风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置及其发电方法与流程

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明涉及可再行清洁能源发电装置，具体涉及风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置及其发电方法。背景技术：2.当前世界范围内的环境污染及温室气体效应十分严重，重要的措施之一是用可再生清洁能源取代难以再生的高污染排放的化石能源（如：煤、石油等）。当前大多数可再生清洁能源存在的主要问题是能量分散、能量密度低、单机可提供的功率小。比如风能与光能分布广、能量集中度差，难以形成规模效益。3.大多风电场选址在风大且光亮的无障碍开阔区域。目前的风机大多只接收一种能源（风速能量）且只利用一种风电转化机理（风机旋转动能）。4.目前大多数风机叶片为细长体叶片，且单台风机上大多仅安装三只细长体叶片。细长体叶片存在的不足之处：①ꢀ纳风率或称实度极低。细长体叶片的迎风面积与叶片旋扫的圆形面积之比极低。几乎70%以上的风能都从叶片间隙中漏失浪费。风能与机械叶片没有碰撞接触，失去了“风机”作用。5.②翼升能力低。细长体叶片因叶片宽度窄，叶片两面的压差小，升力系数低，作为叶片旋转推力的升力更低。6.③冲量作功少。在叶片旋扫圆面积内的来风，只有很少一部分气流（不超过30%）冲击到叶片表面上，这些很少的失量冲量在周向上的分量可推动叶片旋转作动。由此看出，细长体叶片上风能冲量作功也很少。而宽体叶片不仅气流冲击时的一次冲量力大，而且气流会继续沿宽体叶片附面层流动时，继续产生二次冲量力做功。7.④摩擦拖动力作功小。气流在叶片表面上滑动所产生的摩擦力可推动叶片旋转作功，此处的摩擦力是风机作功的有效作用力。但因细长体叶片宽度太窄，此处的摩擦拖动力作功很小。8.⑤气体膨胀作功小。气流冲击到叶面上因降速及冲量原因，气压急剧升高，气体受压后体积变小，当气体沿叶片宽度继续二次边界层流动时，气体逐渐膨胀作功，推动叶片旋转。但因细长体叶片宽度太窄，此种气体膨胀作功的风机转换机理没有发挥出作用。9.⑥风机转换效率与风（速）机（速）的速比显现正态分布的优化曲线，太长的叶尖段的线速度太快而出现叶尖段对气流做功即负功叶片段现象。10.⑦风机效率低且成本高。11.由上述①~⑥机理分析可看出，细长体叶片的风机不仅功率小而且风机转化效率很低。由于细长体叶片尺寸超长（已由早期的30米左右发展到150米左右）， 需要超大生产车间、超大生产设置、特种超长运输车辆、特种超长巨型吊装设置。对山区等特殊环境道路的宽度、直线度都有较高的要求。综合成本翻倍增加。由此看出，细长体叶片的风机不仅功率低、效率低而且综合成本奇高。技术实现要素：12.本发明的一个目的是提供风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置，这种风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置用于解决现有技术中单台风机的效率低、功率低的问题；本发明的另一个目的是提供这种风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置的发电方法。13.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置包括塔筒、机舱、叶片，叶片为宽体短叶片，宽体短叶片的一侧表面上设置若干压电板支架，每个压电板支架上安装一个压电板块，每个压电板块上设置一个光伏板支架，每个光伏板支架上安装一个光伏板块；各压力板块通过压电板串联导线连接形成压电发电机构，压电发电机构通过压电板输出导线输出电能；各光伏板块通过光伏板串联导线连接形成太能发电机构，太阳能发电机构通过光伏板输出导线输出电能。14.上述方案中各压电板呈阵列形式布置在宽体短叶片的一侧，形成压电板层；各光伏板呈阵列形式布置在压电板层的一侧，形成光伏板层，宽体短叶片、压电板层、光伏板层共同构成宽体复合层叶片。15.上述方案中宽体复合层叶片为3-6片，进一步提高单台风机的效率、功率及效益。16.上述方案中压电板块为压电材料板块。17.