专利名称：风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用自然风的力量进行风力发电的风力发电装置。
背景技术：
风力本身是免费的和随处可得的，但怎样利用随处可得的免费风力，却需要人们的智慧。早在19世纪末欧洲就出现了利用风轮进行发电的尝试。但至今为止，我们还无法大规模地普及利用免费的风力进行发电，主要是因为现行的风轮式风力发电装置存在严重的技术问题。风轮式风力发电机的第一个技术问题，是发电成本太高，风轮式风力发电机的发电价格大约是火力发电价格的4倍。因此现在世界各国的风力发电，都不得不依靠政府的财政补贴扶持，风力发电的规模越大，政府的财政负担就越重。所以要想大规模地普及风力 发电，就必须解决风力发电的成本问题，把风力发电的价格下降到与火力发电相近的程度，这样风力发电才会具有真正的竞争力。风轮式风力发电机的发电成本高，是因为现行的风轮式风力发电机组的造价太高。因为自然风的风力变化幅度很大，风轮式风力发电机的风轮必须能承受台风等非常强列的暴风，例如12级台风的平均风速为34m/s，此时在I. 5丽级风轮式风力发电机的叶片上产生高达数千吨的风压力，因此风轮的叶片、转轴等必须采用昂贵的高强度材料，这就使风轮式风力发电机的造价变得十分昂贵。风轮式风力发电机的第二个技术问题，是抗强风性差。因为长达数十米的旋转风轮叶片，只有叶片根部一个支撑点，所以受力非常不平衡，容易损坏。尽管采用高强度的材料制作叶片，并采用专门的卸载装置控制叶片上的风压，但仍然难于避免来自强风的破坏。风轮式风力发电机的故障原因，80%以上是因为强风造成的各种损坏。因此抗强风性能的好坏，对于风力发电机来说是至关重要的。风轮式风力发电机的第三个技术问题，是在弱风时无法发电。因为风轮要达到抵抗强风的强度，所以风轮就被制作得十分厚重，这种沉重的风轮无法被低风速的弱风驱动，也就使得风轮式风力发电机无法设置在年均风速较低的弱风地区，大大限制了风力发电的应用范围。风轮式风力发电机还有其他的技术问题。例如长度数十米的整体叶片，很难运送到道路条件不好的边远地区，风轮高速旋转会产生较大的噪音，有时还会打死鸟类。为了取代技术问题较多的风轮式风力发电机，人们想出了一些不使用旋转风轮发电的方案和专利，例如风帆方式发电、风筝方式发电、气球方式发电、压电体发电(Piezoelectrics)、电气体发电(Electrohydrodynamic)等。但至今为止，这些不使用旋转风轮的风力发电技术，还都停留在想象或实验室阶段，还没有一种不使用风轮的风力发电机能够达到实用发电的程度
发明内容
为了克服现行风轮式风力发电机的上述各种技术问题，本发明的目的在于提供一种不使用旋转风轮，而使用风帆的新型风力发电装置。这种风帆式的新型风力发电装置不需要高昂的高强度材料，可以实现低成本，而且具有良好的抗强风性，低风速时能发电，故障率低，噪音低，不会伤害鸟类。本发明的风帆式风力发电装置，简单描述如下。垂直方向延伸的立柱。上述立柱的一端固定于地面，另一端安装有一个可以在水平方向做360度自由旋转的连接件。上述连接件安装有一个水平方向延伸的旋转轴。上述旋转轴可以在垂直方向做360度的自由旋转。上述旋转轴上固定有类似于风帆的受风部。自然风吹到风帆式的受风部上，引起上述旋转轴的旋转。上述旋转轴的旋转动力，通过一套传动装置传递到一台发电机上，驱动发电机发电。具体而言，所述的风力发电装置包括水平方向伸展的能够360度自由旋转的旋转轴、固定在所述旋转轴上的受风部、支撑所述旋转轴和受风部的连接件、支撑所述连接件的垂直方向伸展的支柱、第I风速发电机以及把所述旋转轴的第I转动方向的旋转传递到所述第I风速发电机的第I传动机构。
所述的风力发电装置，其中，所述受风部的重心与所述支柱的中心不重合，形成偏心构造。所述的风力发电装置，其中，还包括自动变速机构，能根据所述受风部的展开角度的不同，改变所述第I传动机构的转速传动比。所述的风力发电装置，其中，所述自动变速机构具有半径不同的多个扇形齿轮，以及与多个扇形齿轮同样数目的多个传动机构，每个扇形齿轮对应一个传动机构，将不同传动比的旋转传递到所述第I风速发电机。所述的风力发电装置，其中，还包括第2风速发电机，以及把所述旋转轴的第2转动方向的旋转传递到所述第2风速发电机的第2传动机构。