CN102913393A - 压缩气涡轮风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩气涡轮风力发电机，它由自然风力空压机、压缩空气储罐、压缩空气导管和涡轮发电机构成，自然风力空压机通过风叶旋转带动压缩机得到压缩空气，送到压缩空气储罐，再通过压缩空气导管驱动涡轮发电机的涡轮风叶使发电机发电。本发明由于不需要由风叶直接驱动发电机，风叶转动部位不附带电线、滑动电刷等结构，具有工作状态安全、发电稳定，涡轮不容易损坏等优点，即使暂时没有自然风的情况下也能够连续发电。

Description

压缩气涡轮风力发电机

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，更具体地说是涡轮风力发电机。

背景技术

涡轮风力发电机是将流动的空气撞击到旋转叶轮(涡轮)将机械能转化称为电能的一种装置，涡轮叶片一般呈螺旋状，叶片的一面略有弧度，而另一面则相对较平，当风沿着顺风的叶片弧面经过时，它必须加快速度才能及时到达叶片末端，以追上从叶片逆风的较平面上(也就是面朝风吹来的方向)经过的风。由于移动速度较快的空气将在大气中上升，顺风的弧面上将出现低压团，低压区域向顺风方向吸引叶片，此称为“上升”效应。在叶片的逆风面，风速较慢，产生推动叶片的较高压力区域，使其减速。当这样的螺旋状涡轮设计合理的时候，会使得涡轮机能够捕获较多的风，而发出更多的电力。

随着煤炭、石油等资源逐渐大量开发的今天，目前能源开始紧缺，人们不得不利用风能、太阳能作为新能源，因此风力发电机开始大量研制开发，特别对涡轮风力发电机是研究也开始更加深入，公开文献也有较多报道，我们也从中国专利检索到一些相关内容，例如：

中国专利：名称：立轴式三维风力发电机申请(专利)号：CN02122378.5，公开(公告)号：CN1399068公开(公告)日：2003.02.26，申请(专利权)人：张松山地址：甘肃省武威市二坝乡天桥村六组发明(设计)人：张松山摘要：一种不受风向变化影响且能大大提高单机输出功率的风叶和发电机组成的立轴式三维风力发电机，风叶转轴垂直于地面安装，风叶呈120°的“Y”形或2-6瓣形分布，每组风叶均由多个兜式风叶顺次叠加而成，无论风从哪个方向吹来，总有一组风叶受风，对应的另外风叶排风，风叶便沿一个方向迅速旋转做功，单机输出功率大大提高，克服了传统涡轮风力发电机的缺点，并可根据所需功率增加或减少兜叶的数量，灵活机动，建发电场所用地面积小。主权项：1、一种立轴式三维风力发电机，由风叶、发电机、支架组成，风叶转轴竖立与发电机或变速箱连接。其特征在于：在垂直于地面安装的发电机或风叶的转轴上装有相互呈120°的“Y”字形或2-6瓣形分布的兜式风叶，风叶由兜式风叶叠加排列而成。

中国专利：名称：涡轮风力发电机，申请(专利)号：CN200610118644、6公开(公告)号：CN101191458公开(公告)日：2008.06.04，申请(专利权)人：上海久能能源科技发展有限公司地址：上海市南汇区沪南公路8743号，发明(设计)人：李钊明摘要：一种涡轮风力发电机，包括发电机、风叶在内的结构，风叶连接涡轮，涡轮连接发电机。利用涡轮增压后大大提高发电效率，有效地利用风能，节约资源。主权项：1、本发明涡轮风力发电机，包括发电机、风叶在内的结构，其特征在于：风叶连接涡轮，涡轮连接发电机。

