CN109779839B - 一种微风发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发电机生产技术领域,尤其设计一种微风发电机,包括多组正对且竖直设置的风叶片、多个从下往上依次横向设置的连接杆、发电机、传动单元、驱动单元、风向传感器和微控制器,各个风叶片均由上风叶片和下风叶片构成,上风叶片与下风叶片铰接,所述铰接处为单向铰接点;相邻连接杆相互垂直,且连接杆两端分别与对应风叶片中单向铰接点固接;发电机固接有传动轴,各个连接杆均能相对传动轴自由旋转且能带动传动轴沿其周向转动;驱动单元用于驱动连接杆旋转一圈;传动单元用于传递相邻连接杆之间的运动;风向传感器用于检测自然风的风向,微控制器根据风向传感器采集的数据控制驱动单元是否启动。本发明适用于年平均风速在3m/s‑3.5m/s的区域。

Description

一种微风发电机
技术领域
本发明涉及发电机技术领域,具体涉及一种微风发电机。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视;风能的利用离不开风力发电机,当前的风力发电机有两种形式:1.水平轴风力发电机;2.垂直轴风力发电机。
垂直轴风力发电机相比水平轴风力发电机,其具有不需要偏航、微风启动、无噪音等优点,这里需要说明的是,中国气象局定义的微风为3级风,风速为3.4-5.4m/s;微风启动表示风力发电机风力发电启动风速为3.4-5.4m/s。
但目前公知的垂直轴风力发电机,都是采用垂直单组式风叶结构来带动发电机发电,根据资料这种垂直式单风叶风能发电机启动风速要求是3.5m/s,发电风速须达到4.2m/s,按现有垂直风力发电技术建立风电站需要不低于5m/s的年平均风速。按照目前垂直风叶风能发电技术,风速在3.5m/s时启动风能发电机发电非常困难,因发电机有一定负荷存在。
此外,目前的垂直轴风力发电机由于风叶片迎风面积非常有限,风能转换效率非常低;若是增大风叶片的迎风面积,势必也会增大风叶的背风面积,从而增加风力发电机的启动力矩,得不偿失。
发明内容
针对目前垂直轴风力发电机因风叶片迎面面积有限,风能转化效率低以及在风速较低的微风情况下,风力发电机难以发电的技术问题,本发明提供一种微风发电机。
一种微风发电机,包括
偶数组竖直设置且两两对应的风叶片;各个风叶片均包括彼此铰接的上风叶片和下风叶片;上风叶片和下风叶片的铰接处为单向铰接点;
多个从下往上依次横向设置的连接杆,相邻连接杆相互垂直,一个连接杆对应一组正对设置的风叶片,且连接杆两端分别与对应风叶片中单向铰接点固接;
具有输出轴的发电机,发电机的输出轴竖直设置,发电机输出轴同轴固接有中空的传动轴,各个连接杆均能相对传动轴自由旋转,各个连接杆均能带动传动轴沿周向转动;
传动单元,传动单元用于将相邻连接杆中一连接杆的旋转运动传递至另一连接杆;
驱动单元,驱动单元用于驱动一个连接杆旋转一圈;
控制单元,包括风向传感器和微控制器;风向传感器用于检测自然风的风向,并将检测数据传送给微控制器,微控制器根据风向传感器传递来的检测数据控制驱动单元工作。
名词解释:
单向铰接点:这里指的是上风叶片和下风叶片的铰接方向为单向,即以上风叶片为参照物时,下风叶片可瞬时针绕着上风叶片转动或逆时针绕着上风叶片转动,现铰接点为单向,下风叶片只能顺时针或逆时针绕着上风叶片转动。
本发明的有益效果:
1.相比水平设置的风叶片,竖直设置的风叶片迎风面积增加了,即兜风性能提升了,且上风叶片和下风叶片单向铰接,这减小了风叶片背风时的面积,即减小了风叶片受到来自风的阻力,因为当风作用在风叶片为阻力时,阻力使上风叶片和下风叶片朝向对方方向转动,此时该风叶片的背风面积就减小了,当风作用在风叶片为驱动力时,驱动力使上风叶片和下风叶片背向转动,即风叶片恢复原状,增大了迎风面积。
