专利名称：用于风力或水力发电的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够用于风力或水力发电的装置。属于可再生能源(风能、流水能、潮汐能)发电技术领域。
背景技术：
近年来，可耗尽的一次能源一次次地呈现了其难以永继的问题。石油油价高企，致使战争的威胁一次次地出现在产油地或油料运输途中；煤炭的难用性一次次地用矿难、大气污染向人们发威。这导致了人们不得不又一次地将目光投向清洁的可持久的能源——太阳能、潮汐能，寄希望于有效的能量转换器件和转换材料。风能、高位水库、持续的流水都来自于太阳能。因为太阳能量辐射效应的不均勻性造成了空气的流动即形成了风；太阳能量辐射也将海洋、大地、湖泊和河流中的水分蒸发进入高空，然后通过风把水蒸气输送到高原山地，再通过降雨回归到高地，然后形成日夜奔腾不息的河流。人们筑造大坝(当然也可自然形成，如高山湖泊、地震引起的堰塞湖)阻断河流，形成了高位水库。所有这些造成了空气和水在一定的时刻总是定向地流动。这些定向流动的空气和水当然可以推动机械定向运动，也就能容易地产生能量的转换。在人类能控制的场合，电能是最受欢迎的能量形式。因此形形色色的风力和水力发电机应运而生。相对而言，水力发电机通常用于高位水库发电设施中，形式比较单一。因为水流的控制比较容易，其不同之处可能主要在于大小。然而，对于风力发电机，因为风难以控制，造成了风机形式多样，大小不同。最常见的风机大致分为两类，即垂直轴和水平轴风力发电机。垂直轴和水平轴风力发电机的风轮旋转轴分别是垂直的和水平的。现在，水平轴风力发电机一般用于旷野的大型风力发电场，其装机功率都很大。其优点在于能量转换效率高，缺点有噪音较大，对鸟类不友好；垂直轴风力发电机刚好相反，因此适用于城镇人烟密集的地方，也可以用于远离电网的偏僻乡村，作为市电网络的一个补充，有利于节能减排，造福社会。已有多种垂直轴风力发电机的设计。它们一般是单风轮的，但文献中也有一对风轮的设计(如US 6942454,CN 201020196381.2)。相对于单风轮设计，双风轮依靠前部导流罩把更多的风能集中到风轮叶片上，而且依靠其遮挡作用，有效地减少叶片逆风向运动时的阻力，因此双风轮设计可以增加能量转化效率。本发明是一种双(多)转轮风力(水力)发电机，可用于内陆地区的风力发电，也可用于河边海滨水力发电。可以说，只要有流体流动的地方，本发明公布的装置就可以使用。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种能将流体的动能转换成电能的用于风力或水力发电的装置，可用于高空或地面自然形成的风能，以及河流水能和潮汐能发电。
技术方案为解决上述技术问题，本发明提出一种用于风力或水力发电的装置，在该装置中，支架一端连接有整流罩，支架的另一端连接有水平尾翼和与水平尾翼相连且相互垂直的垂直尾翼，在整流罩和水平尾翼之间的支架上设有转轮及由转轮驱动的发电机。所述的转轮有若干组，分别对称分布在以支架为轴心的圆周上。所述的转轮的叶片形状是与转轮的转轴共面的平行四边形、圆弧形，或多片组合式。所述的发电机位于整流罩内、整流罩与水平尾翼之间或水平尾翼内。该装置还包括对称地安装在支架中轴线外侧的前部遮挡板、后部遮挡板。有益效果本发明可用于低能量密度的风能、河流水能和潮汐能发电。本发明的装置具有聚能的作用，双轮设计也能提高流体能量的利用率。所提供的设计思路简洁，易于操作，允许灵活配置发电装置适合特定场合的要求。例如，发电装置可以自举地升在空中，在高空发电；可以在地表进行风力或潮汐能发电；也可以在河流中央漂浮在水面上，或悬浮在水中发电。可用于城镇和乡村的用电个体、远离市电网络的各种指示牌、路灯、航标灯、储电站(或用电装置的储能电池)等用电装置的供电。
