CN106972696A - 分布式流能发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式流能发电装置，包括发电机定子、发电机转子和叶片，所述的发电机转子包括圆环形转子本体，所述的圆环形转子本体内圆周中心设有与其同心的中央导流体，所述的中央导流体圆周均布有若干块叶片，叶片外缘与圆环形转子本体内壁相连，所述的叶片分别与中央导流体和圆环形转子本体内壁围合成若干个轴向流体通道。现有发电机的结构形式均通过叶轮与发电机间设置传动机构，或设置增速装置才可实现流体动能传递到发电机，而本发明叶片直接带动环形转子本体转动，省去了中间传动环节，大大提高了能量转化效率；把发电机转子布置在流体获能叶片末端，永磁体和线圈之间相对运动被有效放大，成倍节省了设置增速机构的机械能耗。
Description
技术领域
本发明涉及发电机装置领域，尤指一种分布式流能发电装置。
背景技术
2004年以来，美国和加拿大、英国、澳大利亚、丹麦和瑞典、意大利等国相继发生的大停电事故，深刻说明传统能源供应形式存在着严重的技术缺陷，随着时代的发展，特别是信息社会的高度发达，传统的电源供应形式已经不可能继续支撑人类文明发展的进程，必须加快信息时代的新型能源体系的建立，分布式能源必将成为该体系的核心技术。
分布式能源是最能体现节能、减排、安全、灵活等多重优点的能源发展方式。中国人口众多，自身资源有限，按照能源利用方式，依靠现有的能源方式是绝对不可能支撑13亿人的“全面小康”，使用国际能源存在着能源安全的严重制约，分布式能源是中国可持续发展的必须选择。同时，分布式能源技术由于其高效、低耗、低污染等诸多优点在世界各国被越来越广泛的应用。如何应对低流速和微动力能源形式的开发是本发明所需要解决的难题。
传统的风力发电机和水轮发电机，均采用中心支撑，即叶片与中间导流体连接，导流体与主轴连接，主轴通过轴承与中心支撑的支腿滚动连接，并把主轴固定在转动中心的支架上，叶片吸收流体动能后变成转动的动能，并通过中间导流体把旋转动能传递给主轴带动发电机构转动，最终把动能传给发电机，把机械能转变成电能。因此，无论是风电抑或是水电，其叶片总是越到叶片根部，即越接近叶片与中间导流体的连接部分，其体型越大，主要是考虑抵抗来自叶片的巨大剪力。
我们都知道，力矩是力和力臂的乘积叫做力对转动轴的力矩。
即：M=F×L
式中M是力F对转动轴的力矩，不难看出，力矩的大小取决于作用力F的大小，以及该作用力到转轴的垂直距离L的大小。拿风力发电机叶片来说，在同样的风速条件下，叶片越长，即L越大，相应的M就越大，也就是发电机功率越大；同样的叶片长度下，即L一定，叶片末端拦风面积越大，相应的F就越大，最终M越大，也就是发电机功率越大。按此理论，风力发电机叶片的末端受风面积越大，风机的出力就越大，然而，事实却是风力发电机叶片末端越来越小，这取决于叶片材料特性：越长的叶片对叶片根部的作用力就越大，叶片就更容易折断。但这种末端越来越小的结构，对于风力发电能量的收集效率低的缺陷是显而易见的。而水轮机叶片就更符合该力矩公式：叶片末端更发散，更大，吸收的水动能就更大，但为此，水轮机叶片的根部要非常非常厚，在传统水力发电机结构中，数吨的钢材要被堆积在叶片根部，而且，根部与水轮机轮毂的连接其结构也非常庞大，目的就是为了避免被剪断的风险。这样的结构也给加工带来了极大的难题，同时，大体积大重量的叶片根部也是产生裂缝等缺陷的主要诱因。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种分布式流能发电装置。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案是一种分布式流能发电装置，包括发电机定子和发电机转子，所述的发电机转子相对发电机定子作旋转运动，所述的发电机转子包括圆环形转子本体，所述的圆环形转子本体内圆周中心设有与其同心的中央导流体，所述的中央导流体圆周均布有若干块叶片，叶片外缘与圆环形转子本体内壁相连，所述的叶片分别与中央导流体和圆环形转子本体内壁围合成若干个供流体穿过的轴向流体通道。
优选地，所述的叶片与圆环形转子本体内壁的连接为柔性连接。
