基于低风阻聚风罩的公路用风电互补发电装置的制作方法

本发明涉及一种基于低风阻聚风罩的公路用风电互补发电装置。

背景技术：

风力发电是常见的风能利用方式，技术也较为成熟，几年来风电产业发展迅速，但风能的发电效率较低仍是阻碍其利用的关键因素。高速公路上汽车行驶产生的气流是一种相对比较稳定的风能，但其风速通常较小，难以达到风力发电机所需的最低风速，需要加装聚风增速装置才能将这些风能利用起来。

申请号为201220218756.x的发明专利公开了一种高速公路聚风发电装置，包括固定设置在车流通道一侧的垂直轴风力发电机，以及括至少一只聚风板，各聚风板具有与车流方向相迎的内凹表面，垂直轴风力发电机位于该内凹表面上，聚风板在与垂直轴风力发电机相对应的板面部位上开设有气流导孔。该专利所采用的聚风板为剖切蛋壳状的壳体结构，聚风效果十分有限，并不能起到提高风速的作用。而且垂直轴风力发电机设在聚风板的中部，只有流经聚风板内凹面并通过导孔的气流能作用在发电机叶片上，其余大部分的气流并不会推动发电机叶片转动发电，风能利用率低。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述问题，提供一种基于低风阻聚风罩的公路用风电互补发电装置，将汽车行驶产生的气流进行汇聚以提高风速，并将垂直轴风力发电机设置在合适的位置，增加风能利用率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于低风阻聚风罩的公路用风电互补发电装置，包括气流隔板、聚风罩和垂直轴风力发电机，所述聚风罩为椭球面，聚风罩安装在气流隔板上，聚风罩与气流隔板之间形成聚风通道，所述聚风通道与车流方向相迎的一端为进气口；所述垂直轴风力发电机设在聚风通道的出气口处，垂直轴风力发电机半埋于气流隔板内，垂直轴风力发电机与聚风罩之间形成气流导孔。

优选的，所述聚风罩的内侧壁上设有减阻鳞片。

优选的，所述聚风罩的进气端设有稳流板，避免在聚风通道的进气口处产生涡流扰乱气流。

优选的，所述聚风罩的出气端设有稳流弧片，稳流弧片的横截面为圆弧形，所述圆弧所对应圆心角为20-35度。

优选的，所述的进气口为半椭圆形，进气口的短轴和长轴长度比为1：1.2-1.8，控制进风口面积在一定范围内的同时保证气流能最大量地进入聚风通道，提高聚风罩内进气效率。

优选的，所述出气口和进气口的面积比为1:8-36。

优选的，所述气流导孔与出气口的面积比为1:4-16。

优选的，所述垂直轴风力发电机为磁悬浮风力发电机，发电机转子和定子之间的摩擦力小，风能转化为电能的转化率更高。

优选的，所述磁悬浮风力发电机包括发电机、安装基座和转动部，所述转动部包括转轴、叶片和第一永磁铁，转动部通过转轴设在发电机和安装基座之间，叶片和第一永磁铁固定在转轴上；所述安装基座上设有与第一永磁铁相配合的第二永磁铁，第一永磁铁和第二永磁铁相邻面的极性相同

优选的，所述叶片由碳纤维材质的蜂窝夹层和叶片蒙皮组成，蜂窝夹层包覆于叶片蒙皮内。

在本发明中，经实验测试，当出气口和进气口的面积比介于1:8到1:36之间、气流导孔与出气口的面积比介于1:4到1:16之间时，聚风通道对气流的汇聚加速效果最好。若出气口和进气口面积比过小或气流导孔与出气口的面积比过小，气流会在聚风通道内蓄积，影响进气速度；若出气口和进气口面积比过大或气流导孔与出气口的面积比过大，则会减弱聚风罩对气流的汇聚效果。

本发明的有益效果为：

（1）设置椭球面的聚风罩作为聚风结构，通过聚风通道对气流进行汇聚加速，极大地提高了风能利用率；

（2）聚风罩安装在气流隔板上，气流隔板能将两侧方向相反的气流分隔开，避免设备两侧的气流相互干扰；

（3）垂直轴风力发电机设在聚风通道的出气口处，绝大多数的气流都能通过聚风通道作用在发电机叶片上，风能转化为电能的转化率高；

（4）垂直轴风力发电机半埋于气流隔板内，在迎风面上只有凹面没有凸面，在相同的风速下发电机叶片所受力矩更大，发电量更多；

（5）磁悬浮风力发电机的叶片采用蜂窝夹层为主体，并将其包覆于叶片蒙皮内，大大减轻了发电机叶片重量，降低了发电机运转所需最小风速；

（6）蜂窝夹层的材质为碳纤维，不仅进一步减轻了叶片重量，而且保证叶片具有足够的强度，能长期稳定工作；

（7）聚风罩的内侧壁上设有减阻鳞片，通过减阻鳞片将气流逐步汇聚到出风口处，避免气流与聚风罩内壁产生碰撞损失动能，也避免因聚风罩内不同位置气流流速不同引起涡流。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的a-a线剖面图；

