專利名稱：弦葉式數控全速風力發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種再生能源的發生和利用裝置，確切地說，涉及一種利用風能的弦葉式數控全速風力發電裝置。
能源是人類社會活動的物質基礎。在某種意義上講，人類社會得以發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的應用。隨著社會的進展，人類消耗的能源能日趨枯竭，還帶來嚴重的環境污染。因此，人們努力尋求可以替代煤炭、石油等化石資源的新的能源。太陽能、地熱、水力、風能、潮汐等可以在地球環境中周而復始地從自然現象中獲得可再生能源日益引起人們的重視和開發利用。其中風能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻、引起空氣運動而產生的能量，是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，又沒有任何污染，因此，許多工業發達國家都十分注重風力資源的開發。據測算，地球上近地層風能總儲量約1.3×1012千瓦，而我國的風能總儲量估計為1.6×109千瓦，在世界各國排列第三，有很好的開發應用前景。實際上，早在中世紀，世界各地就產生了形形式式的原始風力利用裝置，而在當代，出于環境保護的緊迫性，能將風能轉化為電能、機械能、熱能等其他形式的能量的各種風力裝置更是不斷問世，其中全世界用于發電的風力機超過所有風力裝置的三分之二，然而至今還沒有一種高性能、高經濟又簡單易行的風力發電裝置研制成功。申請人以前先后研制了“風帆式風力動力裝置”(專利號92112158.X)和“數控全速風力發電裝置”(專利號93201285.X)也是為了能在風力發電技術上有所突破，為開發利用這種再生能源，把它作為一種可靠的補充能源而應用于人類生活作出自己的努力和貢獻。
本發明的目的是提供一種結構新穎簡單的弦葉式數控全速風力發電裝置，該裝置是采用鋸弓弦葉式風力部件，利用金屬薄板材料制成的弦葉來替代傳統風力裝置的漿葉，再輔以數控全速風力發電裝置構成的。
本發明是這樣實現的包括有立軸式風力部件、聯軸器、支架、稀土全速同步電機及其數字控制裝置，上述立軸通過徑向止推軸承固定在金屬支架上，立軸下端通過聯軸器與稀土同步電機中的用稀土永磁材料制作的轉子相連接；其特征在于上述立軸式風力部件為鋸弓弦葉式，即由立軸，緊固在立軸上下兩端、呈徑向對稱安裝的四根橫梁，以及繃緊固定在每一側上下橫梁另一端之間的金屬薄板所構成。
上述鋸弓弦葉式風力部件的金屬薄板材可以采用大型帶鋸的鋼片胚料，也可以采用鋁合金薄板材。
上述鋸弓弦葉式風力部件的立軸上端可以安裝在龍門架式的框架結構內。
該裝置可以用多臺設備構成陳列，此時，每臺裝置的立軸上端應用金屬纜繩呈網狀結構水平拉緊固定。
本發明的特點是結構簡單，其風力部件采用金屬薄板作為風力轉子的葉片，不僅型面簡單(平面)，受力狀態也比螺旋漿簡單得多；既不要作復雜的型面設計，也不要作高難度的型面加工。該葉片長度不受加工能力所限，可以方便地根據當地風力資源品位、所驅動發電機的功率大小而選擇弦葉的長短和寬窄，且加工制造相當容易，造價低廉。該弦葉兩端張緊固定在立軸上下橫梁的兩側，形成了類似中國木工鋸式的兩個弓形受張弦的輕型框架作為風力轉子構件，與風帆式風力部件相比較，更加簡單有效。而與傳統旋翼式風力轉子作比較，摒棄了后者葉片型面復雜，制造難度大；又為懸臂梁結構，強度要求高，還需要支撐塔，風向適應性差，抗強臺風襲擊極其脆弱等多項缺陷。其中橫梁可以選用型鋼等材料在現場制造安裝，使風力發電裝置的制造成本降低到可以付諸普及推廣的程度。據悉，美國目前每千瓦時的風電價約6-7美分，美國加州風力發電場的風電成本最低，即每度電4美分。采用本發明的風力部件結構，可望將風力成本控制在2-3美分內，從而，使影響風力發電推廣應用的主要難點有望得到解決。
本發明的另一特點是利用數控稀土全速同步電機(專利號CN91101413.6)作為風能/電能的轉換設備，即風力部件的立軸經聯軸器驅動該電機的用稀土永磁材料制成的轉子旋轉發電，其中電機還可以裝有諧波齒輪、擺線齒輪或游星式齒輪構成的同軸增速器，以提高能量轉換效率。發電機的饋電輸出經功率電子電路構成的調壓器、逆變電源進入電網，并由微型計算機對發電機、電子調壓器和逆變電源進行數字控制，以便根據風力資源的大小，實時改變風力部件的轉子轉速和稀土電機的三相電樞串并聯結構，保證能夠有效利用風力和輸出電壓比較穩定，處在優化工況下運行操作。這些特點與申請人的專利技術“數控全速風力發電裝置”基本相同或相似，故不再詳述。
