CN102686875B - 水浮风帆风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水浮风帆风力发电机，包括注有液体的水池或环形水槽、可在风力驱动下在水池或环形水槽内的液体中转动并由水浮运转平台以及风帆构成的水浮运转***、将水浮运转***定位于水池或环形水槽内转动的定位***、使水浮运转***停止转动的制动***、以及将水浮运转***转动时所产生的能量转换为电能输出的发电机***。本发明凭借其“头轻脚重”的物理结构优势，借助于冲压喷气式翼型风帆的强大捕风能力，可使水浮运转***浮起在水池或环形水槽的液面上旋转运行产生强大的动能，从而实现低成本单机超大功率发电。

Description

水浮风帆风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风帆风力发电机，尤其是涉及一种基于水浮运转***的风帆风力发电机。

背景技术

目前世界上广泛应用的主流风力发电机仍然运用的是水平轴旋翼风车原理，其仅靠旋翼叶片有限的受风面以及叶轮的扫风面来捕捉风能。为提高风力发电机的发电功率，只得加大风车叶片的有效直径，这样虽然能增加有限的风电功率，但随之也带来了一系列难以解决的矛盾：(1)随着风车叶片直径的增大，其叶片叶尖处的线速和风速比也随之增大，风车叶片长期处于极限工作的状态；(2)从整体结构上看，风力发电机巨大的旋转风轮以及发电机转子的全部重量都集中在高空的一根水平轴上，形成了“头重脚轻”的很不合理的物理结构，给现有风力发电机的设计与制造带来了一系列的难以突破的技术瓶颈，传统风力发电机的单机容量不能做大已成定局；(3)由于传统风力发电机在物理结构上固有的缺陷，在运行过程中难免会产生严重的噪音污染，并且巨大的风机叶片因高速旋转运动极易引发三维空间的各种生态危害，其综合的社会、经济效益因之大打折扣。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述风力发电机由于其结构缺陷而致使单机容量无法做大、建造及维护成本高、寿命短且风能利用率低的技术瓶颈问题，提供一种水浮风帆风力发电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种水浮风帆风力发电机，包括注有液体的水池或环形水槽；在风力驱动下在所述水池或环形水槽内的液体中转动的水浮运转***，所述水浮运转***包括浮起于所述水池或环形水槽内的液体中的水浮运转平台(8)，以及安装于所述水浮运转平台(8)之上的多个风帆；将所述水浮运转***定位于所述水池或环形水槽内的液面中并在预定范围内转动的定位***；可使所述水浮运转***停止转动的制动***；以及将所述水浮运转***转动时所产生的能量转换为电能输出的发电机***；所述水浮运转平台是呈圆环形的内空腔结构的浮体；在所述的环形水槽上设置有用于灌注或排放液体的多根进出水管道(41)，所述制动***包括：安装于一系列进出水管道(41)上的进出水阀门(42)、进出水双向水泵(43)、大面积的铺垫在环形水槽底部(19)上的搁浅制动专用沙石料(39)。

本发明的水浮风帆风力发电机，凭借其“头轻脚重”的结构优势，借助于冲压喷气式翼型风帆强大的捕风能力，可以钢筋混凝土等材料筑造的巨大质量的水浮运转***浮起在环形水槽的液面上旋转运行产生强大、稳定的动能，使水浮风帆风力发电机从而得以实现低成本建造、低风速启动、稳定运行、单机超大功率发电。

此外，环形水槽配合水浮运转***的结构还可以广泛配套运用于大型水处理工程、农田水利基础建设、科研基地、观光生态农业和交通、旅游中心，从而提高了水浮风帆风力发电机实施运用的综合社会经济效益。

当然，本发明的水浮风帆风力发电机，尤其是中小型水浮风帆风力发电机，其主体结构尤其是风帆、水浮运转平台也可以选用全金属材料、金属与非金属合成材料，还可以选用新型的非金属化工合成材料建造。

