專利名稱：一種風帆式發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電領(lǐng)域，具體的涉及一種風帆式發(fā)電機。
背景技術(shù)：
通常人們在談到風力發(fā)電機時就會聯(lián)想到一個巨大的螺旋槳矗立在空中，它的槳 葉固定在水平軸上迎風旋轉(zhuǎn)，因此漿葉的受風做功面為迎風的圓形碟形平面。通常也被稱 之為螺旋槳式風力發(fā)電機，在此簡稱為槳式風力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其實目前實用的風力發(fā)電機還有一種形式，它有點象直立的打蛋器，運行時繞垂 直軸旋轉(zhuǎn)，側(cè)面受風，被稱之為Darrieus型風力發(fā)電機。它的弧形槳葉固定在垂直軸上繞 垂直軸旋轉(zhuǎn)，因此槳葉的受風做功面為上下尖錐的圓筒形的立體表面，可以想象在相同的 迎風面積下它可以從風中獲取更多的能量。在此簡稱為D式風力發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。但以上兩種風力發(fā)電機都存在風-電轉(zhuǎn)換效率不高、風的耦合效果差、單機功率 小、對風場擾動大等問題。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種風-電轉(zhuǎn)換效率高、單機 輸出功率高的風帆式發(fā)電機。為了解決上述技術(shù)問題，實現(xiàn)上述技術(shù)效果，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案—種風帆式發(fā)電機，包括一塔體基座，所述塔體基座上設(shè)置有塔體基臺，所述塔體 基臺上設(shè)置有一組回轉(zhuǎn)軸承，所述回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)設(shè)置有一塔體主軸，所述塔體主軸的下端與 聯(lián)軸器的上端固定連接，所述聯(lián)軸器的下端與一發(fā)電機連接，所述塔體主軸外側(cè)通過風帆 支撐臂分布設(shè)置有多個以獲得風動力驅(qū)動所述塔體主軸公轉(zhuǎn)的風帆，所述風帆與控制所述 風帆進行自轉(zhuǎn)的外置驅(qū)動裝置連接。進一步的，以其中的一組風帆支撐臂和連接于其外端的風帆為例，所述風帆的自 轉(zhuǎn)方向與所述塔體主軸的公轉(zhuǎn)方向相反，所述風帆自轉(zhuǎn)一周的同時所述塔體主軸反方向公 轉(zhuǎn)一周，所述風帆的前緣永遠指向風向，所述風帆的等效平面與風向的夾角稱為迎角，所述 外置驅(qū)動裝置驅(qū)動風帆旋轉(zhuǎn)使得所述迎角沿所述塔體主軸旋轉(zhuǎn)的圓周上按函數(shù)規(guī)律作數(shù) 學解析。進一步的，所述數(shù)學解析的曲線滿足以下關(guān)系以所述塔體主軸回轉(zhuǎn)的平面坐標 系的縱坐標作為風的入射方向，所述固定于塔體主軸的風葉支撐臂與回轉(zhuǎn)平面坐標系的橫 坐標的夾角稱為回轉(zhuǎn)角度自變量，當所述塔體主軸的回轉(zhuǎn)角度自變量在第一和第四象限的 區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)上升或下降；當所述塔體主軸的回轉(zhuǎn)角度自變量在第二和第三象限 的區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)下降或上升。進一步的，所述解析函數(shù)中最大風向迎角的取值范圍為0°至45°。進一步的，所述風帆的自轉(zhuǎn)軸心選擇在接近所述風帆的壓力中心位置，選擇范圍為距所述風帆前緣25% -40%的長度。進一步的，所述風帆的橫截面為一對稱的流線型機翼結(jié)構(gòu)。進一步的，所述風帆等分分布在所述塔體主軸的圓周位置上。優(yōu)選地，所述塔體主軸的圓周位置上至少均勻分布設(shè)置有3個所述風帆。優(yōu)選地，所述風帆為一整體結(jié)構(gòu)或者為一由多段翼片同軸串聯(lián)后同步驅(qū)動的組合 結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的風帆式發(fā)電機由于風帆的受風做功面是圓柱形的立體 表面，因此風-電轉(zhuǎn)換效率較高，同時由于發(fā)電機安裝于地面，工作重心非常低，設(shè)備的強 度要求比低，因此它可獲得較大的單機輸出功率。