专利名称：一种新型碳纤维风力发电机及其制备方法
技术领域：
本发明属于风力发电领域，特别适合为电信基站、活动营房、路灯照明等常规电力难以抵达的场合提供电力供应的新型碳纤维风力发电机及其制备方法。
背景技术：
风力发电是目前广为各国青睐的绿色能源。目前风力发电机的种类很多，其主要结构为水平轴形式，叶片与电机轴垂直安装，叶片材质为玻璃纤维增强树脂基复合材料。该类风力发电机的功率一般较大,多安装在风力强大的风口上或山顶上，固定发电。当风力较小时，叶片转动困难，发电效率极低，因其叶片材质为玻璃纤维复合材料，长期 户外使用后，易于老化失效。目前，我国多处边疆地区，野外活动营地，通讯基塔，高速公路照明等，常规电力很难送达，电力难以供应，并且诸多地区风力不大，无法驱动大功率风力发电机。碳纤维本身为含炭量93%以上的纤维材料，具有高强度，高模量，耐高温，重量轻，耐腐蚀等诸多优异性能，碳纤维复合材料在户外使用寿命可达100年，特备适合制备风力发电机叶片。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种新型碳纤维风力发电机及其制备方法，它结构紧凑，安装方便，重量轻。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种新型碳纤维风力发电机，它包括支架，在支架上部安装盘式永磁发电机，盘式永磁发电机的主轴与地面垂直，为单盘或多盘组合；盘式永磁发电机主轴通过中心安装套筒与水平的支撑臂连接，支撑臂通过连接器与叶片垂直连接，叶片与支撑臂间的夹角可调，所述支撑臂和叶片为纤维增强树脂基复合材料；在支撑臂下部与支架顶部设有相配合的磁悬浮叶片支撑装置；支架底部设有风力发电机安装套筒。所述磁悬浮叶片支撑装置为设置在支撑臂下部与支架顶部相应位置的极性相同的环状上永磁体和下永磁体。本发明叶片芯部为纤维增强树脂基复合材料制成，所用树脂为环氧、酚醛或有机硅等热固性树脂，确保叶片具有高强刚性。本发明叶片表层为纤维编织体增强热塑性树脂复合材料，所用树脂为乙烯基树月旨、尼龙、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚氨酯树脂、PPS树脂、PEEK树脂等热塑性树脂，确保叶片具有高强韧性。所述增强纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的其中一种、两种或多种纤维的组合体。一种新型碳纤维风力发电机的制备方法，它的步骤为
I)将纤维浸溃树脂后，制备宽度为150mm-300mm的连续纤维增强树脂复合材料板材，板材芯部为单向连续纤维增强树热固性树脂，板材表层为连续编织纤维增强热塑性树月旨，将板材裁剪为每段长度800mm-1000mm的3-7块，作为风力发电机叶片备用；2)将纤维浸溃热固性树脂后，制备内径40mm-60mm,外径80mm-120mm的纤维复合材料管材，将管材截成150mm-200mm长度一个，作为中心安装套筒备用；3)将纤维浸溃树脂后，制备宽度50mm-75mm的连续纤维增强树脂复合材料板材，板材芯部为单向连续纤维增强树热固性树脂，板材表层为连续编织纤维增强热塑性树脂，将板材裁剪为每段长度500mm-1200mm的3-7块，作为支撑臂备用；4)将制备好的叶片、连接器、支撑 臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成；5)利用焊接工艺加工制造支架,将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。更进一步的本发明的制备方法，它的步骤为I)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为150mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度800mm的3块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与尼龙66混合热压成型，作为风力发电机叶片备用；2)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备内径40mm，外径80mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为中心安装套筒备用；3)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度500mm的3块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与尼龙66混合热压成型，作为叶片支撑臂备用；4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成；5)利用焊接工艺加工制造支架,将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。更进一步的本发明的制备方法，它的步骤为I)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为200mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度IOOOmm的5块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与聚氨酯树脂混合热压成型，作为叶片备用；2)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后,利用拉挤工艺制备内径50mm,外径IOOmm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为中心安装套筒备用；3)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度750mm的5块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与聚氨酯树脂混合热压成型，作为风力发电机叶片支撑臂备用；4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成；5)利用焊接工艺加工制造支架,将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。更进一步的本发明的制备方法，它的步骤为
