專利名稱：一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及綜合利用太陽能和燃料化學能的新型風力/燃料發(fā)電系統(tǒng)，特別涉 及電力發(fā)生器，屬于新型能源利用領域。
背景技術(shù)：
目前風力的運用已經(jīng)成為新能源利用的一個領域，各式的風力發(fā)電機也應運而生。其 中小型水平軸風力永磁發(fā)電機作為其中一種能源裝置，一般在邊遠小家庭，牧場或工廠使 用，能夠產(chǎn)生一定量的電能，滿足生產(chǎn)或生活的需要。其結(jié)構(gòu)是由永磁電機和三片式螺旋風 葉構(gòu)成，螺旋的軸向是水平的，受到氣體對葉片的推力而旋轉(zhuǎn)電機工作。但目前的小型水平 軸風力發(fā)電機的最大缺陷是因為能量來源完全依賴風力，所以受地區(qū)、季節(jié)或天氣的影響 而不能穩(wěn)定、持續(xù)產(chǎn)生電能；其次，對于一些扭矩系數(shù)大的風葉，需要很強的風力或者需借 助外力才能將整個電機啟動，這限制了小型風力發(fā)電機的推廣。如何借助外力提高風機的 工作運轉(zhuǎn)時間長度，并且能夠在風力不夠條件下達到發(fā)電量要求便成了有待解決的問題。微尺度燃燒噴射技術(shù)與飛行器引擎燃燒的噴射技術(shù)相似，所不同的是它是在微尺 度的燃燒室內(nèi)進行燃燒，燃燒時燃氣具有顯著的層流特點。這種小型的化學能推進器是通 過工質(zhì)(即燃料推進劑)的燃燒作用獲得高能氣流，然后經(jīng)過噴管加速而產(chǎn)生推力。微尺度 燃燒采用甲烷作為燃料，進行燃燒時，噴管出口速度隨著噴管喉部直徑的增大而增大，出口 直徑和速度之間存在著一定的線性關系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中單靠風葉產(chǎn)生推力的發(fā)電機存在的完全依賴 風力、受地區(qū)、季節(jié)或天氣的影響而不能穩(wěn)定、持續(xù)產(chǎn)生電能的不足，提供一種利用風能和 燃料化學能的電力發(fā)生器，協(xié)調(diào)利用風能和燃料化學能，在風力不穩(wěn)定或者無風時，啟動微 型推進系統(tǒng)產(chǎn)生推力進行補充或者單獨發(fā)電，提高風機的工作運轉(zhuǎn)時間長度。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括支架和電磁轉(zhuǎn)子，支架下部被固定，上部連接電磁轉(zhuǎn) 子，沿電磁轉(zhuǎn)子的周向均布三個相同的葉片，在三個葉片的外側(cè)邊緣端分別固定設置一個 微型推進器，微型推進器的中心軸線與葉片的翼弦之間的夾角等于電磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平面上的 升力方向與翼弦之間的夾角。進一步地，本發(fā)明微型推進器包括燃燒室和工質(zhì)預混器，燃燒室一端連通針孔燃 料噴嘴，針孔燃料噴嘴通過電控氣閥連接工質(zhì)預混器；燃燒室另一端收縮形成噴管喉部，噴 管喉部擴張形成噴管出口，燃燒室通過噴管喉部連通噴管出口 ；在靠近針孔燃料噴嘴處的 燃燒室壁面上設置兩個電子點火電極。本發(fā)明的技術(shù)效果是本發(fā)明在葉片上安置微型推進器，利用高速氣流噴射產(chǎn)生 的推力將葉片推動，能量來源為風能和燃料，因為不完全依賴風速，所以不受地區(qū)，季節(jié)或 天氣的影響，能全天候穩(wěn)定、持續(xù)產(chǎn)出電能，平穩(wěn)地啟動和運行，是一種聯(lián)合供能實現(xiàn)不同 規(guī)模大小的發(fā)電系統(tǒng)。其次，整個微型推進器無運動部件，燃燒室結(jié)構(gòu)裝置也得到了簡化， 因此無噪音、安裝簡便、維護簡單，耐用性好。此外，與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)相比，本發(fā)明若以氫氣為燃料，則完全無污染，還具有微排放、可充分運用生物質(zhì)沼氣能等新型燃料的優(yōu)點，特別 適用于家庭用戶或偏遠地區(qū)，而且裝置安裝輕便簡單，有一定的實用價值。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)圖； 圖2是圖1中微型推進器9的結(jié)構(gòu)放大圖； 圖3是圖1中一個葉片的受力原理圖；圖中1.燃燒室；2.噴管喉部；3.噴管出口 ；4、5.電子點火電極；6.電控氣閥；7.針 孔燃料噴嘴；8.工質(zhì)預混器；9.微型推進器；10.第一葉片；11.電磁轉(zhuǎn)子；12.第二葉片； 13.支架；14.第三葉片。
