风驱空气能能量转化系统的制作方法

1.磁致热、风力发电、风能利用、供热供暖、新能源、节能减排、海洋经济。


背景技术：

2.距离海岸线越远，海面上的风能越丰富，而海岸线附近城市人口密集，这也就为开发利用近海附近的风能找到了一个庞大的市场。目前，海上风能的开发利用研究普遍着眼于发电，与本发明申请关系比较密切的有风力发电机，形式多样。
3.风力发电由于风力变化无常，造成的弃电现象比较严重，如何稳定的转化能量，满足人类对电能、热能等的需求，便是本发明的初衷。目前，中国在大力发展海洋能源，以解决未来的能源安全问题，同时减少使用化石能源对环境造成的破坏，所以说本发明正当其时。
4.本人先前曾提出磁力缓速器、风热器、波热器和浪热器的发明申请，可从中华人民共和国国家知识产权局检索以供参考。


技术实现要素：

5.本发明针对海上风能的开发利用，提出了风驱空气能能量转化系统的解决方案，此发明申请也可以用于陆地上风能的开发利用。
6.风驱空气能能量转化系统由风力驱动系统带动空气压缩机、风机或水环真空泵等产生一定压力的空气冲击涡轮或气轮机旋转，从而带动发电机发电或磁力耦合制热系统制热，以满足人类用电和用热需求，通过功率分流，可同时带动发电机发电和磁力耦合制热系统制热。通过使用高压空气储罐，可利用压缩空气的形式储存能量，来进行短期或长期(季节性)储能调峰使用。通过使用高压空气储罐、收缩管、气轮机、低压空气储罐和闭环气路控制系统，可以人为控制风驱空气能能量转化系统的能量转化效率和功率。
7.磁力耦合制热系统分为极大负荷可调磁力耦合制热系统和极大负荷不可调磁力耦合制热系统，磁力耦合制热系统由转子和定子组成，转子和定子一个上装有磁块，另一个上装有感应盘或感应筒，依靠转子和定子产生磁力耦合实现能量转化，将机械能转化为热能，机械能由风力驱动系统带动空气压缩机、风机或水环真空泵等产生一定压力的空气冲击涡轮或气轮机旋转产生。磁力耦合制热系统可用于加热水、空气或其它储热介质，从而用来供热供暖、蒸馏和干燥等。
8.根据磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同，磁力耦合制热系统可分为盘式磁力耦合制热系统、筒式磁力耦合制热系统和混合式磁力耦合制热系统。磁力耦合面为相对旋转磁场和感应磁场相互耦合的理论假设中性面，磁力耦合面位于磁块固定盘组件和感应盘组件之间或磁块固定筒组件和感应筒组件之间，磁块固定盘组件或磁块固定筒组件用于产生相对旋转磁场，感应盘组件或感应筒组件用于产生感应磁场，相对旋转磁场和感应磁场相互耦合进行能量转化，磁力耦合制热系统的转子和定子中一个装有磁块固定盘组件或磁块固定筒组件，另一个装有感应盘组件或感应筒组件，转子和定子的相互作用可看作是相对旋转磁场和感应磁场的相互作用。
附图说明
9.图1、图2所示为风驱空气能能量转化系统的两种基本的结构类型，其磁力耦合制热系统采用盘式极大负荷可调磁力耦合制热系统1，极大负荷可调磁力耦合制热系统1的转子采用磁块固定盘组件1-2，而定子采用感应盘组件1-1，极大负荷可调磁力耦合制热系统1和涡轮3之间加装了变速箱，以使极大负荷可调磁力耦合制热系统1在最佳转速范围内工作并进行功率分流进行发电。图2所示的风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1采用一组磁力耦合面，即一个感应盘组件和磁块固定盘组件的匹配组合。图1所示的风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1采用两组磁力耦合面，其将感应盘组件1-1置于极大负荷可调磁力耦合制热系统1的定子中，其热负荷调节机构采用一个电机驱动一对滑动丝杠组件，也可以采用两个电机各驱动一个滑动丝杠组件，而将磁块固定盘组件合二为一。