CN109763937B - 一种微风发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电领域，具体提供一种微风发电系统，包括叶轮、变速箱、发电机和电池组；所述叶轮包括叶片和转轴；还包括磁性组件和控制系统，所述磁性组件包括外壳、永磁铁和激磁线圈；所述转轴穿过外壳并与外壳转动连接，所述激磁线圈和外壳之间设有固定杆；所述永磁铁与所述转轴之间设有连接杆；所述控制系统包括控制器、电压传感器、电流传感器及光电转速传感器，所述电压传感器其及电流传感器固定在电网上，所诉光电转速传感器固定在所述转轴上；所述控制器内预设有高峰功率值及最低风速值；所述控制器与发电机及电池电连接。本发明能够在用电高峰期时为电网稳定的供电。

Description

一种微风发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种微风发电系统。

背景技术

电网中供电系统的供电量，需要结合电网中用户的用电量而定。为此，供电系统中通常会设置补充发电机，在用户的用电量较小时不进行电量输送，当用户的用电量处于高峰，正常供电量不能满足需求时，补充发电机并入电网给电网供电以满足用户在用电高峰期时的用电需求。

风能作为绿色能源，由于不会产生污染且能源成本几乎为零，正被广泛运用于发电领域中，供电系统中的补充发电机，正是风能在发电领域的主要用途之一。但主流的风能发电机，需要风速达到2级甚至3级才能开始运转，若在用户用电高峰期时出现风特别小甚至无风的情况，该风力发电机便不能为电网进行电量补充，会造成该时段内用户用电不稳定的情况。

为解决上述问题，中国专利CN101113719B提出了一种超低速微风发电机装置，将叶片支柱设置在发电机的壳体上，并将发电机内的矽钢片的槽形设为斜槽形。该专利通过减轻了外转动壳的重量，减轻了风机的旋转扭矩，在微风状态下仍能达到额定的发电量。

该专利对风力的要求较低，微风时便能并入电网进行电量补充，但风力若突然降到特别小甚至无风时，该专利还是会突然中断对电网的供电，导致电网的供电不稳定，进而影响到用户的生活。

发明内容

本发明针对风力变得特别小甚至无风时，现有风力发电系统会突然中断，电网的供电不稳定，影响用户生活的问题，提供了一种微风发电系统。

本发明提供的基础方案为：

一种微风发电系统，包括叶轮、变速箱、发电机和电池，所述叶轮包括叶片和转轴，叶轮固定在转轴上；转轴与变速箱连接，转轴驱动变速箱工作；变速箱与发电机连接，变速箱驱动发电机发电；发电机与电池连接，电池能够存储发电机发出的点；发电机与电网连接，发电机能够为电网供电；

还包括磁性组件和控制系统，所述磁性组件包括外壳、永磁铁和激磁线圈；所述转轴穿过外壳并与外壳转动连接，所述激磁线圈和外壳之间设有固定杆，所述固定杆的两端分别与激磁线圈及外壳内壁固定；所述永磁铁与所述转轴之间设有连接杆，所述连接杆的两端分别与转轴及永磁铁固定；所述永磁铁位于所述激磁线圈下方；所述激磁线圈与所述电池电连接；

所述控制系统包括控制器、电压传感器及光电转速传感器，所述电压传感器固定在电网与发电机的接口处，所诉光电转速传感器固定在所述转轴上；所述控制器内预设有稳定电压值及最低风速值；所述控制器与发电机及电池电连接；

当电压传感器的反馈值与所述稳定电压值出现较大偏差时，所述发电机给电池充电；

当电压传感器的反馈值与所述稳定电压值时，所述控制器控制所述发电机给电网送电；

当电压传感器与电流传感器的反馈值的乘积大于或等于所述高峰功率值，且光电转速传感器的反馈值小于最低风速值时，所述控制器控制所述电池给所述激磁线圈通电。

基础方案工作原理及有益效果：

当电网中的用户处于用电低谷，即电压传感器与电流传感器的反馈值的乘积小于到所述高峰功率值时，发电机给电机充电；当电网中的用户处于用电高峰，即电压传感器与电流传感器的反馈值的乘积小于到所述高峰功率值时，控制器控制发电机给电网送电。

若在用电高峰时风力突然变得很小，无法驱动叶轮正常转动，即转轴的转速低于预设的最低转速时，发电机无法正常工作，此时，控制器控制电池给激磁线圈通电，激磁线圈通电后产生磁场，激磁线圈与永磁铁之间存在磁力作用，同极相斥异极相吸，由于激磁线圈与壳体内壁固定，永磁铁与转轴固定，转轴与壳体转动连接，在磁力的作用下，永磁铁会带动转轴转动，进而带动发电机工作，给电网正常供电。

