CN111852776A - 一种低速恒态稳定风力机及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了一种低速恒态稳定风力机及工作方法，包括：多个叶片、发电设备及滑轨；所述多个叶片位于上下基体之间，所述叶片采用S型等距分布，每个叶片的内侧位置均连接至弹簧的一端，弹簧的另一端连接至公共点；所述下基体底部与滑轨之间设置有发电设备，所述发电设备跟随叶片旋转，所述发电设备将发出的电力经整流稳压电路输送至蓄电池。本公开技术方案通过结构设计避免“飞车”现象产生，故障率低，使用寿命长；用全新的发电技术，改变所使用发电机的种类，降低风力机的制造成本。该产品适用沿海照明、高速信号灯、边远地区扶贫项目、通讯基站、边关哨所及旅游景区等。
Description
技术领域
本公开属于风力机技术领域，尤其涉及一种低速恒态稳定风力机及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
国内外主要风力机类型包括水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机需对风，转速高，噪声大，历史悠久；垂直轴风力机无需对风，低转速而稳定，噪声小。中小型风力发电机正在由水平轴风力机向垂直轴风力机过渡。
风力机经过台风天气时发生“飞车“现象，电子控制原件损坏而无法正常工作，维修成本过高，为防止风力机高速空转，发生危险，将风力机旋转叶片与塔架焊接在一起，报废不再工作。面对飞车现象，水平轴风力机的现有技术针对大中型风力发电机可以采用变桨与偏航的调速系统微计算机控制，造价昂贵，在中小型风力机上应用困难。垂直轴风力机的现有技术利用微计算机控制的物理刹车盘刹车，无法调节转速，磨损严重，可靠性低，寿命短，并未得到实际应用。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种低速恒态稳定风力机，拓宽了风力机的工作风速，使风力机具有适应极端恶劣天气的能力。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种低速恒态稳定风力机，包括：
多个叶片、电机设备及滑轨；
所述多个叶片位于上下基体之间，所述叶片采用S型等距分布，每个叶片的内侧位置均连接至弹簧的一端，弹簧的另一端连接至公共点；
所述下基体底部与滑轨之间设置有发电设备，所述发电设备跟随叶片旋转，所述发电设备将发出的电力经整流稳压电路输送至蓄电池。
第一方面，公开了一种低速恒态稳定风力机的工作方法，包括：
发电设备跟随叶片旋转，使用电刷，将发电设备发出的电力，经整流稳压电路，输送到蓄电池中，蓄电池中电量充满时，多余的电力经卸荷电阻释放。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
针对现有中小型风力机工作风速范围小，极端天气下易发生“飞车”现象，制造成本较高缺点，本公开技术方案公开了低速恒态稳定风力机，拓宽了风力机的工作风速，使风力机具有适应极端恶劣天气的能力；基于尖端多级发电技术，实现了风力机变额定功率输出，同时降低了制造成本。
本公开技术方案通过结构设计避免“飞车”现象产生，故障率低，使用寿命长；用全新的发电技术，改变所使用发电机的种类，降低风力机的制造成本。该产品适用沿海照明、高速信号灯、边远地区扶贫项目、通讯基站、边关哨所及旅游景区等。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例整体结构示意图；
图2为本公开实施例整体结构俯视图；
图3为本公开实施例塔架结构示意图；
图4为本公开实施例电机设备相关结构示意图；
图5为本公开实施例低速恒态稳定风力机原理分析初始位置示意图；
图6为本公开实施例低速恒态稳定风力机原理分析中间位置示意图；
图7为本公开实施例技术效果图；
图8为本公开实施例实验系统示意图；
