专利名称：弦叶式数控全速风力发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种再生能源的发生和利用装置，确切地说，涉及一种利用风能的弦叶式数控全速风力发电装置。
能源是人类社会活动的物质基础。在某种意义上讲，人类社会得以发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的应用。随着社会的进展，人类消耗的能源能日趋枯竭，还带来严重的环境污染。因此，人们努力寻求可以替代煤炭、石油等化石资源的新的能源。太阳能、地热、水力、风能、潮汐等可以在地球环境中周而复始地从自然现象中获得可再生能源日益引起人们的重视和开发利用。其中风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀、引起空气运动而产生的能量，是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，又没有任何污染，因此，许多工业发达国家都十分注重风力资源的开发。据测算，地球上近地层风能总储量约1.3×1012千瓦，而我国的风能总储量估计为1.6×109千瓦，在世界各国排列第三，有很好的开发应用前景。实际上，早在中世纪，世界各地就产生了形形式式的原始风力利用装置，而在当代，出于环境保护的紧迫性，能将风能转化为电能、机械能、热能等其他形式的能量的各种风力装置更是不断问世，其中全世界用于发电的风力机超过所有风力装置的三分之二，然而至今还没有一种高性能、高经济又简单易行的风力发电装置研制成功。申请人以前先后研制了“风帆式风力动力装置”(专利号92112158.X)和“数控全速风力发电装置”(专利号93201285.X)也是为了能在风力发电技术上有所突破，为开发利用这种再生能源，把它作为一种可靠的补充能源而应用于人类生活作出自己的努力和贡献。
本发明的目的是提供一种结构新颖简单的弦叶式数控全速风力发电装置，该装置是采用锯弓弦叶式风力部件，利用金属薄板材料制成的弦叶来替代传统风力装置的浆叶，再辅以数控全速风力发电装置构成的。
本发明是这样实现的包括有立轴式风力部件、联轴器、支架、稀土全速同步电机及其数字控制装置，上述立轴通过径向止推轴承固定在金属支架上，立轴下端通过联轴器与稀土同步电机中的用稀土永磁材料制作的转子相连接；其特征在于上述立轴式风力部件为锯弓弦叶式，即由立轴，紧固在立轴上下两端、呈径向对称安装的四根横梁，以及绷紧固定在每一侧上下横梁另一端之间的金属薄板所构成。
上述锯弓弦叶式风力部件的金属薄板材可以采用大型带锯的钢片胚料，也可以采用铝合金薄板材。
上述锯弓弦叶式风力部件的立轴上端可以安装在龙门架式的框架结构内。
该装置可以用多台设备构成陈列，此时，每台装置的立轴上端应用金属缆绳呈网状结构水平拉紧固定。
本发明的特点是结构简单，其风力部件采用金属薄板作为风力转子的叶片，不仅型面简单(平面)，受力状态也比螺旋浆简单得多；既不要作复杂的型面设计，也不要作高难度的型面加工。该叶片长度不受加工能力所限，可以方便地根据当地风力资源品位、所驱动发电机的功率大小而选择弦叶的长短和宽窄，且加工制造相当容易，造价低廉。该弦叶两端张紧固定在立轴上下横梁的两侧，形成了类似中国木工锯式的两个弓形受张弦的轻型框架作为风力转子构件，与风帆式风力部件相比较，更加简单有效。而与传统旋翼式风力转子作比较，摒弃了后者叶片型面复杂，制造难度大；又为悬臂梁结构，强度要求高，还需要支撑塔，风向适应性差，抗强台风袭击极其脆弱等多项缺陷。其中横梁可以选用型钢等材料在现场制造安装，使风力发电装置的制造成本降低到可以付诸普及推广的程度。据悉，美国目前每千瓦时的风电价约6-7美分，美国加州风力发电场的风电成本最低，即每度电4美分。采用本发明的风力部件结构，可望将风力成本控制在2-3美分内，从而，使影响风力发电推广应用的主要难点有望得到解决。
本发明的另一特点是利用数控稀土全速同步电机(专利号CN91101413.6)作为风能/电能的转换设备，即风力部件的立轴经联轴器驱动该电机的用稀土永磁材料制成的转子旋转发电，其中电机还可以装有谐波齿轮、摆线齿轮或游星式齿轮构成的同轴增速器，以提高能量转换效率。发电机的馈电输出经功率电子电路构成的调压器、逆变电源进入电网，并由微型计算机对发电机、电子调压器和逆变电源进行数字控制，以便根据风力资源的大小，实时改变风力部件的转子转速和稀土电机的三相电枢串并联结构，保证能够有效利用风力和输出电压比较稳定，处在优化工况下运行操作。这些特点与申请人的专利技术“数控全速风力发电装置”基本相同或相似，故不再详述。