中国专利：名称：磁悬浮垂直涡轮风力发电机申请(专利)号：CN200910025157、9申请日：2009、02、18公开(公告)号：CN101532471公开(公告)日：2009、09、16申请(专利权)人：南通大学地址：江苏省南通市啬园路9号发明(设计)人：吴国庆；周井玲；廖萍；茅靖峰；朱维南；顾云华；施振佺；曹阳；张旭东；张玉梅；陈兴华摘要：一种磁悬浮垂直涡轮风力发电机，涡轮的导风通道与和风向平行的轴心线呈35～40°夹角；轴向支承结构由磁轴承组成的主支承部分和由机械滚轮组成的辅助支承部分组成；所述机械滚轮对称地排布，呈圆形装配在塔座的载物台上；磁轴承包括主动吸力型电磁铁线圈，主动吸力型电磁铁线圈上下设置在主工作轴凸盘的上下方，对应为一个工作单元，所有工作单元也是按圆对称等分排布的，且与机械滚轮支承呈同心圆排布在机械滚轮外侧，每个电磁铁单元保证磁极相对；涡轮为垂直涡轮结构形式。该发明结构合理，能在低风速条件下得到较高的发电效率，具有启动风速低、风能利用率高、结构简单和维修方便的优点。主权项：1、一种磁悬浮垂直涡轮风力发电机组，包括叶片、支承在塔身支架上的涡轮、尾翼，叶片与主工作轴连接，主工作轴设有轴向支承结构、径向支承结构，主工作轴与发电机连接，其特征是：涡轮的导风通道与和风向平行的轴心线呈35～40°夹角；所述轴向支承结构由磁轴承组成的主支承部分和由机械滚轮组成的辅助支承部分组成；所述机械滚轮对称地排布，呈圆形装配在塔座的载物台上；所述磁轴承包括主动吸力型电磁铁线圈，主动吸力型电磁铁线圈上下设置在主工作轴凸盘的上下方，对应为一个工作单元，所有工作单元也是按圆对称等分排布的，且与机械滚轮支承呈同心圆排布在机械滚轮外侧，每个电磁铁单元保证磁极相对。

中国专利：名称：涡轮风力发电机，申请(专利)号：CN200910159069.8申请日：2009.07.28，公开(公告)号：CN101696674A公开(公告)日：2010、04、21，申请(专利权)人：刘诗梁，地址：四川省绵阳市203信箱离退办，发明(设计)人：刘诗梁，摘要：一种涡轮风力发电机，其涡轮风车的螺旋涡片均布固定在类似自行车钢丝轮中间，似三桨变成了几十叶螺旋桨，容易把风车做大到几百米直接提高迎风面积，风车外可装上漏斗形的风套，其风口可做成圆、方、长方等形状间接增大迎风面积，两者结合可把风力发电机做到十万千瓦级，可设传动装置把动力传到地面厂房，使发电机免受风、沙、湿、盐雾的侵蚀，固定装置固定整机后可抗台风，发电机如用‘八卦机组’，不管微风或台风，其转速和发出的电压、频率始终稳定而能直接入网。主权项：一种涡轮风力发电机，包括支架，转盘，发电机，水平传动轴，和套在水平传动轴上的涡轮风车，其特征是所述涡轮风力发电机的涡轮风车包括轮毂，外轮圈，所述轮毂与外轮圈之间连有丝轮辐，所述轮毂与外轮圈之间还有位于丝轮辐中间的螺旋涡片。

上述文献公开的涡轮风力发电机有的改进风叶形状，如将其设计为兜式风叶、改变涡轮的导风通道、三桨变成几十叶螺旋桨等，可以进一步提高了风叶转速，风能利用率也相应提高，但有的结构不合理，不能连续发电，有的在效率方面还不夠高。

发明内容

本发明的目的，是提供一种能够克服现有技术的不足之处，能够较大程度利用各个方向来风的，工作状态安全、能够连续发电和提高发电效率的压缩气涡轮风力发电机。

本发明的压缩气涡轮风力发电机由自然风力空压机、压缩空气储罐、压缩空气导管和涡轮发电机构成，自然风力空压机通过风叶旋转带动压缩机得到压缩空气，送到压缩空气储罐，再通过压缩空气导管驱动涡轮发电机的涡轮风叶使发电机发电。

以上所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于，所述的自然风力空压机的结构包括风叶、空压机、压缩空气储罐和输出管道，其中空压机设在压缩空气储罐上方或侧边，风叶安装在传动轴上，并通过轴承固定在压缩空气储罐上，传动轴一端连接空压机工作轴，当自然风吹动风叶旋转，通过传动轴带动空压机工作，产生压缩空气，储存在压缩空气储罐内，然后由输出管道通到涡轮发电机的压缩空气导管。

为了保证压缩空气储罐内有恒定的压缩空气，空压机出口到压缩空气储罐的管道安装有止逆阀，压缩空气储罐安装有安全阀，防止超压事故的出现；在输出的压缩空气导管上也安装有控制阀，给涡轮发电机提供稳定的气源。

