一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机和运行方法与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机。


背景技术：

2.当流体绕过作旋转运动的圆柱或圆球形障碍物体时，旋转物体会受到一种侧向力的作用，该侧向力实际为流体在圆柱两侧流速差所造成的一种升力现象马格努斯效应所产生侧向力称为马格努斯效应力或马格努斯(升)力。在马格努斯式的垂直轴风力机中，通过马格努斯力得到垂直轴风轮的转动扭矩。但马格努斯力的方向始终垂直于圆柱转动方向和来流风方向，且马格努斯力的大小由风速和转速决定。然而在垂直轴风力机中，旋转圆柱沿着一个方向转动时，产生的马格努斯力在上风侧和下风侧为同一方向，此时作为垂直轴风力机风轮的转动扭矩会相互抵消，从而影响风力机效率。因此不能直接使用旋转圆柱作为垂直轴式的风力机转子，需要进行改进。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，旨在解决现有技术中由多个旋转圆柱组成的风轮因受马格努斯效应产生的负扭矩而无法直接在垂直轴式风力机上使用，影响风力机工作效率的技术问题。
4.本发明的技术方案如下：一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，包括机架、光伏板、马格努斯式垂直轴风轮和传动机构；
5.所述机架上设有中心主轴，所述中心主轴与发电机相连，所述机架顶端铺设有所述光伏板；
6.所述马格努斯式垂直轴风轮包括三叶片耦合涡轮机、起发电机和智能电池组件，所述三叶片耦合涡轮机至少设置有两组与所述中心主轴的轴线呈对称设置，所述三叶片耦合涡轮机设置为三组或以上时与中心主轴呈放射状设置，且所述三叶片耦合涡轮机之间夹角相同，所述三叶片耦合涡轮机均通过所述传动机构与所述中心主轴相连，所述三叶片耦合涡轮机上连接有所述起发电机，所述起发电机与所述智能电池组件相连，所述智能电池组件与所述光伏板相连。
7.优选地，所述中心主轴上也有所述三叶片耦合涡轮机，所述中心主轴的三叶片耦合涡轮机外侧设有集风器
8.优选地，所述集风器包括若干个绕所述中心主轴轴线周向均匀间隔排布的集风叶片，所述集风叶片与所述中心主轴的轴线呈放射状分布，所述集风叶片为s型的大小双曲面，所述小曲面靠近中心主轴轴线，所述大曲面远离中心主轴轴线，所述集风器还包括上下两个圆盘，所述集风叶片固定连接在上下两个所述圆盘之间，上下两个所述圆盘固定连接在机架上。
9.优选地，所述中心主轴的顶端固定设有螺旋叶轮和避雷针。
10.优选地，所述机架的顶端设有光伏板固定支架，所述光伏板固定支架为圆形并固定连接在机架上，所述光伏板固定支架最外端固定连接有若干个绕所述中心主轴轴线周向均匀间隔排布的平衡叶片，所述平衡叶片为弧形，凸面与所述三叶片耦合涡轮机旋转方向一致，所述光伏板固定连接在所述光伏板固定支架上。
11.优选地，所述三叶片耦合涡轮机包括第一轮盘、第二轮盘、中轴和双曲面阻力叶片，所述第一轮盘和第二轮盘的圆心之间通过竖向的所述中轴连接，所述第一轮盘和第二轮盘之间设置有三个在中轴外侧周向布置的相对于中轴中心对称的双曲面阻力叶片；
12.所述双曲面阻力叶片为s型，所述双曲面阻力叶片的大曲面远离所述中轴，所述双曲面阻力叶片的小曲面靠近所述中轴，所述三个双曲面阻力叶片正视下小曲面弧形凸面顶点对向中轴，大曲面凸面顶点方向相反，所述三个双曲面阻力叶片的小曲面弧形凸面顶点到中轴的距离相等，所述小曲面弧形凸面顶点与所述中轴留有间隙；
13.所述三个双曲面阻力叶片以中轴旋转轨迹为正圆形；
14.所述第一轮盘和第二轮盘上均设有与所述中轴共线的轴套，所述双曲面阻力叶片由轻量化材质制成。
15.优选地，所述传动机构包括主动轮、从动轮和同步带，所述主动轮和所述从动轮均为同步轮，所述主动轮与所述三叶片耦合涡轮机相连，所述从动轮与所述中心主轴固定相连，所述同步带分别与所述主动轮和所述从动轮配合。
16.一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机的运行方法，所述马格努斯风力发电机为上述的马格努斯风力发电机，所述运行方法包括以下步骤：