图1是用于地面和高空风力发电，以及河流中央的水力发电的装置示意图(为清晰起见，略去了用于支撑和固定各部件的支架细节、防止紊流对转轮转动影响以及保护传动机构的流线型中部外罩)。其中有整流罩1、转轮2、发电机3、水平尾翼4、垂直尾翼5和支架6。整个装置具有镜面对称性。图2是本发明用于海滩边涨落潮水流发电装置的结构俯视图(为清晰起见，略去了用于支撑和固定各部件的支架)。其中有整流罩1、转轮2、发电机3、垂直尾翼5、前部遮挡板7、后部遮挡板8。整个装置关于过中轴线的垂直面镜面对称。图3是本发明装置的旋转运动的传递机构俯视示意图。其中包括与转轮2直接相联的皮带轮(或链条齿轮)、与传动齿轮9集成在一起的皮带轮(或链条齿轮)、旋转轴与两个传动齿轮9的垂直的与发电机转子集成在一起的齿轮10、传动皮带(或链条)11。该传动机构也具有镜面对称性。图如是本发明装置只有一对转轮时发电机传动方式侧视示意图。其中包括传动齿轮9 (背面还有一个)、发电机转子齿轮10，以及发电机定子12。图4b是具有四个转轮时的传动方式。其中传动齿轮9、传动齿轮9’、传动齿轮9’’ 都通过皮带(或链条)直接从转轮获得能量，它们直接(对传动齿轮9、9’)或通过转动方向变换齿轮13间接(对传动齿轮9’’)推动发电机转子齿轮11发电。两种情况下，发电机转子齿轮的轴与传动齿轮的轴相互垂直，其整体具有镜面对称性。图fe是转轮使用的叶片形状跟转轴(粗实线)共面的长方形叶片； 图恥是转轮使用的叶片形状跟转轴(粗实线)共面的异形叶片；
图5c是转轮使用的叶片形状部分跟转轴(粗实线)共面的，但下部有弯折的叶片； 图5d是一个可以进行适当阻尼转动(黑圆点为转轴)的叶片在转轴(最大的黑圆点)方向的投影图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明进行说明。该装置主要包括整流罩、两个转轮、一台发电机，以及转轮与发电机耦合的传动部件。该装置可以根据流体流向灵活转动以保证头部对准流体来向；也可以使在相反方向上双向流动(如海潮)的流体推动转轮向同一方向旋转；还可以根据需要设计转轮叶片使之产生升力，用于高空风力发电。本发明是一种用于流体能转换成电能的装置，主要包括整流罩(也可以添加若干遮挡板)、转轮、发电机以及它们的连接部件。各部件的作用如下
1)整流罩(遮挡板)使更大面积上的流体汇聚起来向指定的方向和区域流动，因此具有聚能的作用；同时减少转轮叶片逆流回转时运动阻力，高效有力地推动转轮旋转。为了不使流体的运动紊乱，整流罩要做成流线型的。2)转轮本发明技术方案中一般有一对，但也可以是3个或4个。在流体运动不均勻对称的情况下(河边水力发电)，也可以只有1个。它们将流体的动能转换成旋转的机械能。3)发电机将传动机构传递过来的转轮机械能转化成电能。4)转轮与发电机的连接部件将两个相反方向旋转的转轮的旋转运动通过皮带、 链条、齿轮等耦合，推动发电机转子定向转动。此外，连接部件也将整个装置连接在一起，成为一个整体。整个装置可以被置放在一个转轴上，保证它能随着风向旋转将头部始终自动地正对着流体的来向。发电装置的结构
该风力或水力发电装置的基本结构如图1和图2所示。图1为用于流场均勻的地面和高空风能，以及河流中央水力发电的装置；图2为用于海滩潮汐能发电的装置。主要包括一个流线型的整流罩1、一对转轮2、一个发电机3、一副尾翼导流板4和/或5。整个装置关于过中轴线垂直面镜像对称。发电机也被做成中心对称的，根据应用场合被放置在装置的中轴线上合适的位置。转轮与发电机旋转运动的耦合机构如图3所示。其中转轮皮带轮(或链条齿轮)2 与传动轮皮带轮(或链条齿轮)9用皮带(或链条)11相连，将转轮2的旋转运动高效地传到传动轮9，然后通过传动轮齿轮与发电机转子齿轮按图4左上部的方式(或者通过交错式锥形齿轮)耦合，使相反方向旋转的两个传动轮共同推动发电机转子10旋转而发电。为了使流体能量高效地汇聚在转轮的外部叶片上，整流罩被特别做成流线型的。 为了减少流体能部分丧失(因为能量转换)之后产生的紊流对转轮转动的影响，转轮的后部也要加一个流线型的罩子。该罩子同时保护传动装置不受空气和水流的侵蚀。转轮的叶片的数目可以如图1中的4片，也可以是3片、5片或其它数目的片数；叶片的形状可以是如图如和恥所示的与转轴共平面的直板，也可以是如图5c与下部与转轴成一定角度的直板，还以是如图5d所示的具有多个可进行阻尼转动的组合叶片；还可以将图5c与5d特点赋予图如和恥所示的叶片或其它形状的叶片，以得到最高的能量转换效率。它取决于应用场合， 取决于流体动力学的要求，目的是使装置能量转换效率最高。具体实施步骤
该发电装置可用于有流动的流体各种场合，其安置方法也取决于场合的要求。在不同的使用场合，装置的部件可以选择性地去掉或增加，发电机的位置也可以置于装置对称面的合适位置，以使整个装置得到稳定，并能低成本的建造。以下为按不同的使用场合简述的设计优选方案举例。实施例1 用于海滩上的水力发电机
该装置被置于海滩时，因为涨、落潮时水流的方向是两向的，如图2所示的装置被固定在一个基座上，头部面对大海来水的方向。这样，当流体迎着发电装置的头部或者尾部流动时，两个转轮都会向同一个方向旋转，然后带动发电机转子发电。
