專利名稱：家用微型流速發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬微型流速發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。即直接利用流水動能發(fā)電的有關(guān)技術(shù)。
利用流水動能發(fā)電，美、日都有實驗性產(chǎn)品。1988年3月我們委托中國專利局采用TP計算機進行檢索，檢索年限至1987年。共取出日、法、德、美等各國專利119條。這些專利與流速發(fā)電有關(guān)的11條，但僅涉及葉片的角度調(diào)整、裝置按裝固定方法、采用園錐形入口以增加流體流速、裝置的安全保險等范疇的問題。就我們接觸到的有關(guān)資料看來，國外的這些實驗性產(chǎn)品容量屬千瓦數(shù)量級。本發(fā)明屬家用微型裝置，其中采用的如穩(wěn)壓停車等技術(shù)措施，他們沒有采取，是我們所特有的。就國內(nèi)來說，據(jù)我們所知，現(xiàn)還未從事這方面研究，故沒有同類的文獻可資比較。但風(fēng)力發(fā)電機已有少量投入運行，從基本工作原理看與流速發(fā)電一樣，都是利用流體的動能驅(qū)動發(fā)電，與本發(fā)明最為接近。西安交大編《新能源發(fā)電》，李慶宜編《小型風(fēng)力機設(shè)計》，日上智大學(xué)牛山泉博士著《小型風(fēng)力機的設(shè)計與制作》，都對風(fēng)力發(fā)電裝置作了較為詳細(xì)的分析和介紹。牛山泉文中指出“小型風(fēng)力機發(fā)出的電力大都在蓄電池中儲存起來……交流輸出都是通過整流變成直流12伏、24伏等，由蓄電池貯存。”一般方案是發(fā)電機-整流-調(diào)節(jié)器-蓄電池-逆變器-用電器誠然，流速發(fā)電裝置采用以上方案也是可行的。存在的問題是1.能量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過多，使整機的效率大幅度下降。
2.裝置的造價大。若裝置容量為100伏安，僅蓄電池、逆變器兩項便需增加投資約300元，占整機投資一半以上。這使之難以在較貧困的地區(qū)推廣。
3.蓄電池的保養(yǎng)比較困難。一般充放電100～2000個周期便不能繼續(xù)用。
4.采用以上方案，為了與蓄電池配合，發(fā)電機一般發(fā)低電壓(30伏以下)，這意味著，發(fā)電裝置與蓄電池等距離應(yīng)在幾米以內(nèi)(否則線路損耗很大)。這也就是說，用戶或者應(yīng)在裝置按裝位置附近(這不符合本裝置大多數(shù)實際使用的條件)，或者將蓄電池、逆變器置于發(fā)電裝置附近，逆變器將直流變交流并升壓后輸入用戶。而這套裝置置于遠(yuǎn)離用戶的野外，其保管維護都將增加用戶的困難。
我們知道，微型獨立電源(不并網(wǎng)運行)的重要技術(shù)關(guān)鍵是實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。由于流速總是隨機變化故輸入能量也是變化的，加之用電負(fù)荷的變化，實現(xiàn)微型流速發(fā)電裝置的輸出電壓的穩(wěn)定是一個較為困難的任務(wù)。
本發(fā)明的任務(wù)是不用上述整流逆變蓄電環(huán)節(jié)，采取更為簡便可靠的方式實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，不用電時，不必將裝置自水中取出便可方便地停車，并設(shè)計滿足流速發(fā)電工作條件的葉輪，實現(xiàn)利用微小流速型水能資源發(fā)電。亦可直接利用流水的動能提水。
采取的技術(shù)措施是1.發(fā)電機(如附圖
