CN1224780C - 框架组合式风车 - Google Patents

Abstract

一种框架组合式风车，由柱式塔架以及设于塔架顶端的风力动力元件组成，风力动力元件包括风动转子和STS换能偶件组合而成，其中STS换能偶件中的电磁元件安装于支架上成为电子静止组件，磁性元件与风动转子组合成为机械运动组件；风动转子的弦翼则由弓形框架支撑竖直连接于弓形框架的弦端。本发明的弦翼采用接近于滑翔机机翼的空气动力学原理，使弦翼腹部可获得使转子顺运动方向转动的切向分力，有利于提高风能的利用效率。通过STS赋于风动转子人工智能，能根据风速的改变而自动调整风动转子与换能器之间的速度匹配，随时保证最有利动态响应，使本发明适合于低风速条件下的分布式发电。

Description

框架组合式风车

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，更为具体地讲是一种框架组合式风车。

背景技术

风力资源是最理想的绿色能源，取之不尽用之不竭，尤其是利用风能发电。风力发电的工作原理最主要的是利用风力推动风动转子，如风车的风翼等，再由该风动转子带动一个发电机的转子转动，从而将机械能转化成电能。虽然风力发电的原理极其简单，但在实际的应用过程中，风力发电的应用极其有限，从目前的统计数字来看，即使是在风力发电较为发达的美国，风力发电仅占其全部发电量极小的比例。最重要的原因是由于风能是一种自然能量，同时也是一种极不稳定的能量。例如在美国加州ALTAMONT PASS集中风力场使用的65KW风力发电装置，转子直径48FT，设计风速35mph平均每度电的成本不到5美分。但是如果将这种风力发电装置安装在其它的地区，随着有效风速的降低，经济性与风速呈三次方关系的变化，如再应用到分布式风能领域，技术经济指点标就降低到难以付诸民间实用的程度。例如用于内蒙的锡林廓勒牧区，每年7月份平均风速降低到6.3mph，原来的65KW额定电力装置只能供电0.4KW。事实上，在我国风力资源最丰富的地区，年平均风速也只有10mph，属风力资源有限的地区，因此上述的目前世界上较为先进的风力发电装置均不适于该地区的使用。

综上所述，造成风力发电不能大面积商业推广的首要原因是，每一风力发电装置的设计参数在一般的情况下是确定的，这种参数常常是根据风力发电装置的安装环境，即风力资源，并在经过大量的空气动力学的测试后进行针对性的设计。因此，当风力发电装置出厂时，其设计参数不能根据当时的工况进行随机的调整，或调整的范围极小。由于风力资源不是一个可以确定的参数，所以经过精心设计的风力发电装置设计参数也不可能总是与风力资源保持相匹配的状态，当其处于不匹配的状态时，发电效率极低。例如，制造商通常把小型风力发电装置的设计风速定到11m/s以上，而小型风力机实际运行环境的平均风速只能达到3-5m/s，因而实际电力通常达不到铭牌功率的十分之一。

另外，目前世界上较为先进的风力发电装置通常所采用的是一种应用于航空技术的螺旋浆转子或轴流式转子。实验证明，螺旋浆转子以及轴流式转子最佳工作状态是高速气流。一般来讲，飞机的螺旋浆转子的直径不超3米，而输出功率达到600-3000KW。直升机旋翼直径虽然大些，但其叶尖部位的运行速度一般达到0.5马赫以上。因此，将这种应用航空技术中的螺旋浆转子结构应用于风速较低的风能发电的领域，(一般运行风速只有5-10m/s左右)，对应如此低的风速，远远偏离了螺旋浆的空气动力学适应范围，因此其制造成本很难降低。以其高额的制造使用成本，对风能的低效率利用，其技术指标很难作到使分布风能资源成为可供推广的实用程度。所以该种风力发电装置也是仅应用一风力资源较为丰富的风力发电场中。实质上，将螺旋浆转子技术应用于风力发电的领域已构成一种技术发展方向的误导，不但不利于风力资源的利用，而在很大程度上阻碍了风能资源利用技术的发展。