附图说明

图1是本发明水浮风帆风力发电机中的冲压喷气式翼形风帆平面示意图；

图2是图1的立体截面图；

图3是图1的截面俯视图；

图4是本发明水浮风帆风力发电机的磁力定位***配合水轮发电机***实施例的立体结构图；

图5是图4的俯视图；

图6是图4的立体截面图；

图7是图4的水浮运转***及磁力定位配合限位轮的定位***的部分俯视图；

图8是本发明水浮风帆风力发电机的轴定位***配合机电一体直驱发电***实施例的截面结构示意图；

图9是图8实施例的水浮运转***及轴定位***的部分俯视图；

图10是本发明水浮风帆风力发电机的水面漂浮式水浮风帆风力发电机实施例的截面结构示意图；

图11是本发明水浮风帆风力发电机的180万千瓦超大功率实施例的立体结构图；

图12是图11中的水浮运转***的截面尺寸示意图；

图13是图11中的冲压喷气式翼型风帆的尺寸示意图。

具体实施方式

本发明水浮风帆风力发电机的整体结构是由上述水池或环形水槽、水浮运转***、定位***、制动***、发电机***等五大***组成。现结合附图就水浮风帆风力发电机上述***的结构、技术特征、工作原理作详细的说明：

一、水浮风帆风力发电机的环形水槽

水浮风帆风力发电机的水池或环形水槽是水浮风帆风力发电机的基础结构，在水池或环形水槽中灌注有足以保证水浮运转***得以浮起到正常工作水位的液体。水池或环形水槽中的液体可以是普通水，也可以是其他无公害、符合环保要求的低黏度抗冻化学液体。

如图4、5、6、8、10所示，环形水槽可建于地面、建筑物顶部或者漂浮于水面，主要由内环挡水墙17、外环挡水墙18、环形水槽底部19这三者围合成环形槽状结构。环形水槽的封顶盖则主要根据定位***的需要设置，例如在图10所示实施例中，分别在环形水槽的内环挡水墙17以及外环挡水墙18的上部设置环形水槽内环封顶盖20、环形水槽外环封顶盖21；在图6所示实施例中，则只在环形水槽外环挡水墙18的上部设有环形水槽外环封顶盖21。

此外，在某些应用中，还可取消环形水槽的内环挡水墙17，直接使用水池代替上述环形水槽，但该方式不利于控制水位，而且采用水池储水方式时，由于不便于对运转***实施磁力定位配合限位轮限位等柔性定位方式，运转***也很难将水池内的水引入水轮机导流管，所以，一般是应用于采取轴定位的定位方式并配套使用机电一体永磁直驱发电机。

如图10所示，在运用于水面的水面漂浮式水浮风帆风力发电机实施例中，环形水槽采用的是内空腔结构的水面漂浮式环形水槽，水面漂浮式环形水槽的内空腔可以填放填充物22，也可以不填充任何填充物。填充物22可以采用轻型硬质聚氨酯泡沫，也可以采用其他廉价、比重小、强度高、吸水率低、抗压性能好的材料。

如图6、8、10所示，在环形水槽的内环挡水墙17上设有均匀分布的系列溢水管道40。在具体实施时，溢水管道40也可单独或同时设置在外环挡水墙18上。通过这些溢水管道40，可在环形水槽内液面过高时，使环形水槽内的液体溢出，以避免液面过高而影响水浮风帆风力发电机的定位***以及发电机***等的正常工作。

为了调控环形水槽内的水位，在环形水槽内环挡水墙17上设有一系列均匀分布的进出水管道41，并在进出水管道41上设置进出水阀门42、进出水双向水泵43。

上述设于内环挡水墙17上的进出水管道41也可同时或单独设置在环形水槽外环挡水墙18上。具体实施时还可根据具体情况将进出水管道41单独或同时设置在环形水槽的其他部位，如环形水槽底部19等，还可以在不影响水浮运转***正常运行的前提下，沿环形水槽顶部将进出水管道41伸入环形水槽内。