17.s1、光伏板将太阳能转化能电能并储存到智能电池组件中；
18.s2、智能电池组件控制起发电机工作，起发电机经智能电池组件的控制模块调整为启动电机驱动三叶片耦合涡轮机旋转，三叶片耦合涡轮机转动后，通过传动机构带动中心主轴转动，中心主轴带动发电机发电；其中，在风大时或用电峰谷时起发电机经智能电池组件的控制模块调整为发电机模式，为智能电池组件充电，在风小时或用电高峰时，智能电池组件的控制模块调整起发电机为启动电机模式，驱动三叶片耦合涡轮机旋转。
19.和现有技术相比，本发明的有益效果如下：
20.本设备采用光伏为驱动力，通过智能电池驱动三叶片耦合涡轮机作为叶片转子，有效避免风能不持续不稳定，从而解决现有技术中由多个旋转圆柱组成的风轮因受马格努斯效应产生的负扭矩而无法直接在垂直轴式风力机上使用，影响风力机工作效率的技术问题，本设备结构简单，制作加工成本低，便于推广使用。
21.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
23.图1是本发明的立体示意图；
24.图2是本发明的顶部立体示意图；
25.图3是图2的主视图；
26.图4是本发明的顶部立体示意图；
27.图5是本发明的剖视立体示意图；
28.图6是图5的俯视图；
29.图7是本发明的另一种结构形式的剖视俯视图；
30.图8是本发明的又一种结构形式的剖视俯视图。
31.附图标记如下：
32.1、机架；2、光伏板；3、中心主轴；4、发电机；5、三叶片耦合涡轮机；6、起发电机；7、智能电池组件；8、集风器；9、螺旋叶轮；10、避雷针；11、平衡叶片；12、轮盘；13、双曲面阻力叶片；14、中轴；15、主动轮；16、从动轮；17、同步带；18、集风叶片；19、圆盘；20、光伏板固定支架。
具体实施方式
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将接合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“竖向”、“周向”、“径向”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.如图1-图8所示的一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，包括机架1、光伏板2、马格努斯式垂直轴风轮和传动机构；
38.如图1和图3所示，机架1上设有中心主轴3，中心主轴3与发电机相连。
39.如图2所示，机架1顶端铺设有若干个光伏板2，在实际使用中，光伏板2的数量、大小形状等应根据需求设置，这里不做限制。
40.马格努斯式垂直轴风轮包括三叶片耦合涡轮机5、起发电机6和智能电池组件7，三叶片耦合涡轮机5至少设置有两组与中心主轴3的轴线呈对称设置，三叶片耦合涡轮机5设置为三组或以上时与中心主轴3呈放射状设置，且三叶片耦合涡轮机5之间夹角相同。
41.也就是说，本方案中的三叶片耦合涡轮机5的数量是大于等于两组的，例如参照图6，当三叶片耦合涡轮机5为两组时，两组三叶片耦合涡轮机5与中心主轴3的轴线呈对称设置，参照图7，当三叶片耦合涡轮机5为三组时，三组三叶片耦合涡轮机5与中心主轴3的轴线呈对称设置，参照图8，当三叶片耦合涡轮机5为四组时，四组三叶片耦合涡轮机5与中心主轴3的轴线呈对称设置。
42.三叶片耦合涡轮机5通过传动机构与中心主轴3相连，三叶片耦合涡轮机5上连接有起发电机6，起发电机6与智能电池组件7相连，智能电池组件7与光伏板2相连。
43.具体而言，本设备的运行过程如下：
44.s1、光伏板2将太阳能转化能电能并储存到智能电池组件7中；
45.s2、智能电池组件7控制起发电机6工作，起发电机6经智能电池组件7的控制模块调整为启动电机驱动三叶片耦合涡轮机5旋转，三叶片耦合涡轮机5转动后，通过传动机构带动中心主轴3转动，中心主轴3带动发电机发电。
46.其中，在风大时或用电峰谷时起发电机6经智能电池组件7的控制模块调整为发电机模式，为智能电池组件7充电；