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。 本發(fā)明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中槳式風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中D式風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的風帆及塔體主軸運行軌跡示意圖。圖中標號說明1、塔體基座，2、塔體基臺，3、聯(lián)軸器，4、回轉(zhuǎn)軸承，5、塔體主軸，6、 發(fā)電機，7、風帆支撐臂，8、風帆，9、翼片，10、外置驅(qū)動裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)實施過程做進一步說明。參見圖3所示，一種風帆式發(fā)電機，包括一塔體基座1，所述塔體基座1上設(shè)置有 塔體基臺2，所述塔體基臺2上設(shè)置有一組回轉(zhuǎn)軸承4，所述回轉(zhuǎn)軸承4內(nèi)設(shè)置有一塔體主 軸5，所述塔體主軸5的下端與聯(lián)軸器3的上端固定連接，所述聯(lián)軸器3的下端與一發(fā)電機 6連接，所述塔體主軸5外通過風帆支撐臂7分布設(shè)置有多個以獲得風動力驅(qū)動所述塔體主 軸5公轉(zhuǎn)的風帆8，所述風帆8與控制所述風帆8進行自轉(zhuǎn)的外置驅(qū)動裝置10連接。進一步的，參見圖4所示，進一步的，以其中的一組風帆支撐臂7和連接于其外端 的風帆8為例，所述風帆8的自轉(zhuǎn)方向與所述塔體主軸5的公轉(zhuǎn)方向相反，所述風帆8自轉(zhuǎn) 一周的同時所述塔體主軸5反方向公轉(zhuǎn)一周，所述風帆8的前緣永遠指向風向，所述風帆8 的等效平面與風向的夾角稱為迎角，所述外置驅(qū)動裝置10驅(qū)動風帆8旋轉(zhuǎn)使得所述迎角沿 所述塔體主軸5旋轉(zhuǎn)的圓周上按函數(shù)規(guī)律作數(shù)學解析。進一步的，所述數(shù)學解析的曲線滿足以下關(guān)系以所述塔體主軸5回轉(zhuǎn)的平面坐 標系的縱坐標作為風的入射方向，所述固定于塔體主軸5的風葉支撐臂7與回轉(zhuǎn)平面坐標 系的橫坐標的夾角稱為回轉(zhuǎn)角度自變量，當所述塔體主軸5的回轉(zhuǎn)角度自變量在第一和第 四象限的區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)上升或下降；當所述塔體主軸5的回轉(zhuǎn)角度自變量在第二 和第三象限的區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)下降或上升。進一步的，所述解析函數(shù)中最大風向迎角的取值范圍為0°至45°。
進一步的，所述風帆8的自轉(zhuǎn)軸心選擇在接近所述風帆8的壓力中心位置，選擇范 圍為距所述風帆8前緣25% -40%的長度。進一步的，所述風帆8的橫截面為一對稱的流線型機翼結(jié)構(gòu)。進一步的，所述風帆8等分分布在所述塔體主軸5的圓周位置上。優(yōu)選地，所述塔體主軸5的圓周位置上至少均勻分布設(shè)置有3個所述風帆8。優(yōu)選地，所述風帆8為一整體結(jié)構(gòu)或者為一由多段翼片9同軸串聯(lián)后同步驅(qū)動的 組合結(jié)構(gòu)。以下結(jié)合圖1、圖2中槳式風力發(fā)電機與D式風力發(fā)電機對本發(fā)明作進一步的詳細 說明(1)迎風面積的比較*.槳式風力發(fā)電機的迎風面積是螺旋槳所劃過的碟形平面，也是螺旋槳受風做功 的平面，其工作寬度等于螺旋槳長度的兩倍。以IMW的機型為例按槳葉數(shù)3葉、槳葉長27 米計算，迎風面積為2290平方米，工作寬度為M米，受風做功面積與迎風面積相同。*. D式風力發(fā)電機是圓筒形的受風面，做功的面為圓筒形的表面，它是立體受風 的。因此風的耦合效率比螺旋槳式風力發(fā)電機的高。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機是圓柱形的受風面，它也是立體受風的。