專利名稱：風力發(fā)電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用自然風的力量進行風力發(fā)電的風力發(fā)電裝置。
背景技術：
風力本身是免費的和隨處可得的，但怎樣利用隨處可得的免費風力，卻需要人們的智慧。早在19世紀末歐洲就出現了利用風輪進行發(fā)電的嘗試。但至今為止，我們還無法大規(guī)模地普及利用免費的風力進行發(fā)電，主要是因為現行的風輪式風力發(fā)電裝置存在嚴重的技術問題。風輪式風力發(fā)電機的第一個技術問題，是發(fā)電成本太高，風輪式風力發(fā)電機的發(fā)電價格大約是火力發(fā)電價格的4倍。因此現在世界各國的風力發(fā)電，都不得不依靠政府的財政補貼扶持，風力發(fā)電的規(guī)模越大，政府的財政負擔就越重。所以要想大規(guī)模地普及風力 發(fā)電，就必須解決風力發(fā)電的成本問題，把風力發(fā)電的價格下降到與火力發(fā)電相近的程度，這樣風力發(fā)電才會具有真正的競爭力。風輪式風力發(fā)電機的發(fā)電成本高，是因為現行的風輪式風力發(fā)電機組的造價太高。因為自然風的風力變化幅度很大，風輪式風力發(fā)電機的風輪必須能承受臺風等非常強列的暴風，例如12級臺風的平均風速為34m/s，此時在I. 5麗級風輪式風力發(fā)電機的葉片上產生高達數千噸的風壓力，因此風輪的葉片、轉軸等必須采用昂貴的高強度材料，這就使風輪式風力發(fā)電機的造價變得十分昂貴。風輪式風力發(fā)電機的第二個技術問題，是抗強風性差。因為長達數十米的旋轉風輪葉片，只有葉片根部一個支撐點，所以受力非常不平衡，容易損壞。盡管采用高強度的材料制作葉片，并采用專門的卸載裝置控制葉片上的風壓，但仍然難于避免來自強風的破壞。風輪式風力發(fā)電機的故障原因，80%以上是因為強風造成的各種損壞。因此抗強風性能的好壞，對于風力發(fā)電機來說是至關重要的。風輪式風力發(fā)電機的第三個技術問題，是在弱風時無法發(fā)電。因為風輪要達到抵抗強風的強度，所以風輪就被制作得十分厚重，這種沉重的風輪無法被低風速的弱風驅動，也就使得風輪式風力發(fā)電機無法設置在年均風速較低的弱風地區(qū)，大大限制了風力發(fā)電的應用范圍。風輪式風力發(fā)電機還有其他的技術問題。例如長度數十米的整體葉片，很難運送到道路條件不好的邊遠地區(qū)，風輪高速旋轉會產生較大的噪音，有時還會打死鳥類。為了取代技術問題較多的風輪式風力發(fā)電機，人們想出了一些不使用旋轉風輪發(fā)電的方案和專利，例如風帆方式發(fā)電、風箏方式發(fā)電、氣球方式發(fā)電、壓電體發(fā)電(Piezoelectrics)、電氣體發(fā)電(Electrohydrodynamic)等。但至今為止，這些不使用旋轉風輪的風力發(fā)電技術，還都停留在想象或實驗室階段，還沒有一種不使用風輪的風力發(fā)電機能夠達到實用發(fā)電的程度
發(fā)明內容
為了克服現行風輪式風力發(fā)電機的上述各種技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種不使用旋轉風輪，而使用風帆的新型風力發(fā)電裝置。這種風帆式的新型風力發(fā)電裝置不需要高昂的高強度材料，可以實現低成本，而且具有良好的抗強風性，低風速時能發(fā)電，故障率低，噪音低，不會傷害鳥類。本發(fā)明的風帆式風力發(fā)電裝置，簡單描述如下。垂直方向延伸的立柱。上述立柱的一端固定于地面，另一端安裝有一個可以在水平方向做360度自由旋轉的連接件。上述連接件安裝有一個水平方向延伸的旋轉軸。上述旋轉軸可以在垂直方向做360度的自由旋轉。上述旋轉軸上固定有類似于風帆的受風部。自然風吹到風帆式的受風部上，引起上述旋轉軸的旋轉。上述旋轉軸的旋轉動力，通過一套傳動裝置傳遞到一臺發(fā)電機上，驅動發(fā)電機發(fā)電。具體而言，所述的風力發(fā)電裝置包括水平方向伸展的能夠360度自由旋轉的旋轉軸、固定在所述旋轉軸上的受風部、支撐所述旋轉軸和受風部的連接件、支撐所述連接件的垂直方向伸展的支柱、第I風速發(fā)電機以及把所述旋轉軸的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I風速發(fā)電機的第I傳動機構。