采用本系统，在用电高峰时段，即使无风时，发电机也能持续给电网进行电力输送，使电网在用电高峰时能够稳定的给用户供电。通过电池使发电机给电网供电，和直接用电池给电网供电相比，发电机的供电更为稳定。用电池给电网供电，需要进行逆变，有热量产生，存在安全隐患；用发电机给电网供电，发电机不会产生太多的热量，即使发热也会被风带走，可减少安全隐患。

进一步，所述激磁线圈与所述永磁铁的数量相等。

采用这种结构，可以充分利用激磁线圈产生的电磁场，使转轴充分转动。

进一步，所述发电机为脉冲发电机，所述脉冲发电机与所述电池之间设置有导电层，所述导电层为单层石墨烯膜。

采用这样的结构，脉冲发电机和切割磁感线圈相比，可以短时间内发出更多的电荷量。能够在用电高峰时段给电网输入足够的发电量。和钛、镁、铜等导体相比，单层石墨烯膜通过巨大量电荷的能力更加出色，且电子迁移的速度极快，电子能量也不会被损耗，更够较好的将脉冲发电机发出的电进行存储。

进一步，所述叶片的竖截面为C型，横截面为梯形，内凹部分的厚度小于外凸部分的厚度。

这种叶片具有较好的叶尖速比，转动时需要的风力小，对风能的利用率高。

进一步，所述电池为电池组，所述电池组内的电池相互并联。

用并联的电池组，能够将发电机发的电能进行分批存储，且各电池之间互不干扰。在电池组为激磁线圈供电时，即使某块电池出现了故障，其他的电池也能继续工作，让系统持续正常工作，和用单块电池相比，用这样的结构，系统的稳定性更强。

进一步，还包括伸缩机构和散热机构，所述伸缩机构固定在所述变速箱下方，所述伸缩机构与所述控制器电连接；所述散热机构固定在所述伸缩机构下方,所述散热机构可向外喷水；所述发电机上固设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器电连接；所述发电机的壳体为密封壳体；所述控制器内预设有散热温度值，当所述温度传感器反馈的温度高于散热温度值，所述控制器控制所述伸缩机构下降，使所述发电机进入所述散热机构内，并使所述散热机构向所述发电机的壳体喷水。

由于微风发电机设置在室外，发电机除了自身工作发热外，还有太阳的照射使其生热，两种热量的叠加会使发电机在较高的温度下工作；若发电机长时间在高温下工作，会影响其使用寿命。采用这样的结构，当发电机的温度较高需要散热时，控制器控制其进入散热机构内，并控制散热机构对发电机的壳体喷水，对其进行散热。

进一步，所述散热机构包括散热箱、散热管及散热盖，所述散热箱内有水，所述散热盖与所述散热箱的内壁滑动连接，所述散热管的下端固定在散热箱底，散热管的顶端朝向发电机；所述散热盖随所述发电机一起升降。

采用这样的结构，发电机进入散热机构的过程中，散热盖随发电机下滑，散热箱内气压增大，散热箱内的水进入散热管下端，并从散热管的上端喷出到发电机的壳体上，对外电机的壳体进行清洗及降温。

附图说明

图1为本发明一种微风发电系统实施例一的结构示意图；

图2为图1中磁性组件的内部俯视图；

图3为本发明一种微风发电系统实施例二中机架部分的局部结构示意图；

图4为本发明一种微风发电系统实施例三中散热箱的局部结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：叶轮1、叶片11、转轴12、磁性组件2、激磁线圈21、永磁铁22、外壳23、固定杆24、连接杆25、变速箱3、脉冲发电机4、电池组5、控制器6、安装槽7、机架8、底座81、滑块811、连杆812、滑杆813、伸缩杆82、散热机构83、散热箱831、散热盖832、散热管833、安装柱84。

具体实施过程如下：

实施例一

如图1、图2所示，一种微风发电系统，包括叶轮1、变速箱3、脉冲发电机4和电池组5。

叶轮1包括叶片11和转轴12，叶片11的竖截面为C型，横截面为梯形，内凹部分的厚度小于外凸部分的厚度；其凸面距顶端三分之一处与转轴12焊接。叶轮1的材质为钛铝合金，钛铝合金在拥有较好的强度的同时还拥有较小的密度。

