扇页活动式风能机的制作方法

xiaoxiao2020-7-22  2

专利名称:扇页活动式风能机的制作方法
技术领域
本实用新型涉及一种把风能转换为机械能的装置,在转换效率方面具有显著优势的风能机设置。属机械设备领域。
背景技术
现有的风力发电机主要是横轴三叶式风能机,这方面的报道较多,如1998年1月22日《人民日报》第九版右上角载有《从此点灯不靠油》的文章,文章称内蒙古自治区在处于风力富集区的乌盟察右中旗辉腾锡勒地区安装了33台600千瓦大型风力发电机组,建成我国最大的风力发电场,并开始上网发电,结束了当地牧民点灯靠油的历史。照片登的是横轴三叶风能机。2005年3月3日《人民日报》第十四版右边中间部位载有《大力发展风电既经济又环保》,并配有《风力发电前景看好》的照片,照片登的也是横轴三叶风能机。2005年3月4日《经济日报》七版上部载有《风,不该白白吹走》,并配有《风能给瓦房店农民带来了见得着的实惠》的照片,照片登的仍是横轴三叶风能机。横轴三叶式风能机的转轴是水平放置,转轴的前方装有三块叶片,风力吹过叶片,叶片转动,叶片随之带动后部转轴转动,从而获得电力。这种风力发电机的缺点是发电机和叶片都只能安装在一根高高竖起的支架杆顶部,整个发电机位于支架杆的项端,重心太高,易产生倾斜,叶片需不停地调整迎风角度,以保持迎风方向,获得最大的风能。如需增大迎风面积,每块叶片需增加长度,这样又会使风能机重心偏移,单块叶片机械强度下降。这种横轴三叶风能机存在以下几大不足一是效率较低。一般横轴三叶风能机截获周边活动范围内的风力能力很难超过10%;二是横轴三叶风能机很难克服风向变化对风能机的干扰;三是横轴三叶风能机难以做到多个风能机的机械能归并,这就难以获取较强大的机械能,直接导致了横轴三叶风能机一般只能是一个风能机带动一个发电机,发电机的装机容量极为有限;四是横轴三叶风能机重心太高,需用坚固的竖杆支撑,成本较高。

发明内容
本实用新型的目的在于克服现有横轴三叶风能机的缺点,发明一种风能利用率高,抗风向干扰好,重心低,制作成本低,能实现多个风能机的机械能归并,获取更强大的机械能,最终配置组成超大型的风能发电机的扇页活动式风能机。
本实用新型的结构是其特征是由主轴、扇页支架、扇页和变速箱组成的扇页活动式风能机,主轴一端垂直于地面并通过齿轮与变速箱相接,主轴另一端装有2-6根垂直于主轴轴线的扇页支架,每根扇页支架上装有一块扇页,每块扇页可绕每根扇页支架跷动;每块扇页通过铰链与每根扇页支架连接,每块扇页与每根扇页支架铰链连接位置为该扇页1/2-1/4范围,每块扇页背面装有一平衡物;每块扇页与每根扇页支架铰链连接位置最好在扇页1/3连接线处;每块扇页可是一块或者数块正方形、长方形、矩形或其他形状构成,每块扇页可是一个平面或是多个平面;每根扇页支架最好呈长方形形状。
风能机工作原理本实用新型风能机主要由一根主轴(1)、主轴(1)下端有一个齿轮(4)齿轮(4)与变速箱相接,主轴上部固定安装2-6根扇页支架(3)。最好为4根扇页支架(3),每根扇页支架(3)垂直于主轴(1)轴线,呈十字形分布。每根扇页支架(3)的形状可是长方形、三角形或其它任何形状,扇页支架(3)上部有与扇页(2)连接的连接杆(31),扇页支架(3)下部为阻拦扇页(2)翻转的阻拦框架(32)。每块扇页(2)与扇页支架中的连接杆(31)铰链连接位置在扇页(2)1/2-1/4范围,最好在扇页(2)1/3连接线处。工作时,安装在扇页支架(3)上的扇页(2)在风力吹动下,绕扇页支架中的连接杆(31)左右跷动,扇页(2)受风力作用带动扇页支架(3)和主轴(1)转动,主轴(1)将风能变为机械能,传递给变速箱,最终产生电能。