所述的風力發(fā)電裝置，其中，所述受風部的重心與所述支柱的中心不重合，形成偏心構造。所述的風力發(fā)電裝置，其中，還包括自動變速機構，能根據所述受風部的展開角度的不同，改變所述第I傳動機構的轉速傳動比。所述的風力發(fā)電裝置，其中，所述自動變速機構具有半徑不同的多個扇形齒輪，以及與多個扇形齒輪同樣數目的多個傳動機構，每個扇形齒輪對應一個傳動機構，將不同傳動比的旋轉傳遞到所述第I風速發(fā)電機。所述的風力發(fā)電裝置，其中，還包括第2風速發(fā)電機，以及把所述旋轉軸的第2轉動方向的旋轉傳遞到所述第2風速發(fā)電機的第2傳動機構。所述的風力發(fā)電裝置，其中，還包括一個中間傳動裝置，在所述第I傳動機構的動作區(qū)域內，所述中間傳動裝置把所述旋轉軸的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I傳動機構，在所述第2傳動機構的動作區(qū)域內，所述中間傳動裝置把所述旋轉軸的第2轉動方向的旋轉傳遞到所述第2傳動機構，當所述旋轉軸處于所述第I傳動機構的動作區(qū)域內時，所述中間傳動裝置把所述第2傳動機構分離出傳動體系，當所述旋轉軸處于所述第2傳動機構的動作區(qū)域內時，所述中間傳動裝置把所述第I傳動機構分離出傳動體系。所述的風力發(fā)電裝置，其中，所述中間傳動裝置由半圓形的齒輪構成。所述的風力發(fā)電裝置，其中，還包括第I風向發(fā)電機，把所述連接件的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I風向發(fā)電機的第3傳動機構。所述的風力發(fā)電裝置，其中，所述受風部由框架和固定在框架上的帆布構成，所述框架和所述帆布由多個連接部相連接，所述連接部在受到規(guī)定的外力以上時，會發(fā)生斷裂，使所述帆布與所述框架分離。本發(fā)明的風力發(fā)電裝置，不是利用自然風的速度進行發(fā)電，而是利用自然風的速度變化進行發(fā)電。自然風的風速是不停變化的，樹木在自然風中不停搖動，就是因為風速不停變化的緣故。不停變化的風，吹動風帆不停搖動，風帆的搖動又引起旋轉軸的不停旋轉，旋轉軸的不停地旋轉又帶動發(fā)電機不停地發(fā)電。
本發(fā)明的風力發(fā)電裝置，因為使用布質的風帆構造，結構簡單，不必使用高昂的高強度材料，大大降低了風力發(fā)電機的制造成本。本發(fā)明的風力發(fā)電裝置，在強風的情況下能自動減小迎風面積，從而風力發(fā)電機上受到的風壓力大為減小，大大提高了風力發(fā)電機的抗強風性，也同時減少了風力發(fā)電機
的故障率。本發(fā)明的風力發(fā)電裝置，因為不是利用自然風的速度進行發(fā)電，而是利用自然風的速度變化進行發(fā)電，所以在弱風的情況下也能高效率的發(fā)電，可以設置在廣大年均風速較低的弱風地區(qū)，大大擴展了風力發(fā)電應用范圍。本發(fā)明的風力發(fā)電裝置，因為沒有旋轉的風輪，運轉時噪音小，也不會打死打傷鳥類。而且本發(fā)明風力發(fā)電裝置的風帆部可以分解，在搬運方面也很方便。目前已發(fā)表的采用風帆的風力發(fā)電裝置的有關專利，有法國專利FR526804A，美國 專利US4104006，美國專利US7157805，美國專利申請2008/0036214。
附圖中示出了優(yōu)選和可替代的本發(fā)明實施例。附圖不應理解成限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍在權力要求書中說明。圖I是本發(fā)明的第I實施例的風力發(fā)電裝置的斜視圖；圖2A、圖2B、圖2C是圖I所示的第I實施例的受風部在不同風速情況下的動作示意圖；圖3A、圖3B是圖I所示第I實施例的受風部和風向的關系示意圖；圖4是本發(fā)明的第2實施例的風力發(fā)電裝置的斜視圖；圖5是本發(fā)明的第3實施例的風力發(fā)電裝置的斜視圖；圖6是本發(fā)明的第4實施例的風力發(fā)電裝置的斜視圖；圖7A、圖7B、圖7C、圖7D、圖7E是圖6所示第4實施例的動作示意圖；圖8是本發(fā)明的第5實施例的風力發(fā)電裝置的自動變速部分的平面圖；圖9A、圖9B、圖9C是圖8所示第5實施例的自動變速部分的側視圖及動作示意圖；圖10是本發(fā)明的第6實施例的風力發(fā)電裝置的斜視圖。