图1、图2所示风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1可以串联使用，即使用两组以上的磁力耦合面。图中标号1-6为高速回转导电接头，标号1-4为滑动丝杠组件，标号1-5为电机，标号3为涡轮，标号5为收缩管。图1、图2中风力驱动系统2采用了垂直轴风力驱动系统，其低速轴2-2和高速轴2-3之间增加了变速箱，图中低速轴2-2和高速轴2-3为交错轴，传动齿轮2-5、2-6和制动轮2-4等可以集成到变速箱内，制动轮2-4既可置于低速轴2-2上，也可置于高速轴2-3上，或置于其它中间轴上，和制动轮2-4相匹配的制动装置可采用钳式制动器、带式制动器或其它类型的制动器。
10.图3所示为风驱空气能能量转化系统用于供热的一种形式，加热介质为水(增加了保温水箱)。图4所示为风驱空气能能量转化系统用于供暖的一种形式，加热介质为空气(增加了防护罩)，图中增设了扰流风扇1-3以加速散热。各种结构类型的风驱空气能能量转化系统都可用来独立或集中供热供暖。
11.图5所示方案为极大负荷可调磁力耦合制热系统1的一种结构类型，其是图1所示的风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1的一种变形，图5所示方案中将感应盘组件1-1置于极大负荷可调磁力耦合制热系统1的转子中。
12.图6所示方案为极大负荷可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其是图2所示的风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1的一种变形，图6采用定子调节，1-8为止转滑动支承筒，热负荷调节机构以电机驱动滑动丝杠组件带动定子沿轴向滑动，从而调节磁场耦合间隙以改变极大负荷可调磁力耦合制热系统的热负荷。
13.图7所示方案为极大负荷可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其是图6所示方案的的一种变形，热负荷调节机构以手动驱动，1-9为手轮。对于图7所示的极大负荷可调磁力耦合制热系统可以去除零件1-4，然后利用齿轮齿条来驱动磁块固定盘组件1-2，或者利用摇杆滑块机构来调节磁场耦合间隙，磁块固定盘组件1-2即为摇杆滑块机构中的滑块。
14.图8所示方案为极大负荷可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其与图2所示方案中的极大负荷可调磁力耦合制热系统1的区别是采用了筒式极大负荷可调磁力耦合制热系统，筒式极大负荷可调磁力耦合制热系统的磁力耦合面平行于中心传动轴的轴向。筒式极大负荷可调磁力耦合制热系统的各种结构形式类似于盘式极大负荷可调磁力耦合制热系统的各种结构形式，仅仅是其极大负荷可调磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同而已。筒式极大负荷可调磁力耦合制热系统和盘式极大负荷可调磁力耦合制热系统也
可融合形成混合式极大负荷可调磁力耦合制热系统，混合式极大负荷可调磁力耦合制热系统的磁力耦合面同时置于平行和垂直于极大负荷可调磁力耦合制热系统的中心传动轴的轴向。极大负荷可调磁力耦合制热系统的感应盘或感应筒既可置于转子中，也可置于定子中。
15.图9所示方案为极大负荷可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其是图2所示的风驱空气能能量转化系统的极大负荷可调磁力耦合制热系统1的一种变形，图9所示方案中将感应盘组件1-1置于极大负荷可调磁力耦合制热系统1的转子中。图9中的极大负荷可调磁力耦合制热系统1的中心传动轴上加装了制动轮1-11，以和制动装置相匹配。制动装置可采用钳式制动器、带式制动器或其它类型的制动器，可将制动装置整体集成到变速箱内。