图1是本发明的风力机械结构和数控发电装置的结构组成示意图。
图2是本发明构成阵列式系统的方框示意图。
参见图1，本发明是由立轴式风力部件的机械构件和数控发电装置两部分构成，两者通过联轴器、支架和稀土全速同步电机组成整个系统装置。其中风力部件包括有主轴1、紧固在立轴1上下两端呈径向对称安装的四根用型钢制成的横梁，即两个上横梁2、两个下横梁3以及绷紧固定在每一侧上下横梁另一端之间的金属薄板制成的弦叶4，整个风力部件呈中国木工锯弓式轻型结构。这里的金属薄板弦叶4具有一定的宽度，以便能够承受风力载荷。它既是弓架的张紧拉弦，也是风力转子的受力叶片；可以用大型带锯钢片的胚料制作，也可以铝合金薄板加工制成，上述风力部件通过其立轴1和径向止推轴承固定在金属支架7上，在支架7底端设有水泥地基8。立轴1下端通过联轴器5与稀土同步电机6中的稀土永磁转子相连接。立轴1上端可以安装在龙门架式的框架结构内。为了提高风力利用效率，该电机6中可以设有用谐波齿轮、摆线齿轮或游星齿轮构成的同轴增速器。本发明的风力转子的工作原理是由立轴1两侧的弦叶叶片4承载风力作用的矢量推动力，从而驱动整个风力部件旋转输出能量给发电机。由于结构原理，作为立轴式风力转子的本发明叶片处于不同迎风相位角度时，其能量输出会呈明显的正弦状波动，它既不能仅凭风力自行启动旋转，又必须实时跟踪风速才能有效利用风能。所以如果配上普通发电机，该风力部件难以奏效。作为本发明的另一重要组成一稀土全速同步电机6可以在从低速至超高速范围的任何一个状态下平稳转动，达到全速动平衡，特别适应风力资源不稳定、时大时小的随机情况；再辅以功率电子电路构成的调压器9、逆变电源10和对同步电机6、调压器9和逆变电源10进行数字控制的微型计算机12，就可以实时采集风力参数，根据风力发电的实时过程控制软件而随机控制电机转子或风力部件处于最佳运行工况，在各种风速、风向下都能正常运行，甚至在强台风袭击下也不会损坏，也就是说，本发明较好地解决了发电机与风速的全速动态响应与匹配问题。本发明中的稀土全速同速电机6里的定子感应生成的电动势被引出成为电流而馈入电子调压器9，再经逆变电源10馈入电网11。整个发电过程均在微机12的数字监控管理下进行。
本发明装置可以单独安装使用，但如果多台本发明装置组阵安装使用，更能提高系统的输出电能品质和降低系统品质。参见图2所示的阵列系统示意图。图中20是各个风力部件与稀土全速同步电机构成的风力发电机组，10A和10B则是若干个风力发电机组共用的包括有电子调压器和逆变电源的数字控制装置，12A则为进行实时过程控制的微型计算机，通过码分多址方式分别对各个风力发电机组装置进行优化工况控制。组阵使用时，各个风力发电机组的底部固定在地面，立轴的顶部则可用钢丝缆绳呈网状结构水平拉紧，联成预应力的网状结构，使整个系统连成一个整体，不仅具有很强的抗风能力，还能节省大量结构钢材。
权利要求
1.一种弦叶式数控全速风力发电装置，包括有立轴式风力部件、联轴器、支架、稀土全速同步电机及其数字控制装置，上述立轴通过径向止推轴承固定在金属支架上，立轴下端通过联轴器与稀土同步电机中的用稀土永磁材料制作的转子相连接；其特征在于上述立轴式风力部件为锯弓弦叶式，即由立轴，紧固在立轴上下两端、呈径向对称安装的四根横梁，以及绷紧固定在每一侧上下横梁另一端之间的金属薄板所构成。
2.如权利要求1所述的弦叶式数控全速风力发电装置，其特征在于上述锯弓弦叶式风力部件的金属薄板材可以采用大型带锯的钢片胚料，也可以采用铝合金薄板材。
3.如权利要求1所述的弦叶式数控全速风力发电装置，其特征在于上述锯弓弦叶式风力部件的立轴上端可以安装在龙门架式的框架结构内。
4.如权利要求1所述的弦叶式数控全速风力发电装置，其特征在于该装置可以用多台设备构成陈列，此时，每台装置的立轴上端应用金属缆绳呈网状结构水平拉紧固定。
全文摘要
一种弦叶式数控全速风力发电装置,是由立轴、立轴上下两端呈径向对称安装的四个横梁,以及绷紧固定在每一侧上下横梁另一端之间的金属薄板构成的锯弓弦叶式风力部件,与联轴器、支架、稀土全速同步电机及其数字控制装置所组成的新型风能利用装置。该装置风力部件结构非常简单,生产成本大为降低,结构部件可以现场就地制造,再充分利用稀土全速同步电机及其数字控制装置的当代技术,可望将风电成本明显降低而使本发明能够普及推广应用。
文档编号F03D9/00GK1186908SQ9710000
公开日1998年7月8日 申请日期1997年1月2日 优先权日1997年1月2日
发明者石行 申请人:北京市西城区新开通用试验厂