全文摘要
本实用新型公开了一种风能驱动高速旋转涡流制热系统，包括风力机、涡流制热器和蓄热器，涡流制热器包括主轴、筒状定子和同轴设置在筒状定子内腔的柱状永磁体转子，筒状定子的内外筒体之间形成定子水套夹层，涡流制热器中的主轴与风力机传动连接，利用磁涡流效应，将风力机产生的机械能分出一部分通过涡流制热器直接转化为热能，进而加热定子水套夹层中的给水而产生热水，风力机其余的机械能可用以驱动发电设备，使得风力机在具有发电环节的同时还可以加热给水，提高了风力机的效率和经济性。
主设计要求
1.一种风能驱动高速旋转涡流制热系统，包括风力机、涡流制热器和蓄热器，其特征在于，所述涡流制热器，至少包括一主轴、一筒状定子和一同轴设置在所述筒状定子内腔的柱状永磁体转子，其中，所述筒状定子包括一筒状定子内墙、一同轴套设在所述筒状定子内墙外周的筒状定子外墙以及设置在两端的顶盖，所述筒状定子内墙和筒状定子外墙均由金属制成，所述筒状定子内墙与筒状定子外墙之间的空间通过两端的所述顶盖形成一封闭的定子水套夹层；所述主轴的输入端与所述风力机传动连接，且所述主轴转动支撑在所述筒状定子两端的顶盖上；所述柱状永磁体转子包括一柱状转子铁芯以及嵌设在所述柱状转子铁芯外周的圆柱形永磁体，所述柱状转子铁芯的中心处沿其轴线设有一中心通孔，所述柱状永磁体转子通过其中心通孔同轴套设在所述主轴上并通过一离合装置与所述主轴传动连接，所述柱状永磁体转子在所述筒状定子内转动时，二者之间产生的电磁涡流转化为热量存储在所述定子水套夹层内的水流中；所述蓄热器通过水流管路与所述筒状定子上的定子水套夹层形成一水流循环回路，用以将所述涡流制热器产生的热量通过水流传输至所述蓄热器中。
设计方案
1.一种风能驱动高速旋转涡流制热系统，包括风力机、涡流制热器和蓄热器，其特征在于，
所述涡流制热器，至少包括一主轴、一筒状定子和一同轴设置在所述筒状定子内腔的柱状永磁体转子，其中，
所述筒状定子包括一筒状定子内墙、一同轴套设在所述筒状定子内墙外周的筒状定子外墙以及设置在两端的顶盖，所述筒状定子内墙和筒状定子外墙均由金属制成，所述筒状定子内墙与筒状定子外墙之间的空间通过两端的所述顶盖形成一封闭的定子水套夹层；
所述主轴的输入端与所述风力机传动连接，且所述主轴转动支撑在所述筒状定子两端的顶盖上；
所述柱状永磁体转子包括一柱状转子铁芯以及嵌设在所述柱状转子铁芯外周的圆柱形永磁体，所述柱状转子铁芯的中心处沿其轴线设有一中心通孔，所述柱状永磁体转子通过其中心通孔同轴套设在所述主轴上并通过一离合装置与所述主轴传动连接，所述柱状永磁体转子在所述筒状定子内转动时，二者之间产生的电磁涡流转化为热量存储在所述定子水套夹层内的水流中；
所述蓄热器通过水流管路与所述筒状定子上的定子水套夹层形成一水流循环回路，用以将所述涡流制热器产生的热量通过水流传输至所述蓄热器中。
2.根据权利要求1所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述风力机为水平轴式风力机或垂直轴式风力机，且所述风力机的低速输出轴通过一增速齿轮箱与所述主轴的输入端传动连接。
3.根据权利要求2所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述增速齿轮箱的输入端通过一联轴器与所述风力机的低速输出轴连接，所述增速齿轮箱的输出端通过一联轴器与所述主轴的输入端连接，且所述增速齿轮箱的输出端设有制动装置。
4.根据权利要求1所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述主轴的末端通过一联轴器与一发电机连接，所述发电机发出的电一部分通过逆变器并入电网，另一部分通过控制器储存在蓄电池中。
5.根据权利要求1所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述永磁体沿轴向均匀分布在所述转子铁芯上，且所述永磁体的磁极错列分布；所述筒状定子内墙由碳钢材料制成，所述筒状定子外墙由硅钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述蓄热器还通过水流管路与热用户单元连通。