人类最早的对风能利用起源于民间的风车，人们利用风车进行灌溉、碾磨等等，基本上是将风能转换成机械能，如闻名于世的荷兰风车。为提高风车对风能的转换效率，这种民间使用的风车在设计安装时需根据当地的风力资源情况进行个体的调整，以期达到最大的风能/机械能转换效率。而个体调整方法一则不利风车的大量生产制造，增加了风车的制造使用成本；更为重要的一点是，风车一经安装，其结构即已确定，同样不再有可调整性。随着现代人类对电能的需求，人们开始利用风车进行发电。但是由于该种民间的风车在使用时同样不具有随风能资源的可调性，因此也同样具有转换效率低的缺陷，所以目前利用风车进行发电的应用均不能得到发展和普及。

一般的情况下，风车或者风力发明装置中的螺旋浆都是通过增大直径来增大风力转子的扭矩的，因此，对于直径过大的风力转子，在遇强风时容易造成浆叶的损坏。为此目前的风力发电装置中的帆翼大都采用高强度的碳纤维等材料制成，所以其制造成材本极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种框架组合式风车，从根本上突破现有风力发电的技术局限性，将风力转子赋于人工智能，能根据风速的改变而自动调整风力转子与换能器之间的速度匹配，随时保证最有利动态响应，提高低风速区的风能有效转换效率，从而提高低风速条件下的风能有效利用率，确保在低风速区的风力发电的全天候运行，以利于风力发电技术的利用与推广。

本发明的另一目的在于提供一种框架组合式风车，取代现有技术中高制造难度和高制造成本风力发电装置，使其具有安装简易、维修方便、结构简单，从而大幅度的降低风力发电成本。

本发明的目的之三在于提供一种框架组合式风车，采用牧民民族传统的轻型框架结构，确保在不同风力条件下，风车结构的安全使用性能。

本发明的目的是这样实现的，一种框架组合式风车，由柱式塔架以及设于塔架顶端的风力动力元件组成，其特征在于所述的风力动力元件包括风动转子和STS换能偶件组合而成，其STS换能偶件由两个固态相对转动体构成动力换能端，其中一个电磁元件，另一个是磁性元件，其中一个与风动转子组合成为机械集成运动部件，其内可增设一个增速器组件，另一个安装于支架上成为电子集成静止组件，其电缆线经塔架中心与底部的端子盒相接；STS动力换能端的换能偶件付中的电磁元件和磁性元件是由两个环状的固态元件构成，内环与外环之间应留有0.5--2.5mm的间隙，对STS的换能偶件付进行适时控制的电子控制端则设于风车内适当位置。风动转子至少包括有二片弦翼，该弦翼由弓形框架支撑竖直连接于弓形框架的弦端，构成张力悬结构，柱式塔架下端可设有3个以上的绷绳作为辅助支撑；弦翼的横截面的形状由型骨确定为凸起的背部和凹入的腹部，其外缘具有较长流线构成弦翼的背面，内缘具有较短的流线构成弦翼的腹部；弦翼的横截面的凸起的背部可为与滑翔机相似的空气动力学型面；弦翼可由帆布或者玻璃钢作为蒙面材料。

本发明对于风力发电装置的最重要的改进在于，本发明利用STS技术，(即三端互逆机/电换能器，请详见中国专利号97119117.4)，将风力动力元件直接与STS换能元件集成为一体，作成一种由定型成件的成材集合成一体的风力能源装置。其实质是按照分布式风能应用领域的要求，将空气动力转换元件与STS元件直接组合成为轻型框架结构，而形成一种兼有风力换能和电力换能双重功能的电子型机器，将风车的风力转子赋于人工智能的特性，使其能随时保持最有利的动态响应，尤其是在低风速的条件下，能满足风动转子和换能器间的速度匹配，最大限度地提高风能的转换效率，从而提高风能的有效利用率。经大量的实验证明，利用本发明，在低于10mph风速条件下的风能有效利用率比常规的风动转子高出一倍以上，从而确保在低风速区的风力发电装置的全天候运行，从根本上突破现有风力发电的技术局限性，使得风力发电技术的实现产业化的商业利用成为可能