圓柱形受風面 要比圓筒形受風面可得到更大的軸功率。因此風的耦合效率比D式風力發(fā)電機的更高。我 們以1麗的機型為例，按風帆數(shù)6葉、風帆高27米、回轉(zhuǎn)半徑9米計算迎風面積為486平 方米(是槳式的1/5略多)，受風做功面積為1527平方米(是槳式的2/ ，工作寬度為18 米(是槳式的1/3)。(2)葉尖線速度比較*.槳式風力發(fā)電機槳葉尖線速度與旋轉(zhuǎn)速度和槳葉長等均成正比。為了從風中有 效獲得能量，槳葉線速度就需要非常高。以1麗的機型為例槳葉長27米，旋轉(zhuǎn)速度為25 轉(zhuǎn)/分鐘，槳葉尖線速度達到71米/秒。*. D式風力發(fā)電機的槳葉兩端是固定在垂直軸上的，槳葉中點是其槳葉線速度最 大的點。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的風帆線速度處處相等而與風帆長無關(guān)，因此，風帆是 均勻出力的，與風的耦合最好。在風帆長度方向可設(shè)置多個支點固定，風帆的強度要求低。 以1麗的機型為例按回轉(zhuǎn)速度45米/分、回轉(zhuǎn)半徑9米計算，風帆線速度為42. 5米/秒， 是槳式的60%。(3)迎角與風力場耦合比較*.為了很好地與風耦合，槳式風力發(fā)電機槳葉的迎角沿長度方向是連續(xù)變化的， 根部最大而葉尖最小，這是螺旋槳的典型形態(tài)。通常它只匹配于某一特定風速，而且迎角的 調(diào)節(jié)特性是非線性的。讓其進入失速狀態(tài)雖然可以很好地簡化調(diào)節(jié)方法以適應(yīng)不同的風 速。但是槳葉尾流中的紊流加大，與風的耦合狀態(tài)變差，增加風阻，加大對風場的擾動，不利 于集群發(fā)電。*. D式風力發(fā)電機的槳葉兩端是固定在垂直軸上的，槳葉中點是其槳葉線速度最 大的點。槳葉尾流中的紊流大，對風力場的擾動大。不適合風力場集群發(fā)電。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的同一風帆長度方向線速度處處相等即，迎角亦處處相等，與飛機的機翼相仿，因此可以通過調(diào)節(jié)迎角線性地調(diào)節(jié)軸功率。風帆尾流中無紊流或紊 流較小，風的耦合效率最高，對風力場的擾動最小。特別適合風力場集群發(fā)電。(4)槳葉的出力比較*.槳式風力發(fā)電機槳葉距葉尖40%長度其覆蓋的面積占到64%，而距根部的 60%長度其覆蓋面積僅占36%。槳葉根部的60%長度以強度為主從而抵抗空氣強大的切 變力和離心力并傳遞動力，而僅尖部的40%長以葉形為主從而獲得良好的空氣動力學性能 從空氣中獲得動力。因此，槳葉做功的效率并不高。D式風力發(fā)電機的槳葉兩端是固定在垂直軸上的，槳葉兩端各20%的部分出力 很小，中間60%的部分為主要出力段。但是中間出力段所覆蓋的面積可達到60%以上，因 此，做功效率比槳式風力發(fā)電機的為高。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機風帆長度方向的單位面積出力處處相同。在回轉(zhuǎn)方向 的-30°至+30°以及150°至210°區(qū)間出力很小占全部做功面積的1/3，而其余的做功段 的出力占到全部做功面積的2/3，做功效率比D式風力發(fā)電機高。有效降低風帆的設(shè)計強 度，(5)風向指向性比較*.槳式風力發(fā)電機槳葉的旋轉(zhuǎn)碟形平面必須正對風向才能獲取最大的能量。因 此，它有嚴格的風向指向性。*. D式風力發(fā)電機無風向指向性。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的風帆迎角必須以風向作為參考點沿運行圓周作數(shù)學 解析。因此，它同樣有嚴格的風向指向性。(6)極限保護比較*.保護槳式風力發(fā)電機免遭臺風襲擊的最為行之有效的方法是使回轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn) 90°，與風向正交，使軸功率為零從而保護風力發(fā)電機。但是槳葉各點的迎角不同仍將受到 強大的風切變力，在臺風等極限天氣下容易受到破壞。*. D式風力發(fā)電機的槳葉是固定的，無法提供極限保護。*.