优选地，所述的流体是水。
优选地，所述的叶片为水轮发电机叶片。
优选地，所述的流体是气体。
优选地，所述的叶片为风力发电机叶片。
优选地，所述的发电机定子和发电机转子组成三相交流发电机或三相永磁交流发电机或三相励磁交流发电机或三相直流发电机或三相永磁直流发电机或三相励磁直流发电机。
优选地，所述的中央导流体中部设有中心支撑轴。中央导流体、叶片与发电机定子以中心支撑轴的中心支撑，即叶片与发电机定子围绕中心支撑轴旋转。
优选地，所述的发电机定子和圆环形转子本体采用回转支撑结构。
优选地，所述的发电机定子和圆环形转子本体间设有回转支撑结构。回转支撑使得流体穿过叶片时过流更充分，大大加大了流体效能转化；另外，使得设备结构简单、性能平稳、精度高、震动小。
优选地，本发明所述的分布式流能发电机装置，其结构完全改变了叶片的受力形态，让受力最大的叶片末端把动力直接传递给环形转子本体，所述的叶片背流体一侧设置导能角，叶片根部窄小，顶部宽大的体形设计，使叶片末端更有利于受力；使在相同条件下，此种叶片可承受转矩更大，更有利于叶片转动，叶片转动速度也会平稳提高；在此基础上，导能角使叶片更加合理，更加符合流体动力学，叶片启动所需的流体流量更小，开发同样电能其机构更加小，且运行振动更低。
现有发电机的结构形式均通过叶轮与发电机间设置传动机构，或设置增速装置才可实现流体动能传递到发电机侧，而本发明叶片直接带动环形转子本体转动，省去了中间传动环节，简化了流能开发机构，大大提高了能量转化效率；再一方面，把发电机转子布置在流体获能叶片末端，由于大直径的叶片末端线速度大，永磁体和线圈之间相对运动被有效放大，机构本身就成为了一个大变比的增速机构，成倍节省了设置增速机构的机械能耗，同时有效减小了发电机用料。由于分布式能源都具有规模小、分散的特点，其开发最关键的就是提高开发能源机构的效率，本发明成功规避了传动过程中的能耗，和增速过程中的能耗，使得电能开发实现最大化，这对于分布式电能的开发必将带来新的发展机遇。
本发明的有益效果在于：目前最为棘手的问题还是在于，由叶片所获得的能量给叶片的转速较低，要驱动电机，必须经过多级增速，而增速恰恰要消耗更多的能量，本发明所述的分布式流能发电机装置，把发电机转子布置在流体获能叶片末端，由于大直径的叶片末端线速度大，永磁体和线圈之间相对运动被有效放大，机构本身就成为了一个大变比的增速机构，由此，中间不经过其他传动机构，省去了传统结构中的增速机构，使得流能开发中由于传动和变速的能耗降低为零，起到节能、降耗、增效作用。
本发明分布式流能发电机的构造，把叶片受力最大的部分——叶片末端与环形转子本体一体成型，叶片整体受力均匀，改变叶片形状，增大叶片末端，不再受到叶片根部折断威胁的制约，大大提高了叶片的获能水平，提高了效率，减小了振动，增加了转子机械强度，减小了叶片动应力，使叶片出现裂纹几率大大降低，转子的运行稳定性得以提高。
本发明工作原理：流体穿过轴向流体通道时推动叶片转动，其中流体主要指水或空气，圆环形转子本体一起转动，发电机定子感应出电力并通过电缆与用电设备联网或储藏起来，本发明无需像现有发电机通过叶轮与发电机间设置增速装置才可实现传动发电。叶片直接带动环形转子本体转动，叶片周围布置发电机空间大，叶片末端线速度大，本身就是一个大变比的增速机构，这不仅能有效减小了电机的尺寸，也节省了传统流能开发过程中由于必须设置传动或增速机构的机械能耗，定会为分布式电能的开发带来新的发展机遇。
若流体涉及水，则指江河湖海的流动的水所具有的能量，把本发明放入江河湖海中，通过水流流过轴向流体通道时推动叶片转动，叶片吸收水流的动能变为转动机械能，并通过连接在叶片末端的圆环形转子本体一起转动，使发电机线圈切割磁力线，最终把水流能转换成电能；若涉及空气，则指的风力发电，把本发明设置在具有风的地方，如沙漠、树林、开阔的田野、高楼、公路边等，通过风穿过轴向流体通道时推动叶片转动，把风场中的风能吸收并变成叶片转动的动能，并通过连接在叶片末端的圆环形转子本体一起转动，使发电机线圈切割磁力线，最终把空气流动的动能转换成电能。本发明与传统水轮发电机和风力发电相比，减少了中间传动过程，省略的变速机构，而是把叶片获得的流能直接传给电机，由电机把机械能转化成电能，降低了机构的复杂性，大大提高了能量转化效率。