设置在进出水管道41上的进出水阀门42可以是手动的，也可以是电动的，还可以是手动电动双模的。在进出水管道41上设置进出水阀门42、进出水双向水泵43，同时也是对水浮运转***实施搁浅式制动的装置。从后面的说明中可以看出，这里的进出水管道41在需要加水时作为进水管道，在需要制动时则作为出水管道。

如图5所示，水浮运转***与环形水槽的内环挡水墙17和外环挡水墙18之间有一定的水道空间30。

图6、8中的水位线37表示环形水槽在静止状态下的水槽水位线；而当水浮运转***处于旋转运行状态时，环形水槽内将呈现如图6中内径低外径高的运动状态下水位线38。

二、水浮风帆风力发电机的水浮运转***

在图1-13所示的实施例中，水浮风帆风力发电机的水浮运转***是由水浮运转平台8和设置在水浮运转平台8之上的多个冲压喷气式翼型风帆16组成。

水浮运转***是浮起在水池或环形水槽中的水面上，在风力的驱动下，由均匀分布于水浮运转平台8之上的冲压喷气式翼型风帆16捕风带动水浮运转平台8作水平方向圆周运动的***，是水浮风帆风力发电机实现风电能转换的重要载体，是本发明的核心***之一。

水浮运转平台8是呈圆环形的内空腔结构的浮体，是构成水浮运转***并承载冲压喷气式翼型风帆16等的基础平台载体。如图5、7所示，为配合水轮发电机装置，还在水浮运转平台8的侧面设置有一系列均匀分布的水轮叶片10。同时，为了平衡环形水槽中的水流，并同时消除水浮运转平台8旋转运行而在水轮叶片10后部产生的回漩涡流阻力，可在每一水轮叶片10的后面设置一系列贯穿水浮运转平台8内、外环的水流管道9。

如图6、8、10所示，为了增强水浮运转平台浮体结构强度，提高水浮运转***旋转运动的可靠性，防止其空心腔浮体遭遇意外破损进水造成灾难性的后果，与上述水面漂浮式环形水槽一样，也可在水浮运转平台8的内空腔内填放填充物22。

在水浮运转平台8之上设置的多个冲压喷气式翼型风帆16，是水浮风帆风力发电机捕风获取风能的载体。如图1、2、3所示，每一冲压喷气式翼形风帆16都包括风帆头部3、风帆尾部4、位于风帆头部3的头部进气道组1、分别位于风帆两个翼面的翼面气道阵列组2。其中，头部进气道组1是由分布于风帆头部3的系列进气道口7组成；翼面气道阵列组2是分别由分布于风帆的两个翼面的系列翼面多极气道口5、6组成。上述系列的头部进气道口7、翼面多级气道口5、6在冲压喷气式翼型风帆16的内部形成如图3所示的射流气道。

传统翼型结构的风帆具有很好的捕风能力，但不能克服其迎风阻力。而冲压喷气式翼型风帆，不仅保持了翼型风帆能大面积捕风的特点，其风帆的头部进气道组、翼面气道阵列组的设计，还有效地降低了翼型风帆的迎风阻力，并将其阻力合力导向为向风帆头部3前进的合力，大大增强了翼型风帆的捕风能力。如图3所示，当气流从风帆A面冲压冲压喷气式翼型风帆时，在风帆A面形成高压区，而在对应的风帆B面则形成低压区，从而在风帆的A、B两面形成了很大的压差。风帆A面的高压区的气流，一部分经由风帆A面翼面导向而分流，另一部分则直接进入系列翼面多极气道口5；此时，呈低气压区的风帆B面的系列翼面多极气道口6就会吸引来自风帆A面的系列翼面多极气道口5的高压区的气流，并同时虹吸风帆头部3的系列进气道口7的气流，一起经呈低压区的风帆B面的系列翼面多级气道口6喷出，从而增强了冲压喷气式翼形风帆向风帆头部3方向运动的合力，带动水浮运转***向风帆头部3的方向作水平圆周运动。反之，自然风从风帆B面冲压冲压喷气式翼型风帆16的原理亦然。同时，均匀分布在水浮运转平台8上的系列冲压喷气式翼形风帆16，在各个不同方向的水平圆周运动中，对风的不同迎角都有良好的向前运动的合力导向。