通過控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)使的本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的每一個風帆的風向迎角恒 等于零，軸功率為零，從而有效保護風力發(fā)電機免遭臺風襲擊。(7)工作重心比較*.槳式風力發(fā)電機的所有運行部件均設(shè)置于直立塔體的頂端，其重心非常高。以 IMW的機型為例其槳葉長約為27米，塔高應(yīng)在槳葉長的1. 5倍左右約40米；減速機和發(fā) 電機重量約40噸，加上旋轉(zhuǎn)部件塔臺的總重量應(yīng)達到50噸左右。在野外風力場，50噸重的 機器設(shè)置在離地40米的高空運轉(zhuǎn)，其難度和成本可想而知。*. D式風力發(fā)電機的主軸是直立的，主軸所帶動的減速機和發(fā)電機均可設(shè)置于地 面，工作重心很低，難度大大降低。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機與D式風力發(fā)電機相似，同樣具有很低的工作重心。(8)旋轉(zhuǎn)慣量比較*.槳式風力發(fā)電機的槳葉根部均固定于主軸上，主軸連接減速機和發(fā)電機。因此， 旋轉(zhuǎn)慣量小，調(diào)節(jié)響應(yīng)好。*. D式風力發(fā)電機的槳葉安裝于塔式主軸，通過塔式主軸將動力傳遞到地面的減速機和發(fā)電機。因此，旋轉(zhuǎn)慣量大，反應(yīng)遲鈍。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機與D式風力發(fā)電機相似。同樣地，旋轉(zhuǎn)慣量大，反應(yīng)遲 鈍。(9)發(fā)電質(zhì)量比較*.槳式風力發(fā)電機的槳葉旋轉(zhuǎn)運動與風向成正交，軸的出力是平穩(wěn)的。因此發(fā)電
質(zhì)量較好。*. D式風力發(fā)電機的槳葉回轉(zhuǎn)運動與風速相疊加，塔式主軸回旋一周，主軸的出力 沿回旋方向是波動的，電力出力也是波動的。但是塔體的慣性有平滑出力的作用。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的風帆回轉(zhuǎn)運動與風速相疊加，塔式主軸回旋一周，主 軸的出力沿回旋方向是波動的。風帆數(shù)越少波動越大，風帆數(shù)越多波動越小。在采用正弦 函數(shù)作為解析函數(shù)的條件下，五風帆時軸功率出力波動達到38. 5% ；六風帆時軸功率出力 波動減小為18.6%?？梢钥闯觯?shù)确值臉~數(shù)達到6或6以上時，主軸的出力沿回旋方向 可認為達到平滑狀態(tài)。另外，塔式主軸巨大的慣性平滑了主軸的出力，亦可有效改善發(fā)電質(zhì) 量。(10)控制方式比較*.槳式風力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)方式通常采用失速控制，控制特性差。*. D式風力發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)方式通常是固定的。不可調(diào)節(jié)。*.本發(fā)明的風帆式發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)方式是風帆迎角連續(xù)調(diào)節(jié)，軸出力與設(shè)定迎 角幾乎是呈線性的，控制特性好。上述實施例只是為了說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的 普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡 是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實質(zhì)所作出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風帆式發(fā)電機，包括一塔體基座(1)，所述塔體基座(1)上設(shè)置有塔體基臺0)， 所述塔體基臺( 上設(shè)置有一組回轉(zhuǎn)軸承G)，所述回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)設(shè)置有一塔體主軸 (5)，所述塔體主軸(5)的下端與聯(lián)軸器(3)的上端固定連接，所述聯(lián)軸器(3)的下端與一 