明的技术方案是：一种风光联合发电机，包括太阳能发电系统和风能发电系统、太阳灶1、第一连接组件、第二连接组件和发电机15；太阳能发电系统与第一连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机15，风能发电系统与第二连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机15；所述太阳灶与太阳能发电系统连接，用于聚集热气为太阳能发电系统提供热能；
所述第一连接组件包括第一超越离合器22和鼓形齿式联轴器21，太阳灶1产生的热能带动太阳能发电系统工作，太阳能发电系统做的功经鼓形齿式联轴器21及超越离合器12将功传递给发电机15，实现太阳能发电；所述第二连接组件包括大齿轮10、小齿轮11和第二超越离合器12，大齿轮10和小齿轮11相互啮合，且小齿轮11与第二超越离合器12同轴；风能发电系统所做的功经第二超越离合器12传递给大齿轮10，大齿轮10继而又带动小齿轮11转动，将功传递给发电机15，实现风能系统发电。
本发明的进一步技术方案是：所述第一连接组件未与还发电机15连接的一端还连接有飞轮18，使太阳能发电系统运转更加平稳。
本发明的进一步技术方案是：所述鼓形齿式联轴器21消除因联轴器前后两轴运转不同步而带来的曲轴内力，实现风光联合发电，一齐输送到发电机15。
本发明的进一步技术方案是：所述太阳能发电系统为斯特林机，包括热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9、两个套筒16和曲轴17；两个气缸之间通过回热器7相互贯通连接；热气缸2内设有热气缸活塞5，冷气缸3内设有冷气缸活塞6；套筒16套在曲轴17凸起处，两个活塞与套筒16之间分别通过连杆进行连接，且连杆两端与活塞和套筒16铰接；曲轴17靠近冷气缸3的一端与鼓形齿式联轴器21连接；冷气缸3顶部包裹有散热片4；活塞上下运动，由于采取铰接，使得连杆在上下运动时能够偏离活塞轴线进行运动，从而带动曲轴17轴向转动进行做功。
本发明的进一步技术方案是：所述套筒16采用两个轴瓦拼接而成，材质为黄铜，其在曲轴17上能够进行轴向转动。
本发明的进一步技术方案是：所述风能发电系统包括立式风扇13、第二超越离合器12和两个锥齿轮14；风带动立式风扇13周向转动，产生的扭矩将带动两个相互啮合的锥齿轮14运动，经第二超越离合器12传递给大齿轮10，大齿轮10带动小齿轮11转动，将功传递给发电机15。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出的一种风能光能的联合发电设备采用基于斯特林循环利用太阳能热效应的发电方式，完全替代单晶硅、多晶硅材料，降低生产能耗，减少污染。本发明将现有的风轮塔架式发电机替换为立轴风扇，以立轴风扇代替风轮塔架式发电机，克服了强风下不能工作的缺点，不易损坏，易于维护，价格低廉。采用太阳能回热器以提高热能的利用效率，在冷气缸外部加装铜质散热片以提高散热效率，二者对提高斯特林循环的效率具有良好的效果。
附图说明
图1为整体结构图
图2为斯特林机说明图
图3为轴套部分局部放大图
图4为飞轮固定方式图
图5为换热片细节图
图6为鼓形齿式联轴器放大图
附图标记说明：1—太阳灶；2—热气缸；3—冷气缸；4—散热片；5—热气缸活塞；6—冷气缸活塞；7—回热器；8—热气缸连杆；9—冷气缸连杆；10—大齿轮；11—小齿轮；12—第二超越离合器；13—立式风扇；14—锥齿轮；15—发电机；16—套筒；17—曲轴；18—飞轮；19—轴肩；20—对顶螺母；21—鼓形齿式联轴器22—第一超越离合器
具体实施方式
参见图1-图6，本发明包括太阳灶，斯特林机，飞轮，鼓形齿式联轴器，超越离合器，立轴风扇，发电机等装置。
所述太阳灶为一个半球形的球面反射镜，安装于斯特林机的热气缸底部，聚焦太阳能加热斯特林机的热气缸来为其提供热能，球面反射镜的球心位于热气缸中轴线上。
所述斯特林机为一个以聚焦太阳光为热源的外燃机，主要结构有热气缸、冷气缸、散热片、活塞、回热器、连杆、曲轴、套筒。散热片是位于冷气缸上的铜质同心圆环薄片，用于增加冷气缸的散热效率。回热器位于连接冷热气缸的通道中，热气缸向冷气缸排气时气体对回热器散热，冷气从冷气缸回流至热气缸时从回热器吸收热量，充分利用热能，即太阳能使得热气缸活塞先动，然后带动冷气缸活塞动，从而依次交替运动，提高发电机效率。套筒内圈的轴瓦为黄铜，曲轴为钢材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用寿命。连杆和活塞通过铰链连接，连杆可以绕活塞有小角度的转动。