当然，在水浮风帆风力发电机的风帆结构的选择上，可以选择上述的冲压喷气式翼形风帆，也可以选择不带冲压喷气射流气口的传统软式或硬式翼形风帆，还可以选择由电脑控制迎风角的传统折叠式风帆。

在水浮风帆风力发电机水平旋转方向的设计上，还可遵循地球自转产生的“科里奥利力”效应的原理，在北半球运用时，沿逆时针方向将风帆头部3设置在前，风帆尾部4设置在后，使风力发电机在自然风力的作用下，形成如图5、11中沿逆时针旋转方向13旋转运行；在南半球应用时，则同理反向设置。这样就可使风力发电机的水平旋转运动顺应地球自转的“科里奥利力”效应的影响，实现零级风旋转运行，进一步提高其水平旋转运动效率，更有效的实现水浮风帆风力发电机超低风速启动和高效率旋转运行。

三、水浮风帆风力发电机的定位***

水浮风帆风力发电机的定位***是通过对浮起在环形水槽中的水浮运转***的旋转运行进行有效的定位，以提高水浮风帆风力发电机运行的平稳可靠性，并降低水浮运转***的运行阻力。同时，定位***还大幅度地降低风力发电机的建造成本。

水浮风帆风力发电机的定位***一般有两种方式：磁力定位配合限位轮限位的定位方式与轴定位的定位方式。当然，在实际应用中，还可采用其他定位方式，例如单独使用限位轮定位方式、机械定位轨道定位方式等定位方式。

【一】磁力定位配合限位轮限位的定位方式

磁力定位配合限位轮限位的定位方式是由一组或多组磁力定位轨道与系列限位轮组合而成。

磁力定位方式是由设置在环形水槽的内环挡水墙17的内侧、外环挡水墙18的内侧(本文中以环形水槽为参照，将内环挡水墙17、外环挡水墙18中围成水槽的一面定为内侧)、内环挡水墙封顶盖20的下侧、外环挡水墙封顶盖21的下侧这四者的一处或多处的一组或多组定子磁力定位轨道以及设置在水浮运转平台8上并与所述的定子磁力定位轨道相对应的一组或多组转子磁力定位轨道构成。

磁力定位方式分为永磁磁力定位方式和电磁磁力定位方式。

现结合附图对水浮运转***进行永磁磁力定位的定位方式的基本原理以进一步说明：

永磁磁力定位方式一般分为：永磁斥力定位方式、永磁吸力定位方式、永磁斥力与永磁吸力组合定位方式。

1、永磁斥力定位的定位方式：

如图6、7所示，永磁斥力定位方式是由：安装于环形水槽内环挡水墙17上的定子永磁斥力定位轨道31、与安装于水浮运转平台8上靠内环挡水墙17一侧并与所安装的定子永磁斥力定位轨道31相对应的转子永磁斥力定位轨道32构成。

上述定子永磁斥力定位轨道31也可同时或分别安装于外环挡水墙18上，转子永磁斥力定位轨道32则安装于水浮运转平台8并与定子永磁斥力定位轨道31相对应的位置上。

上述的将定子永磁斥力定位轨道31安装在环形水槽的挡水墙上，对于永磁斥力定位轨道而言，是一种较佳的安装方式。

上述定子永磁斥力定位轨道31、转子永磁斥力定位轨道32可以是一组或多组；上述分别安装于定子永磁斥力定位轨道31、转子永磁斥力定位轨道32中的永磁材料是对应磁极相同的永磁材料。