由上可知,本方案提高了风叶片的兜风性能,从而提高了风能的转换率,解决了风能转化率低的技术问题;另外,本方案减小了风对风叶片的阻力,从而减小了发电机的启动转矩,发电机能在较低风速的微风驱动下发电,解决了在较低风速的微风情况下,垂直轴发电机难以发电的技术问题。
2.本方案通过风向传感器检测风向,当风向改变时,在驱动单元和传动单元作用下,各个风叶片旋转一周,则风叶片原有的迎风面变为背风面,原有的背风面变为迎风面,从而风叶片依然能达到效果1的目的。
这里要说明的是,微控制器根据风向传感器检测的数据控制驱动单元驱动某一连接杆转动一圈的工作原理,具体为:以东南西北建立二维坐标,将二维坐标划为等分的八部分,从二维坐标的一象限依次排序为1、2、3…8,1、3、6以及8属于A单元,剩余部分属于B 单元,风的方向为正东方向,此时,风与二维坐标的X正半轴的夹角为0度;且在正东方向风作用下,风叶片迎风面积为上风叶片和下风叶片面积的总和,风叶片受阻力的面积小于上风叶片和下风叶片面积的总和。
若前后两次的风向分别属于A和B单元,则微控制器控制驱动单元驱动连接杆旋转一圈,若前后两次的风向属于同一单元,则各个风叶片保持原状。
进一步,传动单元包括多个从下往上依次设置于传动轴内部的从动齿轮,从动齿轮与连接杆一一对应,从动齿轮与连接杆同轴固接,相邻从动齿轮彼此啮合;
驱动单元包括电机和主动齿轮;电机位于各个连接杆的下方,电机固定安装于传动轴内部,电机与微控制器电连接,电机的输出轴与主动齿轮同轴固接,主动齿轮与其相邻的从动齿轮啮合。
相比每个连接杆设置一个对应的电机,这样设计结构简单,控制各个连接杆旋转较容易。
进一步,发电机与传动轴之间设有变速箱,发电机通过变速箱与传动轴同轴连接。
这样设计能改变传动轴传给发电机的传动比,使发电机内的转子转速更快。
进一步,发电机包括转子和定子,转子和定子相对面均覆盖有强电介质;转子包括转子轴,转子轴通过变速箱与传动轴同轴连接。
转子切割磁力线产生电流,电流形成电场,强电介质在电场下被感应极化,产生大量电荷,则相对面的强电介质之间产生强磁场,增加了发电机内部的磁场强度,则转子切割磁力线产生电流增大,即发电机产生的电能增大。
进一步,上风叶片与下风叶片连接处形成的夹角为0度至180度。
相比铰接的角度为90度-180度,这样设计能减小风叶片背风时的面积,从而减小风对风叶片的阻力。
进一步,主动齿轮和从动齿轮的齿数比为1。
主动齿轮和从动齿轮均为伞齿轮。齿数比为1,方便对力的传导。
附图说明
图1为本发明一种微风发电机实施例一中无微风的左视图。
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:风叶片1、上风叶片2、下风叶片3、连接杆4、传动轴5。
实施例一
如图1所示,一种微风发电机,包括多组正对且竖直设置的风叶片1、多个从下往上依次横向设置的连接杆4、竖直设置且内部为空心的传动轴5、发电机、传动单元、驱动单元和控制单元,一个连接杆4对应一组正对设置的风叶片1。
各个风叶片1均由上风叶片2和下风叶片3构成,上风叶片2与下风叶片3铰接,所述铰接处为单向铰接点,且铰接角度为0度-180度,本实施例以上风叶片2为参照物,下风叶片3能相对上风叶片2顺时针转动。
相邻连接杆4互相垂直,各个连接杆4均穿过传动轴5,且各个连接杆4均能相对传动轴5沿自身周向上自由转动,各个连接杆4两端分别与对应风叶片1中单向铰接点焊接。
传动单元包括多个从下往上依次设置于传动轴5内部的从动齿轮,从动齿轮与连接杆4 一一对应,从动齿轮与连接杆4同轴焊接,相邻从动齿轮相互垂直且啮合;驱动单元包括电机和主动齿轮,电机位于各个连接杆4的下方,电机固定安装于传动轴5内部,电机的输出轴与主动齿轮同轴焊接,主动齿轮与其相邻的从动齿轮啮合;其中,主动齿轮和从动齿轮均为伞齿轮。