16.图10所示为风驱空气能能量转化系统的磁力耦合制热系统的磁块固定盘组件的示意图，n极和s极永磁体交替排列，磁极方向平行于轴向。风驱空气能能量转化系统的磁力耦合制热系统的磁块固定筒组件中的n极和s极永磁体同样交替排列，但其磁极方向垂直于轴向。风驱空气能能量转化系统的磁力耦合制热系统的感应盘组件从原理上讲至少应包括感应盘和屏蔽板两部分，当两部分采用相同的材料时，可直接融为一体，适当控制板的厚度即可。
17.图11所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种热负荷调节机构，电机经齿轮传动驱动周向布置的多组滑动丝杠组件1-4。极大负荷可调磁力耦合制热系统用的热负荷调节机构中的滑动丝杠组件可以用滚珠丝杠组件、行星滚柱丝杠组件或沟槽凸轮组件替代。
18.图12所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种滚珠丝杠型热负荷调节机构，用滚珠丝杠组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号1-5为滚珠丝杠组件，可以用行星滚柱丝杠组件替代以形成行星滚柱丝杠型热负荷调节机构。
19.图13所示是极大负荷可调磁力耦合制热系统用的一种沟槽凸轮型热负荷调节机构，用沟槽凸轮组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号1-6为沟槽凸轮组件。
20.图14、图15、图16、图17所示为电动调速专用高速回转接头，采用模块化串联结构，可串联任意通道，其外转子静止不动，以连接外部电源，其内转子用于连接电动热负荷调节机构的驱动电机。两端密封环1-70、1-71可采用碳化钨、石墨等材料，中间有电线进出部分的1-55、1-57、1-58、1-74、1-75可采用电绝缘材料，1-72采用电接触材料，1-73采用电绝缘材料镶嵌电接触材料的组合结构，1-64为弹簧，用来平衡接触压力，弹簧处的导向销1-65对弹簧起导向限位作用，防止高速回转时弹簧在离心力作用下失效。电动调速专用高速回转接头可用来取代高速回转导电接头，其比高速回转导电接头具有更好的防水、防尘和防爆性能，但其结构复杂，制造困难，经济性差。
21.图18所示为高速回转导电接头，采用模块化结构，滑环的数量根据需要确定，图中所示为三个滑环(可为六个或任意个)，连通三根导线，中间环1-33、防护层1-32、防护层1-34、防护层1-37采用电绝缘材料，1-35为电刷，1-36为滑环(镶嵌于防护层1-37内)，1-38为微调弹簧(用来平衡接触压力)，1-39为导线，1-42为轴承。图18中滑环内接电刷，外接外部电源。高速回转导电接头以电刷和滑环作为动态接触，也可以将电刷和滑环反装，由电刷内接滑环，外接外部电源。
22.图19所示方案为对图1中所示的风驱空气能能量转化系统的一种改进，用人造大气环境取代开放的大气环境。图19中人造大气环境为低压空气储罐，内部储存一定压力的空气，高压空气储罐、收缩管5、低压空气储罐、空气压缩机和气路控制系统一起组成一个封闭系统，工质(作为驱动涡轮的流动空气)在空气压缩机的驱动下循环流动并驱动涡轮做有用功。人造大气环境便于整个系统的压力控制，从而使风驱空气能能量转化系统能稳定、高效地进行高功率输出。风驱空气能能量转化系统的各种结构类型都可以采用人造大气环境。