图中，1.叶片，2.拉伸弹簧，3.限位销，4.发电设备，5.环形滑轨，6.基体，7.转动销，8.基体中轴，9.近端限位销，10.远端限位销，11.连接孔，12.基体底板，13.塔架，14.环形轨道，15.连接杆，16.高重量楔形块，17.低重量楔形块，18.压缩弹簧，19.箱体，20.发电机，21.轮毂。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
可再生能源不能够普及的一个原因是成本比火电、核电高，降低成本是可再生能源发展趋势。近年来光伏组件成本有所下降，销量相应有所増加，但成本依旧很高。而中小型风力发电机成本价格几乎没有什么变化。发电机部分的成本几乎占整机成本一半，只要能降低发电机部分的支出，就能大幅降低整机成本。
针对现有中小型风力机工作风速范围小，极端天气下易发生“飞车”现象，制造成本较高缺点。本公开技术方案公开了一种低速恒态稳定风力机。
参见附图1、2所示，本实施例公开了一种低速恒态稳定风力机，包括：
多个叶片1、电机设备及环形滑轨5；
多个叶片位于上下基体6之间，所述叶片采用S型等距分布，每个叶片的内侧位置均连接至拉伸弹簧2的一端，弹簧的另一端连接至公共点；
下基体底部与滑轨之间设置有发电设备4，所述发电设备跟随叶片旋转，所述发电设备将发出的电力经整流稳压电路输送至蓄电池。基体材质为轻质合金，作用为支撑叶片，给发电设备提供附着点。
具体实施例子中，叶片为三个，叶片为扇叶，每个扇叶的截面图为半圆形，其优点是阻风系数最大。叶片的重叠比为1.12(叶片直径与基体上下面半径的差值，与叶片直径的比值)，调整叶片有效迎风面积的旋转中心，设置有转动销7，通过销孔配合，与风力机基体上下两面转动连接，叶片的一侧的中部位置设置有拉伸弹簧连接孔11，拉伸弹簧的一端连接叶片，另一端与基体中轴8连接，弹簧的拉伸比为2.2，风力机转动时，叶片受离心力与弹簧拉力平衡。
具体的，风力机转动时，随风力机的转速增大，叶片所受的离心力不断增大，叶片绕其旋转中心旋转，有效迎风面积变小，叶片的旋转中心通过转动销与上下基体转动连接。在具体实施例子中，基体中轴与基体上下面是一体的。
为了限制叶片的旋转超过设定的范围，设置了限位销3，限位销包括远端限位销及近端限位销，远端限位销及近端限位销分别设置在基体底板12上，近端限位销9位于叶片内侧，远端限位销10位于叶片外侧，用来限制叶片旋转的最大角度，近端限位销，用来限制叶片在拉伸弹簧预紧力的作用下，不会与机体中轴相接触。
发电机通过支架，与基体底部相连，对于叶片尖端位置即基体底板的边缘位置，发电机的转轴与轮毂相连，轮毂的转动将带动发电机发电。
环形滑轨用于承接与发电机转轴连接的轮毂，为防止轮毂与环形滑轨相对移动时打滑，滑轨表面需加工较高的表面粗糙度。
参见附图3所示，环形滑轨位于塔架13上，塔架的周边布置有连接杆15，连接杆支撑环形滑轨。
参见附图4所示，箱体19上表面与基体底板12下表面的外缘连接，高重量楔形块16与低重量楔形块17位于箱体内，可相对滑动，压缩弹簧18连接箱体19和低重量楔形块17下表面，低重量楔形块17与发电机20连接，发电机20与轮毂21转动连接。
工作原理：
风力机旋转过程中，高重量楔形块在离心力作用下水平向右运动，挤压低重量楔形块向下运动，与低重量楔形块连接的发电机向下运动，与发电机转动连接的轮毂向下运动，使轮毂与环形滑轨接触，轮毂旋转带动发电机发电。在基体底板下表面等距分布多个此模块，不同模块采用刚度系数不同的压缩弹簧，随风力机的转速增高，高重量楔形块所受的离心力增大，挤压低质量楔形块向下运动，可进行发电的模块数量不断增加，实现分级发电。
基本参数设计计算：
(1)设计风力机模型的直径D，高度H：D＝200mm、H＝160mm
(2)三叶S型风力机最佳重叠比为1.12，如此得叶片直径：
d＝D/2×1.12＝112mm
(3)设计风力机的额定转速v0＝8m/s，最高转速为vmax＝12m/s
P0＝1/2ρv0 3ACp Cp风能利用系数0.21～0.28
ρ—空气密度，单位为kg/m3；P0—风力机实际获得的轴功率，单位为W；
A—风机旋转水平投影面积，单位为m2；v0—额定风速，单位为m/s
取ρ＝1.293，Cp＝0.28，A＝D×H＝0.032m2由以上公式得P0＝2.966W
拉伸弹簧拉伸系数及预紧力计算