控制单元包括风向传感器和微控制器,风向传感器用于检测自然风的风向,并将检测数据传输给微控制器,微控制器基于风向传感器检测的数据控制驱动单元是否驱动所述一连接杆4旋转一圈,其中,微控制器为单片机,风向传感器为电磁式风向传感器,微控制器固定安装于传动轴5内壁,风向传感器固定安装于传动轴5顶部。
微控制器根据风向传感器检测的数据控制驱动单元驱动某一连接杆4转动一圈的工作原理,具体为:以东南西北建立二维坐标,将二维坐标划为等分的八部分,从二维坐标的一象限依次排序为1、2、3…8,1、3、6以及8属于A单元,剩余部分属于B单元,风的方向为正东方向,此时,风与二维坐标的X正半轴的夹角为0度;且在正东方向风作用下,风叶片 1迎风面积为上风叶片2和下风叶片3面积的总和,风叶片1受阻力的面积小于上风叶片2 和下风叶片3面积的总和。
若前后两次的风向分别属于A和B单元,则微控制器控制电机驱动连接杆4旋转一圈,若前后两次的风向属于同一单元,则各个风叶片1保持原状。
发电机包括转子、定子和转子轴,转子轴与传动轴5同轴焊接,转子和定子相对面均粘接有由纤维素制作而成的强电介质;发电机电连接有储能站。
具体实施过程如下:
如图1所示,微风此时方向为正东方向,微风作用在a风叶片1为正作用力,即驱动a风叶片1旋转,此时a风叶片1的受力面为迎风面,其他风叶片1上受正作用力的面也为迎风面,风叶片1另一面则为背风面。
因从侧面角度看,各个风叶片1中下风叶片3能相对上风叶片2顺时针转动,而微风方向为正东方向,则a风叶片1的迎风面面积为上风叶片2和下风叶片3之和,而b风叶片1 受到风的阻力方向为正西方向,则在微风作用下,b风叶片1中下风叶片3和上风叶片2朝向对方运动,从而b风叶片1的背风面面积小于上风叶片2和下风叶片3之和;从俯视角度看,微风驱动风叶片1逆时针旋转。
传动轴5带动发电机转子轴一起旋转,转子轴带动转子同步同向旋转,转子被旋转磁力线切割产生电流,电流形成电场,相对面的强电介质在电场作用下均感应极化产生大量电荷,则强电介质之间形成强磁场,增加了发电机原有的磁场强度,在其他条件相同下,发电机产生的电能更多。
当风向传感器检测到风方向角度,比如东偏北20度,则此时风方向落在了第1部分,属于A单元,上一次为正东方向,也为A单元,则微控制器不驱动电机旋转一圈,即电机不会带动连接杆4转动一圈;同理,当风向传感器检测到风方向角度落在B单元内,则微控制器驱动电机旋转一圈,即电机带动最下方连接杆4旋转一圈,在相互垂直的伞齿轮作用下,其余连接杆4从下往上依次旋转一圈,则从侧面角度看,各个风叶片1中下风叶片3能相对上风叶片2逆时针转动,即各个风叶片1中之前的上风叶片2变为下风叶片3,之前的下风叶片3变为上风叶片2。
实施例2
与实施例1的区别在于,本实施例中,微风发电机包括安装在发电机下方的地坑。在上风叶片和下风叶片的之间安装有触动开关。触动开关的位置即为单向交接点的位置。发电机的下方安装有支撑发电机的电动推杆。当上风叶片和下风叶片完全闭合时,触动开关被触发,电动推杆被启动,电动推杆向下收缩带动整个微风发电机进入到地坑中。在风向传感器的背面位置上,即在风叶片安装风向传感器的对侧安装有温度传感器,该温度传感器与微控制器电连接。当温度传感器检测到温度高于微控制器的预设温度值时,微控制器控制上风叶片和下风叶片闭合,启动触动开关,使在微风发电机风叶片变形的同时降落到地坑中,快速进行高温躲避。能够有效延长微风发电机的使用时间。
在地坑的底面上安装有多个用来抽水的水管,水管沿着地坑内壁布置形成冷水壁。电动推杆的底端焊接有用来支撑微风发电机的顶板,顶板在随着电动推杆下降的过程当中,顶板将水通过重力形成的压力压到冷水壁的水管中,同时顶板隔绝了水对微风发电机的浸湿,在形成一个降温环境的同时,又不会损坏微风发电机本身。而当电动推杆向上推动微风发电机离开地坑的时候,水管中回流的水会形成浮力,使顶板在电动推杆和浮力的作用下平稳快速地离开地坑。
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 (6)