圖1是本發明的風力機械結構和數控發電裝置的結構組成示意圖。
圖2是本發明構成陣列式系統的方框示意圖。
參見圖1，本發明是由立軸式風力部件的機械構件和數控發電裝置兩部分構成，兩者通過聯軸器、支架和稀土全速同步電機組成整個系統裝置。其中風力部件包括有主軸1、緊固在立軸1上下兩端呈徑向對稱安裝的四根用型鋼制成的橫梁，即兩個上橫梁2、兩個下橫梁3以及繃緊固定在每一側上下橫梁另一端之間的金屬薄板制成的弦葉4，整個風力部件呈中國木工鋸弓式輕型結構。這里的金屬薄板弦葉4具有一定的寬度，以便能夠承受風力載荷。它既是弓架的張緊拉弦，也是風力轉子的受力葉片；可以用大型帶鋸鋼片的胚料制作，也可以鋁合金薄板加工制成，上述風力部件通過其立軸1和徑向止推軸承固定在金屬支架7上，在支架7底端設有水泥地基8。立軸1下端通過聯軸器5與稀土同步電機6中的稀土永磁轉子相連接。立軸1上端可以安裝在龍門架式的框架結構內。為了提高風力利用效率，該電機6中可以設有用諧波齒輪、擺線齒輪或游星齒輪構成的同軸增速器。本發明的風力轉子的工作原理是由立軸1兩側的弦葉葉片4承載風力作用的矢量推動力，從而驅動整個風力部件旋轉輸出能量給發電機。由于結構原理，作為立軸式風力轉子的本發明葉片處于不同迎風相位角度時，其能量輸出會呈明顯的正弦狀波動，它既不能僅憑風力自行啟動旋轉，又必須實時跟蹤風速才能有效利用風能。所以如果配上普通發電機，該風力部件難以奏效。作為本發明的另一重要組成一稀土全速同步電機6可以在從低速至超高速范圍的任何一個狀態下平穩轉動，達到全速動平衡，特別適應風力資源不穩定、時大時小的隨機情況；再輔以功率電子電路構成的調壓器9、逆變電源10和對同步電機6、調壓器9和逆變電源10進行數字控制的微型計算機12，就可以實時采集風力參數，根據風力發電的實時過程控制軟件而隨機控制電機轉子或風力部件處于最佳運行工況，在各種風速、風向下都能正常運行，甚至在強臺風襲擊下也不會損壞，也就是說，本發明較好地解決了發電機與風速的全速動態響應與匹配問題。本發明中的稀土全速同速電機6里的定子感應生成的電動勢被引出成為電流而饋入電子調壓器9，再經逆變電源10饋入電網11。整個發電過程均在微機12的數字監控管理下進行。
本發明裝置可以單獨安裝使用，但如果多臺本發明裝置組陣安裝使用，更能提高系統的輸出電能品質和降低系統品質。參見圖2所示的陣列系統示意圖。圖中20是各個風力部件與稀土全速同步電機構成的風力發電機組，10A和10B則是若干個風力發電機組共用的包括有電子調壓器和逆變電源的數字控制裝置，12A則為進行實時過程控制的微型計算機，通過碼分多址方式分別對各個風力發電機組裝置進行優化工況控制。組陣使用時，各個風力發電機組的底部固定在地面，立軸的頂部則可用鋼絲纜繩呈網狀結構水平拉緊，聯成預應力的網狀結構，使整個系統連成一個整體，不僅具有很強的抗風能力，還能節省大量結構鋼材。
權利要求
1.一種弦葉式數控全速風力發電裝置，包括有立軸式風力部件、聯軸器、支架、稀土全速同步電機及其數字控制裝置，上述立軸通過徑向止推軸承固定在金屬支架上，立軸下端通過聯軸器與稀土同步電機中的用稀土永磁材料制作的轉子相連接；其特征在于上述立軸式風力部件為鋸弓弦葉式，即由立軸，緊固在立軸上下兩端、呈徑向對稱安裝的四根橫梁，以及繃緊固定在每一側上下橫梁另一端之間的金屬薄板所構成。
2.如權利要求1所述的弦葉式數控全速風力發電裝置，其特征在于上述鋸弓弦葉式風力部件的金屬薄板材可以采用大型帶鋸的鋼片胚料，也可以采用鋁合金薄板材。
3.如權利要求1所述的弦葉式數控全速風力發電裝置，其特征在于上述鋸弓弦葉式風力部件的立軸上端可以安裝在龍門架式的框架結構內。
4.如權利要求1所述的弦葉式數控全速風力發電裝置，其特征在于該裝置可以用多臺設備構成陳列，此時，每臺裝置的立軸上端應用金屬纜繩呈網狀結構水平拉緊固定。
全文摘要
一種弦葉式數控全速風力發電裝置,是由立軸、立軸上下兩端呈徑向對稱安裝的四個橫梁,以及繃緊固定在每一側上下橫梁另一端之間的金屬薄板構成的鋸弓弦葉式風力部件,與聯軸器、支架、稀土全速同步電機及其數字控制裝置所組成的新型風能利用裝置。該裝置風力部件結構非常簡單,生產成本大為降低,結構部件可以現場就地制造,再充分利用稀土全速同步電機及其數字控制裝置的當代技術,可望將風電成本明顯降低而使本發明能夠普及推廣應用。
文檔編號F03D9/00GK1186908SQ9710000
公開日1998年7月8日 申請日期1997年1月2日 優先權日1997年1月2日
發明者石行 申請人:北京市西城區新開通用試驗廠