I)裁剪碳纤维预浸布，多层铺设在模具里，利用热压成型工艺制备宽度为300_，长度1500mm的异型叶片7块备用；2)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用缠绕工艺制备内径60mm，外径120mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成200mm长度一个，作为中心安装套筒备用；3)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度75mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度1200mm的7块，作为叶片支撑臂备用；4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成；5)利用焊接工艺加工制造支架,将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。本发明的新型风力发电机，由四部分组成风力发电机支架，复合材料叶片总成，盘片式发电机总成，磁悬浮叶片支撑体系。其结构特征为盘片式发电机固定安放在支架上，发电机主轴与地面垂直，叶片总成轴心与发电机主轴端部连接，所有叶片与主轴平行，叶片总成水平旋转，风力发电机支架上安放有环状永磁体，与复合材料叶片总成的支撑臂上安放的环状永磁体同极性相对，在同极性斥力作用下使得叶片总成处于悬浮状态。本发明的新型风力发电机支架特征为组合件，顶部设有安装盘，用于固定发电机和安装环状永磁体，下部设有与风力发电机杆连接的安装套筒。本发明的新型风力发电机复合材料叶片总成特征为组合件，由中心安装套筒，叶片支撑臂和复合材料叶片组成。安装套筒用于与电机轴固定连接，支撑臂一端与中心安装套筒连接，另一端与叶片连接，与叶片连接部位设有连接器，为可转动式活动连接，在风力作用下可以自动调节叶片与风向夹角，在支撑臂上安装有环状永磁体。支撑臂和复合材料叶片为纤维增强树脂基复合材料。所用树脂为环氧、酚醛、有机硅等热固性树脂体系或乙烯基树脂、尼龙、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚氨酯树脂、PPS树脂、PEEK树脂等热塑性树脂体系，所用增强纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的其中一种、两种或多种纤维的组合体。本发明的新型风力发电机的发电机特征为永磁发电机，结构为盘式，既可单盘使用，也可以多盘组合使用，电机功率可根据盘片数量灵活调整。本发明的风力发电机结构紧凑，叶片材质刚柔结合性强，体积小，重量轻，安装使用方便，特别适合电信基站、活动营房、路灯照明等常规电力难以抵达的场合。
图I为本发明的结构示意图。其中，I叶片，2.连接器，3.支撑臂，4.上永磁体，5.固定螺母，6.中心安装套筒， 7.下永磁体，8.固定螺栓，9.盘式永磁发电机，10.风力发电机安装套筒，11.支架。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。图I中，它包括支架11，盘式永磁发电机9通过发电机固定螺栓8固定在支架11上；盘式永磁发电机9的主轴与地面垂直，为单盘或多盘组合；盘式永磁发电机9主轴通过中心安装套筒6与水平的支撑臂3连接，支架11底部设有风力发电机安装套筒10，中心安装套筒10利用叶片总成固定螺母5固定在盘式永磁发电机9的电机轴上，风力发电机安装套筒10可以与风力发电机支撑杆连接固定；支撑臂3通过连接器2与叶片I垂直连接，叶片I与支撑臂3间的夹角可调，所述支撑臂3和叶片I为纤维增强树脂基复合材料；在支撑臂3下部与支架11顶部设有相配合的磁悬浮叶片支撑装置；。磁悬浮叶片支撑装置为设置在支撑臂3下部与支架11顶部相应位置的极性相同的环状上永磁体4和下永磁体7。所用树脂为环氧、酚醛或有机硅等热固性树脂。所用树脂为乙烯基树脂、尼龙、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚氨酯树脂、PPS树脂、PEEK树脂等热塑性树脂。所述增强纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的其中一种、两种或多种纤维的组合体。 本发明的制备方法如下[实施例I]将多束碳纤维浸溃乙烯基树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为150mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度800mm的3块，作为本发明风力发电机叶片备用。将多束碳纤维浸溃乙烯基树脂后，利用拉挤工艺制备内径40mm，外径80mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为本发明风力发电机叶片总成中心安装套筒备用。将多束碳纤维浸溃乙烯基树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度500_的3块，作为本发明风力发电机叶片支撑臂备用。外购可转动式连接器和环状永磁体，将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得本发明叶片总成。外购盘式永磁发电机，功率I千瓦，利用焊接工艺加工制造本发明支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将本发明叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上。至此，功率为I千瓦的一套本发明风力发电机制造完毕。[实施例2]将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为200mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度IOOOmm的5块，作为本发明风力发电机叶片备用。将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备内径50mm，外径IOOmm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为本发明风力发电机叶片总成中心安装套筒备用。将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度750_的5块，作为本发明风力发电机叶片支撑臂备用。外购可转动式连接器和环状永磁体，将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得本发明叶片总成。外购盘式永磁发电机，功率3千瓦，利用焊接工艺加工制造本发明支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将本发明叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上。至此,功率为3千瓦的一套本发明风力发电机制造完毕。[实施例3]裁剪碳纤维预浸布，多层铺设在模具里，利用热压成型工艺制备宽度为300mm，长度1500mm的异型叶片7块备用。将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用缠绕工艺制备内径60mm,外径120mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成200mm长度一个,作为本发明风力发电机叶片总成中心安装套筒备用。将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度75mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度1200mm的7块，作为本发明风力发电机叶片支撑臂备用。外购可转动式连接器和环状永磁体，将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得本发明叶片总成。外购盘式永磁发电机，功率10千瓦，利用焊接工艺加工制造本发明支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将本发明叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主 轴上。至此，功率为10千瓦的一套本发明风力发电机制造完毕。