图5为本发明磁悬浮风力发电机的爆炸图；

图6为本发明磁悬浮风力发电机叶片的结构示意图；

图7为本发明减阻鳞片的结构示意图ⅰ；

图8为本发明减阻鳞片的结构示意图ⅱ；

图中：1-气流隔板，2-聚风罩，2.1-稳流板，2.2-稳流弧片，2.3-减阻鳞片，3-垂直轴风力发电机，3.1-发电机，3.2-安装基座，3.3-转动部，3.4-转轴，3.5-叶片，3.6-第一永磁铁，3.7-第二永磁铁，3.8-限位槽，4-聚风通道，4.1-进气口，4.2-出气口，5-气流导孔，6-蜂窝夹层，7-叶片蒙皮。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，基于低风阻聚风罩的公路用风电互补发电装置，包括气流隔板1、聚风罩2和垂直轴风力发电机3，如图2和图3所示，所述聚风罩2为椭球面，聚风罩2安装在气流隔板1上，聚风罩2与气流隔板1之间形成聚风通道4，所述聚风通道4与车流方向相迎的一端为半椭圆形的进气口4.1，进气口4.1的短轴和长轴长度比为1：1.2-1.8；如图4所示，所述垂直轴风力发电机3设在聚风通道4的出气口4.2处，垂直轴风力发电机3半埋于气流隔板1内，垂直轴风力发电机3与聚风罩2之间形成气流导孔5。

传统的垂直轴风力发电机3采用涡轮型笼式结构，是一种典型的阻力型风力机，其工作原理是迎风凹面所受空气动力比凸面大，从而产生一个绕中心轴的转矩，推动风轮转动。常见的聚风垂直轴风力发电机是在传统垂直轴风力发电机3的外围安装导流板，导流板固定且沿圆周均匀分布，当导流板位于一定角度时，能使更多的来流有效冲击叶片的凹面推动风轮转动，又能减少来流对叶片凸面的有害冲击，从而减小阻力力矩。而本发明采用的方法是将垂直轴风力发电机3半埋于气流隔板内，在迎风面上只有凹面没有凸面，在相同的风速下发电机叶片所受力矩更大，发电量更多。

在聚风通道4的进气口4.1处，由于聚风罩2内外两侧空气流速不同，聚风罩2两侧的压强也就不同，部分气流会在进气口4.1处横向流动，进而产生涡流改变空气流向，降低聚风通道4的进气效率。作为进一步改进，在所述聚风罩2的进气端设有稳流板2.1，将聚风罩2两侧压强不同的空气分隔开，阻止气流横向流动，避免产生涡流。

原理同上，为避免在出气口4.2的后方产生涡流降低聚风通道4的排气效率，所以在聚风罩2的出气端设有圆弧形的稳流弧片2.2，稳流弧片2.2的横截面圆弧所对应圆心角为20-35度。

测试结果表明，所述出气口4.2和进气口4.1的面积比为1:8-36，气流导孔5与出气口4.2的面积比为1:4-16时，在进气速度和聚风效果之间实现动态平衡，设备性能达到最佳。

上述垂直轴风力发电机3可采用磁悬浮风力发电机，发电机转子和定子之间的摩擦力更小，风能转化为电能的转化率更高。而且，如图6所示，所用磁悬浮风力发电机叶片主体为碳纤维材质的蜂窝夹层6，蜂窝夹层6包覆于叶片蒙皮7内，大大减轻了发电机叶片重量，降低了发电机运转所需最小风速，同时叶片也具有足够的结构强度保证设备能长时间稳定工作。

具体地，如图5所示，所述的磁悬浮风力发电机由发电机3.1、安装基座3.2和转动部3.3三个部分组成，其中转动部3.3包括转轴3.4、叶片3.5和第一永磁铁3.6，转动部3.3通过转轴3.4设在发电机3.1和安装基座3.2之间。所述的叶片3.5和第一永磁铁3.6固定在转轴3.4上；所述安装基座3.2上设有与第一永磁铁3.6相配合的第二永磁铁3.7，第一永磁铁3.6和第二永磁铁3.7相邻面的极性相同。为了获得较好的平衡，增强风力发电机运行的稳定性，第一永磁铁3.6和第二永磁铁3.7通常为圆环形状的。

安装时，转轴3.4的下端插入安装基座3.2中心的限位槽3.8内，转轴3.4的上端插入发电机3.1与发电机3.1的转子连接。安装完成后，第一永磁铁3.6和第二永磁铁3.7的中心轴线处于同一直线上，第一永磁铁3.6和第二永磁铁3.7相互排斥使转动部3.3悬浮起来。

在实际测试过程中，实验人员发现，当风速超过一定的值后，聚风罩2内会产生绕聚风罩2中心轴线旋转的涡流，引起发电机3.1发电速度骤减。其原因是聚风罩2对气流的聚集效果有限，风速过大时，气流会与聚风罩2的内壁产生碰撞，进而引发乱流。为避免这种情况发生，如图7和图8所示，研究人员在聚风罩2的内侧壁上设有弧状的减阻鳞片2.3来增强聚风罩2对气流的聚集能力。当气流沿减阻鳞片2.3流动时，气流从减阻鳞片2.3的开口部流向聚合部，每流经一个减阻鳞片2.3，气流都会向中心方向汇聚。

在地势较为偏僻的高速公路上，为相关公路设施设备供电目前仍是一个难题，因为架设电线的建造和维护成本太高，也容易出故障。作为进一步改进，可以在本发明现有的结构上增设蓄电池和太阳能电池板，组成一套能稳定供电的风光互补系统，作为高速公路上的独立供电设备提供电能。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。