所述的风力发电装置，其中，还包括一个中间传动装置，在所述第I传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第I转动方向的旋转传递到所述第I传动机构，在所述第2传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第2转动方向的旋转传递到所述第2传动机构，当所述旋转轴处于所述第I传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第2传动机构分离出传动体系，当所述旋转轴处于所述第2传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第I传动机构分离出传动体系。所述的风力发电装置，其中，所述中间传动装置由半圆形的齿轮构成。所述的风力发电装置，其中，还包括第I风向发电机，把所述连接件的第I转动方向的旋转传递到所述第I风向发电机的第3传动机构。所述的风力发电装置，其中，所述受风部由框架和固定在框架上的帆布构成，所述框架和所述帆布由多个连接部相连接，所述连接部在受到规定的外力以上时，会发生断裂，使所述帆布与所述框架分离。本发明的风力发电装置，不是利用自然风的速度进行发电，而是利用自然风的速度变化进行发电。自然风的风速是不停变化的，树木在自然风中不停摇动，就是因为风速不停变化的缘故。不停变化的风，吹动风帆不停摇动，风帆的摇动又引起旋转轴的不停旋转，旋转轴的不停地旋转又带动发电机不停地发电。
本发明的风力发电装置，因为使用布质的风帆构造，结构简单，不必使用高昂的高强度材料，大大降低了风力发电机的制造成本。本发明的风力发电装置，在强风的情况下能自动减小迎风面积，从而风力发电机上受到的风压力大为减小，大大提高了风力发电机的抗强风性，也同时减少了风力发电机
的故障率。本发明的风力发电装置，因为不是利用自然风的速度进行发电，而是利用自然风的速度变化进行发电，所以在弱风的情况下也能高效率的发电，可以设置在广大年均风速较低的弱风地区，大大扩展了风力发电应用范围。本发明的风力发电装置，因为没有旋转的风轮，运转时噪音小，也不会打死打伤鸟类。而且本发明风力发电装置的风帆部可以分解，在搬运方面也很方便。目前已发表的采用风帆的风力发电装置的有关专利，有法国专利FR526804A，美国 专利US4104006，美国专利US7157805，美国专利申请2008/0036214。
附图中示出了优选和可替代的本发明实施例。附图不应理解成限制本发明的范围，本发明的范围在权力要求书中说明。图I是本发明的第I实施例的风力发电装置的斜视图；图2A、图2B、图2C是图I所示的第I实施例的受风部在不同风速情况下的动作示意图；图3A、图3B是图I所示第I实施例的受风部和风向的关系示意图；图4是本发明的第2实施例的风力发电装置的斜视图；图5是本发明的第3实施例的风力发电装置的斜视图；图6是本发明的第4实施例的风力发电装置的斜视图；图7A、图7B、图7C、图7D、图7E是图6所示第4实施例的动作示意图；图8是本发明的第5实施例的风力发电装置的自动变速部分的平面图；图9A、图9B、图9C是图8所示第5实施例的自动变速部分的侧视图及动作示意图；图10是本发明的第6实施例的风力发电装置的斜视图。
具体实施例方式以下将参照图I到图10，对本发明的风力发电装置的实施例进行详细说明。总的说来，本发明是利用自然风的风速变化进行发电的新型风力发电装置，与传统的直接利用自然风的风速进行发电的风力发电装置，在动作原理上有较大差异。另外，从图I到图10，凡是同样或相当的构成要素，将省略对同样符号进行重复说明。图I是本发明的风力发电装置的第I实施例的斜视图。第I实施例的风力发电装置101，被设置在地面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的内部用于通过连接发电机的电缆(图中未示出)。中空支柱20的上端设有连接件30，连接件30可以以中空支柱20为中心，在水平方向做360度的自由旋转。水平方向延伸的旋转轴40贯穿连接件30，在贯穿连接件30的部分设有轴承(图中未示出)，旋转轴40被设置在轴承上，旋转轴40可以以连接件30的轴承为中心在垂直方向做360度的自由旋转。旋转轴40下方固定有两个类似于风帆的受风部50。图I所示的受风部50，以支柱20为中心左右对称设置。每个受风部50，包括受风的风帆52，被固定在旋转轴40下方的框架54，以及联结风帆52与框架54的联结部56。框架54由铝合金等轻量金属构成，风帆52由高强度尼龙等轻量布质素材构成，这样可以使受风部50轻量化。受风部50的轻量化，使微风也能推动风帆，更有效地进行发电。联结部56被设计成在一定的受力以上就发生断裂的自动断裂构造。