具體實施例方式以下將參照圖I到圖10，對本發(fā)明的風力發(fā)電裝置的實施例進行詳細說明?？偟恼f來，本發(fā)明是利用自然風的風速變化進行發(fā)電的新型風力發(fā)電裝置，與傳統的直接利用自然風的風速進行發(fā)電的風力發(fā)電裝置，在動作原理上有較大差異。另外，從圖I到圖10，凡是同樣或相當的構成要素，將省略對同樣符號進行重復說明。圖I是本發(fā)明的風力發(fā)電裝置的第I實施例的斜視圖。第I實施例的風力發(fā)電裝置101，被設置在地面2上。垂直于地面的中空支柱20的下端被固定在地面上，中空支柱20的內部用于通過連接發(fā)電機的電纜(圖中未示出)。中空支柱20的上端設有連接件30，連接件30可以以中空支柱20為中心，在水平方向做360度的自由旋轉。水平方向延伸的旋轉軸40貫穿連接件30，在貫穿連接件30的部分設有軸承(圖中未示出)，旋轉軸40被設置在軸承上，旋轉軸40可以以連接件30的軸承為中心在垂直方向做360度的自由旋轉。旋轉軸40下方固定有兩個類似于風帆的受風部50。圖I所示的受風部50，以支柱20為中心左右對稱設置。每個受風部50，包括受風的風帆52，被固定在旋轉軸40下方的框架54，以及聯結風帆52與框架54的聯結部56?？蚣?4由鋁合金等輕量金屬構成，風帆52由高強度尼龍等輕量布質素材構成，這樣可以使受風部50輕量化。受風部50的輕量化，使微風也能推動風帆，更有效地進行發(fā)電。聯結部56被設計成在一定的受力以上就發(fā)生斷裂的自動斷裂構造。聯結部56斷裂后，風帆52和框架54發(fā)生分離。在遭遇突然發(fā)生的瞬間性超強突風時，風帆52上產生的風力超過聯結部56的斷裂力，此時聯結部56自動斷裂，風帆52和框架54分離，保護風力發(fā)電裝置不至于被超強突風破壞。當風吹到受風部50的時候，風力推動受風部50發(fā)生轉矩，此時受風部50和旋轉軸40的兩者構成的整體，將以連接件30內部的軸承為中心，在垂直方向進行旋轉。當自然風的風速發(fā)生變化時，受風部50上產生的轉矩也發(fā)生變化，因此受風部50和旋轉軸40的兩者構成的整體將隨著風速的變化發(fā)生旋轉。同樣，當自然風的風向發(fā)生變化時，受風部50上產生的轉矩也發(fā)生變化，此時受風部50和旋轉軸40以及連接件30的三者構成的整體，將以中空支柱20為中心，隨著風速的變化在水平方向發(fā)生旋轉。本實施形態(tài)的風力發(fā)電裝置101，設置有兩臺發(fā)電機。發(fā)電機60是根據風速的變化而發(fā)電的發(fā)電機，簡稱風速發(fā)電機。發(fā)電機70是根據風向的變化而發(fā)電的發(fā)電機，簡稱風向發(fā)電機。當自然風的風速發(fā)生變化時，引起受風部50和旋轉軸40—起在垂直方向進行旋轉。旋轉軸40發(fā)生的旋轉,通過第I傳動機構,把動力傳遞到風速發(fā)電機60上,驅動風速發(fā)電機60產生電力。當自然風的風向發(fā)生變化時，引起受風部50和連接件30 —起在水平方向進行旋轉。連接件30的旋轉，通過第3傳動機構，把動力傳遞到風向發(fā)電機70上，驅動風向發(fā)電機70產生電力。第I傳動機構由齒輪42、外部有齒的棘輪80和發(fā)電機軸62組成。棘輪80在旋轉軸40的第I垂直旋轉方向(圖I中以箭形符號Al表不),與發(fā)電機軸62 B齒合,將動力傳遞 到發(fā)電機60。棘輪80在旋轉軸40的第2垂直旋轉方向(圖I中以箭形符號A2表示)，與發(fā)電機軸62分離，動力不被傳遞到發(fā)電機60。棘輪80的構造與常見自行車后輪的棘輪大體上相同。當自然風的風速發(fā)生變化時，風力作用在受風部50上，引起旋轉軸40沿第I垂直旋轉方向和第2垂直旋轉方向進行往復旋轉。