中的3)直接發(fā)單相交流220伏。應(yīng)該指出，額定電壓220伏的微型發(fā)電機，一般都是高轉(zhuǎn)速的。本裝置使用條件為流速1.2米/秒，葉輪額定轉(zhuǎn)速為70轉(zhuǎn)/分。若采用過大升速，變速箱體積增大，阻礙水的流動從而降低整機效率。故發(fā)電機取轉(zhuǎn)速為750轉(zhuǎn)/分的永磁發(fā)電機，變速箱升速比為11∶1。但此類永磁發(fā)電機，發(fā)出電壓在30伏以下，都為三相。我們首先按照不改變磁鐵負(fù)載工作點的原則，對此類發(fā)電機進行改進，即將三相改為單相。并加強軸端、出線端的密封以適應(yīng)水下工作條件。原發(fā)電機每相160匝，八極。我們按永磁電機電樞反應(yīng)的計算公式，從原有發(fā)電機的數(shù)據(jù)進行推算，確定新設(shè)計電機繞組由16組元件串聯(lián)，每組元件匝數(shù)為190。該永磁發(fā)電機在轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分下輸出220伏(交流)，且外特性良好，過載能力強，效率在65%以上，完全適宜流速發(fā)電的工作條件，能最好地與本裝置配套。這種發(fā)電機的試制成功，為實現(xiàn)不用蓄電池、逆變器的簡單穩(wěn)壓方式準(zhǔn)備了必要的條件。
2.在利用流體動能發(fā)電的裝置中，本發(fā)明首先采用慣性飛輪作為儲能元件。試驗表明，流水中不可避免地存在著漩渦、波浪的涌動，由于發(fā)電機的輸入能量與流速的三次方成正比，瞬間的少許的流速變化也會使發(fā)電機的輸出電壓產(chǎn)生變化。采用飛輪可有效地抑制這一現(xiàn)象。但是它對由于用電負(fù)荷的變化而產(chǎn)生的輸出電壓的變化無能為力。故我們同時采用電子穩(wěn)壓器(如附圖中的4)，跟蹤輸出電壓，與給定電壓比較產(chǎn)生控制信號，以調(diào)整可控硅導(dǎo)通角的方式，調(diào)整附加負(fù)荷的大小，“補齊”發(fā)電機總的負(fù)荷。采用如上所述機電結(jié)合的方式，“機”抑制“瞬態(tài)變化”對輸出電壓的影響，“電”抑制“穩(wěn)態(tài)變化”對輸出電壓的影響，兩者各司其責(zé)，使裝置在流水具有漩渦、浪涌等情況下，在負(fù)荷于額定值內(nèi)任意變動和流速偏離額定值±15%情況下，都能有效地保證電壓的穩(wěn)定。當(dāng)然，對于功率較大裝置，采用飛輪就未畢是合適的了。
3.由于沒有蓄電池，不用電時，將裝置自水中取出又相當(dāng)麻煩。聽其空轉(zhuǎn)，將增加無意義的磨損，減少壽命。因此，沒有蓄電池的發(fā)電裝置，必須解決不用電時裝置的停車問題，而在河流中發(fā)電裝置的上方按置閘門之類，也相當(dāng)麻煩，且不便操作。本裝置的穩(wěn)壓器(如附圖中的4)特附一小阻值大功率電阻(約為80歐)，不用電時將其接入，它將迫使水輪機減速至軟特性帶，于是迅速停止運轉(zhuǎn)(葉輪在停車時，由葉輪轉(zhuǎn)速與水的流速決定的合成速度的值和攻角產(chǎn)生變化，此時葉輪只能吸取很少的動能，故在上述電阻接入時不能啟動，也不會給裝置帶來電氣、機械上的損害)。通過這一簡便的方式，裝置可隨時停車和起動。
4.我國現(xiàn)有的幾十種優(yōu)選出的水輪機定型產(chǎn)品，都是使用在落差式水力條件下。利用流體動能驅(qū)動的水輪機，未見有定型產(chǎn)品可以模仿。本發(fā)明轉(zhuǎn)用現(xiàn)有風(fēng)力機葉輪的設(shè)計計算方法，考慮到流質(zhì)的不同(從而密度與粘度不同)，流速的不同(比如水的流速一般比風(fēng)速要低的多)，通過理論計算和試驗改進，對葉輪(如附圖中的1)的實度、攻角，葉片形狀與扭角進行了優(yōu)選。其特征是四葉，實度0.23，安裝角25°，葉片扭角10°左右。該葉片在本裝置工作條件下，自根部至頂端各段，都工作在高效區(qū)。
5.將本裝置發(fā)電部分用一水泵替換(此時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定問題不很重要，可以去掉飛輪)，可直接利用流水的動能提水。利用水位差提水的水輪泵，國內(nèi)已有定型產(chǎn)品，而上述利用流水動能提水的產(chǎn)品現(xiàn)在還未見有。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1.直接利用河流流水發(fā)電，不需攔河截流等水工工程，加上裝置重量輕，體積小，安裝簡單，特別適宜單獨農(nóng)戶使用。
2.本發(fā)明特有的穩(wěn)壓系統(tǒng)，較之過去采用的蓄電池系統(tǒng)，造價降低50%以上，整機效率提高，且維修更為方便。