联结部56断裂后，风帆52和框架54发生分离。在遭遇突然发生的瞬间性超强突风时，风帆52上产生的风力超过联结部56的断裂力，此时联结部56自动断裂，风帆52和框架54分离，保护风力发电装置不至于被超强突风破坏。当风吹到受风部50的时候，风力推动受风部50发生转矩，此时受风部50和旋转轴40的两者构成的整体，将以连接件30内部的轴承为中心，在垂直方向进行旋转。当自然风的风速发生变化时，受风部50上产生的转矩也发生变化，因此受风部50和旋转轴40的两者构成的整体将随着风速的变化发生旋转。同样，当自然风的风向发生变化时，受风部50上产生的转矩也发生变化，此时受风部50和旋转轴40以及连接件30的三者构成的整体，将以中空支柱20为中心，随着风速的变化在水平方向发生旋转。本实施形态的风力发电装置101，设置有两台发电机。发电机60是根据风速的变化而发电的发电机，简称风速发电机。发电机70是根据风向的变化而发电的发电机，简称风向发电机。当自然风的风速发生变化时，引起受风部50和旋转轴40—起在垂直方向进行旋转。旋转轴40发生的旋转,通过第I传动机构,把动力传递到风速发电机60上,驱动风速发电机60产生电力。当自然风的风向发生变化时，引起受风部50和连接件30 —起在水平方向进行旋转。连接件30的旋转，通过第3传动机构，把动力传递到风向发电机70上，驱动风向发电机70产生电力。第I传动机构由齿轮42、外部有齿的棘轮80和发电机轴62组成。棘轮80在旋转轴40的第I垂直旋转方向(图I中以箭形符号Al表不),与发电机轴62 B齿合,将动力传递 到发电机60。棘轮80在旋转轴40的第2垂直旋转方向(图I中以箭形符号A2表示)，与发电机轴62分离，动力不被传递到发电机60。棘轮80的构造与常见自行车后轮的棘轮大体上相同。当自然风的风速发生变化时，风力作用在受风部50上，引起旋转轴40沿第I垂直旋转方向和第2垂直旋转方向进行往复旋转。通过棘轮80，只传递第I垂直旋转方向的动力，而把第2垂直旋转方向的旋转隔离，这样传递到风速发电机轴62上的动力，变成只有第I垂直旋转方向的单方向旋转，驱动风速发电机60发电。第3传动机构由齿轮22、外部有齿的棘轮90和发电机轴72组成。棘轮90在连接件30的第I水平旋转方向(图I以箭形符号B I表示)，与发电机轴72啮合，将动力传递到发电机70。棘轮90在连接件30的第2水平旋转方向(图I以箭形符号B2表示)，与发电机轴72分离，动力不被传递到发电机70。棘轮90的构造与常见自行车后轮的棘轮大体上相同。当自然风的风向发生变化时，风力作用在受风部50上，引起连接件30沿第I水平旋转方向和第2水平旋转方向进行往复旋转。通过棘轮90，只传动第I水平旋转方向的动力，而把第2水平旋转方向的旋转隔离，这样传递到风向发电机轴72上的动力，就变成只有第I水平旋转方向的单方向旋转，驱动风向发电机70发电。本发明实施例I的风力发电装置101，在微风时能有效地发电，又具有强风时自动保护的功能。图2A 图2C是实施例I的侧视图，表示受风部50与风速的关系。图2A表示低风速的弱风情况，图2B表示中等风速的情况，图2C表示高风速的强风情况。受风部50上产生的风力，与其正对于迎风方向的有效迎风面积成正比。受风部50的有效迎风面积，等于它在迎风方向的投影面积。当受风部50遭遇弱风时，受风部50在迎风方向的投影面积S I较大，此时受风部50上产生的风压力较大，即使是弱风也能推动受风部50进行发电。而一般的风轮式发电装置，因为在弱风时不能发电，必须设置在年均风速较高的强风地区。本发明实施例I的风力发电装置101，因为在低风速时也能有效地发电，所以可以设置在年均风速较低的弱风地区，大大扩展了风力发电的应用地区范围。当受风部50遭遇强风时，受风部50正对于迎风方向的投影面积S3较小，此时在 受风部50上产生的风压力自动减小，作用到旋转轴40和支柱20上的受力也自动变小，这样就不必使用特别坚固的支轴和支柱等支撑机构，使实施例I的风力发电装置具有很好的抗强风性。传统的风轮式风力发电机的叶片旋转速度与风速成正比，强风时叶片旋转过快，会出现超速而导致部件的损坏。为了防止风轮叶片在强风中超速运转，需要增加一个自动刹车系统，在风速超过一定速度之后，启动刹车系统使风轮叶片停转，以保护整个风力发电系统。这样的自动刹车系统不仅容易出故障，而且需要经常有人监控维修。自动刹车系统不仅提高了旋转风轮式风力发电装置的造价，也造成系统的故障率高，导致运行成本高昂。现行的风轮式风力发电机的故障，大半是出在强风保护装置上。