另外，本发明是利用风动转子的弦翼根据空气动力学的原理，采用传统民间风格的的轻型框架结构，通过三元流数值计算优化设计，并针对风力资源的能量品位极低，而随机破坏性极大的情况，将风翼设计成“张弦”式的弓形弹性框架结构。由于这种风翼的力学结构与一般的风力转子的悬臂梁的材料力学特征绝然不同，受力情况更简单，弓形框架形状与材料本身即具有弹性，遇到大风时会自动产生弹性变形，又不易折断，因而弦翼的纵展长度几乎可以不受限制，所以本发明相对于传统风车更具有使用上的安全性。

本发明的风动转子的空气动力学设计原理采用接近于滑翔机机翼的空气动力学原理，风动转子在旋转时由于弦翼背部的空气流动高于腹部，按照伯诺利定理，使弦翼腹部获得推力，作用于转子使转子获得顺运动方向的切向分力。这种风动转子在运动速度和风速匹配得当的条件可以获经普通螺旋浆转子高得多的风能利用效率，再配合本STS控制系统加以管理。有助于加快弦翼的转动，这种独特的结构，一般可以免装齿轮增速器，可最大限度地降低风动力损耗，提高风能的转换效率。因此，本发明与现有技术中的风力发电装置中通常采用的螺旋浆转子和轴流式转子相比，更适合工作于变强度，低速度气流。

基于上述两项重要的改进，本发明突破了传统的风力发电装置的结构局限性，有效地解决了在低风速区的风力发电的问题。大量的试验数据表明，在低风速区域，本发明的发电效率要高于现有风力发电装置的一倍以上。利用本发明在10mph低风速情况下运行时的转换效率可达60％以上，而现有的螺旋转子风力发电装置由于远偏离于设计风速，其效率不能维持到30％。

本发明采用传统民间风格的轻型框架结构，取代高制造难度和高制造成本的风力发电装置，安装简易、维修方便，因此在等同低速条件下的造价比同等级的等容量的风力发电装置要低70-80％。而且这种用绷绳绷紧的塔架结构在遇到一般破坏性风速是吹不坏的。可以实现低价位的制造与使用成本，使得本发明更有利于风力发明技术的推广使用。

本发明的大面积推广带来的另外一个好处是，当本发明的风车呈分布状态设置时，则可形成一种有利于环境保护的绿色屏障。因为，如果用本发明的风车弦翼的结构，风动转子在旋转时由于弦翼背部的空气流动高于腹部，按照伯诺利定理，使弦翼腹部获得推力，作用于转子使转子获得顺运动方向的切向分力。该切向分力使得风动转子在转动时能形成一种围绕风动转子的风涡流，该风涡流一方面可加速风车转动，而进一步提高本发明的能量转换效率，另一方面会吸收大量的风能量，所以当本发明的列成阵列，风车在将风能转化成动能的同时，大量吸收了风力的能量，而使得穿过该风车阵列的风力被大大地减弱，所以该风车阵列相当于一道绿色屏障而起到防风驻沙的作用。另外，由于风速用人工智能加以控制，同样也能象分离谷物的风车那样利用风速——重力沉淀法将沙子和尘土分离和沉积到地面，从而达到防止土地沙漠化的作用。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图1A本发明的弦翼横截面受力分析图；

图2本发明的塔顶装置结构示意图；

图3本发明的塔顶装置结构的第二种实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明包括有柱式塔架4，以及设于塔架4顶端的风动转子2组成，风动转子2至少由两片以上的弦翼21与STS换能偶件付3组合而成。

如图2所示，其中STS换能偶件付3由两个固态相对转动体构成本发明的动力换能端，其中一个电磁元件，另一个是磁性元件，该磁性元件包括有一永磁磁鼓6。其中一个与风动转子组合成为机械运动组件7，另一个安装于支架上成为电子静止组件8；本发明中，STS动力换能端的换能偶件付3中的由电磁元件构成的电子静止组件8和由磁性元件构成的机械运动组件7呈两个环状的固态元件，内环与外环之间应留有0.5--2.5mm的间隙；对STS的换能偶件付进行适时控制的电子控制端13则设于风车顶部装置内的上端的适当位置。如图2所示，电子静止组件8固定于顶部装置的壳体9内，壳体9的下端则设有一个定位盖板10。机械运动组件7的输出端设有与风动转子2连接的传动部分25，风动转子2可带动传动部分25转动。立柱12则穿设于传动部分25的中央孔并连接于塔架4的顶端。

