CN202300844U - 应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，包括基座、引风柱、穹顶、太阳能发电装置、径流叶轮、轴流叶轮、发电机和控制单元；所述基座上安装有横截面为梭形的引风柱，所述引风柱按顺时针或者逆时针围成圆周设置；所述穹顶盖装在围成圆周的引风柱上；所述太阳能发电装置分别安装在穹顶和引风柱的外壁面上；所述径流叶轮通过磁悬浮轴承安装在引风柱所围成圆周内；所述轴流叶轮通过磁悬浮轴承安装在径流叶轮上，且与径流叶轮同轴度设计；所述多个发电机分别连接径流叶轮和轴流叶轮，所述控制单元连接控制发电机，按照风能值分梯度启动所需数量的发电机；本实用新型能够同时结合光能和风能发电，且能够同时利用轴向风、径向风，尤其是采用了磁悬浮技术，减少了机械摩擦，同时结合引风柱的结构等设计特点，大幅度提高了发电效率。

Description

应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统

技术领域

本实用新型涉及发电系统领域，特别是涉及一种能够同时利用光能和风能进行发电、且应用了磁悬浮技术的无机械摩擦的高效发电系统。

背景技术

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿千瓦，根据“十一五”规划，2020年中国风力发电装机容量将达到3000万千瓦和600亿千瓦时电量，2030年装机容量将达到1亿千瓦和2000亿千瓦时电量。各国政府也十分重视风电产业的发展， 2001年以来，全球每年风电装机容量增长速度为20%～30%，仅2007年就增加了20 GW的风电装机容量，约合310亿美元。

欧美近几年风力发电年增长都在50%左右。如此巨大的市场为我国风电设备制造企业提供了难得的发展机遇。加上国家支持风力发电机制造国产化和培育自主品牌，对具有自主知识产权和自主品牌的兆瓦级风电机组的整机制造企业和零部件制造企业给予资金补助，鼓励企业开展新产品的研发、工艺改进和试验示范。根据国家发改委《可再生能源中长期发展规划》中提出的目标，中国的风电装机到2010年400万千瓦，2015年1000 万千瓦，2020年2000万千瓦，届时风电装机占全国电力装机的2％。为了实现这一目标，至少需要兆瓦级风力发电机4000-20000台，市场需求巨大。 因目前风力机造价太高，甚至风电成本比火电成本高出2/3，因此，风电虽具有无污染、能再生等优点，却难以规模化推广。

目前，新型垂直轴风力机已日趋成熟，其发电成本比火电还低二成多的10000瓦风力机产品，其完全可以进一步发展1000千瓦以上的巨型风力机，以实现规模化推广，改变以火电为主的世界能源格局，大大缓解大气污染变暖的危害。在价格规律支配下，风能已有条件进行全面推广，从而替代火电成为新世纪的主要能源。

近十年来全球风电累计装机容量的年均增长率接近 30%，而中国近三年的风电装机年均增长率超过了70%，中国是目前全球风力发电增长最快的市场，风电行业在在当前全球能源短缺、环境污染形势日趋严峻、对节能减排的要求不断增强的背景下，已逐渐成为一个发展空间巨大的朝阳行业。

实用新型内容

本实用新型秉承上述发展理念，提供了一种应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统。本实用新型能够同时结合光能和风能发电，且能够同时利用轴向风、径向风，尤其是采用了磁悬浮技术，减少了机械摩擦，同时结合引风柱的结构等设计特点，大幅度提高了发电效率。

为了达到上述目的，本实用新型所提供的技术方案是：

一种应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，包括基座、引风柱、穹顶、太阳能发电装置、径流叶轮、轴流叶轮、发电机和控制单元；所述基座上安装有横截面为梭形的引风柱，所述引风柱按顺时针或者逆时针围成圆周设置；所述穹顶盖装在围成圆周的引风柱上；所述太阳能发电装置分别安装在穹顶和引风柱的外壁面上；所述径流叶轮通过磁悬浮轴承安装在引风柱所围成圆周内；所述轴流叶轮通过磁悬浮轴承安装在径流叶轮上，且与径流叶轮同轴度设计；所述多个发电机分别连接径流叶轮和轴流叶轮，所述控制单元连接控制发电机，按照风能值分梯度启动所需数量的发电机。

