擾動風速風力發電系統及其垂直軸微型風力機的製作方法
2023-04-23 10:22:26
專利名稱：擾動風速風力發電系統及其垂直軸微型風力機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用擾動風速進行風力發電的擾動風速風力發電系統及其風力機。該系統及其風力機特別適用於對高速公路及鐵路沿線上行駛的汽車和火車所產生的擾動風能的開發和利用。
背景技術：
隨著不可再生資源的逐步枯竭和自然環境的不斷惡化，人類已開始對太陽能和風能等可再生的清潔能源的利用產生濃厚興趣，特別是利用自然風能進行發電的技術已日趨成熟，個別國家的風力發電量已達其總用電量的20％以上。但是，人們卻長期忽略了對汽車和火車等運動物在行駛中所產生的擾動風能的利用，不僅使這一資源被全部白白浪費掉，而且還造成擾動風速對公路和鐵路等沿線的環境的極大破壞。而傳統的風力機葉片均設計得很複雜(如風輪葉片結構)，難於製造和維護。
發明內容
本發明的目的是克服現有風力發電技術的不足，研製一種擾動風速風力發電系統及其垂直軸微型風力機。
本發明的基本原理是當行駛在高速公路上的車輛達到一定的行使速度時，所產生的擾動風速來推動安裝在高速公路兩旁或者高速公路下方的風力捕獲裝置轉動，然後風力機帶動發電機進行發電，通過控制整流器向蓄電池充電並儲存，然後供給高速公路電器設備用電。事實上，本發明的核心就是利用擾動風速進行發電，該發電系統的其餘部分及其風力機和發電機可與現有的利用自然風能發電的公知技術完全一樣。
本發明是通過以下技術方案實現的一種擾動風速風力發電系統，其特徵是，該擾動風速風力發電系統包括移動的擾動風源，和風源移動的軌跡，在風源移動的軌跡一側或兩側的地面處按一定間距安裝有風力機和由風力機驅動的發電機，發電機發出的電能經蓄電池儲能轉換後，傳輸給相應的用電器。
一種用於擾動風速風力發電系統的垂直軸微型風力機，其特徵是，該風力機由上端板、下端板、均布於上端板和下端板之間的兩個或三個葉片、固定於下端板中心的輸出軸和機座構成，其中葉片的截面形狀為半圓形，葉片一端固定於上端板內側，葉片另一端固定於下端板內側，輸出軸穿過機座後接於相應的轉動裝置。
進一步的方案是在每個半圓形葉片的中軸線上設置有導風板，導風板一端固定於上端板內側，導風板另一端固定於下端板內側，導風板距半圓形葉片的最近點位於半圓形葉片的圓心處。
在本發明中，所述的移動的擾動風源主要指行駛的汽車或火車等運動物所產生的擾動風能。所述的風源移動的軌跡主要指的是公路或鐵路沿線。所述的風力機是利用移動的擾動風源並同時能兼用當地的自然風源的風力機。
在本發明中，發電機發出的電能經儲能轉換裝置後，亦可併網供市電用。
本發明的優點高速公路風能開發利用系統的最大優點是不受自然氣候條件的限制，最大可能地利用車輛在高速度公路上行駛的產生的擾動風力，同時還可以利用自然風來進行風力發電。特別是無風地區，高速公路密集，車輛多的地區，高速公路風力發電系統最大限度地利用了無成本的自然能源。由於風電和水電一樣，其風能水能都是可再生能源，其建設和使用可同時完工，沒有火電所需要的化石燃料和燃料開採、運輸等方面的投資。風電的優點是蘊藏量大、可再生、無汙染、不淹沒土地、佔地少、建設周期短、投資靈活、自動控制水平高、運行管理人員少等。高速公路風能開發利用，彌補了在自然環境中風能是一種密度小的隨機性能源的缺點。如果每10m的高速公路隔離帶中安裝一對50-500W風力發電系統，那麼，100km長的高速公路上風力發電系統的發電量相當於一座小型火力發電廠的年發電量。也就是說在建成一條100km新的高速公路同時相當於又建造了一座小型火力發電廠。其風力機的構造簡單，便於加工和維護。
四、附圖及說明
圖1是垂直軸微型風力機一個實施例的主視圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖中1-上端板，2-葉片，3-螺釘，4-螺母，5-下端板，6-發電機，7-蓄電池，8-導風板，9-法蘭，10-輸出軸，11-機座。
五、實現方式下面以我國高速公路為例，對本發明做進一步描述。高速公路擾動風速風力發電有很大的潛力，但是由於高速公路的特殊性和複雜性，不可能選擇目前常用的風力發電水平軸風力機。雖然水平軸風力機的理論比較成熟，氣動力性能比垂直軸微型風力機要好，啟動風速低，風能利用係數高。但水平軸風力機的風輪要隨著風的方向變化而變化，這種變化要引起「對風損失」。如果把水平軸風力機作為在高速公路擾動風能利用系統，由於在隔離帶兩邊行駛的車輛所產生的擾動速度方向不一致，使得尾舵不停地轉動來回對風，這樣會擾亂駕駛員的視線，可能會造成交通事故。所以，一般的水平軸風力機的對風裝置不適合高速公路風能開發利用。