所述的涡轮发电机包括涡轮发电机、发电机轴和电机引出线，涡轮机由密封罩外壳、传动壳和安装在涡轮机传动壳上的涡轮风叶构成，涡轮机传动壳安装有内轴承，发电机主轴的一端穿过涡轮机传动壳的内轴承后固定在外壳上，涡轮机的外壳是一个密闭的罩体，侧壁上有压缩空气导管入口，当自然风力空压机输出的压缩空气从压缩空气导管切线进入外壳壳体内时，将涡轮风叶推动旋转，同时带动涡轮发电机产生磁感应电流而发电。

以上所述的压缩空气导管为对称结构分布在涡轮机传动轴的两边。

以上所述的压缩气涡轮风力发电机可以做成一体化(连体)结构，也可以做成分体式结构，目的是将自然风力空压机输出的压缩空气进入涡轮发电机即可。

以上所述的发电机可以采用普通励磁发电机或永磁体的变频发电机，使发电效率可以大大提高。

上述的自然风力空压机压缩空气输出和涡轮发电机的阀门控制也可以采用全自动控制系统，即对空压机工作、压缩空气储罐压力、涡轮发电机输入的整个系统进行综合控制。

以上所述的空压机压力的大小、压缩空气储罐的体积、扇叶的数量、截面大小和长度，涡轮发电机的涡轮风叶的数量和大小，发电机大小可以根据具体情况设计。

本发明与现有技术相比，突出的实质性特点和显著的进步是：

1)、从自然风所驱动的风叶获得对同一传动轴上的压缩机一起转动而使吸入的自然风能增加风压和风速，並集合成较强的气流(射流)，该气流由压缩空气导管分成两股互成180°角的轴对称式从切线方向引进入下部开启的封闭圆形外壳，使得内置的涡轮上的扇叶片同时受左右两方向气流喷射推力压迫地向前运转，气流最终在扇叶片的引导下从底部排出，排气方向得到改变，另外由于外壳与内置扇叶间两者在公差配合上比較密切，间隙較小，处于0.5毫米以下，气流推力多集中喷射至扇叶上，从而涡轮机的转距大幅度提升，对负载有更大驱动力，从而对自然风能不稳定因素得缓解，即使暂时没有自然风的情况下也能够连续发电。

2)、本发明的自然风力空压机包括风叶、压缩机、传动轴、轴承、风向标、压缩空气导管和半封闭外壳等构成一体化並由安装于主轴上的固定轴承可随着自然风向推动作相应位移，致使风叶均能对着风源，因而不轮来自自然界的东西南北向的风，均能驱动风叶的运转，实现了全方位的万向功能，该装置由于转动部位没有附带电线、滑动电刷等结构，更为安全、可靠。

3)、处于半封闭外壳内的涡轮机包括扇叶、圆筒、发电机由主轴上安置的轴承所固定着，涡轮在内部运行时在外壳外部是观察不到的，其防水、防风、防腐蚀得到很好保护而经久耐用，也相应降低了维护的成本。

4)、本涡轮机仅需鼓风机体积、内叶片数量上变更、叶片面积的更改、涡轮上扇叶宽度及偏转角改变对涡轮机的额定功率输出有决定作用，任何一项数据更变将使得机器发生改变，因此可设计出系列产品可生产一系列不同额定功率的独立供电发电机组。

5)、本发明改变发动机了排气方向，排风口是关健具决定性意义的环节，通过加力、升压、提速的能量集成射流从对称输入，把扩散偏转改变风叶轮上风叶驱动角度，具有简单、轻质、低风险的特点、发达国家将其作为重要技术优先发展，国外尤其把该原理用于改变发动机排气方向，从而首先把改变气流导向技术使用在战斗机的发动机上，能大辐度显示出使飞机获得极大地提升超机动性、短距起降和低的可探测性，显著地提高战斗机的作战有效性和生存能力、美国的F-22、俄罗斯的T-50，以及我国国产第四代以上稳形战机已开发应用改变气流导向技术(但是与本发明的结构不相同)。