通過棘輪80，只傳遞第I垂直旋轉方向的動力，而把第2垂直旋轉方向的旋轉隔離，這樣傳遞到風速發(fā)電機軸62上的動力，變成只有第I垂直旋轉方向的單方向旋轉，驅動風速發(fā)電機60發(fā)電。第3傳動機構由齒輪22、外部有齒的棘輪90和發(fā)電機軸72組成。棘輪90在連接件30的第I水平旋轉方向(圖I以箭形符號B I表示)，與發(fā)電機軸72嚙合，將動力傳遞到發(fā)電機70。棘輪90在連接件30的第2水平旋轉方向(圖I以箭形符號B2表示)，與發(fā)電機軸72分離，動力不被傳遞到發(fā)電機70。棘輪90的構造與常見自行車后輪的棘輪大體上相同。當自然風的風向發(fā)生變化時，風力作用在受風部50上，引起連接件30沿第I水平旋轉方向和第2水平旋轉方向進行往復旋轉。通過棘輪90，只傳動第I水平旋轉方向的動力，而把第2水平旋轉方向的旋轉隔離，這樣傳遞到風向發(fā)電機軸72上的動力，就變成只有第I水平旋轉方向的單方向旋轉，驅動風向發(fā)電機70發(fā)電。本發(fā)明實施例I的風力發(fā)電裝置101，在微風時能有效地發(fā)電，又具有強風時自動保護的功能。圖2A 圖2C是實施例I的側視圖，表示受風部50與風速的關系。圖2A表示低風速的弱風情況，圖2B表示中等風速的情況，圖2C表示高風速的強風情況。受風部50上產生的風力，與其正對于迎風方向的有效迎風面積成正比。受風部50的有效迎風面積，等于它在迎風方向的投影面積。當受風部50遭遇弱風時，受風部50在迎風方向的投影面積S I較大，此時受風部50上產生的風壓力較大，即使是弱風也能推動受風部50進行發(fā)電。而一般的風輪式發(fā)電裝置，因為在弱風時不能發(fā)電，必須設置在年均風速較高的強風地區(qū)。本發(fā)明實施例I的風力發(fā)電裝置101，因為在低風速時也能有效地發(fā)電，所以可以設置在年均風速較低的弱風地區(qū)，大大擴展了風力發(fā)電的應用地區(qū)范圍。當受風部50遭遇強風時，受風部50正對于迎風方向的投影面積S3較小，此時在 受風部50上產生的風壓力自動減小，作用到旋轉軸40和支柱20上的受力也自動變小，這樣就不必使用特別堅固的支軸和支柱等支撐機構，使實施例I的風力發(fā)電裝置具有很好的抗強風性。傳統的風輪式風力發(fā)電機的葉片旋轉速度與風速成正比，強風時葉片旋轉過快，會出現超速而導致部件的損壞。為了防止風輪葉片在強風中超速運轉，需要增加一個自動剎車系統，在風速超過一定速度之后，啟動剎車系統使風輪葉片停轉，以保護整個風力發(fā)電系統。這樣的自動剎車系統不僅容易出故障，而且需要經常有人監(jiān)控維修。自動剎車系統不僅提高了旋轉風輪式風力發(fā)電裝置的造價，也造成系統的故障率高，導致運行成本高昂。現行的風輪式風力發(fā)電機的故障，大半是出在強風保護裝置上。而本發(fā)明實施例I的風力發(fā)電裝置，因為具有強風自動保護功能，不需要復雜的自動剎車系統，不僅大幅地降低了風力發(fā)電裝置的制造成本，同時還大大減少了風力發(fā)電裝置發(fā)生故障的可能性。衡量風力發(fā)電機優(yōu)劣的最重要指標之一是抗強風性能。現行的風輪式風力發(fā)電機的故障，絕大多數是因為強風造成的。因為風輪式風力發(fā)電機的抗強風性較差，遇到強風時，輕則造成強風保護裝置的故障，重則造成葉片或機軸的折斷或損壞。本發(fā)明的風力發(fā)電機具有優(yōu)異的抗強風性能，本發(fā)明的風力發(fā)電機的優(yōu)異抗強風性能來自三個設計。第一個設計是可分離的風帆部分，遇到超強風時，風帆部分自動脫落，保護風力發(fā)電機本體不至于損壞；第二個設計是風帆的有效迎風面積可隨風速自動改變，高風速的強風時，風帆的有效迎風面積自動減小，使風力發(fā)電機的旋轉軸和支柱上的受力大為減?。坏谌齻€設計是風帆可以在垂直方向360度自由旋轉，同時還可以在水平方向360度自由旋轉，沒有強制的限位系統，使風帆上受到的風能可以自由釋放。第一個設計的可分離風帆系統在前面已經說明，這里說明第二個設計，即有效迎風面積隨風速自動改變的受風部系統。為了確認受風部的有效迎風面積隨風速自動改變的效果，我們這里進行模擬計算，對比迎風面積固定的受風部與迎風面積可變的受風部的受力情況。受風部上產生的風壓力，使用空氣動力學的標準風壓公式(數學式I)進行計算。數學式IF = Cd I pV2A