叶片11下方为磁性组件2，磁性组件2包括外壳23、永磁铁22和激磁线圈21，外壳23为中空的圆柱体，转轴12从外壳23的顶面及底面的中心处穿过，转轴12与外壳23的顶面及底面之间均设有滚珠轴承，滚珠轴承的内壁均与转轴12焊接，滚珠轴承的外壁分别与外壳23的顶面及底面焊接。

本实施例中，激磁线圈21与永磁铁22的数量均为十二个。每个激磁线圈21与外壳23之间均有固定杆24，固定杆24的两端分别与激磁线圈21及外壳23焊接，激磁线圈21以六个一组分为两组，其中一组激磁线圈21的高度为距离外壳23侧壁顶端三分之一处，另一组激磁线圈21的高度为距离外壳23侧壁顶端三分之二处；激磁线圈21均与电池组5电连接通过整流电路连接。

永磁铁22也以六个一组分为两组，两组永磁铁22所处的高度分别位于两组磁性线圈下方一厘米处；永磁铁22和转轴12之间有连接杆25，连接杆25的两端分别与永磁铁22及转轴12焊接。

当电池组5给激磁线圈21通电后，激磁线圈21会产生电磁场，激磁线圈21的电磁场和永磁铁22之间存在同极性相排斥、异极性相吸引的磁力作用，由于激磁线圈21固定在外壳23上，而永磁铁22固定在转轴12上，在磁力的作用下，永磁铁22会相对激磁线圈21运动，永磁铁22运动时带动转轴12转动。通过控制器6控制激磁线圈21的通电及断电的时间和间隔，使永磁铁22在与激磁线圈21的磁力作用下沿同一方向周向运动，永磁铁22带动转轴12沿同一方向周向转动，进而带动脉冲发电机4工作。

磁性组件2的外壳23下方为变速箱3，变速箱3为东莞市洪都精密机械有限公司定制，该公司定制的变速箱经久耐用。外壳23的下表面与变速箱3的上表面焊接，变速箱3的上表面的中心位置有箱孔，转轴12的下端穿过变速箱3的箱孔，转轴12与变速箱3的箱孔之间设有滚珠轴承，滚珠轴承的内壁与转轴12焊接，滚珠轴承的外壁与变速箱3的箱孔内壁焊接。

变速箱3的右侧面与脉冲发电机4焊接，脉冲发电机4和电池组5之间有单层石墨烯膜。

叶轮1将能量通过变速箱3传递到脉冲发电机4后，脉冲发电机4会短时间内产生大量的电荷，单层石墨烯膜把这些被极化出的大量电荷传递到电池组5内进行存储。与切割磁感线相比，脉冲发电机4能够在短时间内产生更多的电荷量。

采用单层石墨烯膜进行电荷传输，是因为和钛、镁、铜等导体相比，合金导线的通过大量电荷的能力更加出色，石墨烯的导电性很好，它是世上电阻率最小的材料，且电子迁移的速度极快，电子能量也不会被损耗，能够较为完整的对电荷进行输送。

电池组5包含多块并联的电池，本实施例中优选电池的数量为五块，这样，电池组5在工作的过程中，即使某块电池出现了故障，其余的电池仍然可以继续工作，保证系统持续、稳定的运行，和使用单块电池相比，系统的运行更加稳定。本实施例中的电池的为广州倬粤动力新能源有限公司生产的石墨烯电池，该电池的蓄电量足且使用寿命长。

控制系统包括控制器6、电压传感器、电流传感器及光电转轴12传感器，控制器6与电池组5及脉冲发电机4电连接。

电压传感其及电流传感器用螺栓固定在脉冲发电机4与电网的接口处，电压传感器及电流传感器与控制器6电连接。光电转速传感器焊接在转轴12上，用于测量转轴12的转速。

本实施例中，电压传感器的型号为CR4570-150，电流传感器的型号为MCE-IJ03，光电转速传感器的型号为东太HN90，控制器6的型号为西门子6ES7332-7ND02-0AB0。该型号的控制器功能强大，通过总线的数据传输和交换，可实现控制的网络化和数字化。

控制器6中预设有稳定电压值，以及微风发电系统给电网正常供电时转轴12的最低转动值。

当反馈的电压与控制器6中的预设电压的差值小于25伏时，表明此时电网中的用户并非用电高峰期，电网供电稳定，不需要本系统为电网供电，此时，控制器6控制脉冲发电机4给电池组5充电。