具體實施方式
如圖1，本發(fā)明包括支架13、電磁轉(zhuǎn)子11和葉片；支架13下部被固定，上部連接電磁 轉(zhuǎn)子11，沿電磁轉(zhuǎn)子11的周向均布三個相同的葉片，分別是第一葉片10、第二葉片12和第 三葉片14。在三個葉片的外側(cè)邊緣端分別固定安裝一個微型推進器9。為了保證三個葉片 能夠安全的承擔燃燒時高溫等外界載荷，三個葉片采用玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料結(jié) 構(gòu)，在對材料強度和耐高溫要求較高的葉片邊緣處，使用碳纖維作為增強材料可提高葉片 的承載能力，而且具有導電性的碳纖維可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。如圖2，微型推進器9包括燃燒室1和工質(zhì)預混器8，燃燒室1采用Al2O3材料制 作，燃燒室1的一端連通針孔燃料噴嘴7，針孔燃料噴嘴7通過電控氣閥6連接工質(zhì)預混器 8。燃燒室1的另一端收縮成噴管喉部2，噴管喉部2再擴張成噴管出口 3，使燃燒室1通過 噴管喉部2連通噴管出口 3，噴管出口 3的開口連通外部大氣。在靠近針孔燃料噴嘴7處的 燃燒室1壁面上設置兩個電子點火電極4、5。微型推進器9的長度不宜過長，如果過長會使其壁面的溫度下降，且氣體分子與 壁面碰撞后會降低速度，還會增加摩擦。為了減小剪切力，使切向動量轉(zhuǎn)換為軸向動量，將 噴管出口 3壁面設置為拋物線型。燃燒室1直徑Dl是8mm ^ Dl ^ 12mm,噴管喉部2的直 徑d是1. 2mm彡d彡2. 4mm，噴管出口 3的直徑D2是8mm彡D2彡12mm，燃燒室1與噴管 出口 3的總長度L是15mm彡L彡20mm，噴管擴張全角α是60度彡α彡75度。本發(fā)明 為了噴管0mm，設置為口減小燃燒室的熱量損失從而維持穩(wěn)燃，燃燒室1的壁面采用Al2O3 材料，由純度為96%的Imm厚的α相的多晶氧化鋁薄片(α - Al2O3)加工成，在1800攝氏 度能保持其完整性。微型推進器9工作時，預混燃料由工質(zhì)混合器8從針孔燃料噴嘴7引入燃燒室1 內(nèi)，此時，電子點火電極4、5接到點火命令進行點火，完成點火過程。燃料工質(zhì)在燃燒室1 進行燃燒，產(chǎn)生高能燃氣，即推進劑燃燒過程。燃氣通過噴管喉部2壓縮后產(chǎn)生高速氣流， 在噴管出口 3處產(chǎn)生推力，即產(chǎn)生推力過程。燃氣在燃燒室1里的溫度達1000Κ以上，壓強 為0. SMI^a左右，噴管出口 3產(chǎn)生的推力f可以通過如下公式計算f =m ν + (p-pa) A，m ν是動量推力，是推進劑質(zhì)量流量m與排氣相對風葉的速度ν之積；(p-pa) A是壓差推力， 是噴管出口 3橫截面積A乘以排氣壓力ρ與環(huán)境流體壓力Pa之差。壓力之差是力c推進 劑產(chǎn)生的推進力直接對葉片做功，葉片在更大的推進力下旋轉(zhuǎn)，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。第一葉片10的受力分析如圖3所示，第二葉片12和第三葉片14的受力分析與第 一葉片10相同。AB線段是葉片的翼弦；F是作用在第一葉片10上的氣動力，F(xiàn)的方向與翼4弦AB相垂直。&是電磁轉(zhuǎn)子11轉(zhuǎn)動平面上的升力，F(xiàn)l的方向與來自正前方的迎面氣流氣 體速度的方向相垂直，并且&的方向與翼弦AB的夾角為β。是電磁轉(zhuǎn)子11轉(zhuǎn)動平面上 的阻力。如圖1、3所示，將微型推進器9安裝在葉片上時，使微型推進器9的中心軸線與葉 片翼弦AB的夾角為β，即該夾角等于電磁轉(zhuǎn)子11轉(zhuǎn)動平面上的升力方向與翼弦AB之間的 夾角，這樣，噴管出口 3的法線方向η與&反向，噴管出口 3產(chǎn)生的推力與&相同。并且燃 燒室1應安裝在葉片的外側(cè)邊緣端，即距離葉片的中心軸最遠處，這樣扭矩較大。