进一步的，所述径流叶轮的径向为最有效迎风面。

进一步的，所述轴流叶轮的轴向为最有效迎风面。

进一步的，所述磁悬浮轴承是由永磁体制作的环状组合结构。

进一步的，所述基座采用混凝土制作，其内设置有发电机仓。

进一步的，还包括避雷针，所述避雷针安装在所述穹顶顶部，并接有放电地线。

进一步的，所述控制单元内设置有远程控制系统。

进一步的，所述径流叶轮的叶片为中空结构，其内设置有隔板和定型板，叶片通过钢丝固装在叶轮转动总成上。

进一步的，所述叶片、隔板和定型板由铝材制成。

进一步的，所述避雷针为铝质的锥形筒状，分为多段，其中部设置有高空观察室。

采用上述技术方案，本实用新型的技术效果有：

1.   本实用新型的创新点一：垂直固定无中轴--本实用新型任何方向的风都可以发电，而且由于无中轴，整机运转安全性非常高。风叶运转过程中无陀螺力和塔影效应，对机组安全运行稳定发电有更好的促进作用。设备整体重心较低，且发电机组传动、减速制动等装置分散在各发电机上，使得安装、维修方便且造价成本较低。强、大风时，减速、停机等操作可以分级操控，更安全容易--整体结构性能更优异。

2.   本实用新型的创新点二：大功率--本实用新型的设计方案可以按设计流程因地制宜提供千瓦级、兆瓦级、十兆瓦级以上的无噪音且高转化率的绿色机型和局域高效风场。

3.   本实用新型的创新点三：高效率--本实用新型在外壁面上安装了太阳能发电装置，极大地利用了太阳光能和（通过狭壁管效应）阳光热辐射能以及风能余量来发电，达到了充分、高效利用自然资源生产绿色电能的目的；另外，由于磁悬浮技术的应用，在设备运转过程中可以有效减少大量因机件摩擦阻力所耗费的能量和设备摩擦损失，从而直接有效地提高整机的发电效率。

4.   本实用新型的创新点四：控制单元的独立控制梯度切合发电--从无光到有光，从无风到有风到大风，本设计的复合型风力发电机可以根据不同气候不同的能量输入，通过控制系统的科学配额管理，都可以使发电机组安全稳定的提供不同的输出电量。

5.   本实用新型的创新点五：先进的控制系统--本设计中通过多组感应器和两级安全控制系统的安全控制，可以保证在不同的风能作用下整机都能安全生存和稳定运行，是现今适应性最强且最实用带推广控制系统。

6.   本实用新型的创新点六：宽幅的风速适应性--本设计中变桨系统的设计在很大程度上提高了本机型在国内各地区的不同风场资源条件下的全方位适应能力，也充分体现了本设计方案中的轻风启动——微风发电且具有先进中国特色的设计思想。

7.   本实用新型的创新点七：无碳排放--本设计中风能的利用所产生的电能是纯环保型的无碳排放的绿色能源，是在水电、核电基础上又新生出来的环保能源新品种，是投入少、时间短、见效快的而且很快能完成中国节能减排目标的绿色能源生产设备。

8.   本实用新型的创新点八：局域建网--本设计方案对于偏远山区、戈壁荒原等远离电厂的地区，通过建设几台大型机组组建一个小型局域网即可满足万户用电需求，再无需支付立杆拉线延绵几百公里的资金耗费和人力耗费。

附图说明

图1为本实用新型实施例的主结构示意图；

图2为本实用新型实施例的穹顶结构示意图；

图3为本实用新型实施例的轴流叶轮结构示意图；

图4为本实用新型实施例的径流叶轮的叶片排布俯视图；

图5为本实用新型实施例的径流叶轮的叶片结构示意图；

图6为本实用新型实施例的引风柱排布的俯视示意图；

图7为本实用新型实施例安装在轴流叶轮上的磁悬浮轴承示意图；

图8为本实用新型实施例安装在径流叶轮上的磁悬浮轴承示意图。

其中：1基座，2引风柱，3支架，4穹顶，5太阳能发电装置，6径流叶轮，61叶片，62隔板，63定型板，64钢丝，7轴流叶轮，8磁悬浮轴承，9发电机，10控制单元，11避雷针，111高空观察室。