为了让扇页(2)做有用功时呈最大受风状态,不做功时保持最小受风状态,本发明将扇页制作为活动式的,则每块扇页(2)通过铰链方式连接到扇页支架(3)中的连接杆(31)上,连接杆(31)连接部位在每块扇页(2)背面上部1/2-1/4范围,最好在扇页(2)背面上部1/3连接线处,每块扇页(2)背面上部顶端再配一个平衡物(5),平衡物(5)让扇页(2)上部1/3部位重量与扇页(2)下部2/3部位的重量基本相等,扇页支架(3)中的连接杆(31)连接部位为该块扇页(2)背部为支点,构成跷跷板结构。当扇页(2)与风向垂直时(则正面受风),由于扇页(2)支点下部扇页的面积占整块扇页近2/3的面积,受风面积大,迫使扇页(2)绕扇页支架(3)中的连接杆(31)向下旋转,当扇页(2)下部转到扇页支架(3)中的阻拦框架(32)位置时,被阻拦框架(32)阻拦限制,此时整块扇页(2)迎风面积最大,扇页(2)捕获的风能最大,风力推动整个扇页支架(3)绕风能机主轴(1)旋转,扇页(2)作功最大。当扇页(2)在推动风能机主轴转动,该扇页(2)受风面与风向的夹角越来越小,该扇页支架(3)绕主轴(1)向后转90°,此时风与扇页(2)变为平行状(则侧面受风),扇页(2)在自身平衡物(5)作用下,重新绕连接杆(31)支点向上回转,恢复到跷跷板平衡状态,扇页(2)平面与风运动方向保持平行,夹角为0°,整块扇页(2)迎风面积最小,该块扇页(2)退出做有用功的范围,进入不做功的范围。每块扇页(2)都不断重复上述周期跷动过程,推动风能机主轴(1)连续转动。
因本实用新型风能机的主轴(1)上装有四根呈十字形态分布的扇页支架(3),这样风能机能随时保持一块扇页——A扇页板在作最大功,另块三块扇页——B扇页、C扇页和D扇页不作功且受风力影响最小,风能机主轴(1)能连续转动,通过变速箱可以将数十个风能机相互连接,形成具有强大动力的风力发电机机组。
本实用新型每台风能机根据需要使用2-6块扇页(2),但使用二块扇页(2)的风能机也同样可以,只是扇页(2)在旋转至一定位置时,需依赖惯性转动;其次是使用三块扇页(2)的风能机,因存在活动空间太大,有一定的浪费;而使用五块扇页(2)或者六块扇页(2)的风能机,则存在结构复杂、成本增加、活动存在局限,所以使用四块扇页(2)的扇页活动式风能机最为理想、合适和经济。
本实用新型扇页活动式风能机具有原理容懂、结构简单、用材普通,并具备了高效率、低成本等特点,非常有利于普及。


以下结合附图所示实施例,对本实用新型结构作进一步说明,但保护范围不限于此实施例。
图1为实用新型扇页活动式风能机使用状态的示意图。
图2为实用新型扇页活动式风能机安装状态的结构示意图。
图3为实用新型扇页活动式风能机中的一根长方形扇页支架(3)中的连接杆(31)处安装一块扇页(2),在不同使用状态下的转动示意图。
图4为图3所示实用新型扇页活动式风能机不作功时(受风面最小,A-A面),扇页支架(3)与扇页(2)之间相互关系的示意图。
图5为实用新型扇页活动式风能机作功时(受风面最大,B-B面),扇页支架(3)与扇页(2)之间相互关系的示意图。
具体实施方式
本实用新型解决其技术问题所采用的实施方案是首先选用一根长3.5m轴为主轴(1),设计四个矩形3m×1m扇页支架(3)、设计四块3m×3m的扇页(2),其二,用轴承、支架等将风能机主轴(1)垂直安装在基座上,4个扇页支架(3)成“十”字相交、相互垂直地连接在主轴(1)中上部,再将四块扇页(2)分别安装在4个扇页支架(3);其三,扇页支架(3)上的连接杆(31)为支点,扇页支架(3)中的连接杆(31)与扇页(2)在1/3处连接部位连接。其四,每块扇页(2)背面装一个平衡物(5),测试平衡物(5),让扇页(2)在不做功时,与扇页支架(3)之间的夹角保持在60°至90°之间。
由于风机是由相互垂直的四片扇页组成,这种风能机就至少有一片扇页处于做有用功状态,并且扇页在做有用功,呈最大受风状态时,与之相对应的扇页恰好呈最小受风状态,这样最大受风状态与最小受风状态之间就产生了巨大的悬殊,巨大的悬殊也就产生了高效率的旋转机械能。