47.在风小时或用电高峰时，智能电池组件7的控制模块调整起发电机6为启动电机模式，驱动三叶片耦合涡轮机5旋转。
48.在进一步地设置中，如图5和图6所示，中心主轴3上也有三叶片耦合涡轮机5，中心主轴3的三叶片耦合涡轮机5外侧设有集风器8，设置的集风器8可将气流集中导向中心的三叶片耦合涡轮机5，进而有利于提高中心轴上三叶片耦合涡轮机5在低风速下的风能利用率。
49.如图4、图5和图6所示，集风器8包括若干个绕中心主轴3轴线周向均匀间隔排布的集风叶片18，集风叶片18与中心主轴3的轴线呈放射状分布，集风叶片18为s型的大小双曲面，小曲面靠近中心主轴3轴线，大曲面远离中心主轴3轴线，集风器8还包括上下两个圆盘19，集风叶片18固定连接在上下两个圆盘19之间，上下两个圆盘19固定连接在机架1上，这种集风器8结构形式简单，集风效果好。
50.如图2和图3所示，中心主轴3的顶端固定设有螺旋叶轮9和避雷针10，螺旋叶轮9接受向上气流做功，可以提高风能利用效率，设置的避雷针10可以提高设备运行的安全性。
51.如图4所示，机架1的顶端设有光伏板固定支架20，光伏板固定支架20为圆形并固定连接在机架1上，光伏板固定支架20最外端固定连接有若干个绕中心主轴3轴线周向均匀间隔排布的平衡叶片11，平衡叶片11为弧形，凸面与三叶片耦合涡轮机5旋转方向一致，光伏板2固定连接在光伏板固定支架20上，设置的平衡叶片11可以提高设备运行的平稳性和可靠性，减轻振动。
52.如图4、图5和图6所示，三叶片耦合涡轮机5包括上下两个轮盘12、中轴14和双曲面阻力叶片13，上下两个轮盘12圆心之间通过竖向的中轴14连接，两个轮盘12之间设置有三个在中轴14外侧周向布置的相对于中轴14中心对称的双曲面阻力叶片13；
53.双曲面阻力叶片13为s型，双曲面阻力叶片13的大曲面远离中轴14，双曲面阻力叶
片13的小曲面靠近中轴14，三个双曲面阻力叶片13正视下小曲面弧形凸面顶点对向中轴14，大曲面凸面顶点方向相反，三个双曲面阻力叶片13的小曲面弧形凸面顶点到中轴14的距离相等，小曲面弧形凸面顶点与中轴14留有间隙，三个双曲面阻力叶片13以中轴14旋转轨迹为正圆形，这种双曲面阻力叶片13可以有效提高三叶片耦合涡轮机5的低风速启动性能。
54.两个轮盘12上均设有与中轴14共线的轴套，双曲面阻力叶片13由轻量化材质制成，以降低整个三叶片耦合涡轮机5的重量。
55.传动机构包括主动轮15、从动轮16和同步带17，主动轮15和从动轮16均为同步轮，主动轮15与三叶片耦合涡轮机5相连，从动轮16与中心主轴3相连，同步带17分别与主动轮15和从动轮16配合，这种传动机构形式简单，传动精度和传动效率比较高。
56.综上所述，本设备采用光伏为驱动力，通过智能电池驱动三叶片耦合涡轮机5作为叶片转子，有效避免风能不持续不稳定，从而解决现有技术中由多个旋转圆柱组成的风轮因受马格努斯效应产生的负扭矩而无法直接在垂直轴式风力机上使用，影响风力机工作效率的技术问题，本设备结构简单，制作加工成本低，便于推广使用。
57.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，包括机架、光伏板、马格努斯式垂直轴风轮和传动机构；所述机架上设有中心主轴，所述中心主轴与发电机相连，所述机架顶端铺设有所述光伏板；所述马格努斯式垂直轴风轮包括三叶片耦合涡轮机、起发电机和智能电池组件，所述三叶片耦合涡轮机至少设置有两组与所述中心主轴的轴线呈对称设置，所述三叶片耦合涡轮机设置为三组或以上时与中心主轴呈放射状设置，且所述三叶片耦合涡轮机之间夹角相同，所述三叶片耦合涡轮机通过所述传动机构与所述中心主轴相连，所述三叶片耦合涡轮机上连接有所述起发电机，所述起发电机与所述智能电池组件相连，所述智能电池组件与所述光伏板相连。2.根据权利要求1所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述中心主轴上也有所述三叶片耦合涡轮机，所述中心主轴的三叶片耦合涡轮机外侧设有集风器。3.