(1)计算叶片体积：叶片厚度δ＝0.6mm由V＝πd/2×δ×H得V＝16.89cm3
(2)叶片所使用的材料为PLA，其密度ρ＝1.25～1.3g/,cm3取ρ＝1.25cm3，得m＝ρV＝21.11g＝0.022kg
(3)风力机额定转速n＝600RPM，旋转半径r＝0.1m，求弹簧预紧力Fn由ω＝2πn，a＝ω/r，Fn＝ma得Fn＝13.82N
(4)风力机最高转速nmax＝720RPM，弹簧拉伸量ΔL＝0.04mFmax＝16.59N，由此得k＝(Fmax-Fn)/ΔL＝69.25N/m,圆整为70N/m
发电机转速与风力机转速的比值计算
发电机转速与风力机转速的比值即风力机直径与发电机连接轮毂直径的比值
D＝200mm，d轮＝16mm k转速比＝D/d轮＝12.5
可行性分析：如图5、6所示，叶片旋转时，叶片上与弹簧连接点位置的移动轨迹为圆弧形，弹簧拉伸方向为直线，移动轨迹的圆弧与拉伸方向的直线几近重合，由公式，F离＝2πnm/r，F拉＝kΔL，利用弹簧拉力平衡离心力时，即F拉＝F离，kΔL＝2πnm/r，旋转过程中，叶片质心位置基本不变，即r＝常数，k，m为已知定值，故弹簧拉伸量与转速成正比。
运动过程分析：在风速未达到额定风速前，在弹簧预紧力的作用下，叶片一直处于初始位置，为防止叶片在预紧力的作用下，与基体中轴接触，设置近端限位销；风速超过额定风速时，叶片在离心力作用下，绕其转动销旋转，在此过程中，弹簧拉力与离心力相平衡，减少了风力机的有效迎风面积，限制风力机转速提升速度，使风力机转速基本不变；当风力机有效迎风面积减到接近为零时，利用远端限位销限制，使风力机保持旋转。
在一实施例子中，参见附图8所示，一台直流式低速风洞，其管道内最高风速为12m/s，对额定风速为8m/s的风力机模型进行实验，得以下技术效果图见图7所示。
尖端多级发电技术原理分析：将风力机尖端的线速度，转变为发电机转轴的角速度，此方法效果相当于在风力机动力部分与电机转轴之间加上了变速齿轮箱，扩大了风力机动力部分与发电机的传动比。这种方法上并未用到价格昂贵的变速齿轮箱，却实现了变速齿轮箱所产生的效果。
利用随转速变化的离心力，控制多个发电机的轮毂与导轨在风力机不同转速范围内相接触，实现风力机额定功率的分级，改善风力机运行过程中的电力输出特性。
具体的，风力机旋转过程中，高重量楔形块在离心力作用下水平向右运动，挤压低重量楔形块向下运动，与低重量楔形块连接的发电机向下运动，与发电机转动连接的轮毂向下运动，使轮毂与环形滑轨接触，轮毂旋转带动发电机发电。在基体底板下表面等距分布多个此模块，不同模块采用刚度系数不同的压缩弹簧，随风力机的转速增高，高重量楔形块所受的离心力增大，挤压低质量楔形块向下运动，可进行发电的模块数量不断增加，实现分级发电。
风力机可以使用盘式发电机，发电机所需用永磁铁和线圈数目多，发电机体积大，价格昂贵。采用尖端发电技术后，使用的普通发电机，发电机仅需两个永磁铁磁极，发电机体积小，价格便宜。
A.本公开实施例子对低速恒态稳定风力机设计，避免了“飞车”现象，拓宽了风力机的工作风速，使风力机具有对抗极端恶劣天气的能力。
B.本公开实施例子利用尖端多级发电技术，实现了风力机多级额定功率输出，以两磁极的普通发电机代替多磁极的盘式发电机，降低了风力机的制造成本。以额定功率100瓦的风力机为对象，通过调研统计计算，可以降低成本10～15％。
近海岸是风能较为丰富的地区，中国作为非内陆国家，拥有1.8万千米的海岸线，如果能将其风能充分开发，一定能够解决现在的能源问题，达到节能减排的效果。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种低速恒态稳定风力机，其特征是，包括：
多个叶片、发电设备及滑轨；
所述多个叶片位于上下基体之间，所述叶片采用S型等距分布，每个叶片的内侧位置均连接至弹簧的一端，弹簧的另一端连接至公共点；
所述下基体底部与滑轨之间设置有发电设备，所述发电设备跟随叶片旋转，所述发电设备将发出的电力经整流稳压电路输送至蓄电池。