3.裝置附有的停車系統(tǒng)，方法簡單有效，用戶不需用電時，不必將裝置自水中取出便可使之停車，可大大延長裝置使用壽命。
4.專門設(shè)計的永磁發(fā)電機，在額定轉(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分時，輸出電壓220伏，便于直接與家用電器配套，并可允許裝置按裝位置距用戶數(shù)百米以內(nèi)，適合本裝置大多數(shù)實際使用的條件。
5.裝置由葉輪(如附圖中的1)、變速箱(如附圖中的2)、發(fā)電機(如附圖中的3)、穩(wěn)壓器(如附圖中的4)組成。1、2、3同軸，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
本裝置87年底按裝于安徽休寧縣月潭鄉(xiāng)一水渠中，用戶距該水渠100米左右，系農(nóng)戶。發(fā)出電力可供該戶照明、看電視、聽錄音，大體上可以滿足該戶的日常用電(實用情況已作了現(xiàn)場錄相)。
權(quán)利要求
1.微型流速發(fā)電裝置，由葉輪(1)、變速箱(2)、發(fā)電機(3)、穩(wěn)壓器(4)組成。其特征在于直接利用微小流速型水能發(fā)電；有飛輪與電子穩(wěn)壓器共同組成穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，其葉輪在工作區(qū)外具有軟特性，據(jù)此在不用電時，可實現(xiàn)裝置的停車。
2.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電裝置，其特征在于葉輪(1)借用風(fēng)力葉輪設(shè)計方法，葉片安裝角為25°，由軸端到頂端逐漸扭轉(zhuǎn)10°左右。
3.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電裝置，其特征在于變速箱(2)內(nèi)有一飛輪，穩(wěn)壓器(4)跟蹤負(fù)荷和流速變化帶來的電壓變化，兩者共同組成穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，使裝置在流水具有漩渦、浪涌等情況下，在負(fù)荷于額定值內(nèi)任意變動和流速偏離額定值±15%情況下，都能有效地保證電壓的穩(wěn)定。
4.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電裝置，其特征在于(4)附有一小阻值大功率電阻(約為80歐)，它的接通可使葉輪停止運轉(zhuǎn)。
5.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電機(3)，其特征與現(xiàn)有低轉(zhuǎn)速(750轉(zhuǎn)/分)永磁發(fā)電機不同的是輸出電壓為單相220伏。
6.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電裝置，其特征在于葉輪(1)、變速箱(2)、發(fā)電機(3)安裝在同一軸線上，并全部浸入水中。
7.如權(quán)利要求書1所說的發(fā)電裝置，其特征在于除作為發(fā)電裝置外，將發(fā)電機換接為一水泵，即可利用水的動能提水。
全文摘要
一種利用微小流速型(流速1.2米/秒，流水截面1米×1米)水能資源的家用微型流速發(fā)電裝置。主要由水輪機、變速箱、穩(wěn)壓器、發(fā)電機組成?？芍苯臃胖糜诤恿骰蚯乐?，供用戶作為生活用電電源。其獨特的穩(wěn)壓方式，由于避免了通常采用的蓄電池逆變器等方式，使之造價降低，工作也較為可靠。裝置附有一大負(fù)荷并利用葉輪的軟特性帶(非正常工作區(qū))實現(xiàn)方便的停車。
文檔編號F03B15/04GK1041991SQ8810712
公開日1990年5月9日 申請日期1988年10月19日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月19日
發(fā)明者趙樹楷, 高剛?cè)A, 雷坤石 申請人:農(nóng)牧漁業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所