本实用新型有益效果是1、高效率。扇页活动式风能机由于采用了能按需要活动的扇页(2),这样扇页(2)在做有用功时,扇页的最大面积与风向垂直,保持最大受风状态;而扇页(2)在不做功时,扇页(2)的面与风向平行,几乎成“一条线”。例如风能机设置有四块扇页(2),每块扇页(2)为矩形,其长为a,高为b,那么扇页(2)的面积为a·b。在做有用功时,由于扇页(2)的最大面积与风向垂直,扇页(2)的受风面积就是a·b;而扇页在做无用功时,由于扇页的面与风向平行,夹角为0°,几乎成“一条线”。也就是说扇页(2)在不做用功时,受风的面积最小,几乎为0,不做功时的面积就是a·0因有四块扇页(2),且四块扇页支架(3)与风能机主轴(1)十字对称安装,就其做功方向来说,其扇页(2)活动范围是2a·b。那么这种风机的风能转换为机械能的比率为风能转换机械能的比率=(做有用的面积-做无用功的面积)/风能机做工活动的面积·100%=(a·b-a·0)/2a·b·100%=50%
这也就是说,这种扇页活动式垂轴风能机的由风能转换为机械能的效率,在理论上应为50%。
比较据我观察,前普遍使用的风能机,基本上是横轴三页机,即风能机的轴是横的,而不是垂直的。其旋转的扇页一般有三片。
这种风能机扇页长为a,宽为b,若扇页的倾角为45°。那么一片扇页的做有用功的面积为面积=a·b·1/2三片扇页做有用功的面积为面积=3·a·b·1/2而这种风能机做功的活动范围为活动范围=a·a·π整个风能机做有用功的有效面积与活动范围的比率为比率=三片扇页做有用功的面积/整个风能机做功的活动范围·100%=3·a·b·1/2/(a·a·π)·100%=3·b/2/(a·π)·100%=3/π·b/a·1/2·100%这个公式中可以看出,这种风能机只有在扇页的长和宽接近相等的前提下(这在横轴风能机中是很难做到的),风能机的转换效率才接近50%。其转换效率取决于扇页宽与长的比值b/a。而这种风能机的长往往比宽大得多,所以其风能转换为机械能的效率不可能很高。
从上面的比较可以看出,在风能机的风能转换机械能效率而言扇页活动式风能机要比横轴风能机强得多。这是扇页活动式风能机的第一大优点。
2、不择风向。风向,是风自然吹动的方向。由于本实用新型风能机的扇页是活动式结构,这样才彻底摆脱了风向的干扰,达到了“任你东西南北风,均可为我所用”的较高水平,解决了一般风能机很难解决的问题。这是扇页活动式风能机的第二大优点。
3、产生强大的机械能。由于实现了风能机主轴垂直,为风能机的近距离机械归并提供了必备条件。机械能有势能和动能两种。风能机把风能转化为机械能,主要是动能形式。动能=1/2·m·v·v。这说明,扇页活动式风能机的动能与旋转部分的质量、扇页几何中心线速度的平方成正比。这就说明,这种风能机旋转部分的质量越大,这种风能机的动能就越大;如果这种风能机的扇页所受的风速越高,扇页旋转的速度就越快,相应的扇页几何中心的线速度就越快,风能机的动能就越大。这就表明,可以根据需要,将这种风能机建成大规格的标准,建在高风速的地方,就可以获取较大的动能,也就是说这样就可以获取较大的机械能。
活动式风能机由于是垂直于地面的主轴(1),这就为风能机的逐级往高空发展创造了必备条件,就可以根据需要建造多级风能机。这样各级风能机所转换的机械能归并到一起,就可以形成非常强大的机械能。这是扇页活动式风能机的第三大优点。
4、自身有减灾、平衡能力。扇页活动式风能机的扇页(2),在进入做有用功的活动范围时,随着风力的推动,扇页(2)就趋向最大风受状态,推动风能机旋转;而扇页(2)进入不做功范围时,扇页(2)在风、重力、以及其它回位装置的作用下,扇页(2)恢复最小受风状态。
但是风能机在旋转过程中,不仅有旋转的惯性,而且由于风能机是由多片扇页组成,这就造成风能机的转速与每块扇页(2)的达到最大受风状态之间就存在一定的时间差。这就造成了风能机旋转越快,风能机扇页达到最大受风状态的能力越差。这一点既是扇页活动式风能具有平衡、减灾的优点;同时也是扇页活动式风能机的转速无法太高的缺点,只有进行适当的变速以后才能获得理想的转速。