7.根据权利要求6所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述蓄热器为相变蓄热器或蓄热水箱。
8.根据权利要求7所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述相变蓄热器中的相变蓄热材料为结晶水合盐。
9.根据权利要求7所述的风能驱动高速旋转涡流制热系统，其特征在于，所述蓄热水箱内设有将其划分为上腔和下腔的隔板，所述隔板为孔板，所述上腔与所述定子水套夹层的热水出口连通，所述下腔与所述定子水套夹层的冷水入口连通，且所述上腔还设有向所述热用户单元供应热水的出口，所述下腔还设有冷水补给口。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种风能制热系统，特别涉及一种风能驱动高速旋转涡流制热系统。
背景技术
随着城市化率的提高、区域小锅炉的拆除和旧城区的管网改造，我国城镇集中供热存在巨大缺口，近几年我国城镇住宅供热面积一直保持较高速度增长，但我国集中供热覆盖率仍处于较低水平，目前仅在北方各省的主要城镇建有集中供热系统，且平均覆盖率不到50％，南方城镇和我国广大的农村地区则基本没有集中供暖设施，仅能依靠天然气炉、空调、电炉和蜂窝煤等独立供热方式取暖，而芬兰和丹麦等发达国家的城市集中供热覆盖率达90％，其全国平均水平也在60％以上。
我国城市供热行业仍以燃煤为主要燃料，其年耗煤量超过1.5亿吨，行业内高污染、低效率的落后产能超过50％。由于煤炭供暖已经处于淘汰之中，因而太阳能、风能以及其他清洁能源将逐渐成为冬季供暖新生力量。我国风能资源丰富，具有大规模开发利用的前景。风能供热一方面可以解决燃煤供暖所带来的污染问题，另一方面还可以缓解风电弃风限电问题。而采用风力直接驱动涡流进行供热，可以有效地减少中间转换过程的能量转换损失，提高了风能利用效率，填补了我国供热缺口。
现有的风力致热系统，其致热器或是通过搅拌叶片与容器中的水摩擦产生热，将机械能转换为热能，但是转换效率低，不符合“温度对口、梯级利用”的科学用能原则；或是利用风力驱动永磁涡流制热机进行制热，但由于涡流发热构件的永磁体采用的是交变的磁盘，磁盘体积较大，且采用开口系统加热空气，热空气散失损失较大。
实用新型内容
针对上述现有技术的缺点和不足，本实用新型旨在提供一种风能驱动高速旋转涡流制热系统。本系统利用磁涡流效应，将风力机产生的机械能直接转化为热能，进而加热定子水套夹层中的给水而产生热水。
本实用新型为实现其技术目的所采用的技术方案为：
一种风能驱动高速旋转制热系统，包括风力机、涡流制热器和蓄热器，其特征在于，
所述涡流制热器，至少包括一主轴、一筒状定子和一同轴设置在所述筒状定子内腔的柱状永磁体转子，其中，
所述筒状定子包括一筒状定子内墙、一同轴套设在所述筒状定子内墙外周的筒状定子外墙以及设置在两端的顶盖，所述筒状定子内墙和筒状定子外墙均由金属制成，所述筒状定子内墙与筒状定子外墙之间的空间通过两端的所述顶盖形成一封闭的定子水套夹层；
所述主轴的输入端与所述风力机传动连接，且所述主轴转动支撑在所述筒状定子两端的顶盖上；
所述柱状永磁体转子包括一柱状转子铁芯以及嵌设在所述柱状转子铁芯外周的圆柱形永磁体，所述柱状转子铁芯的中心处沿其轴线设有一中心通孔，所述柱状永磁体转子通过其中心通孔同轴套设在所述主轴上并通过一离合装置与所述主轴传动连接，所述柱状永磁体转子在所述筒状定子内转动时，二者之间产生的电磁涡流转化为热量存储在所述定子水套夹层内的水流中；
--所述蓄热器通过水流管路与所述筒状定子上的定子水套夹层形成一水流循环回路，用以将所述涡流制热器产生的热量通过水流传输至所述蓄热器中。
优选地，所述风力机为水平轴式风力机或垂直轴式风力机，且所述风力机的低速输出轴通过一增速齿轮箱与所述主轴的输入端传动连接。
优选地，所述增速齿轮箱的输入端通过一联轴器与所述风力机的低速输出轴连接，所述增速齿轮箱的输出端通过一联轴器与所述主轴的输入端连接，且所述增速齿轮箱的输出端设有制动装置。
优选地，所述主轴的末端通过一联轴器与一发电机连接，所述发电机发出的电一部分通过逆变器并入电网，另一部分通过控制器储存在蓄电池中。