当反馈的电压与控制器6中的预设电压的差值大于或等于25伏时，表明电网的供电情况不稳定，此时，控制器6控制脉冲发电机4给电网进行供电。

当反馈的电压与控制器6中的预设电压的差值大于或等于25伏，且光电转速传感器反馈的转速值低于控制器6中的转轴12预设转速时，表明在系统给电网供电的过程中出现了风速过低、甚至无风的情况，叶片11带动下转轴12的转速不能支撑脉冲发电机4给电网正常供电。此时，控制器6控制电池组5给磁性组件2中的激磁线圈21供电，激磁线圈21与永磁铁22之间产生磁力作用，永磁铁22带动转轴12转动，达到系统给电网供电时的转速，进而带动脉冲发电机4给电网输入的电量到达正常值，保证系统的稳定运行。

采用本系统，当电网中的用户处于用电高峰期时，即使系统周围没有风或风速过低，它也可发出与风速足够时一样的电量来，能够持续而稳定的给电网进行电力输送，使电网在用电高峰时能够稳定的给用户供电。

实施例二

如图3所示，和实施例一不同的是，本实施例中的微风发电装置通过机架8安装在安装槽7内，机架8包括底座81、伸缩机构和散热机构83。发电机的壳体为密封壳体。

在发电机所在地面挖一能容纳整个微风发电设备的避热坑，安装槽7设在避热坑内。伸缩机构包括四根伸缩杆82，伸缩杆82的下端均焊接在底座81的上表面，伸缩杆82的上端分别与变速箱3底面的四个角焊接。伸缩杆82均与控制器6电连接。本实施例中，伸缩杆82为宁波具盈电子科技有限公司生产的NKLA22型号的电子伸缩杆。

散热机构83包括散热箱831与散热管833，散热箱831位于机架8下方，散热箱831的箱内装有水，水位高度为扇热箱高度的一半。散热箱831内设有散热盖832，散热盖832与散热箱831的内侧壁滑动连接。散热管833的进水口粘接在散热箱831的底部，散热管833的出水口上套接有喷头，散热管833的管身缠绕在发电机的壳体上，用螺栓将散热管833固定在发电机壳体上。散热管833的喷头对准发电机壳体，散热管833在发电机上的管身上均匀开设二十个小孔，每个小孔的直径为5毫米。

底座81的左侧和右侧各有两条左右朝向的滑槽，滑槽上各滑动连接有滑块811。滑块811的上端分别与连杆812的下端铰接，连杆812的上端分别铰接在左右侧伸缩杆82的上端。滑块811的下端与滑杆813的上端铰接，滑杆813的下端分别铰接在滑盖上表面的四个角处。

发电机的壳体上焊接有温度传感器，温度传感器与控制器6电连接。本实施例中温度传感器为深圳市金茂源伟业科技有限公司生产的YTF 5D-9型号温度传感器。

当温度传感器反馈的温度超过预设温度时，本实施例中，预设温度为80℃，控制器6控制伸缩杆82收缩，伸缩杆82收缩后，发电机进入到安装槽7内，避免因阳光的直接照射而持续受热。伸缩杆82在收缩时，伸缩杆82的上端下移，带动连杆812的上端下移，连杆812的下端带动滑块811向外侧滑动；滑块811向外滑动时，滑杆813的上端向外移动滑杆813的下端带动散热盖832向下滑动；散热盖832向下滑动，使散热箱831内的气压增大，散热箱831内的水进入散热管833，水经过发电机的壳体时对其进行降温，水从小孔上流出，对发电进的壳体行降温和清洁。喷头喷水到发电机的壳体上，对其进行降温和清洁。

由于系统处于室外，发电机除了自身工作时产生的热量之外，阳光的照射使发电机的温度增高。两种热量的叠加会使发电机在较高的温度下工作，若发电机长时间在高温下工作，会影响其使用寿命。

实施例三

如图4所示，和实施例一不同的是，本实施中发电机的壳体为密封壳体，本装置还包散热箱831，散热箱831在微风发电机所在地面的地表下；散热箱831内有散热盖832，散热盖832与散热箱831的内侧壁滑动连接，散热盖832的上表面与变速箱3的底面焊接。散热箱831内装有水，散热箱831左右两侧的侧壁上分别开有出水孔；出水孔的下端与散热箱831内部连通，连通点位于侧壁内侧下端；出水孔的上端贯穿散热箱831侧壁上表面。散热箱831内的水达到三分之一高度处。