23.图20、图21、图22、图23所示为风驱空气能能量转化系统的几种改进方案示意图，图中只表达了气路控制系统，其它组成部分可参考图1所示方案。图20所示方案即是图19所示方案的气路控制系统，图中省略了空气压缩机、风力驱动系统、磁力耦合制热系统和发电机等组成部分。图21所示方案与图20所示方案的区别是其涡轮3采用汽轮机(汽轮机为现在电厂发电用的设备，以高温高压蒸汽驱动，但此处改用压缩空气驱动，因此也可改名为气轮机，毕竟两种应用的工况有所不同)。图22所示方案为采用多个气轮机和收缩管5的一种并联方案示意图，其为多效并联，空气压力逐级变化。图23所示方案为采用多个气轮机和收缩管5的一种串联方案示意图，其为多效串联，空气压力逐级变化。图20、21、22、23中的单向阀也可以改用远程控制阀，通过压力传感器实时监测的压力数据进行闭环自动控制，常见的远程控制阀类型有电动、液动、气动和电液动等，如电动球阀、电磁阀等，图20、21、22、23所示的气路控制系统只是简单示意，具体应用中可增设多个高压空气储罐和低压空气储罐以及管路用控制阀，收缩管5的形状、空气压缩机的流量和气路控制系统应根据具体应用位置的风力统计数据进行分析后合理设计，以取得最佳效果。图20、21、22、23中的气路控制系统为闭环气路控制系统，也可以采用开环气路控制系统，开环气路控制系统将低压空气储罐去除，直接使用天然的大气环境，从大气中吸气，经压缩冲击涡轮后又直接排气进入大气。
24.图24、图25、图26为风力驱动系统使用的垂直轴风力机的几种方案示意图。图24所示的垂直轴风力驱动系统的风轮叶片采用达里厄(darrieus)型弯叶片，图25所示的垂直轴风力驱动系统的风轮叶片采用萨沃尼斯(savonius)型叶片，图1、图2所示的垂直轴风力驱动系统的风轮叶片采用达里厄型直叶片，达里厄型弯叶片的形式多变，有多种形式，可灵活选用。达里厄型叶片为升力型叶片，而萨沃尼斯型叶片为阻力型叶片，升力型叶片(常用的翼型叶片有naca翼型系列、seri翼型系列、nrel翼型系列、risφ翼型系列和ffa-w翼型系列等)和阻力型叶片(萨沃尼斯型、风杯型、涡轮型、平板型和马达拉斯型等)的形式多样，不能一一列举，各种形式的叶片也可混合使用，图26所示的垂直轴风力驱动系统的风轮叶片就是一种混合使用的组合。
25.图27、图28、图29、图30、图31所示为风驱空气能能量转化系统的磁力耦合制热系统采用的极大负荷不可调磁力耦合制热系统的几种方案示意图。图27、28、29所示的极大负荷不可调磁力耦合制热系统1的定子采用感应盘组件1-1，而转子采用磁块固定盘组件1-2。图27所示的磁力耦合制热系统采用一组磁力耦合面，即一个感应盘组件1-1和磁块固定盘组件1-2的匹配组合。图28所示的磁力耦合制热系统采用两组磁力耦合面，但用两个感应盘组件1-1和两个磁块固定盘组件1-2的匹配组合。图29所示的磁力耦合制热系统采用两组磁力耦合面，但用两个感应盘组件1-1和一个磁块固定盘组件1-2的匹配组合。图27、图28、图29所示的极大负荷不可调磁力耦合制热系统1的几种基本形式可以串联使用，即使用两组
以上的磁力耦合面。图30所示方案为极大负荷不可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其是图29所示的盘式极大负荷不可调磁力耦合制热系统1的一种变形，图30所示方案中将感应盘组件1-1置于磁力耦合制热系统1的转子中。图31所示方案为极大负荷不可调磁力耦合制热系统1的又一种结构类型，其与图27所示方案中的磁力耦合制热系统1的区别是采用了筒式极大负荷不可调磁力耦合制热系统，其将感应筒1-1置于转子中，筒式极大负荷不可调磁力耦合制热系统的磁力耦合面平行于中心传动轴的轴向。筒式极大负荷不可调磁力耦合制热系统的各种结构形式类似于盘式极大负荷不可调磁力耦合制热系统的各种结构形式，仅仅是其磁力耦合制热系统的磁力耦合面的位置不同而已。盘式极大负荷不可调磁力耦合制热系统和筒式极大负荷不可调磁力耦合制热系统也可融合形成混合式极大负荷不可调磁力耦合制热系统，混合式极大负荷不可调磁力耦合制热系统的磁力耦合面同时置于平行和垂直于磁力耦合制热系统的中心传动轴的轴向。极大负荷不可调磁力耦合制热系统的感应盘或感应筒既可置于转子中，也可置于定子中。