2、永磁吸力定位的定位方式：

如图10所示，永磁吸力定位方式是由：分别对应安装在水浮运转平台8的上方和环形水槽内环封顶盖20的下侧的永磁吸力定位轨道33构成。

永磁吸力轨道33也可分别安装在环形水槽外环封顶盖21的下侧和与其对应的水浮运转平台8的上方。

上述的将其中的一条永磁吸力轨道33固定在环形水槽封顶盖的下侧的安装方式，对于永磁吸力定位轨道而言，是一种较佳的安装方式。

上述对应安装的永磁吸力轨道33可以是一组或多组；分别安装于相对应的永磁吸力轨道33中的永磁材料是对应磁极相反的永磁材料。

3、永磁吸力、斥力组合磁力定位的组合定位方式:

根据上述永磁斥力定位***和永磁吸力定位***的定位原理，还可以同时在水浮风帆风力发电机上安装永磁斥力定位***和永磁吸力定位***构成强化组合式永磁磁力定位的定位模式，以对水浮运转***实施更有效的定位。

由于永磁磁力定位是一种较为柔性的定位方式，定位精度不高，这种方式一般是对风力发电机在正常风速(即是在永磁磁力定位方式下永磁磁力定位所产生的永磁磁力能将水浮运转***定位在环形水槽的中间相对正常位置旋转运行时的风速)情况下的定位。

在非正常风速(即是在永磁磁力定位方式下永磁磁力定位所产生的永磁磁力无法将水浮运转***定位在环形水槽的中间相对正常位置旋转运行时的风速)情况下，为了保证水浮风帆风力发电机的水浮运转***的正常运转，使水浮运转***在运行时不至于发生水平漂移和水平倾斜，就需要设置限位轮对水浮运转***进行硬性机械定位。

限位轮限位的定位***是在环形水槽的内环挡水墙17、外环挡水墙18、水浮运转平台8这三者中的一处或多处上设置系列上限位轮26、下限位轮27，并且/或者在内环挡水墙封顶盖20的下侧、外环挡水墙封顶盖21的下侧、水浮运转平台8的上侧这三者中的一处或多处上设置系列顶部限位轮28。每系列限位***可以由3个或3个以上的限位轮组成，每系列限位轮的具体安装位置、数量、方式可以根据实际需要合理设置。

在上限位轮26下方的相对位置上安装下限位轮27甚至多排系列下限位轮，是为增大对水浮运转***的水平漂移的限位范围，保证水浮风帆风力发电机在各种恶劣的气候环境下，能更安全、可靠、平稳运行。同时，在上限位轮26的下方安装系列下限位轮27，也是水浮风帆风力发电机实现安全制动的需要。因为在制动时，逐渐排水而使环形水槽中的水位下降，水浮运转平台8在环形水槽中的垂直位置也随之下降；同时，在逐渐排水过程中，水浮运转***仍然在旋转运行中时，上限位轮26对水浮运转***渐而失去限位功能，就需要在上限位轮26下方的相对位置上安装系列下限位轮27进行有效限位，以保证对水浮风帆风力发电机实施安全制动。

对于重心相对较高，水平稳定性较差的小型水浮风帆风力发电机以及需要有较好的抗击风浪颠簸能力的水面漂浮式水浮风帆风力发电机，就特别需要在环形水槽内环封顶盖20的下侧和/或环形水槽外环封顶盖21的下侧位置上安装系列顶部限位轮28，以对水浮运转***在一定范围内的水平倾斜进行硬性限位。

如图6、7、10所示，当正常的自然风作用于冲压喷气式翼型风帆16时，冲压喷气式翼型风帆16捕风带动浮起在环形水槽中的水浮运转***作水平方向的旋转运行，因自然风力的作用，水浮运转***在水平旋转运动的同时也将顺自然风水平漂移，但在磁力定位***的柔性钳制作用下，水浮运转***就被定位在环形水槽中的中间相对正常位置平稳旋转运行。此时，上限位轮26、下限位轮27、顶部限位轮28都处于悬空闲置状态。