該風能系統開發主要是採用車輛在高速公路上行駛時或火車在行駛所產生的擾動風速來進行風力發電。隨著我國國民經濟的高速發展，高速公路建設正在突飛猛進。高速公路的發展已成為國家的主要交通命脈。高速公路風能開發利用系統的最大優點是不受自然氣候條件的限制，最大可能地利用車輛在高速度公路上行駛的產生的擾動風力，同時還可以利用自然風來進行風力發電。特別是無風地區，高速公路密集，車輛多的地區，高速公路風力發電系統最大限度地利用了無成本的自然能源。
①汽車行駛速度(100km/h)的確定根據我國國情，高速公路的適應交通量為二級(相當於美國的C級)，即計算行車速度為120km/h。由於我國小客車性能比發達國家差，卡車等大型車的混入率較高，如果風力機安放在隔離帶，在風力發電設計時一般計算行車速度採用100km/h是合理的。
②車流量對風力發電的影響按照美國最近研究結果，高速公路上每車道以小客車計的基本通行能力大約為2200輛/小時。根據中華人民共和國高速公路《標準》中遠景年限的設計年平均日交通量，行駛100km/h的四車道上有35000～50000輛/日。
從高速公路發展趨勢來看，考慮四車道情況下，我國適應交通的極限值仍按每車道2000輛/小時計。每分鐘在高速公路行駛車輛有34輛。如果把風力機安置在隔離帶，來回車輛通過安裝在隔離帶的風力機就有34輛。假設每輛車長為6m(考慮尾跡效應)，經過風力機的時間大約為3秒鐘。那麼，安裝在隔離帶的風力機一分鐘就有50秒在發電。
③汽車行駛對風力發電系統的擾動速度的確定汽車最大外廓尺寸是產生擾動速度的主要因素。我國國家標準GB1589-89對汽車的外廓尺寸限界作了明確規定，汽車最大外廓尺寸應不超過如下限制規定1.總高4.0m；2.總寬(不包括後視鏡)2.5m；3.總長(1)載重汽車(包括越野載重汽車)12.0m；(2)客車12.0m；鉸接式客車18.0m；(3)牽引拖車半掛車16.5m；
(4)汽車全掛汽車列車20.0m。
為了計算汽車在高速公路行駛時對風力發電系統所產生的擾動速度，用下面的示意圖進行分析和考慮。
汽車在行車道上行駛時，根據位流理論，極坐標的半徑與車的寬相等就即r0＝1.25m，風力機風輪直徑為2m，半徑R＝1m，在風力機葉片處r＝5.25m。這裡，不考慮空氣的摩擦，可以計算出車輛在風力機葉片處r＝5.25m的擾動風速。行駛在行車道上的汽車對風力機處產生的擾動速度在表1中。
表1行車道上對r＝5.25m處的擾動速度
從上表的計算結果可以明顯看出，行駛在行車道上車輛對安裝在隔離帶的風力機的擾動速度很小，風力機不能夠發電。(但是可以將風力發電機安裝在行車道旁邊)現在再考慮汽車在超車道上行駛時，取r0＝1.25m，風力機風輪直徑為2m，半徑R＝1m，在風力機葉片處r＝1.75m。此時，汽車在超速車道上行駛對風力機產生的擾動速度表示在表2中。
表2r＝2.75m處的擾動速度
從計算中可以明顯地看出，行駛在超速車道的車輛對風力發電的擾動速度是最適合風力發電的要求。根據規範和計算結果，風力機的設計風速選取為V設計＝5m/s為最佳。
④高速公路風速實測情況表3不同車輛對隔離帶的擾動風速
為了使設計風速更結合實際，通過高速公路管理局聯繫，在成-綿高速公路的隔離帶進行實地測量。汽車行駛的速度採用CS-10型雷達測速儀跟蹤測量。汽車產生的擾動風速採用RHAT-301型風速儀測量，測量精度±3％，測量範圍0-30m/s，測量結果如表3通過實地測量，發現計算結果與測量結果相吻合。確定了高速公路風能開發的可行性、利用性和開發性。為設計高速公路風能開發利用系統獲得了第一手材料。
⑤車流通量對風力發電的影響按照美國最近研究結果，高速公路上每車道以小客車計的基本通行能力大約為2200輛/小時。根據中華人民共和國高速公路《標準》中遠景年限的設計年平均日交通量表4中，行駛100km/h的四車道上有35000～50000輛/日。
表4高速公路遠景年限的設計年平均日交通量範圍(小客車/日)