26.图32、图33所示为风驱空气能能量转化系统的风力驱动系统使用的水平轴风力驱动系统的方案示意图，图33所示方案的中间轴2-12和高速轴2-3为平行轴，图32所示方案的中间轴2-12和高速轴2-3为交错轴。图32所示的水平轴风力驱动系统的传动齿轮2-5、2-6和制动轮2-4等可以集成到变速箱内。图32、图33所示的水平轴风力驱动系统的变速箱也可以置于顶端，和齿轮2-13集成为一体。图33所示的水平轴风力驱动系统将制动装置集成到变速箱内，水平轴风力驱动系统的制动装置既可置于低速轴2-2上，也可置于高速轴2-3上，或置于其它中间轴上。制动装置可采用钳式制动器、带式制动器或其它类型的制动器。各种结构形式的水平轴风力驱动系统也可以不使用变速箱，或只使用增速器，或使用带传动或链传动等，使用变速箱的目的主要是为了获取最佳工作转速。图32、图33所示的水平轴风力驱动系统，为使风轮叶片与风向保持合理的角度，须增加偏航系统，叶片2-1、低速轴2-2、齿轮2-13等组成一个部件总成，此部件总成和塔架之间依靠回转支承(又名转盘轴承、偏航轴承)联结到一起，根据风向的检测信号利用偏航电机或液压马达通过齿轮传动来驱动其旋转作适应性调整。此外，为了得到稳定的功率输出，还可以增加变桨系统，实时改变叶片的角度。对于小型水平轴风力驱动系统可不要变桨系统、偏航系统，直接利用简单的尾翼(又名偏航器)依靠风力作自适应旋转调整。
具体实施方式
27.风驱空气能能量转化系统所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造。磁块、轴承、滚珠丝杠、行星滚柱丝杠、电机和控制阀等均可由专业厂商配套生产，其它零部件机加工、模具成形、焊接即可。
28.风驱空气能能量转化系统要想成功应用，必须具备以下几个条件：(1)功率标定——建立完备的测试台架，以完成系列化产品的标定。(2)动平衡检测——旋转部件必须达到相关标准规定的动平衡要求，以达到必要的安全可靠性。(3)控制——风驱空气能能量转化系统为便于使用，其控制系统可设计为闭环控制或开环控制，闭环控制系统便于远程自动控制。(4)产品设计——要根据具体应用地区的风力资源统计数据作针对性设计。(5)防雷——风力驱动系统必须安装防雷装置，以防止雷电危害。
29.风驱空气能能量转化系统既可用于海上风能资源的开发利用，也可用于陆上风能
资源的开发利用。当风驱空气能能量转化系统用于近海风能资源的开发利用时，可将高压空气储罐、收缩管、磁力耦合制热系统和发电机等置于海岸附近，通过压力管道将压缩空气输送到高压空气储罐内，此压力管道可置于海底或系泊于海面上。风驱空气能能量转化系统的使用方案有以下几种：(1)基于大陆海岸线，与防波堤一起规划设计。(2)基于海岛岸线，与海岛防波堤一起规划设计。(3)基于石油钻井平台规划设计。(4)独立设计，固定或系泊于海水中，此种方案可通过铺设海底电缆输电的方式向陆地上供应能源。(5)与船舶组合设计，形成可移动式风驱空气能能量转化系统，将生产的高压压缩空气运送到陆地上供冲击涡轮使用(集装箱式运输，高压空气储罐由船舶运输)。
30.风驱空气能能量转化系统的风力驱动系统可以驱动空气压缩机、风机或水环真空泵等设备生产压缩空气，使用闭环气路控制系统时，可以使低压空气储罐形成一定的真空度，从而提高风驱空气能能量转化系统的能量转化效率和功率。此外，当风驱空气能能量转化系统用于海上风能的开发利用时，闭环气路控制系统有利于减轻设备零件的腐蚀，因为海面上湿空气的腐蚀性要比陆地上强。