所述飞轮为一个六孔钢制轮盘，在曲轴运转至上下死点(即当压力角等于90度时，连杆对从动件的驱动力或力矩为零的情形)时可以利用简单的机械驱动装置(旋转飞轮)驱动飞轮旋转使曲轴冲过死点开始运转。飞轮具有较大的质量，可以储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。由于曲轴转速是随转动位置而变化的，当曲轴转速增高时，飞轮的动能增加，把角动能贮蓄起来；当曲轴转速降低时，飞轮动能减少，把角动能释放出来。同时，飞轮可以用来减少曲轴运转过程的速度波动，使运转更加平稳。
所述鼓形齿式联轴器可以消除因联轴器前后两轴的不同轴度而带来的曲轴17的内力。
所述超越离合器也称棘轮，作用是传递定向扭矩。若没有此装置，斯特林机或风机某一装置输出轴功率较高时会带动另一装置转动使其成为耗功装置，两个超越离合器配合使用可以有效解决这一问题。
所述立轴风扇由五个弯曲的立轴风扇组成，可利用的风能裕度宽，即可在低风速下稳定旋转，也可在强风条件下稳定工作。
所述回热器为一种表面式热交换器，即工质通过热交换器交换热量，而工质间无直接接触的一种热交换器。回热器位于连接冷热气缸的通道中，热气缸向冷气缸排气时气体对回热器散热，冷气从冷气缸回流至热气缸时从回热器吸收热量，回热器外部采用良好的绝热材料，管道采用热的良导体，同时通过增大管道数量、减少管道直径以增大换热面积，从而达到减少散热、充分利用热能的目的。
该设备包括太阳灶1、斯特林机(热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9、套筒16、曲轴17)、大齿轮10、小齿轮11、超越离合器12、立式风扇13、锥齿轮14、发电机15、飞轮18、轴肩19、对顶螺母20、鼓形齿式联轴器21。
斯特林机由热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9组成，作用是利用太阳能输出轴功率。太阳灶1连接在热气缸2的下部，反光聚焦为热气缸2提供热能。热气缸连杆8、冷气缸连杆9经套筒16把动能传递给曲轴17，再由曲轴17经鼓形齿式联轴器21及超越离合器12将轴功率传递给发电机15。
循环过程：
定温压缩：承接自定容冷却中的热气缸运动，循环开始，冷气缸连杆9推动冷活塞6向上移动，热活塞5不动，冷气缸3中气体被压缩，向气缸外放出热量，气体温度不变。
定容加热：冷气缸连杆9继续推动冷活塞6上移，在气体压力与热气缸连杆8控制下热活塞5向下移动，冷气缸3中的气体通过回热器7进入热气缸2，气体通过回热器7时温度升高压力升高。
定温膨胀：高温气体膨胀推动热活塞5向下移动，对外做功，加热源使热气缸2中气体在膨胀做功时温度不变，减缓气压下降，热活塞5移动到下死点。
定容冷却：热气缸连杆8控制热活塞5向上移动，冷活塞6向下移动，气体通过回热器7时对其放热，温度降低，压力下降，等冷热活塞移动到各自端头整个循环完成。
立式风扇13产生的扭矩通过两个锥齿轮14经超越离合器12传递给大齿轮10，继而通过小齿轮11传递给发电机15。
飞轮18固定在曲轴17的左端，紧靠轴肩19，飞轮18左端用两个对顶螺母拧紧固定。
本发明可以与各种类型的储电装置配合使用，储存电力，再此不再赘述储电装置的选用。
该装置主要由两个动力系统组成，一部分为太阳能发电系统，一部分为风能发电系统，两部分联合工作，遂实现太阳能和风能联合发电的效果。
太阳灶1、斯特林机(热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9、套筒16、曲轴17)、超越离合器12、飞轮18、轴肩19、对顶螺母20、鼓形齿式联轴器21组成太阳能发电系统。其中，太阳灶1与斯特林机上热气缸2焊接，斯特林机与发电机转轴通过鼓形齿式联轴器21联接，斯特林机的不可动原件按位置关系无缝焊接，飞轮与曲轴为轴肩与对顶螺母配合固定，可拆卸。冷气缸连杆9热气缸连杆8分别与各自的套筒16焊接，套筒与曲轴17为轴瓦连接。以聚焦太阳光为热源的斯特林发动机为起点，通过冷热气缸活塞的上下移动带动热气缸连杆8、冷气缸连杆9运动，经由套筒16把传递轴功给曲轴17，再由曲轴17经鼓形齿式联轴器21及超越离合器12将轴功传递给发电机15实现太阳能发电。曲轴17最左端连接飞轮18，并用两个对顶螺母拧紧固定，使得斯特林机运转更加平稳。