根据权利要求2所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述集风器包括若干个绕所述中心主轴轴线周向均匀间隔排布的集风叶片，所述集风叶片与所述中心主轴的轴线呈放射状分布，所述集风叶片为s型的大小双曲面，所述小曲面靠近中心主轴轴线，所述大曲面远离中心主轴轴线，所述集风器还包括上下两个圆盘，所述集风叶片固定连接在上下两个所述圆盘之间，上下两个所述圆盘固定连接在机架上。4.根据权利要求1所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述中心主轴的顶端固定设有螺旋叶轮和避雷针。5.根据权利要求1所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述机架的顶端设有光伏板固定支架，所述光伏板固定支架为圆形并固定连接在机架上，所述光伏板固定支架最外端固定连接有若干个绕所述中心主轴轴线周向均匀间隔排布的平衡叶片，所述平衡叶片为弧形，凸面与所述三叶片耦合涡轮机旋转方向一致，所述光伏板固定连接在所述光伏板固定支架上。6.根据权利要求1所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述三叶片耦合涡轮机包括上下两个轮盘、中轴和双曲面阻力叶片，上下两个所述轮盘圆心之间通过竖向的所述中轴连接，两个所述轮盘之间设置有三个在中轴外侧周向布置的相对于中轴中心对称的双曲面阻力叶片；所述双曲面阻力叶片为s型，所述双曲面阻力叶片的大曲面远离所述中轴，所述双曲面阻力叶片的小曲面靠近所述中轴，所述三个双曲面阻力叶片正视下小曲面弧形凸面顶点对向中轴，大曲面凸面顶点方向相反，所述三个双曲面阻力叶片的小曲面弧形凸面顶点到中轴的距离相等，所述小曲面弧形凸面顶点与所述中轴留有间隙；所述三个双曲面阻力叶片以中轴旋转轨迹为正圆形；两个所述轮盘上均设有与所述中轴共线的轴套，所述双曲面阻力叶片由轻量化材质制成。7.根据权利要求1所述的利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机，其特征在于，所述传动机构包括主动轮、从动轮和同步带，所述主动轮和所述从动轮均为同步轮，所述主动轮与所述三叶片耦合涡轮机相连，所述从动轮与所述中心主轴固定相连，所述同步带分别与
所述主动轮和所述从动轮配合。8.一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机的运行方法，所述马格努斯风力发电机为根据权利要求1-7中任一项所述的马格努斯风力发电机，所述运行方法包括以下步骤：s1、光伏板将太阳能转化能电能并储存到智能电池组件中；s2、智能电池组件控制起发电机工作，起发电机经智能电池组件的控制模块调整为启动电机驱动三叶片耦合涡轮机旋转，三叶片耦合涡轮机转动后，通过传动机构带动中心主轴转动，中心主轴带动发电机发电；其中，在风大时或用电峰谷时起发电机经智能电池组件的控制模块调整为发电机模式，为智能电池组件充电，在风小时或用电高峰时，智能电池组件的控制模块调整起发电机为启动电机模式，驱动三叶片耦合涡轮机旋转。

技术总结
本发明公开了一种利用光伏为驱动力的马格努斯风力发电机和运行方法，包括机架、光伏板、马格努斯式垂直轴风轮和传动机构；机架上设有中心主轴，中心主轴与发电机相连，机架顶端设有光伏板；马格努斯式垂直轴风轮包括三叶片耦合涡轮机、起发电机和智能电池组件，三叶片耦合涡轮机的中轴与设于机架的传动机构和中心主轴相连，三叶片耦合涡轮机上连接有起发电机，起发电机与智能电池组件相连，智能电池组件与光伏板相连。本设备采用光伏为驱动力，通过智能电池组件控制起发电机驱动三叶片耦合涡轮机转动带动中心主轴和发电机做功，解决现有技术中由多个旋转圆柱组成的风轮因受马格努斯效应产生的负扭矩而无法直接在垂直轴式风力机上使用的问题。式风力机上使用的问题。式风力机上使用的问题。


技术研发人员：王刚
受保护的技术使用者：武汉为微新能源科技有限公司
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/5/13