發(fā)電機(6)連接，其特征在于所述塔體主軸( 外側(cè)通過風帆支撐臂(7)分布設(shè)置有多個 以獲得風動力驅(qū)動所述塔體主軸( 公轉(zhuǎn)的風帆(8)，所述風帆(8)與控制所述風帆(8)進 行自轉(zhuǎn)的外置驅(qū)動裝置(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述風帆(8)的自轉(zhuǎn)方向與所 述塔體主軸(5)的公轉(zhuǎn)方向相反，所述風帆(8)自轉(zhuǎn)一周的同時所述塔體主軸(5)反方向 公轉(zhuǎn)一周，所述風帆(8)的前緣永遠指向風向，所述風帆(8)的等效平面與風向的夾角稱為 迎角，所述外置驅(qū)動裝置(10)驅(qū)動風帆(8)旋轉(zhuǎn)使得所述迎角沿所述塔體主軸( 旋轉(zhuǎn)的 圓周上按函數(shù)規(guī)律作數(shù)學解析。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述數(shù)學解析的函數(shù)曲線滿足 以下關(guān)系以所述塔體主軸(5)回轉(zhuǎn)的平面坐標系的縱坐標作為風的入射方向，所述固定于塔 體主軸(5)的風葉支撐臂(7)與回轉(zhuǎn)平面坐標系的橫坐標的夾角稱為回轉(zhuǎn)角度自變量，當 所述塔體主軸(5)的回轉(zhuǎn)角度自變量在第一和第四象限的區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)上升或下 降；當所述塔體主軸(5)的回轉(zhuǎn)角度自變量在第二和第三象限的區(qū)間內(nèi)，函數(shù)曲線單調(diào)下 降或上升。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述解析函數(shù)中最大風向 迎角的取值范圍為0°至45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述風帆(8)的自轉(zhuǎn)軸心選擇 在接近所述風帆(8)的壓力中心位置，選擇范圍為距所述風帆(8)前緣25%-40%的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述風帆(8)的橫截面為一對 稱的流線型機翼結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述風帆(8)等分分布在所述 塔體主軸(5)的圓周位置上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述塔體主軸(5)的圓周位置 上至少均勻分布設(shè)置有3個所述風帆(8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風帆式發(fā)電機，其特征在于所述風帆(8)為一整體結(jié)構(gòu)或 者為一由多段翼片(9)同軸串聯(lián)后同步驅(qū)動的組合結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風帆式發(fā)電機，包括一塔體基座，所述塔體基座上設(shè)置有塔體基臺，所述塔體基臺上設(shè)置有一組回轉(zhuǎn)軸承，所述回轉(zhuǎn)軸承內(nèi)設(shè)置有一塔體主軸，所述塔體主軸的下端與聯(lián)軸器的上端固定連接，所述聯(lián)軸器的下端與一發(fā)電機連接，所述塔體主軸外側(cè)通過風帆支撐臂分布設(shè)置有多個以獲得風動力驅(qū)動所述塔體主軸公轉(zhuǎn)的風帆，所述風帆與控制所述風帆進行自轉(zhuǎn)的外置驅(qū)動裝置連接。風帆的自轉(zhuǎn)方向與塔體主軸的公轉(zhuǎn)方向相反，風帆自轉(zhuǎn)一周的同時塔體主軸反方向公轉(zhuǎn)一周，風帆的前緣永遠指向風向，風帆的等效平面與風向的夾角在塔體主軸旋轉(zhuǎn)的圓周上按函數(shù)規(guī)律作數(shù)學解析。本發(fā)明的風帆式發(fā)電機風-電轉(zhuǎn)換效率高、單機輸出功率大。
文檔編號F03D3/00GK102072081SQ20101056664
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月12日
發(fā)明者張曉鶴 申請人:張曉鶴