实施例2 用于河流中的水力发电机
当该装置被用于河流边缘时，因为水流的方向是固定的，装置被固定在基座上，而且去掉后部的遮挡板。因为靠近河岸的一边水流速度可能很小，两个转轮的大小可以不一样以获得相当的推力，也可以去掉靠河岸的那个转轮，甚至去掉靠河岸一边的那一半并使发电机直接与转轮相联，以获得更低的造价。在河流中央使用时，水流的速度场分布均勻，因此可以去掉图2中的前后遮挡板， 只留下整流罩、转轮后方的起导流和保护作用的外罩(图中为清晰起见，未画出)和尾部导流板，做成一个可以漂浮在水面上的鱼形装置(如图1所示)。装置将被锚固在河床上的绳索牵住。可以通过河底电缆把电力输到河边用户，或者只给河中航标指示灯供电。
实施例3:高空风力发电机
如图1所示风力发电装置具有符合风筝空气动力学的外形，以使其漂浮在高空。风轮的叶片可以特别地设计(如具有图5c所示的形状)，并使尾翼水平导流板的倾角适当改变， 使装置在风中自动产生升力，从而可以自举地漂浮于空中。发出的电可以通过装置的牵引索导到地面用(储)电器。
实施例4 用于接近地表的风力发电机
接近于地表的风来向不定，但其运动方向一般平行于地面。因此，在使用时，类似于图 1的发电装置被置于其重心位置、垂直于地面且可以自由旋转的转轴上。这样，因为尾部导流板的作用，发电装置的头部可以自动地始终正对着风的来向。
实施例5 具有3个或4个转轮的风力(或水力)发电机
本发明的发电装置也可以在图1所示装置的基础上安装多于2个的转轮，用于流体动量场分布均勻的场合进行发电。增加的转轮转轴与前述的已有两个转轮转轴垂直，分别置于装置的上部和/或下部适当位置，造成的齿轮传动如图4b所示。这样的安排有如下好处如果只有3个转轮，则第三个转轮可以被置于装置的上部或下部。第三个转轮置于上部的发电装置可以用于高空风力发电，因为这样的话，发电装置不仅可以利用发电装置上方的风能，而且还可以利用马格纳斯效应(Magnus effect)产生升力，使装置更容易飘浮在空中；第三个转轮置于下部的发电装置则可以用于河流中央水力发电，因为装置的上部可能没有水流通过。此时，马格纳斯效应(Magnus effect)会产生一个让装置下沉的力，但这个效应可以通过改变前部整流罩的设计来抵消。
当然，也可以安排第四个转轮。这样从头部看过去时，四个转轮的转轴刚好构成了一个长方形，这有利于流体能全方位吸收。经过对整流罩和尾翼导流板(罩)的适当设计，装置可用于风力或潜水式水力发电。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种用于风力或水力发电的装置，其特征在于在该装置中，支架(6) —端连接有整流罩(1)，支架(6)的另一端连接有水平尾翼(4)和与水平尾翼(4)相连且相互垂直的垂直尾翼(5)，在整流罩(1)和水平尾翼(4)之间的支架(6)上设有转轮(2)及由转轮(2)驱动的发电机(3)。
2.根据权利要求1所述的用于风力或水力发电的装置，其特征在于所述的转轮(2)有若干组，分别对称分布在以支架(6)为轴心的圆周上。
3.根据权利要求1或2所述的用于风力或水力发电的装置，其特征在于所述的转轮 (2)的叶片形状是与转轮的转轴共面的平行四边形、圆弧形，或多片组合式。
4.根据权利要求1所述的用于风力或水力发电的装置，其特征在于所述的发电机(3) 位于整流罩(1)内、整流罩(1)与水平尾翼(4)之间或水平尾翼(4)内。
5.根据权利要求1所述的用于风力或水力发电的装置，其特征在于该装置还包括对称地安装在支架(6)中轴线外侧的前部遮挡板(7)、后部遮挡板(8)。
全文摘要
本发明公开了一种能够用于风力或水力发电的装置。在该装置中，支架(6)一端连接有整流罩(1)，支架(6)的另一端连接有水平尾翼(4)和与水平尾翼(4)相连且相互垂直的垂直尾翼(5)，在整流罩(1)和水平尾翼(4)之间的支架(6)上设有转轮(2)及由转轮(2)驱动的发电机(3)。该装置可以根据应用场合灵活改装，甚至可以增加第三、第四转轮，以适应不同的发电场合，提高能量转换效率。属于可再生能源(风能、流水能、潮汐能)发电技术领域。
文档编号F03B3/00GK102305191SQ201110248369
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者王玉玲, 雷立旭 申请人:雷立旭