本发明中所采用的STS(三端互逆机/电换能器)，已为97年申请的第97119117.4号发明专利所揭示，其作为一种可以用来改变各种机器设备动力构成并赋于人工智能的新型能源利用装置，该装置已被设计成广谱型的系列化核心器件，可以十分方便地组合到各种专用设备上，提升成为机械电子型的高技术装置。STS应用于本发明的工作原理是，其动力换能端的机械运动组件7通过机械适配连接于风车的风动转子2上，在风力的作用下，机械运动组件7随风动转子2主动旋转运动，在电子静止组件8中的线圈绕组感应生成电动势，该电动势被双向可逆变换器受控引出形成符合标准供电制式的电流送至供电网络。这个过程可由STS的电子控制端13发出相应的指令调整、控制机械运动组件7的转速而完成的。该电子控制端13由软件系统根据风速的变化的不同信息进行处理后，适时地对换能端发出的调整、控制指令，使得换能端很快地达到最有利的响应，从而赋于风动转子2的人工智能。

本发明中，对现有技术中风车的风动转子2作了较大的改进，主要的改进是针对风车转子的弦翼21作出的。如图1A所示，本发明中，风动转子2的弦翼21是按照空气动力学的原理，采用三元流数值计算机优化设计，其弦翼21的翼面212由帆布或者玻璃钢等作为蒙面材料，其横截面由型骨211塑造出同滑翔机翼相似的空气动力学型面。由该力学型面构成的弦翼21竖直地支撑于带有弹性的弓形框架1上。弦翼21的外缘是翼面的背部213，具有较长有流线，内缘是翼面的腹部214，具有较短的流线；弦翼21的前缘在运动方向的前沿。

本发明的风能、动力转换原理是，由于弦翼21的腹部214在迎风时的横向受力大于背部213迎风时受力，因而对于弦翼21的对置放的风动转子2来讲，平衡后的受力后者呈优势。又由于弦翼21的置放角β低于旋转轨迹切线，因而获得顺旋转方向的切向分力。

风动转子2在旋转时由于弦翼背部213的空气流动高于弦翼腹部214，按照伯诺利定理，使弦翼腹部214获得推力，作用于转子使转子获得顺运动方向的切向分力。这种风动转子2在运动速度和风速匹配得当的条件可以获经普通螺旋浆转子高得多的风能利用效率，但自身不能控制运行状态，其运行过程必须由控制系统加以管理。由于弦翼21只需要承受张力，避开了一般风力发电装置难以越逾的复杂的苛刻工作条件，因而可以做得十分轻便，翼面212材料只需采用玻璃钢就可以了，不必再用昂贵的碳纤维材料。

本发明的空气动力学与滑翔机的机翼极为相似，但其支撑结构不是如滑翔机那样水平放置于机体的两侧的单点支撑的悬臂结构，而是采用了弓形框架1支撑竖直放置的张力悬结构。因此，滑翔机利用上升的气流作为滑翔的飞行动力，而本发明则利用水平风力作为风能装置的动力，完全相类似的空气动力学翼型，滑翔机从机翼获得升力和滑翔的牵引力，而本发明则从弦翼21获得驱动转子旋转的切向分力。

本发明的弦翼背部213具有较长的型面，弦翼腹部214具有较短的型面，当风动转子2旋转空气流过弦翼21时由于空气流过弦翼背部213的流速高于弦翼腹部214，按照伯诺利定理，弦翼腹部214承压高于弦翼背部213，只要使弦翼21的置放角“β”低于风动转子2外缘的切线，风动转子2就能获得旋转方向的驱动动力。由于采用了这种专为低速风能利用而设计的特别结构，因而本发明的结构更适于低风速条件下分布式发电。