出水孔内有散热管833，散热管833贯穿出水孔，散热管833的下端用螺栓固定在散热箱831底部，散热管833的上端伸出出水孔上端并朝向发电机，散热管833的上端焊接有莲蓬喷头。散热箱831底部的四个角处均有和散热箱831一体成形的安装柱84，每根安装柱84的上端均焊接有伸缩杆82，伸缩杆82的两端分别与安装柱84上表面及散热盖832的下表面焊接。伸缩杆82均与控制器电连接，本实施例中，伸缩杆82的为宁波具盈电子科技有限公司生产的NKLA22型号的电子伸缩杆82。发电机的壳体上用螺栓固定有温度传感器，温度传感器与控制器电连接。本实施例中温度传感器为深圳市金茂源伟业科技有限公司生产的YTF5D-9型号温度传感器。

当温度传感器反馈的温度超过预设温度时，本实施例中，预设温度为80℃，控制器控制伸缩杆82收缩，伸缩杆82收缩后，散热盖832向下滑动，使散热箱831内的气压增大，散热箱831内的水进入散热管833内，并从喷水孔上端的喷头喷到发电机的壳体上，为发电机进行降温、清洁。并且，由于散热管833的上端朝向发电机，在发电机下降的过程中，散热箱上端的喷头喷出的水可以覆盖发电机壳体的大部分面积。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种微风发电系统，包括叶轮、变速箱、发电机和电池，所述叶轮包括叶片和转轴，叶轮固定在转轴上；转轴与变速箱连接，转轴驱动变速箱工作；变速箱与发电机连接，变速箱驱动发电机发电；发电机与电池连接，电池能够存储发电机发出的点；发电机与电网连接，发电机能够为电网供电；

其特征在于：还包括磁性组件和控制系统，所述磁性组件包括外壳、永磁铁和激磁线圈；所述转轴穿过外壳并与外壳转动连接，所述激磁线圈和外壳之间设有固定杆，所述固定杆的两端分别与激磁线圈及外壳内壁固定；所述永磁铁与所述转轴之间设有连接杆，所述连接杆的两端分别与转轴及永磁铁固定；所述永磁铁位于所述激磁线圈下方；所述激磁线圈与所述电池电连接；

所述控制系统包括控制器、电压传感器及光电转速传感器，所述电压传感器固定在电网与发电机的接口处，所述光电转速传感器固定在所述转轴上；所述控制器内预设有稳定电压值及最低风速值；所述控制器与发电机及电池电连接；所述发电机为脉冲发电机；

当反馈的电压与控制器中的预设电压的差值小于25伏时，所述发电机给电池充电；

当反馈的电压与控制器中的预设电压的差值大于或等于25伏时，所述控制器控制所述发电机给电网送电；

当电压传感器与电流传感器的反馈值的乘积大于或等于高峰功率值，且光电转速传感器的反馈值小于最低风速值时，所述控制器控制所述电池给所述激磁线圈通电。

2.根据权利要求1所述的微风发电系统，其特征在于：所述激磁线圈与所述永磁铁的数量相等。

3.根据权利要求1所述的微风发电系统，其特征在于：所述脉冲发电机与所述电池之间设置有导电层，所述导电层为单层石墨烯膜。

4.根据权利要求1所述的微风发电系统，其特征在于：所述叶片的竖截面为C型，横截面为梯形，内凹部分的厚度小于外凸部分的厚度。

5.根据权利要求1所述的微风发电系统，其特征在于：所述电池为电池组，所述电池组内的电池相互并联。

6.根据权利要求1所述的微风发电系统，其特征在于：还包括伸缩机构和散热机构，所述伸缩机构固定在所述变速箱下方，所述伸缩机构与所述控制器电连接；所述散热机构固定在所述伸缩机构下方,所述散热机构可向外喷水；所述发电机上固设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器电连接；所述发电机的壳体为密封壳体；所述控制器内预设有散热温度值，当所述温度传感器反馈的温度高于散热温度值，所述控制器控制所述伸缩机构下降，使所述发电机进入所述散热机构内，并使所述散热机构向所述发电机的壳体喷水。

7.根据权利要求6所述的微风发电系统，其特征在于：所述散热机构包括散热箱、散热管及散热盖，所述散热箱内有水，所述散热盖与所述散热箱的内壁滑动连接，所述散热管的下端固定在散热箱底，散热管的顶端朝向发电机；所述散热盖随所述发电机一起升降。

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