[发明专利]家用微型流速发电装置

说明书

本发明属微型流速发电技术领域。即直接利用流水动能发电的有关技术。

利用流水动能发电，美、日都有实验性产品。1988年3月我们委托中国专利局采用TP计算机进行检索，检索年限至1987年。共取出日、法、德、美等各国专利119条。这些专利与流速发电有关的11条，但仅涉及叶片的角度调整、装置安装固定方法、采用圆锥形入口以增加流体流速、装置的安全保险等范畴的问题。就我们接触到的有关资料看来，国外的这些实验性产品容量属千瓦数量级，本发明属家用微型装置，其中采用的如稳压停车等技术措施，他们没有采取，是我们所特有的。就国内来说，据我们所知，现还未从事这方面研究，故没有同类的文献可资比较。但风力发电机已有少量投入运行，从基本工作原理看与流速发电一样，都是利用流体的动能驱动发电，与本发明最为接近。西安交大编《新能源发电》，李庆宜编《小型风力机设计》，日上智大学牛山泉博士著《小型风力机的设计与制作》，都对风力发电装置作了较为详细的分析和介绍。牛山泉文中指出“小型风力机发出的电力大都在蓄电池中储存起来……交流输出都是通过整流变成直流12伏、24伏等，由蓄电池贮存。”一般方案是：

诚然，流速发电装置采用以上方案也是可行的。存在的问题是：

1.能量的转换环节过多，使整机的效率大幅度下降。

2.装置的造价大。若装置容量为100伏安，仅蓄电池、逆变器两项便需增加投资约300元，占整机投资一半以上。这使之难以在较贫困的地区推广。

3.蓄电池的保养比较困难。一般充放电100～2000个周期便不能继续用。

4.采用以上方案，为了与蓄电池配合，发电机一般发低电压（30伏以下），这意味着，发电装置与蓄电池等距离应在几米以内（否则线路损耗很大）。这也就是说，用户或者应在装置安装位置附近（这不符合本装置大多数实际使用的条件），或者将蓄电池、逆变器置于发电装置附近，逆变器将直流变交流并升压后输入用户。而这套装置置于远离用户的野外，其保管维护都将增加用户的困难。

我们知道，微型独立电源（不并网运行）的重要技术关键是实现输出电压的稳定。由于流速总是随机变化故输入能量也是变化的，加之用电负荷的变化，实现微型流速发电装置的输出电压的稳定是一个较为困难的任务。

本发明的任务是：不用上述整流逆变蓄电环节，采取更为简便可靠的方式实现电压的稳定;不用电时，不必将装置自水中取出便可方便地停车，并设计满足流速发电工作条件的叶轮，实现利用微小流速型水能资源发电。亦可直接利用流水的动能提水。

采取的技术措施是：

1.发电机（3）直接发单相交流220伏。应该指出，额定电压220伏的微型发电机，一般都是高转速的。本装置使用条件为流速1.2米/秒，叶轮额定转速为70转/分。若采用过大升速，变速箱体积增大，阻碍水的流动从而降低整机效率。故 发电机取转速为750转/分的永磁发电机，变速箱升速比为11∶1。但此类永磁发电机，发出电压在30伏以下，都为三相。我们首先按照不改变磁铁负载工作点的原则，对此类发电机进行改进，即将三相改为单相。并加强轴端、出线端的密封以适应水下工作条件。原发电机每相160匝，八极。我们按永磁电机电枢反应的计算公式，从原有发电机的数据进行推算，确定新设计电机绕组由16组元件串联，每组元件匝数为190。该永磁发电机在转速750转/分下输出220伏（交流），且外特性良好，过载能力强，效率在65%以上，完全适宜流速发电的工作条件，能最好地与本装置配套。这种发电机的试制成功，为实现不用蓄电池、逆变器的简单稳压方式准备了必要的条件。

2.在利用流体动能发电的装置中，本发明首先采用惯性飞轮作为储能元件。试验表明，流水中不可避免地存在着漩涡、波浪的涌动，由于发电机的输入能量与水的流速的三次方成正比，瞬间的少许的流速变化也会使发电机的输出电压产生变化。采用飞轮可有效地抑制这一现象。但是它对由于用电负荷的变化而产生的输出电压的变化无能为力。故我们同时采用电子稳压器（4），跟踪输出电压，与给定电压比较产生控制信号，以调整可控硅导通角的方式。调整附加负荷的大小。“补齐”发电机总的负荷。采用如上所述机电结合的方式，“机”抑制“瞬态变化”对输出电压的影响，“电”抑制“稳态变化”对输出电压的影响，两者各司其责，使装置在流水具有漩涡，浪涌等情况下，在负荷于额定值内任意变动和流速偏离额定值±15%情况下，都能有效地保证电压的稳定。当然，对于功率较大的装置，采用飞轮就未毕是合适的了。