具体实施方式

我们所进行的兆瓦级模拟实验样机的开发，严谨的科技理念，利用模块化、级联、磁浮技术和空气动力学原理及级联等独特的结构设计在垂直轴风电领域取得重大突破，成功研发了本实用新型，经初步计算证明，此设计优于国际上任何类似产品的性能，在全世界尚属首创。风力发电是一门综合性很强的系统工程技术，涉及空气动力、结构力学、飞机制造工艺、机械制造工艺、电机工程和自动控制及通信领域等多种学科。

我们经过长达多年的研究设计和不断创新改进，本实用新型已经研发成功，并且进入了试制程序，不久这款新特征、高效率、新概念、能适应不同类别风资源能量最大化、能与市电并网电价相竞争的世界第一台兆瓦级垂直轴风力发电机即将问世。

下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，一种应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统包括基座1、引风柱2、穹顶4、太阳能发电装置5、径流叶轮6、轴流叶轮7、发电机9和控制单元10，基座1用于将发电系统固装在地面上，基座1根据施工地地质情况，优选为用合适水泥标号的混凝土制作（为降低成本，根据实际情况可采用堆石混凝土技术工艺），其内预置金属钢构起到抗震作用（一般根据当地地震记录选择有效抗震30年限），具体实施要根据施工地点地质情况来确定。基座1内还可以设置发电机仓，用于安放发电机9等。如图1、6所示，引风柱2的横截面为梭形（俗称鱼皮柱型），将多根引风柱2在安装在基座1上，且呈顺时针或者逆时针围成圆周（图6所示为顺时针排布），用于引导风向，且能够增大引入后的风速，提高风力发电的效率，具体的，它的功效除支撑作用外，还将风口以外较大切面的风，以较小的可变引角（以最小阻力最高功效）引入所围圆周内的叶轮中，以增加进风口风速，提高风机功效。支架3用于将本实用新型的各部分架接为整体结构，尤其是用于固定磁悬浮轴承8；穹顶4（如图1、2）盖装在围成圆周的引风柱2上。太阳能发电装置5安装在穹顶4和引风柱2的外壁面上，太阳能发电装置5优选采用光伏发电系统，能够直接利用太阳能进行发电，以及（通过狭壁管效应）阳光热辐射能和风能余量来发电。 

径流叶轮6通过磁悬浮轴承8安装在引风柱2所围成圆周内（如图1、4），其叶轮的径向为最有效迎风面，能够利用引风柱2所引入的径向风驱动其转动，进而实现风力发电，本实用新型不需要设置主轴，而是采用磁悬浮技术，具体的，磁悬浮轴承8通过支架3安装在径流叶轮6的底部及圆周侧（如图1、7），将径流叶轮6悬装在本发电系统内，能够减少转动的摩擦阻力，极大的提高了发电效率；径流叶轮6的叶片61（如图4、5）优选设计为轻质的中空结构，其内设置有隔板62和定型板63，并且优选采用质轻高强度的铝材制作，叶片61通过钢丝64连接叶轮转动总成，钢丝64的连接结构有一定辅助轴向固定的功效，且减轻风叶总成转动部分重量，总体降低成本。

轴流叶轮7通过磁悬浮轴承8安装在径流叶轮6上，且与径流叶轮6同轴度设计（如图1、3所示），其叶轮的轴向为最有效迎风面，引风柱2所引入的径向风通过径流叶轮6后，转变成沿轴向往上的气流，利用此气流以及因温差所形成的从地面往上的气流以及引风柱2所引入的风驱动轴流叶轮7转动，进而实现风力发电，与径流叶轮6的磁悬浮轴承8安装方式一样，磁悬浮轴承8通过支架3安装在轴流叶轮7的底部及圆周侧（如图1、8），用于将轴流叶轮7悬装在本发电系统内，减少转动的摩擦阻力，进一步提高发电效率。

多部发电机9分别连接径流叶轮6和轴流叶轮7，利用叶轮的转动进行发电；控制单元10连接控制发电机9，分梯度按照风能值启动所需数量的发电机9，以实现最大的发电效率，具体的是，按相同风能转化率应对不同风能而设计的多台电机，按不同风能分级（通过一级和二级电控系统控制）切合和分离的发电机组控制系统，即为一级自动控制系统，其应用了电机切离控制器、停车控制器、稳压控制器、整流控制器等。控制单元10内设置有远程控制系统和感应器，具体的是，在控制单元10配有充电电池组的二级电控系统，其中的感应器应用多台风速感应器、主轴转速感应器、电机发电量感应器；二级远程控制系统应用了远程监视系统、远程报警系统、远程维修系统（即备用设备启动控制系统）等。