附图说明
图1 是本发明结构图。
图2 是本发明的圆环形转子本体结构图。
图3 是本发明的发电机定子结构图。
图4 是本发明的回转支撑结构图。
标注说明：1.发电机定子; 11.线圈绕组;2.发电机转子; 21.圆环形转子本体;22.磁铁;3.中央导流体; 4.叶片; 5.轴向流体通道; 6.滚珠;7.轨道。
具体实施方式
请参阅图1-4所示，本发明关于一种分布式流能发电装置，包括发电机定子和发电机转子，所述的发电机转子相对发电机定子作旋转运动，所述的发电机转子包括圆环形转子本体，所述的圆环形转子本体内圆周中心设有与其同心的中央导流体，所述的中央导流体圆周均布有若干块叶片，叶片外缘与圆环形转子本体内壁相连，所述的叶片与圆环形转子本体内壁的连接为柔性连接,柔性连接可以采用U形连接结构把叶片与圆环形转子本体内壁连接。U形连接结构可做为弹性连接理解，起到减震、消缓作用，可以有效减弱发电机转子在轴向方向的震动传递，因此不会影响发电机转子和发电机定子之间的间隙尺寸。通常定子和转子之间的间隙只有1mm左右，如果发电机转子在轴向方向震动大，发电机转子和发电机定子就会碰在一起，发电装置会因此遭受致命性损坏。所述的叶片分别与中央导流体和圆环形转子本体内壁围合成若干个供流体穿过的轴向流体通道，流体可以为流动的水或气体，当流体为水时，所述的叶片为水轮发电机叶片。当流体为气体时，所述的叶片为风力发电机叶片。
优选地，所述的发电机定子和发电机转子组成三相交流发电机或三相永磁交流发电机或三相励磁交流发电机或三相直流发电机或三相永磁直流发电机或三相励磁直流发电机。
优选地，所述的中央导流体中部设有中心支撑轴。中央导流体、叶片与发电机定子以中心支撑轴的中心支撑，即叶片与发电机定子围绕中心支撑轴旋转。
优选地，所述的发电机定子和圆环形转子本体间设有回转支撑结构。回转支撑使得流体穿过叶片时过流更充分，大大加大了流体效能转化；另外，使得设备结构简单、性能平稳、精度高、震动小。现有的流能发电装置采用中心支撑轴支撑，而本发明发电机定子和发电机转子间增设滚珠和滚珠滚动的轨道，从而形成回转支撑结构。
优选地，本发明所述的分布式流能发电机装置，其结构完全改变了叶片的受力形态，让受力最大的叶片末端把动力直接传递给环形转子本体，所述的叶片背流体一侧设置导能角，叶片根部窄小，顶部宽大的体形设计，使叶片末端更有利于受力；使在相同条件下，此种叶片可承受转矩更大，更有利于叶片转动，叶片转动速度也会平稳提高；在此基础上，导能角使叶片更加合理，更加符合流体动力学，叶片启动所需的流体流量更小，开发同样电能其机构更加小，且运行振动更低。
本发明的有益效果在于：目前最为棘手的问题还是在于，由叶片所获得的能量给叶片的转速较低，要驱动电机，必须经过多级增速，而增速恰恰要消耗更多的能量，本发明所述的分布式流能发电机装置，把发电机转子布置在流体获能叶片末端，由于大直径的叶片末端线速度大，永磁体和线圈之间相对运动被有效放大，机构本身就成为了一个大变比的增速机构，由此，中间不经过其他传动机构，省去了传统结构中的增速机构，使得流能开发中由于传动和变速的能耗降低为零，起到节能、降耗、增效作用。
本发明分布式流能发电机的构造，把叶片受力最大的部分——叶片末端与环形转子本体一体成型，叶片整体受力均匀，改变叶片形状，增大叶片末端，不再受到叶片根部折断威胁的制约，大大提高了叶片的获能水平，提高了效率，减小了振动，增加了转子机械强度，减小了叶片动应力，使叶片出现裂纹几率大大降低，转子的运行稳定性得以提高。
本发明工作原理：流体穿过轴向流体通道时推动叶片转动，其中流体主要指水或空气，圆环形转子本体一起转动，发电机定子感应出电力并通过电缆与用电设备联网或储藏起来，本发明无需像现有发电机通过叶轮与发电机间设置增速装置才可实现传动发电。叶片直接带动环形转子本体转动，叶片周围布置发电机空间大，叶片末端线速度大，本身就是一个大变比的增速机构，这不仅能有效减小了电机的尺寸，也节省了传统流能开发过程中由于必须设置传动或增速机构的机械能耗，定会为分布式电能的开发带来新的发展机遇。