附图说明

图1是本发明一体化结构的压缩气涡轮风力发电机的结构示意图。

图2是本发明分体式结构的压缩气涡轮风力发电机的结构示意图。

图中序号及部件名称：

1-风叶，2-传动轴，3-轴承，4-空压机，5-风向标，6-自动安全阀，7-压缩空气进风口，8-压缩空气储罐，9-控制进气阀，10-压缩空气导管，11-密封罩外壳，12-涡轮风叶，13-出风口，14-涡轮发电机，15-涡轮机传动壳，16-发电机主轴，17控制进气阀，18-内轴承，19-电机引出线，20-空心轴。

具体实施方式

实施例1

如图所示，本发明的一体化结构的压缩气涡轮风力发电机由自然风力空压机、压缩空气储罐、压缩空气导管和涡轮发电机构成，自然风力空压机通过风叶旋转带动压缩机得到压缩空气，送到压缩空气储罐，再通过压缩空气导管驱动涡轮发电机的涡轮风叶使发电机发电。

图1中，自然风力空压机的结构包括风叶1、空压机4、压缩空气储罐8和压缩空气导管10，其中空压机4设在压缩空气储罐8上方，风叶1安装在传动轴2上，并通过轴承3安装在压缩空气储罐8上，传动轴2一端连接空压机4的工作轴，当自然风吹动风叶旋转，通过传动轴2带动空压机4工作，产生压缩空气，储存在压缩空气储罐8内，压缩空气储罐8安装有自动安全阀6，然后由压缩空气导管10经过控制进气阀9和17通到涡轮发电机推动涡轮风叶12。

导管式涡轮发电机包括涡轮发电机14、发电机轴16和电机引出线19，涡轮机由密封罩外壳11、传动壳15和安装在传动壳15上的涡轮风叶12构成，涡轮机传动壳安装有内轴承18，发电机主轴16的一端穿过涡轮机传动壳15的内轴承18后固定在密封罩外壳11上，涡轮机的密封罩外壳11是一个密闭的罩体，侧壁上有压缩空气导管10入口，当自然风力空压机输出的压缩空气从导管切线进入密封罩外壳11的壳体内时，将涡轮风叶12推动旋转，同时带动涡轮发电机14产生磁感应电流而发电。

实施例2

本发明的分体式结构的压缩气涡轮风力发电机由自然风力空压机和涡轮发电机构成，图2，所述的自然风力空压机是通过风叶旋转带动压缩机提供压缩空气通过管道输送到涡轮发电机转动；所述的涡轮发电机是将由风叶旋转带动压缩机输出的压缩空气通过压缩空气导管驱动涡轮风叶使发电机发电的装置。

自然风力空压机的结构包括风叶1、空压机4、压缩空气储罐8和压缩空气导管10，其中空压机4设在压缩空气储罐8上方，风叶1安装在传动轴2上，并通过轴承3安装在压缩空气储罐8上，传动轴2一端连接空压机4的工作轴，当自然风吹动风叶旋转，通过传动轴2带动空压机4工作，产生压缩空气，储存在压缩空气储罐8内，压缩空气储罐8安装有自动安全阀6，然后由空心轴20的孔输出经过控制进气阀9到压缩空气导管10，通到涡轮发电机推动涡轮风叶12。

导管式涡轮发电机包括涡轮发电机14、发电机轴16和电机引出线19，涡轮机由密封罩外壳11、传动壳15和安装在传动壳15上的涡轮风叶12构成，涡轮机传动壳安装有内轴承18，发电机主轴16的一端穿过涡轮机传动壳15的内轴承18后固定在密封罩外壳11上，涡轮机的密封罩外壳11是一个密闭的罩体，侧壁上有压缩空气导管10入口，当自然风力空压机输出的压缩空气从压缩空气导管切线进入密封罩外壳11的壳体内时，将涡轮风叶12推动旋转，同时带动涡轮发电机14产生磁感应电流而发电。

应用实施例一

采用三叶式片长100厘米规格风叶片推动联结在同轴的35厘米外径，配置三扇叶、出风口直径8厘米的压缩机，由对称互为180°角的压缩空气导管引射气流到直径35厘米、长度40厘米的半封闭的圆筒外壳，外壳安装有涡轮圆筒为直径15厘米、长度40厘米外围均布有10片面积20*40厘米的扇形叶片，叶片以垂直列装成鼠笼形状，外壳与扇叶动配合公差间隙为0.5厘米以下，为此气流仅能直接驱动扇叶转动后从底部排出，涡轮机内圆筒安置全磁悬浮变频发电机，电机输出功率300W，电压12V、24V单相交流独立供电，通过变换器转换成直流作充电储电备用、