而本发明实施例I的风力发电装置，因为具有强风自动保护功能，不需要复杂的自动刹车系统，不仅大幅地降低了风力发电装置的制造成本，同时还大大减少了风力发电装置发生故障的可能性。衡量风力发电机优劣的最重要指标之一是抗强风性能。现行的风轮式风力发电机的故障，绝大多数是因为强风造成的。因为风轮式风力发电机的抗强风性较差，遇到强风时，轻则造成强风保护装置的故障，重则造成叶片或机轴的折断或损坏。本发明的风力发电机具有优异的抗强风性能，本发明的风力发电机的优异抗强风性能来自三个设计。第一个设计是可分离的风帆部分，遇到超强风时，风帆部分自动脱落，保护风力发电机本体不至于损坏；第二个设计是风帆的有效迎风面积可随风速自动改变，高风速的强风时，风帆的有效迎风面积自动减小，使风力发电机的旋转轴和支柱上的受力大为减小；第三个设计是风帆可以在垂直方向360度自由旋转，同时还可以在水平方向360度自由旋转，没有强制的限位系统，使风帆上受到的风能可以自由释放。第一个设计的可分离风帆系统在前面已经说明，这里说明第二个设计，即有效迎风面积随风速自动改变的受风部系统。为了确认受风部的有效迎风面积随风速自动改变的效果，我们这里进行模拟计算，对比迎风面积固定的受风部与迎风面积可变的受风部的受力情况。受风部上产生的风压力，使用空气动力学的标准风压公式(数学式I)进行计算。数学式IF = Cd I pV2A
数学式I中，F是风压力(单位N) ;Cd是为风阻系数，这里平面风帆的Cd= 1.2、V是风速(m/s)、P是空气密度(I. 29kg/m3)、A是风帆面积(m2)。这里模拟计算的风帆尺寸为高4米，长3米，模拟计算的结果见表I。表I
权利要求
1.一种风力发电装置，其特征在于，所述的风力发电装置包括水平方向伸展的能够360度自由旋转的旋转轴、固定在所述旋转轴上的受风部、支撑所述旋转轴和受风部的连接件、支撑所述连接件的垂直方向伸展的支柱、第I风速发电机以及把所述旋转轴的第I转动方向的旋转传递到所述第I风速发电机的第I传动机构。
2.如权力要求I所述的风力发电装置，其特征在于，所述受风部的重心与所述支柱的中心不重合，形成偏心构造。
3.如权力要求I和权力要求2所述的风力发电装置，其特征在于，还包括自动变速机构，能根据所述受风部的展开角度的不同，改变所述第I传动机构的转速传动比。
4.如权力要求3所述的风力发电装置，其特征在于，所述自动变速机构具有半径不同的多个扇形齿轮，以及与多个扇形齿轮同样数目的多个传动机构，每个扇形齿轮对应一个传动机构，将不同传动比的旋转传递到所述第I风速发电机。
5.如权力要求I至权力要求4所述的风力发电装置，其特征在于，还包括第2风速发电机，以及把所述旋转轴的第2转动方向的旋转传递到所述第2风速发电机的第2传动机构。
6.如权力要求5所述的风力发电装置，其特征在于，还包括一个中间传动装置，在所述第I传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第I转动方向的旋转传递到所述第I传动机构，在所述第2传动机构的动作区域内，所述中间传动装置把所述旋转轴的第2转动方向的旋转传递到所述第2传动机构，当所述旋转轴处于所述第I传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第2传动机构分离出传动体系，当所述旋转轴处于所述第2传动机构的动作区域内时，所述中间传动装置把所述第I传动机构分离出传动体系。
7.如权力要求6所述的风力发电装置，其特征在于，所述中间传动装置由半圆形的齿轮构成。
8.如权力要求I至7中任一项所述的风力发电装置，其特征在于，还包括第I风向发电机，把所述连接件的第I转动方向的旋转传递到所述第I风向发电机的第3传动机构。
9.如权力要求I至8中任一项所述的风力发电装置，其特征在于，所述受风部由框架和固定在框架上的帆布构成，所述框架和所述帆布由多个连接部相连接，所述连接部在受到规定的外力以上时，会发生断裂，使所述帆布与所述框架分离。
全文摘要
一种风力发电装置，主体构成如下，由框架和固定在框架上的帆布构成的受风部，固定所述受风部的水平方向伸展的旋转轴，支撑所述旋转轴的连接件，支撑所述连接件的垂直方向伸展的支柱，风力发电机，把所述旋转轴的旋转动力传递到所述风力发电机的传动机构。
文档编号H02K7/116GK102797626SQ201110132250
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者梁涛 申请人:苏州思云新能源有限公司