從高速公路發展趨勢來看，考慮四車道情況下，我國適應交通的極限值仍按每車道2000輛/小時計。每分鐘在高速公路行駛車輛有34輛。如果把風力機安置在隔離帶，來回車輛通過安裝在隔離帶的風力機就有34輛。假設每輛車長為6m(考慮尾跡效應)，經過風力機的時間大約為3秒鐘。那麼，安裝在隔離帶的風力機一分鐘就有50秒在發電。可以說，高速公路的風能資源是相當豐富，開發利用高速公路的風能工作是一項具有十分重要的意義。
高速公路擾動風速風力發電有很大的潛力，但是由於高速公路的特殊性和複雜性，不可能選擇目前風力發電常用的水平軸風力機。雖然水平軸風力機的理論比較成熟，氣動力性能比垂直軸微型風力機要好，啟動風速低，風能利用係數高。但水平軸風力機的風輪要隨著風的方向變化而變化，這種變化要引起「對風損失」。如果把水平軸風力機作為在高速公路擾動風能利用系統，由於在隔離帶兩邊行駛的車輛所產生的擾動速度方向不一致，使得尾舵不停地轉動來回對風，這樣會擾亂駕駛員的視線，可能會造成交通事故。所以，一般的水平軸風力機的對風裝置不適合高速公路風能開發利用。
因此，本發明採用的垂直軸微型風力機，其風輪可以吸收任意方向來的風的能量，不僅不需要附加跟蹤風向結構，而且不考慮「對風損失」。另外，垂直軸微型風力機的齒輪箱和發電機可以安裝在地面上，不僅結構簡單，造價低，而且便於維護與修理。垂直軸風輪與水平軸風輪相比，垂直軸風輪葉片不受交變重力應力的作用，葉片的疲勞壽命長。但是，風輪不能自行啟動，啟動風速一般在4m/s以上。
以下是高速公路風力發電系統的
具體實施例方式一種擾動風速風力發電系統，其特徵是，該擾動風速風力發電系統包括移動的擾動風源，和風源移動的軌跡，在風源移動的軌跡一側或兩側的地面處按一定間距安裝有風力機和由風力機驅動的發電機，發電機發出的電能經蓄電池儲能轉換後，傳輸給相應的用電器。
如圖1和圖2，一種用於上述擾動風速風力發電系統的垂直軸微型風力機，其特徵是，該風力機由上端板1、下端板5、均布於上端板1和下端板5之間的三個葉片2、通過螺釘3、螺母4、連接法蘭9固定於下端板5中心的輸出軸10和機座11構成，其中葉片2的截面形狀為半圓形，葉片2一端固定於上端板1內側，葉片2另一端固定於下端板5內側，輸出軸10穿過機座11後接於機座11內的發電機6等相應的轉動裝置。
在每個半圓形葉片2的中軸線上設置有導風板8，導風板8一端固定於上端板1內側，導風板8另一端固定於下端板5內側，導風板8距半圓形葉片2的最近點位於半圓形葉片2的圓心處。
權利要求
1.一種擾動風速風力發電系統，其特徵是，該擾動風速風力發電系統包括移動的擾動風源，和風源移動的軌跡，在風源移動的軌跡一側或兩側的地面處按一定間距安裝有風力機和由風力機驅動的發電機，發電機發出的電能經蓄電池儲能轉換後，傳輸給相應的用電器。
2.一種用於權利要求1所述的擾動風速風力發電系統的垂直軸微型風力機，其特徵是，該風力機由上端板(1)、下端板(5)、均布於上端板(1)和下端板(5)之間的兩個或三個葉片(2)、固定於下端板(5)中心的輸出軸(10)和機座(11)構成，其中葉片(2)的截面形狀為半圓形，葉片(2)一端固定於上端板(1)內側，葉片(2)另一端固定於下端板(5)內側，輸出軸(10)穿過機座(11)後接於相應的轉動裝置。
3.根據權利要求2所述的垂直軸微型風力機，其特徵是在每個半圓形葉片(2)的中軸線上設置有導風板(8)，導風板(8)一端固定於上端板(1)內側，導風板(8)另一端固定於下端板(5)內側，導風板(8)距半圓形葉片(2)的最近點位於半圓形葉片(2)的圓心處。
全文摘要
本發明涉及一種利用擾動風速進行風力發電的擾動風速風力發電系統及其風力機。其特徵是，該風力發電系統包括移動的擾動風源，和風源移動的軌跡，在風源移動的軌跡側面按一定間距安裝有風力機和發電機，發電機發出的電能經儲能轉換後，傳輸給相應的用電器。其風力機由上端板1、下端板5、均布於上端板1和下端板5之間的多個葉片2、固定於下端板5中心的輸出軸10和機座11構成，其中葉片2的截面形狀為半圓形，葉片2一端固定於上端板1內側，葉片2另一端固定於下端板5內側，輸出軸10穿過機座11後接於機座11相應的轉動裝置，在每個半圓形葉片2的中軸線上設置有導風板8。
文檔編號F03D11/04GK1594874SQ20041004005
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月24日 優先權日2004年6月24日
發明者董文華, 張維智 申請人:綿陽市中天科技有限責任公司