數學式I中，F是風壓力(單位N) ;Cd是為風阻系數，這里平面風帆的Cd= 1.2、V是風速(m/s)、P是空氣密度(I. 29kg/m3)、A是風帆面積(m2)。這里模擬計算的風帆尺寸為高4米，長3米，模擬計算的結果見表I。表I
權利要求
1.一種風力發(fā)電裝置，其特征在于，所述的風力發(fā)電裝置包括水平方向伸展的能夠360度自由旋轉的旋轉軸、固定在所述旋轉軸上的受風部、支撐所述旋轉軸和受風部的連接件、支撐所述連接件的垂直方向伸展的支柱、第I風速發(fā)電機以及把所述旋轉軸的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I風速發(fā)電機的第I傳動機構。
2.如權力要求I所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，所述受風部的重心與所述支柱的中心不重合，形成偏心構造。
3.如權力要求I和權力要求2所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括自動變速機構，能根據所述受風部的展開角度的不同，改變所述第I傳動機構的轉速傳動比。
4.如權力要求3所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，所述自動變速機構具有半徑不同的多個扇形齒輪，以及與多個扇形齒輪同樣數目的多個傳動機構，每個扇形齒輪對應一個傳動機構，將不同傳動比的旋轉傳遞到所述第I風速發(fā)電機。
5.如權力要求I至權力要求4所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括第2風速發(fā)電機，以及把所述旋轉軸的第2轉動方向的旋轉傳遞到所述第2風速發(fā)電機的第2傳動機構。
6.如權力要求5所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括一個中間傳動裝置，在所述第I傳動機構的動作區(qū)域內，所述中間傳動裝置把所述旋轉軸的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I傳動機構，在所述第2傳動機構的動作區(qū)域內，所述中間傳動裝置把所述旋轉軸的第2轉動方向的旋轉傳遞到所述第2傳動機構，當所述旋轉軸處于所述第I傳動機構的動作區(qū)域內時，所述中間傳動裝置把所述第2傳動機構分離出傳動體系，當所述旋轉軸處于所述第2傳動機構的動作區(qū)域內時，所述中間傳動裝置把所述第I傳動機構分離出傳動體系。
7.如權力要求6所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，所述中間傳動裝置由半圓形的齒輪構成。
8.如權力要求I至7中任一項所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，還包括第I風向發(fā)電機，把所述連接件的第I轉動方向的旋轉傳遞到所述第I風向發(fā)電機的第3傳動機構。
9.如權力要求I至8中任一項所述的風力發(fā)電裝置，其特征在于，所述受風部由框架和固定在框架上的帆布構成，所述框架和所述帆布由多個連接部相連接，所述連接部在受到規(guī)定的外力以上時，會發(fā)生斷裂，使所述帆布與所述框架分離。
全文摘要
一種風力發(fā)電裝置，主體構成如下，由框架和固定在框架上的帆布構成的受風部，固定所述受風部的水平方向伸展的旋轉軸，支撐所述旋轉軸的連接件，支撐所述連接件的垂直方向伸展的支柱，風力發(fā)電機，把所述旋轉軸的旋轉動力傳遞到所述風力發(fā)電機的傳動機構。
文檔編號H02K7/116GK102797626SQ201110132250
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月23日 優(yōu)先權日2011年5月23日
發(fā)明者梁濤 申請人:蘇州思云新能源有限公司