应用实施例二

采用三叶式片长120厘米规格风叶片推动联结在同轴的40厘米外径，配置6扇叶、出风口直径10厘米的压缩机，由轴对称互为180°角的压缩空气导管引射气流到直径40厘米、长度40厘米的半封闭的圆筒外壳，外壳安装有涡轮圆筒为直径24厘米、长度40厘米外围均布有6片面积25*40厘米的扇形叶片，叶片以螺旋形列装成，外壳与扇叶动配合公差间隙为0.5厘米以下，从压缩空气储罐分成互为180°角的两股气流引入仅能直接驱动扇叶转动后从底部排出，涡轮机内圆筒安置全磁悬浮变频发电机，电机输出功率1000W、电压12V、24V单相交流独立供电，通过变换器转换成直流作充电储电备用。

应用实施例三

采用六叶式片长120厘米规格风叶片推动联结在同轴的45厘米外径，配置6扇叶、出风口直径12厘米的压缩机，由轴对称互为180°角的压缩空气导管引射气流到直径45厘米、长度45厘米的半封闭的圆筒外壳，外壳安装有涡轮圆筒为直径24厘米、长度45厘米外围均布有6片面积30*45厘米的扇形叶片，叶片以螺旋形列装成，外壳与扇叶动配合公差间隙为0.5厘米以下，为此当左右两股轴对称气流导入后，仅能直接驱动扇叶转动后从底部排出，另一方面为减掉运行时的摩擦阻力及增加驱动力，在外风叶与发电机之间的联动轴上安装两块加工成外径15厘米、厚0.5厘米的铁料圆片，该圆片一静止固定于圆筒外壳上，另一片固定于传动轴上随轴转动，在两片鉄圆片上一片以单片永磁体的S、N交替均匀粘贴满铁件，並注意S、N的各片数量相等，另一片圆片则以每两片永磁体的极性同是S极或N极方法並与相邻两片极性相反交替均匀粘贴满鉄块，注意的是S、N的磁性数值也需对等，这组装置构成了全磁悬浮、磁推挽的功能，从而克服运行中摩擦阻力及提高转距推力、涡轮机内圆筒安置全磁悬浮变频发电机，电机输出功率1500-2000W，电压12V、24V单相交流独立供电，通过变换器转换成直流作充电储电备用。

Claims (8)

1.一种压缩气涡轮风力发电机，其特征在于：它由自然风力空压机、压缩空气储罐、压缩空气导管和涡轮发电机构成，自然风力空压机通过风叶旋转带动压缩机得到压缩空气，送到压缩空气储罐，再通过压缩空气导管驱动涡轮发电机的涡轮风叶使发电机发电。

2.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于，所述的自然风力空压机的结构包括风叶、空压机、压缩空气储罐和输出管道，其中空压机设在压缩空气储罐上方或侧边，风叶安装在传动轴上，并通过轴承固定在压缩空气储罐上，传动轴一端连接空压机工作轴，当自然风吹动风叶旋转，通过传动轴带动空压机工作，产生压缩空气，储存在压缩空气储罐内，然后由压缩空气导管通到涡轮发电机。

3.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于，空压机出口到压缩空气储罐的管道安装有止逆阀，压缩空气储罐安装有安全阀，在输出的压缩空气导管上安装有控制阀。

4.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于，所述的涡轮发电机包括涡轮发电机、发电机轴和引出导线，涡轮机由外壳、传动壳和安装在涡轮机传动壳上的涡轮风叶构成，涡轮机传动壳安装有内轴承，发电机轴的一端穿过涡轮机传动壳的内轴承后固定在外壳上，涡轮机的外壳是一个密闭的罩体，侧壁上有压缩空气导管入口。

5.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于：压缩空气导管为对称结构分布在涡轮机传动轴的两边，压缩空气从压缩空气导管切线进入外壳壳体内。

6.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于：所述的压缩气涡轮风力发电机做成一体化结构，或者做成分体式结构。

7.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于：所述的发电机采用普通励磁发电机或永磁体的变频发电机。

8.根据权利要求1所述的压缩气涡轮风力发电机，其特征在于：自然风力空压机压缩空气输出和涡轮发电机的阀门控制采用人工控制或全自动控制系统。

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