本发明的上述弓形框架1的风动转子2结构，使得本发明的塔架4的下端得以留一定的空间可以设有其它有辅助支撑，如图1所示的三至四根钢绞线绷绳固定，由于塔架不受倾到的负荷，安装于简单的水泥基础5上就可以了，因此本发明与现有的发电装置中塔架相比成本极低。

本发明中的电子集组成组件的电缆线经塔架4中心与底部的端子盒相接，将电流输出至电网。

实施例2

本发明的实施例2的基本结构与实施例1相同，其区别在于，在机械集成组件7内还可含有一个增速器组件。以满足风动转子2与换能器之间的速度匹配。

如图3所示，在本实施例中，STS动力换能端的换能偶件付3中的由电磁元件构成的电子静止组件8和由磁性元件构成的机械运动组件7呈两个环状的固态元件，内环与外环之间应留有0.8-1.5mm的间隙；对STS的换能偶件付进行适时控制的电子控制端13则设于风车顶部装置内的上端的适当位置。电子静止组件8固定于顶部装置的壳体9内，壳体9的下端则设有一个定位盖板10。机械运动组件7的输出端设有一齿轮35，由该齿轮35连接于一个设于顶部下壳体31内的行星齿轮机构。该行星齿轮机构中的行星齿轮33与该齿轮35相啮合，行星齿轮33通过与之相啮合的齿圈32带动下壳31的转动。该行星齿轮机械由支承架15支撑于下壳体31内。可转动的顶部下壳体31的下端设有一圈凸缘作为传动部分14连接于风动转子2，并由风动转子2带动该传动部分14转动。立柱12则通过上述支承架15支承于下壳体31的下端并固定于塔架4的顶部。

本实施例的工作原理与实施例相同，在此不再赘述.另本发明中的机械增速机构还可采用其它传统的机械变速装置。

另外，由于本发明中的STS装置是一种系列化的物理能量转换技术手段，已获得中国专利的专利授权，并已设计成供工业化应用的系列基础产品。STS装配的基础上，本发明按照牧区的动力实用要求，将空气动力学领域中的风动力元件直接与STS装置的换能元件集成为一体。这样就构成了一种兼有风能转换和机电转换双重功能的电子型机器。从而使得本发明的能采用风能应用领域密集的高技术集成手段实现了结构简化。其应用于牧区易于解决定型机械成件和标准型材与STS组合成合理的结构，维修方便、更有助于本发明的推广实施。

Claims (9)

1、一种框架组合式风车，由柱式塔架以及设于塔架顶端的风力动力元件组成，其特征在于所述的风力动力元件包括风动转子和STS换能偶件组合而成，其中STS换能偶件由两个固态相对转动体构成动力换能端，其中一个电磁元件，另一个是磁性元件，其中一个与风动转子组合成为机械运动组件，另一个安装于支架上成为电子静止组件；所述风动转子至少包括有二片弦翼，该弦翼设置于带有弹性弓形框架上，弦翼则由弓形框架支撑竖直连接于弓形框架的弦端。

2、根据权利要求1所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的STS动力换能端的换能偶件付中的电磁元件和磁性元件由两个环状的固态元件构成，内环与外环之间应留有0.5--2.5mm的间隙；对STS的换能偶件付进行适时控制的电子控制端则设于风车内适当位置。

3、根据权利要求1所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的电子集组成组件的电力输出端由电缆线经塔架中心与底部的端子盒相接。

4、根据权利要求1或2所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的与风动转子组合而成的机械集成运动部件内可增设一个机械增速器组件。

5、根据权利要求1所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的柱式塔架下端可设有2个以上的绷绳作为辅助支撑。

6、根据权利要求1所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的弦翼的横截面的形状由型骨确定为凸起的背部和凹入的腹部，弦翼的外缘具有较长流线构成弦翼的背部，弦翼的内缘具有较短的流线构成弦翼的腹部。

7、根据权利要求1或6所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的弦翼可由帆布或者玻璃钢作为蒙面材料。

8、根据权利要求6所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的弦翼竖直放置于所述的弓形框架的弦端构成张力悬结构。

9、根据权利要求6所述的一种框架组合式风车，其特征在于所述的弦翼的横截面的凸起的背部可具有与滑翔机相似的空气动力学型面。

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