优选地，所述永磁体沿轴向均匀分布在所述转子铁芯上，且所述永磁体的磁极错列分布；所述筒状定子内墙由碳钢材料制成，所述筒状定子外墙由硅钢材料制成。永磁体转子高速旋转产生交变磁场，金属定子受到变化磁场的影响产生电涡流继而使金属定子生成热并加热定子定子水套夹层中的给水，使其达到额定水温。
优选地，所述柱状永磁体转子与所述筒状定子内墙之间具有径向间隙。优选地，所述径向间隙为1mm。
优选地，所述蓄热器还通过水流管路与热用户单元连通。所述热用户单元优选为暖气片、生活用水部件等。
优选地，所述蓄热器为相变蓄热器或蓄热水箱。
进一步地，所述相变蓄热器中的相变蓄热材料为结晶水合盐。若利用相变蓄热器储存热量，其蓄热密度大且可以使输出水温恒定，其相变材料一般使用结晶水合盐，该蓄热器可采用Ba(OH)2·8H2O，其相变温度为78℃。结晶水合盐具有价格便宜，蓄热密度大，导热能力强，相变体积变化小等诸多优势。
进一步地，所述蓄热水箱内设有将其划分为上腔和下腔的隔板，所述隔板为孔板，所述上腔与所述定子水套夹层的热水出口连通，所述下腔与所述定子水套夹层的冷水入口连通，且所述上腔还设有向所述热用户单元供应热水的出口，所述下腔还设有冷水补给口。若利用带隔板的蓄热水箱蓄热，热水从蓄热水箱上端送入，温度较低的水从下方流出，中间由一隔板将其分离，若用户需用热水，可直接从隔板上抽取热水并往隔板下补充冷水即可。
同现有技术相比，本实用新型的风能驱动高速旋转涡流制热系统，具有显著的技术优点：利用磁涡流效应，将风力机产生的机械能分出一部分通过涡流制热器直接转化为热能，进而加热定子水套夹层中的给水而产生热水，风力机其余的机械能可用以驱动发电设备，使得风力机在具有发电环节的同时还可以加热给水，提高了风力机的效率和经济性。
附图说明
图1为本实用新型中风力机与涡流制热器的传动结构示意图；
图2为本实用新型中的涡流制热器结构示意图；
图3为本实用新型中的蓄热器采用相变蓄热器的结构示意图；
图4为本实用新型中的蓄热器采用蓄热水箱的结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。
如图1、2所示，本实用新型的风能驱动高速旋转涡流制热系统，至少包括风力机、涡流制热器17和蓄热器。风力机可采用水平轴式风力机，如图1所示，风力机主要包括塔架25以及通过回转体26和机头座27设置在塔架25顶部的机舱21，机舱21的前端布置一风力涡轮，风力机涡轮由轮毂12和叶片13组成，且风力涡轮上还设置有调速机构11，风力机涡轮的低速输出轴14通过低速轴联轴器30与增速齿轮箱29的输入端连接，增速齿轮箱29的输出端通过高速轴联轴器16与涡流制热器17的主轴18的输入端连接，且增速齿轮箱29的输出端设有制动装置15，涡流制热器17的主轴18的末端还通过联轴器与发电机19连接，发电机19发出的电一部分通过逆变器24并入电网，另一部分通过控制器23储存在蓄电池22中，增速齿轮箱29、涡流制热器17、发电机19、蓄电池22等部件均设置在机舱21中，且机舱21中还设置有整个风力机的控制系统20。需要说明的是，风力机也可采用垂直轴式风力机，主要包括固定塔架、叶片、主轴、齿轮箱、控制系统、发电机、永磁体涡流制热器、逆变器、蓄电池、制动系统。与现有风力机相比，本实用新型中的风力机在具有发电环节的同时还可以通过驱动涡流制热器17并利用磁涡流效应将机械能转化为热能以加热定子水套夹套中的给水，提高了风力机的效率和经济性。
如图2所示，本实用新型中的涡流制热器17为永磁体涡流制热器，包括主轴18、筒状定子和同轴设置在筒状定子内腔的柱状永磁体转子。筒状定子包括筒状定子内墙5、同轴套设在筒状定子内墙5外周的筒状定子外墙4以及设置在两端的顶盖2，主轴18通过轴承部件10转动支撑在筒状定子两端的顶盖2上，筒状定子内墙5和筒状定子外墙4均由金属制成，筒状定子内墙5由碳钢材料制成，筒状定子外墙4由硅钢材料制成，筒状定子内墙4与筒状定子外墙4之间的空间通过两端的顶盖2形成封闭的定子水套夹层，定子水套夹层包括冷水入口8和热水出口3。柱状永磁体转子包括柱状转子铁芯7以及嵌设在柱状转子铁芯7外周的圆柱形永磁体9，永磁体9沿轴向均匀分布在转子铁芯7上，且永磁体9的磁极错列分布；柱状转子铁芯7的中心处沿其轴线设有中心通孔，柱状永磁体转子通过其中心通孔同轴套设在主轴18上并通过离合装置6与主轴18传动连接，柱状永磁体转子在筒状定子内转动时，二者之间产生的电磁涡流转化为热量存储在定子水套夹层内的水流中。