权利要求
1.一种新型碳纤维风力发电机，其特征是，它包括支架，在支架上部安装盘式永磁发电机,盘式永磁发电机的主轴与地面垂直,为单盘或多盘组合；盘式永磁发电机主轴通过中心安装套筒与水平的支撑臂连接，支撑臂通过连接器与叶片垂直连接，叶片与支撑臂间的夹角可调，所述支撑臂和叶片为纤维增强树脂基复合材料；在支撑臂下部与支架顶部设有相配合的磁悬浮叶片支撑装置；支架底部设有风力发电机安装套筒。
2.如权利要求I所述的新型碳纤维风力发电机，其特征是，所述磁悬浮叶片支撑装置为设置在支撑臂下部与支架顶部相应位置的极性相同的环状上永磁体和下永磁体。
3.如权利要求I所述的新型碳纤维风力发电机，其特征是，所述叶片芯部为纤维增强树脂基复合材料制成，所用树脂为环氧、酚醛或有机硅类热固性树脂，具有高强刚性。
4.如权利要求I所述的新型碳纤维风力发电机，其特征是，所述叶片表层为纤维编织体增强热塑性树脂复合材料，所用树脂为乙烯基树脂、尼龙、聚丙烯树脂、聚乙烯树脂、聚氨酯树脂、PPS树脂、PEEK树脂类热塑性树脂，具有高强韧性。
5.如权利要求I所述的新型碳纤维风力发电机，其特征是，所述增强纤维是碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维的其中一种、两种或多种纤维的组合体。
6.一种权利要求I所述的新型碳纤维风力发电机的制备方法，其特征是，它的步骤为 1)将纤维浸溃树脂后，制备宽度为150mm-300mm的连续纤维增强树脂复合材料板材，板材芯部为单向连续纤维增强树热固性树脂，板材表层为连续编织纤维增强热塑性树脂，将板材裁剪为每段长度800mm-1000mm的3-7块，作为风力发电机叶片备用； 2)将纤维浸溃热固性树脂后，制备内径40mm-60mm,外径80mm-120mm的纤维复合材料管材，将管材截成150mm-200mm长度一个，作为中心安装套筒备用； 3)将纤维浸溃树脂后，制备宽度50mm-75mm的连续纤维增强树脂复合材料板材，板材芯部为单向连续纤维增强树热固性树脂，板材表层为连续编织纤维增强热塑性树脂，将板材裁剪为每段长度500mm-1200mm的3-7块，作为支撑臂备用； 4)将制备好的叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成； 5)利用焊接工艺加工制造支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征是，它的步骤为 1)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为150mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度800mm的3块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与尼龙66混合热压成型，作为风力发电机叶片备用； 2)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备内径40mm，外径80mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为中心安装套筒备用； 3)将多束碳纤维浸溃酚醛树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度500mm的3块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与尼龙66混合热压成型，作为叶片支撑臂备用； 4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成；5)利用焊接工艺加工制造支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征是，它的步骤为 1)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度为200mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度IOOOmm的5块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与聚氨酯树脂混合热压成型，作为叶片备用； 2)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备内径50mm，外径IOOmm的碳纤维复合材料管材，将管材截成150mm长度一个，作为中心安装套筒备用； 3)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度50mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度750mm的5块，每块板两侧面利用碳纤维编织布与聚氨酯树脂混合热压成型，作为风力发电机叶片支撑臂备用； 4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成； 5)利用焊接工艺加工制造支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。
9.如权利要求6所述的制备方法，其特征是，它的步骤为 1)裁剪碳纤维预浸布，多层铺设在模具里，利用热压成型工艺制备宽度为300mm，长度1500mm的异型叶片7块备用； 2)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用缠绕工艺制备内径60mm，外径120mm的碳纤维复合材料管材，将管材截成200mm长度一个，作为中心安装套筒备用； 3)将多束碳纤维浸溃环氧树脂后，利用拉挤工艺制备宽度75mm的连续碳纤维复合材料板材，将板材裁剪为每段长度1200mm的7块，作为叶片支撑臂备用； 4)将叶片、连接器、支撑臂、上环状永磁体和中心安装套筒利用机械和胶结组合工艺装配在一起，制得叶片总成； 5)利用焊接工艺加工制造支架，将盘式永磁发电机和下环状永磁体安装固定在支架上，再将叶片总成安装固定在盘式永磁发电机的主轴上，风力发电机制造完毕。
全文摘要
本发明公开了一种新型碳纤维风力发电机及其制备方法。由风力发电机支架，复合材料叶片总成，盘片式发电机和磁悬浮叶片支撑体系组成。盘片式发电机固定安放在支架上，发电机主轴与地面垂直，叶片总成中心安装套筒与发电机主轴端部连接，所有叶片与主轴平行，风力发电机支架和复合材料叶片总成的支撑臂上安放的环状永磁体，同极性相对，在同极性斥力作用下使得叶片总成处于悬浮状态。本发明的风力发电机结构简单，叶片材质刚柔结合性能好，使用方便，特别适合电信基站、活动营房、路灯照明等常规电力难以送达的场合。
文档编号C08L61/06GK102644554SQ20121013953
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月8日 优先权日2012年5月8日
发明者朱波, 王成国, 蔡珣 申请人:山东大学