若流体涉及水，则指江河湖海的流动的水所具有的能量，把本发明放入江河湖海中，通过水流流过轴向流体通道时推动叶片转动，叶片吸收水流的动能变为转动机械能，并通过连接在叶片末端的圆环形转子本体一起转动，使发电机线圈切割磁力线，最终把水流能转换成电能；若涉及空气，则指的风力发电，把本发明设置在具有风的地方，如沙漠、树林、开阔的田野、高楼、公路边等，通过风穿过轴向流体通道时推动叶片转动，把风场中的风能吸收并变成叶片转动的动能，并通过连接在叶片末端的圆环形转子本体一起转动，使发电机线圈切割磁力线，最终把空气流动的动能转换成电能。本发明与传统水轮发电机和风力发电相比，减少了中间传动过程，省略的变速机构，而是把叶片获得的流能直接传给电机，由电机把机械能转化成电能，降低了机构的复杂性，大大提高了能量转化效率。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种分布式流能发电装置，包括发电机定子和发电机转子，所述的发电机转子相对发电机定子作旋转运动，其特征在于：所述的发电机转子包括圆环形转子本体，所述的圆环形转子本体内圆周中心设有与其同心的中央导流体，所述的中央导流体圆周均布有若干块叶片，叶片外缘与圆环形转子本体内壁相连，所述的叶片分别与中央导流体和圆环形转子本体内壁围合成若干个供流体穿过的轴向流体通道。
2.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的叶片与圆环形转子本体内壁的连接为刚性连接。
3.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的叶片与圆环形转子本体内壁的连接为柔性连接。
4.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的流体是水。
5.根据权利要求4所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的叶片为水轮发电机叶片。
6.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的流体是气体。
7.根据权利要求6所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的叶片为风力发电机叶片。
8.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的发电机定子和发电机转子组成三相交流发电机或三相永磁交流发电机或三相励磁交流发电机或三相直流发电机或三相永磁直流发电机或三相励磁直流发电机。
9.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的中央导流体中部设有中心支撑轴。中央导流体、叶片与发电机定子以中心支撑轴的中心支撑。
10.根据权利要求1所述的一种分布式流能发电装置，其特征在于：所述的发电机定子和圆环形转子本体间设有回转支撑结构。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109944748A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-06-28 | 四川景顺长城电力工程设计有限公司 | 风力发电装置 |
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| CN202103520U (zh) * | 2011-05-31 | 2012-01-04 | 比亚迪股份有限公司 | 一种电动机 |
| CN203394678U (zh) * | 2013-08-16 | 2014-01-15 | 重庆同利实业有限公司 | 直接水轮发电机 |
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2017
- 2017-05-27 CN CN201710388432.8A patent/CN106972696A/zh active Pending
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