上述风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置的发电方法：气流冲击宽体复合层叶片时，气流的冲击力在宽体短叶片周向的分量及升力推动叶片旋转作功，带动转子电机发电；光伏板块接受光能，产生光伏发电；同时气流冲击光伏板块形成冲击力，冲击力传递到压电板块上，压电板两侧出现应力集中现象的拉应力与压应力，此时压电板材内的正电荷与负电子分离开，并分别向应力表面富集，压电板受压在压电板两侧产生电荷富集区，形成电位差势能，出现压电感应现象，形成第三种压电电能；在一块宽体叶片上同时接收风能和光能，又同时以风电、光电及压电三种发电机理高效转化为电能，提高了分布式能源设备的能量密度，大幅提高单台设备的发电功率。18.上述方案中宽体复合层叶片的风变调峰能力：由于风速风能的波动性很大，宽体复合层叶片起到储能器的能量吞吐作用，当风速大时，部分风能储存在叶片重量旋转动能中，当风速小时，储存在叶片重量中的惯性动能，再以轴功率对发电机作功，提高了风变调峰能力。19.进一步的是：电路采用交流直流化合成电路，若交流电外输，安置变频调压器，输出指定的交流频率及指定电压。20.本发明具有以下有益效果：1、本发明把风机设计成可接收多种自然能量（风能与光能）且利用多种电能转化机理（光伏发电、风机旋转发电、风压力发电）。从而提高了风机接收能量的密度并提高了风机的能量转化率，既提高了风机的功率又提高了风机的效率。21.2、本发明实现了风光同体能源，因宽体叶片的表面积很大，可以在风机叶片上安装光伏板，利用风机叶片上的光伏板，不仅能产生风力发电，同时还能产生光伏发电。不仅减少光伏发电所占用的土地，也减少光伏发电的综合成本，在一块风机叶片上同时接收两种不同类型的自然能源（风能与光能），提高了分布式能源设备的能量密度，从而大幅提高单台设备的发电功率，也极大提高了新能源企业的经济效益。22.3、本发明同时接收到风光能量，又同时以风电、光电及压电三种发电机理高效转化为电能。极大提高单台风机的功率及效率，也极大提高了新能源设备的能量密度及提高了发电企业的经济效益。23.4、本发明不仅同时接收到风能与光能，而且由于风机叶片在高空，光伏片既不被别的物体遮挡阳光，又不会对地面植被产生长时间固定遮挡，对地面土地占用及植被环境影响很小。附图说明24.图1为本发明中宽体复合层叶片的侧视图；图2为本发明中宽体复合层叶片的主视图。25.图中：1宽体短叶片基架；2压电板支架；3压电板输出导线；4光伏板支架；5光伏板输出导线；6压电板串联导线；7光伏板串联导线；8光伏板块；9压电板块。具体实施方式26.下面结合附图对本发明作进一步的说明：结合图1、图2所示，这种风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置包括塔筒、机舱、叶片，叶片为宽体短叶片，宽体短叶片的一侧表面上设置若干压电板支架2，每个压电板支架2上安装一个压电板块9，每个压电板块9上设置一个光伏板支架4，每个光伏板支架4上安装一个光伏板块8；各压力板块9通过压电板串联导线6连接形成压电发电机构，压电发电机构通过压电板输出导线3输出电能；各光伏板块8通过光伏板串联导线7连接形成太能发电机构，太阳能发电机构通过光伏板输出导线5输出电能。27.各压电板呈阵列形式布置在宽体短叶片的一侧，形成压电板层；各光伏板呈阵列形式布置在压电板层的一侧，形成光伏板层，宽体短叶片、压电板层、光伏板层共同构成宽体复合层叶片。28.本发明是风光压能同体联合发电的新型风机。29.1.光伏板宽体叶片复合设计实现了风光同体能源。30.因宽体叶片的表面积很大，可以在风机叶片上安装光伏板，利用风机叶片上的光伏板，不仅能产生风力发电，同时还能产生光伏发电。不仅减少光伏发电所占用的土地，也减少光伏发电的综合成本，在一块风机叶片上同时接收两种不同类型的自然能源（风能与光能），提高了分布式能源设备的能量密度，从而大幅提高单台设备的发电功率，也极大提高了新能源企业的经济效益。31.2.风光压三合一风机宽体叶片实现以风电、光电及压电三种发电机理高效转化为电能。32.气流冲击叶片的冲击力在叶片周向的分量及升力可推动叶片旋转作功，这属于宏观作用力。但在微观上，如果叶片上安装一层压电材料板，则由于压电板受压而在压电板两侧产生电荷富集区，形成电位差势能，得到了风机发电的另一种新型发电转换机理。把众多小块光伏板预制在压电材板上，然后再安装在宽体短叶片基架1上，形成风光压三合一风机宽体叶片。同时接收到风光能量，又同时以风电、光电及压电三种发动机理高效转化为电能。