需要说明的是，因系统需要产生额定水温的热水，转子转速应为达到额定转速。若系统采用兆瓦级风力机，其转速较低，增速齿轮箱29可采用2级定轴加1级行星传动，1级定轴加2级行星传动等多级传动比的传动型式；如采用高速风力机，其转速较高，增速齿轮箱29可采用1级定轴加1级行星转动，2级行星传动等2级传动型式；以上风力机和传动型式的选型均可使增速箱高速轴转速达到额定转速。
上述系统在运行时，风力机涡轮将风能转换为机械能，带动轮毂12转动，继而通过增速齿轮箱29带动涡流制热器17的主轴18转动，并用离合装置6控制着永磁体转子和主轴18的离合。夏季时离合装置6断离，使主轴18和永磁体转子分离，仅带动发电机19发电，发出的电一部分通过逆变器24后并入电网，另一部分通过控制器23后储存在蓄电池22中。蓄电池22的电供给控制器20，并通过控制调速机构11和制动装置15来调节风力机的转速和偏航。
图3为本实用新型中的蓄热器采用相变蓄热器的结构示意图。相变蓄热器具有蓄热密度大且可以使输出水温恒定的特点。相变蓄热器的外壳上设有保温材料32，内腔中设有相变蓄热材料和换热盘管37，相变蓄热材料可以为结晶水合盐，例如可采用Ba(OH)2·8H2O，其相变温度为78℃。结晶水合盐具有价格便宜，蓄热密度大，导热能力强，相变体积变化小等诸多优势。涡流制热器17中的定子水套夹层A的热水出口通过管路与换热盘管37的热水入口31连通，换热盘管37的热水出口35分为两路，一路经阀门F-1、暖气片33、循环水泵B、阀门F-2、阀门F-3后与定子水套夹层A的冷水进口连通，另一路经生活用水接口34、自来水口36、阀门F-3后与定子水套夹层A的冷水进口连通。由于风速不稳定和用户使用热水的情况，在阀门F-3处安装测温元件，根据回水的温度适当调节水的流量，使制热器输出水温恒定。
冬季时，将阀门F-1、阀门F-2、阀门F-3都开启。风力机在带动发电机19发电的同时，离合器接合使主轴18带动永磁体转子高速旋转，循环水泵B将回水以一定的流量送入定子水套夹层A中，水流过定子内墙将生成的热量带走，加热后的热水从热水入口31流入换热盘管37中，换热盘管37外为相变材料，热水从热水出口35流出，一方面通过阀门F-3送入暖气片33可用于用户取暖；另一方面可通过生活用水接口34直接向用户提供热水，如用户消耗了热水，可通过自来水接口36送入暖气回水管道补给消耗的水源。
图4为本实用新型中的蓄热器采用蓄热水箱的结构示意图。当采用带隔板41的蓄热水箱，经永磁体制热器加热后的热水从蓄热水箱入水口38流入，冷水从出水口42流出，并由循环水泵B送入定子水套夹层A。蓄热水箱上方开有管道39，可将热水从阀门F-1输给暖气片33供用户取暖，也可以供用户生活利用。蓄热水箱下方也开有管道40，用于补给冷水源，供系统进行水循环。如果夏季也需热水，只需关闭阀门F-1和阀门F-2即可。由于夏季没有取暖的水循环，即没有稳定持久的散热，为避免制热系统温度过高，在不用热水时，关闭阀门F-3。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920070788.1
申请日:2019-01-16
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:13(河北)
授权编号:CN209908662U
授权时间:20200107
主分类号:F03D9/18
专利分类号:F03D9/18;F03D9/11
范畴分类:28C;
申请人:华北理工大学
第一申请人:华北理工大学
申请人地址:063210 河北省唐山市曹妃甸新城渤海大道21号
发明人:勾昱君;钟晓晖;王朝正;武熠杰;刘恩泽
第一发明人:勾昱君
当前权利人:华北理工大学
代理人:赵中璋
代理机构:11579
代理机构编号:北京锺维联合知识产权代理有限公司 11579
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计