2.如权利要求1所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，所述叶片的数量为三个，呈扇形，每个叶片的有效迎风面积的旋转中心通过销孔配合，与上下基体转动连接。
3.如权利要求1所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，所述弹簧为拉伸弹簧，拉伸弹簧的一端连接叶片，另一端与基体的连接上下基体的中轴连接。
4.如权利要求1所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，还包括远端限位销，用来限制叶片旋转的最大角度。
5.如权利要求3所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，还包括近端限位销，用来限制叶片在拉伸弹簧预紧力的作用下，不与中轴相接触。
6.如权利要求1所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，所述发电设备通过支架与下基体底部相连，对于叶片尖端位置，发电设备的转轴与轮毂相连，轮毂的转动将带动发电设备发电。
7.如权利要求1所述的一种低速恒态稳定风力机，其特征是，所述滑轨为环形滑轨，用于承接与发电设备转轴连接的轮毂；
所述发电设备与轮毂转动连接，低重量楔形块与发电设备连接，高重量楔形块与低重量楔形块位于箱体内，可相对滑动，压缩弹簧连接箱体和低重量楔形块下表面，箱体上表面与基体底板下表面的外缘连接。
8.如权利要求1-7任一所述的一种低速恒态稳定风力机的工作方法，其特征是，包括：
发电设备跟随叶片旋转，使用电刷，将发电设备发出的电力，经整流稳压电路，输送到蓄电池中，蓄电池中电量充满时，多余的电力经卸荷电阻释放。
9.如权利要求8所述的一种低速恒态稳定风力机的工作方法，其特征是，在风速未达到额定风速前，在弹簧预紧力的作用下，叶片一直处于初始位置，为防止叶片在预紧力的作用下，与中轴接触，设置近端限位销；
风速超过额定风速时，叶片在离心力作用下，绕其固定销旋转，在此过程中，弹簧拉力与离心力相平衡，减少风力机的有效迎风面积，限制风力机转速提升速度，使风力机转速基本不变；
当风力机有效迎风面积减到接近为零时，利用远端限位销限制，使风力机保持旋转。
10.如权利要求7所述的一种低速恒态稳定风力机的工作方法，其特征是，风力机旋转过程中，高重量楔形块在离心力作用下水平运动，挤压低重量楔形块向下运动，与低重量楔形块连接的发电机向下运动，与发电机转动连接的轮毂向下运动，使轮毂与环形滑轨接触，轮毂旋转带动发电机发电；
在基体底板下表面等距分布多个此箱体模块，不同箱体模块采用刚度系数不同的压缩弹簧，随风力机的转速增高，高重量楔形块所受的离心力增大，挤压低质量楔形块向下运动，进行发电的模块数量不断增加，进行分级发电。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112302863A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-02-02 | 广州市陆洋复合材料有限公司 | 垂直轴风帆式风力发电机 |
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2020
- 2020-08-27 CN CN202010877728.8A patent/CN111852776A/zh not_active Withdrawn
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| CN112302863A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-02-02 | 广州市陆洋复合材料有限公司 | 垂直轴风帆式风力发电机 |
| CN112302863B (zh) * | 2020-12-14 | 2022-04-29 | 广州市陆洋复合材料有限公司 | 垂直轴风帆式风力发电机 |
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