當氣體燃 料經(jīng)燃燒室1燃燒，高溫高壓燃燒氣體在噴管出口 3處產(chǎn)生了高速氣流，通過反作用力直接 推動葉片轉(zhuǎn)動，很好地利用了燃料化學能來輔助發(fā)電。本發(fā)明在實際使用時，使電子點火電極4、5與風速自動感應器聯(lián)動，當風速不足 時立即點火。電控氣閥6和電子點火電極4、5—起與風速感應器聯(lián)動控制燃燒的開啟運行。 例如，在自控系統(tǒng)中設置葉片可以正常在風力作用下發(fā)電的額定風速為20m/s，當風速減小 時，或葉片不能正常旋轉(zhuǎn)工作時，可以通過環(huán)境風速自動感應器反饋調(diào)節(jié)電子點火電極4、5 和電控氣閥6，從而引導燃氣導入燃燒室1點火燃燒，也可切換為手動調(diào)節(jié)模式，選擇性地 升降葉片的轉(zhuǎn)速。一般地，風速大時可單獨利用風能發(fā)電，風速小時則啟動燃料供給，由燃 料燃燒噴射產(chǎn)生推力帶動葉片加速轉(zhuǎn)動發(fā)電。本發(fā)明在使用時，燃料可優(yōu)先選擇人畜肥堆慪、材料加工工廠廢料等產(chǎn)生的生物 質(zhì)沼氣，經(jīng)過簡單脫硫裝置過濾后可作為裝置的燃料，燃燒產(chǎn)物為水蒸氣和二氧化碳混合 氣，與直接排放沼氣或燃燒傳統(tǒng)化石燃料相比，很大程度地預防或減小了環(huán)境污染。
權(quán)利要求
1.一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器，包括支架(13)和電磁轉(zhuǎn)子(11 )，支架 (13)下部被固定，上部連接電磁轉(zhuǎn)子(11)，沿電磁轉(zhuǎn)子(11)的周向均布三個相同的葉片， 其特征是在三個葉片的外側(cè)邊緣端分別固定設置一個微型推進器(9)，微型推進器(9)的 中心軸線與葉片的翼弦之間的夾角等于電磁轉(zhuǎn)子(11)轉(zhuǎn)動平面上的升力方向與翼弦之間 的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征是所述 微型推進器(9)包括燃燒室(1)和工質(zhì)預混器(8)，燃燒室(1) 一端連通針孔燃料噴嘴(7)， 針孔燃料噴嘴(7 )通過電控氣閥(6 )連接工質(zhì)預混器(8 )；燃燒室(1)另一端收縮形成噴管 喉部(2)，噴管喉部(2)擴張形成噴管出口(3)，燃燒室(1)通過噴管喉部(2)連通噴管出口 (3)；在靠近針孔燃料噴嘴(7)處的燃燒室(1)壁面上設置兩個電子點火電極(4、5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征是所述 燃燒室(1)的直徑Dl是8mm彡Dl彡12mm ；噴管喉部(2)的直徑d是1. 2mm彡d彡2. 4mm ； 噴管出口(3)的直徑D2是8mm彡D2彡12mm ；燃燒室(1)與噴管出口(3)的總長度L是 15mm ^ L ^ 20mm ；噴管擴張全角α是60度；^ α < 75度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器，其特征是燃燒 室(1)的壁面采用純度為96%、Imm厚、α相的多晶氧化鋁薄片材料。
全文摘要
本發(fā)明公開一種利用風能和燃料化學能的電力發(fā)生器，沿電磁轉(zhuǎn)子的周向均布三個相同的葉片，在三個葉片的外側(cè)邊緣端分別固定設置一個微型推進器，微型推進器的中心軸線與葉片的翼弦之間的夾角等于電磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動平面上的升力方向與翼弦之間的夾角；微型推進器的燃燒室一端連通針孔燃料噴嘴，針孔燃料噴嘴通過電控氣閥連接工質(zhì)預混器；燃燒室另一端通過噴管喉部連通噴管出口；在靠近針孔燃料噴嘴處的燃燒室壁面上設置兩個電子點火電極；本發(fā)明利用高速氣流噴射產(chǎn)生的推力將葉片推動，能量來源為風能和燃料，能全天候穩(wěn)定、持續(xù)產(chǎn)出電能，平穩(wěn)地啟動和運行。
文檔編號F03D9/00GK102052254SQ20101053886
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者萬彥輝, 吳慶瑞, 周俊, 潘劍鋒, 邵霞 申請人:江蘇大學