1.一种微风发电机,其特征在于:包括
偶数组竖直设置且两两对应的风叶片;各个风叶片均包括彼此铰接的上风叶片和下风叶片;上风叶片和下风叶片的铰接处为单向铰接点;
多个从下往上依次横向设置的连接杆,相邻连接杆相互垂直,一个连接杆对应一组正对设置的风叶片,且连接杆两端分别与对应风叶片中单向铰接点固接;
具有输出轴的发电机,发电机的输出轴竖直设置,发电机输出轴同轴固接有中空的传动轴,各个连接杆均能相对传动轴自由旋转,各个连接杆均能带动传动轴沿周向转动;
传动单元,传动单元用于将相邻连接杆中一连接杆的旋转运动传递至另一连接杆;
驱动单元,驱动单元用于驱动一个连接杆旋转一圈;
控制单元,包括风向传感器和微控制器;风向传感器用于检测自然风的风向,并将检测数据传送给微控制器,微控制器根据风向传感器传递来的检测数据控制驱动单元工作;
传动单元包括多个从下往上依次设置于传动轴内部的从动齿轮,从动齿轮与连接杆一一对应,从动齿轮与连接杆同轴固接,相邻从动齿轮彼此啮合;驱动单元包括电机和主动齿轮;主动齿轮与其相邻的从动齿轮啮合;
所述微控制器根据风向传感器传递来的检测数据控制驱动单元工作包括:以东南西北建立二维坐标,将二维坐标划为等分的八部分,从二维坐标的一象限依次排序为1至8,其中,1、3、6以及8属于A单元,剩余部分属于B单元;
若前后两次的风向分别属于A和B单元,则微控制器控制电机驱动连接杆旋转一圈,使得各个风叶片中之前的上风叶片变为下风叶片,之前的下风叶片变为上风叶片;若前后两次的风向属于同一单元,则各个风叶片保持原状。
2.根据权利要求1所述的一种微风发电机,其特征在于:电机位于各个连接杆的下方,电机固定安装于传动轴内部,电机与微控制器电连接,电机的输出轴与主动齿轮同轴固接。
3.根据权利要求1所述的一种微风发电机,其特征在于:发电机与传动轴之间设有变速箱,发电机通过变速箱与传动轴同轴连接。
4.根据权利要求3所述的一种微风发电机,其特征在于:发电机包括转子和定子,转子和定子相对面均覆盖有强电介质;转子包括转子轴,转子轴通过变速箱与传动轴同轴连接。
5.根据权利要求1所述的一种微风发电机,其特征在于:上风叶片与下风叶片连接处形成的夹角为0度至180度。
6.根据权利要求2所述的一种微风发电机,其特征在于:主动齿轮和从动齿轮的齿数比为1。
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Assignor: GUANGZHOU ZHUOYUE POWER NEW ENERGY Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Breeze Generator

Granted publication date: 20230602

License type: Common License

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Application publication date: 20190521

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Assignor: GUANGZHOU ZHUOYUE POWER NEW ENERGY Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Breeze Generator

Granted publication date: 20230602

License type: Common License

Record date: 20231204