极大提高单台风机的功率及效率，也极大提高了新能源设备的能量密度及提高了发电企业的经济效益。33.表1：常规风机与新型风机能量效率对比表（1）气流风能冲击宽体风机叶片：a.风机宽体叶片两面的凸凹面形成机翼的升力理论，升力可推动风机叶片旋转作功。34.b.风能冲击宽体叶片，形成一次冲量作动。35.c.气流在冲击宽体叶片后，在宽体叶片上形成附面边界层气流，产生二次冲量作功。36.d.气流与宽体叶片内侧表面形成有益摩擦力，在周向上的分量推动叶片旋转作功。37.e.气流在撞击叶片时速度小压力高，随后在附面层的二次流动中气压减小，气体膨胀，产生气体膨胀力再次对宽体叶片的作功。38.在宽体叶片上存在多种风机转换机理，极大提高风机效率及功率。39.上述机理把风能转化为叶片旋转轴功率，经机械传输机构转化为发电机的输入轴功率，带动发电机发电输出第一种电能（ⅰ）。40.（2）宽体风机叶片上安置大面积光伏板：宽体叶片光伏板不仅面积大，吸收光能充足，还处在高空中，既不占用大量土地，也不固定遮挡地面上的植被，减少了常规固定光伏板对土地占用及环境的影响。光能照射到光伏板上，光伏板的pn结把光量子转化为电子跃迁形成电流，产生风机叶片上的第二种类型的光伏能（ⅱ）。41.（3）宽体风机叶片与光伏板之间安置压电材料板块：气流冲击叶片上光伏板块8形成冲击力，冲击力传递到压电板块9上，压电板两侧出现应力集中现象的拉应力与压应力。此时压电板材内的正电荷与负电子分离开，并分别向应力表面富集，出现压电感应现象，形成第三种压电电能（ⅲ）。42.（4）风机多层叶片上形成了三种类型的电能之和：同一块风机叶片上产生了三种不同类型的电能，极大提高风机发电功率。43.风机发电总功率n总=风机旋转第一种发电功率n风+叶片上光伏发电的第二种电功率n光+气流冲击压力产生的第三种压电功率n压。44.从而，这种风光压三合一风机宽体叶片高效发电装置的发电方法：气流冲击宽体复合层叶片时，气流的冲击力在宽体短叶片周向的分量及升力推动叶片旋转作功，带动转子发电机发电；光伏板块8接受光能，产生光伏发电；同时气流冲击光伏板块8形成冲击力，冲击力传递到压电板块9上，压电板两侧出现应力集中现象的拉应力与压应力，此时压电板材内的正电荷与负电子分离开，并分别向应力表面富集，压电板受压在压电板两侧产生电荷富集区，形成电位差势能，出现压电感应现象，形成第三种压电电能；在一块宽体叶片上同时接收风能和光能，又同时以风电、光电及压电三种发动机理高效转化为电能。45.宽体复合层叶片的风变调峰能力。由于风速风能的波动性很大，重量较大的复合层叶片可起到储能器的能量吞吐作用。当风速大时，部分风能储存在叶片重量旋转动能中，当风速小时，储存在叶片重量中的惯性动能中，再以轴功率对发电机作功，提高了风变调峰能力。46.风机叶片上产生了三种不同类型的电能转化，不仅三者间相对数量随时变化（有时以风能为主，有时以光能为主），而且绝对能量数值波动性很大。因此，需采用防止多电源相互干扰的交流直流化合成电路最为简单。如果需要交流电外输，可以安置变频调压器，输出指定的交流频率及指定电压。47.本发明创新技术：1.充分利用风机宽体叶片面积，在其上面安置光伏板，在接收风能的同时还能接收到太阳光能量，产生光电转换功率。48.2.风机叶片光伏板的创新不仅同时接收到风能与光能，而且由于风机叶片在高空，光伏片既不被别的物体遮挡阳光，又不会对地面植被产生长时间固定遮挡，对地面土地占用及植被环境影响很小。49.3.在叶片基架与光伏板块中间增设压电材料板块，利用风能的冲击力在压电板两侧形成应力集中而产生电荷表面富集现象，增加一种新的压电发电类型。50.4.在同一块风机叶片上，设计出“风光压三合一风机宽体叶片”，增加了接收能量来源渠道，增加了风机的发电机理，提高了单台风机的发电功率。从而提高企业的经济效益。51.5、宽体复合层叶片的重量虽然有所增加，但该叶片重量还能起到储能器的能量吞吐作用。有利于不稳定风能在风电转化过程中的平稳转化。风能大时，部分能量储存在叶片旋转动能中。风能小时，叶片重量储能器把重量旋转动能再补充到输出轴功率中，起到高低峰值的调平作用。52.6、设计出不稳定多电源的合成电源结构。53.①交流直流化合成电源工艺。54.②交流变频调压合成电源工艺。









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