超越离合器12、立式风扇13、锥齿轮14组成风力发电系统。其中，立式风扇13焊接在轴上，所有的齿轮与轴都通过平键连接。超越离合器选用楔块超越离合器，其特点是用异形楔块代替滚柱作为楔紧件，用楔块和内、外滚道组成摩擦副。当内环、外环与楔块间无相对运动，转向相同，转速相等，才能传递转矩，否则均为相对滑动，这种不传递转矩的滑动状态称为超越。楔块超越离合器可选型号为基本型、无内环型和带轴承型。其连接形式可采用键连接、齿轮连接、带轮连接、链轮连接、螺栓连接。以立式风扇13为起点，其受风力而转动，产生的扭矩将带动两个咬合的锥齿轮14运动，经超越离合器12传递给大齿轮10，大齿轮10继而又带动小齿轮11转动，将功传递给发电机15。
当两系统同时工作时，考虑到两部分功率不同，某一装置输出轴功率较高时会带动另一装置转动使其成为耗功装置，使效率降低，磨损机件。因而通过鼓形齿式联轴器21将两传动轴连接，消除因联轴器前后两轴运转不同步而带来的内力，实现风光联合发电，一齐输送到发电机15。

Claims (6)

1.一种风光联合发电机，包括太阳能发电系统和风能发电系统，其特征在于，还包括太阳灶(1)、第一连接组件、第二连接组件和发电机(15)；太阳能发电系统与第一连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机(15)，风能发电系统与第二连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机(15)；所述太阳灶与太阳能发电系统连接，用于聚集热气为太阳能发电系统提供热能；
所述第一连接组件包括第一超越离合器(22)和鼓形齿式联轴器(21)，太阳灶(1)产生的热能带动太阳能发电系统工作，太阳能发电系统做的功经鼓形齿式联轴器(21)及超越离合器(12)将功传递给发电机(15)，实现太阳能发电；所述第二连接组件包括大齿轮(10)、小齿轮(11)和第二超越离合器(12)，大齿轮(10)和小齿轮(11)相互啮合，且小齿轮(11)与第二超越离合器(12)同轴；风能发电系统所做的功经第二超越离合器(12)传递给大齿轮(10)，大齿轮(10)继而又带动小齿轮(11)转动，将功传递给发电机(15)，实现风能系统发电。
2.如权利要求1所述的一种风光联合发电机，其特征在于，所述第一连接组件未与还发电机(15)连接的一端还连接有飞轮(18)，使太阳能发电系统运转更加平稳。
3.如权利要求1所述的一种风光联合发电机，其特征在于，所述鼓形齿式联轴器(21)消除因联轴器前后两轴运转不同步而带来的曲轴内力，实现风光联合发电，一齐输送到发电机(15)。
4.如权利要求1所述的一种风光联合发电机，其特征在于，所述太阳能发电系统为斯特林机，包括热气缸(2)、冷气缸(3)、散热片(4)、热气缸活塞(5)、冷气缸活塞(6)、回热器(7)、热气缸连杆(8)、冷气缸连杆(9)、两个套筒(16)和曲轴(17)；两个气缸之间通过回热器(7)相互贯通连接；热气缸(2)内设有热气缸活塞(5)，冷气缸(3)内设有冷气缸活塞(6)；套筒(16)套在曲轴(17)凸起处，两个活塞与套筒(16)之间分别通过连杆进行连接，且连杆两端与活塞和套筒(16)铰接；曲轴(17)靠近冷气缸(3)的一端与鼓形齿式联轴器(21)连接；冷气缸(3)顶部包裹有散热片(4)；活塞上下运动，由于采取铰接，使得连杆在上下运动时能够偏离活塞轴线进行运动，从而带动曲轴(17)轴向转动进行做功。
5.如权利要求4所述的一种风光联合发电机，其特征在于，所述套筒(16)采用两个轴瓦拼接而成，材质为黄铜，其在曲轴(17)上能够进行轴向转动。
6.如权利要求1所述的一种风光联合发电机，其特征在于，所述风能发电系统包括立式风扇(13)、第二超越离合器(12)。和两个锥齿轮(14)；风带动立式风扇(13)周向转动，产生的扭矩将带动两个相互啮合的锥齿轮(14)运动，经第二超越离合器(12)传递给大齿轮(10)，大齿轮(10)带动小齿轮(11)转动，将功传递给发电机(15)。
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