本实用新型还包括避雷针11（见图1），避雷针11安装在所述穹顶4顶部，并接有放电地线，可以设计为铝质的锥形筒状，多段式结构，其中部还可以设计成高空观察室111。具体的，避雷针11的椎体底部焊接于法兰圈上，通过法兰圈可以将避雷针11固定于穹顶4上。其先进的避雷放电作用体现在，由避雷针11顶部尖端固定，并直接与地面预埋的放电导线相连接的金属导线是纯铜质的，并延整个风电机体轴线（最短距离）设计和安装。

本实用新型磁悬浮技术的应用，是在发电系统（尤其是轴流发电系统）输出总功率较小的情况下，为了增加发电量，而设计的增加能量转换功效的解决方案，基本原理为，如图7和图8所示，将永磁体制作为大直径组合环，利用永磁体的斥力，将两个磁环同极性镜像对置并加以固定，采用内外多圈设计，则形成了超大型的无摩擦的磁悬浮轴承，由于无摩擦阻力，所以能高效的将能量转换并输出，经实验，此装置能够将启动风速缩小到3m/s以下。具体安装时，优选为将磁体制作的无接触轴承，分别设置于桨叶钢圈和悬浮走廊下方的回转部位，以及悬浮走廊上侧面和热流圈内壁。

具体作业时，太阳能发电装置5利用太阳能发电。同时，在引风柱2的作用下，将风引入至径流叶轮6中且能够增加风速，驱动其转动带动相应的发电机9发电。风经径流叶轮6做功后转变为轴向，往上吹入轴流叶轮7，结合地面因热流形成的往上的气流以及引风柱2引入的气流，驱动轴流叶轮7转动，带动相应的发电机9发电。尤其是，磁悬浮轴承8的应用去除了转动过程的机械摩擦阻力，极大的提高了发电效率，经实验，最低风速3m/s即可发电。在控制单元10的作用下，本实用新型能够根据预设的梯度风能值启动所需数量的发电机9，以始终保证本实用新型处于最佳运作状态，实现最大功效的发电。另外，控制单元10中的远程控制系统，能够实现远程监控等，使本实用新型更实用、更具有推广价值。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：包括基座（1）、引风柱（2）、穹顶（4）、太阳能发电装置（5）、径流叶轮（6）、轴流叶轮（7）、发电机（9）和控制单元（10）；所述基座（1）上安装有横截面为梭形的引风柱（2），所述引风柱（2）按顺时针或者逆时针围成圆周设置；所述穹顶（4）盖装在围成圆周的引风柱（2）上；所述太阳能发电装置（5）分别安装在穹顶（4）和引风柱（2）的外壁面上；

所述径流叶轮（6）通过磁悬浮轴承（8）安装在引风柱（2）所围成圆周内；所述轴流叶轮（7）通过磁悬浮轴承（8）安装在径流叶轮（6）上，且与径流叶轮（6）同轴度设计；

所述多个发电机（9）分别连接径流叶轮（6）和轴流叶轮（7），所述控制单元（10）连接控制发电机（9），按照风能值分梯度启动所需数量的发电机（9）。

2.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述径流叶轮（6）的径向为最有效迎风面。

3.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述轴流叶轮（7）的轴向为最有效迎风面。

4.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述磁悬浮轴承（8）是由永磁体制作的环状组合结构。

5.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述基座（1）采用混凝土制作，其内设置有发电机仓。

6.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：还包括避雷针（11），所述避雷针（11）安装在所述穹顶（4）顶部，并接有放电地线。

7.根据权利要求1所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述控制单元（10）内设置有远程控制系统。

8.根据权利要求2所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述径流叶轮（6）的叶片（61）为中空结构，其内设置有隔板（62）和定型板（63），叶片（61）通过钢丝（64）固装在叶轮转动总成上。

9.根据权利要求8所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述叶片（61）、隔板（62）和定型板（63）由铝材制成。

10.根据权利要求6所述的应用磁悬浮技术的光能及风能分梯度发电系统，其特征在于：所述避雷针（11）为铝质的锥形筒状，分为多段，其中部设置有高空观察室（111）。

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