这样风能机在受到超强风时,随着风能机旋转速度的加快,扇页达到最大受风状态的能力就越来越差。这就使得做有用功扇页的有效受风面积越来越小,当接近或者达到扇页做无用功(不作)的状态时,风能机就必将散失旋转的动力。反之,当风速逐渐变小时,由于风能机旋转速度的下降,做有用功的扇页达到最大受风状态的能力就会加强。所以说,扇页活动式风能机自身具有一定的平衡,甚至于可以起到一定的减灾作用。这是扇页活动式风能机的第四大优点。
5、可以产生强大的电能、热能及其他形式的机械能。因扇页活动式风能机可以形成非常强大的机械能,这也就可以肯定,它也就可以产生非常强大的电能、热能及其他机械能。这才是设计扇页活动式风能机的最终目的。
6、低成本。由于扇页活动式风能机与其它风能机存在着本质的区别,风能机的构造得到了很大的改进。这为大量采用普通材料铺平了道路,也为共用支架、共用发电设备、共用输变电设备、共用管理人员、减少使用土地等方面提供了方便。这就可以极大地降低成本,减少投入。
7、可以与水电形成错峰。从“秋风扫落叶”开始,到次年的初夏,这一时期是水源的枯期,水电的弱期。而这一时期却是风的称霸时期,是风能利用的最好时期。这就刚好与水电形成了错峰。由于扇页活动式风能机具有极大的开发性和极强的生命力。加之,国家也出台了一系列优惠政策,在未来几年必定要得到较快发展,尽力弥补水源枯期水电的不足。
8、结构简单、可靠、成本低、利于普及,是一种新型适用的风能机。
1-主轴;2-扇页;3-扇页支架;31-连接杆;32-阻拦框架;4-齿轮;5-平衡物。S-扇页与扇页支架中的连接杆之间距离。
权利要求1.一种扇页活动式风能机,其特征是风能机由主轴(1)、扇页支架(3)、扇页(2)和变速箱组成,主轴(1)一端垂直于地面并通过齿轮与变速箱相接,主轴(1)另一端装有2-6根垂直于主轴(1)轴线的扇页支架(3),每根扇页支架(3)上装有一块扇页(2),每块扇页(2)可绕每根扇页支架(3)跷动。
2.根据权利要求1所述的扇页活动式风能机,其特征是每块扇页(2)通过铰链与每根扇页支架(3)连接,每块扇页(2)与每根扇页支架(3)铰链连接位置(S)为该扇页(2)1/2-1/4范围,每块扇页(2)背面装有一平衡物(5)。
3.根据权利要求1或2所述的扇页活动式风能机,其特征是每块扇页(2)与每根扇页支架(3)铰链连接位置(S)在扇页(2)1/3连接线处。
4.根据权利要求1或2所述的扇页活动式风能机,其特征是每块扇页(2)可是一块或者数块正方形、长方形、矩形构成,每块扇页(2)可是一个平面或是多个平面。
5.根据权利要求1或2所述的扇页活动式风能机,其特征是每根扇页支架(3)呈长方形形状。
专利摘要本实用新型涉及一种把风能转换为机械能的装置,在转换效率方面具有显著优势的风能机设置。属机械设备领域。其特征是由主轴、扇页支架、扇页和变速箱组成的扇页活动式风能机,主轴一端垂直于地面并通过齿轮与变速箱相接,主轴另一端装有2-6根垂直于主轴轴线的扇页支架,每根扇页支架上装有一块扇页,每块扇页可绕每根扇页支架跷动;每块扇页通过铰链与每根扇页支架连接,每块扇页与每根扇页支架铰链连接位置为该扇页1/2-1/4范围,每块扇页背面装的一块平衡物。扇页在进入做有用功范围时呈最大受风状态;而扇页退出做有用功的范围,进入做无用功(不作功)的范围时扇页保持最小受风状态,这一大一小的区别就推动了风能机轴旋转,风能就转变成了机械能。这种风能机主要用于将风能转化为电能、热能或其他机械能。
文档编号F03D11/04GK2846787SQ20052009980
公开日2006年12月13日 申请日期2005年9月15日 优先权日2005年9月15日
发明者周国华 申请人:周国华

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