当自然风力大于磁力定位轨道***所产生的永磁力的承受能力时，在环形水槽中旋转运行的水浮运转***就会挣脱永磁力的作用力而继续顺自然风水平漂移，甚至出现水平倾斜，并在磁力定位轨道的永磁力的柔性钳制下，安全“软着陆”于上限位轮26、下限位轮27和位于环形水槽顶部封顶盖下侧的顶部限位轮28上，带动上限位轮26、下限位轮27、顶部限位轮28旋转，使水浮运转***被平稳限位于环形水槽中的正常位置平稳旋转运动，从而实现对水浮运转***的水平漂移、水平倾斜在一定范围内的硬性限位。

当自然风恢复到正常自然风速时，在磁力定位轨道***所产生的永磁力柔性钳制下，运行旋转中的水浮运转***又会漂回到环形水槽的中间相对正常位置上平稳旋转运行。此时，上限位轮26、下限位轮27、顶部限位轮28又恢复到悬空闲置状态。

水浮风帆风力发电机在应用前述三种永磁磁力定位并配合限位轮***对水浮运转***进行定位的同时，为了更有效的应对恶劣气候环境，进一步的保证水浮风帆风力发电机的水浮运转***平稳运行，还需要利用电磁磁力定位中的电磁吸力补偿定位方式对水浮运转***进行强化定位。

电磁吸力补偿定位的定位方式一般是对利用水浮风帆风力发电机在非正常风速下所产生的多余的电力，直接提供给电磁感应线圈产生强电磁力，在电子控制器的控制下，对水浮运转***各个方向的水平倾斜实施实时分区段强电磁吸力补偿定位的定位方式。

如图6、10所示，电磁吸力补偿定位***由：安装于环形水槽外环封顶盖21或环形水槽内环封顶盖20的下侧的电磁吸力补偿定位线圈轨道36，与安装于水浮运转平台8上并与所安装的电磁吸力补偿定位线圈轨道36相对应的专用补偿定位钢轨道35，配合电子控制器，构成电磁吸力补偿定位***。

上述的电磁吸力补偿定位线圈轨道36也可以同时或分别安装于环形水槽外环挡水墙封顶盖21的下侧，专用补偿定位钢轨道35则安装于水浮运转平台8并与电磁吸力补偿定位线圈轨道36相对应的位置上。

上述的将电磁吸力补偿定位线圈轨道36安装在环形水槽封顶盖的下侧的安装方式，对于用于强化定位水浮运转***的水平倾斜的电磁吸力补偿定位方式而言，是较佳的安装方式。

在正常的自然风速下，水浮运转***平稳运行旋转时，电子控制器未识别到水浮运转***水平倾斜的信号，电磁吸力补偿定位自动处于闲置状态。这时仅依靠永磁磁力定位***维持正常风速下的定位工作。图6是依靠由永磁斥力定位***维持正常风速下的定位，图10是依靠永磁吸力定位***维持正常风速下的定位。

当风力的作用力大于永磁磁力定位***所产生的磁力定位力的承受力时，水浮运转***呈加速旋转状态，此时水浮运转***不但会顺自然风作水平移位，同时在某个区段还可能即使是靠上顶部限位轮28.，也仍然出现水平倾斜，此时电子传感器旋即发出水浮运转***某区段水平倾斜的信号，并随即控制该区段电磁吸力补偿定位线圈轨道36产生吸引专用补偿定位钢轨道35的强电磁吸力，使水浮运转***恢复到正常水平位置，从而完成对水浮运转***的水平倾斜的平衡补偿定位工作。

对水浮运转***的实时分区段的电磁吸力补偿定位，一般主要是针对运行稳定性较差中小型水浮风帆风力发电机尤其是水面漂浮式水浮风帆风力发电机设计的。对于大中型水浮风帆风力发电机，因其重心相对较低、水平运行的稳定性就非常高，一般可以不设置电磁吸力补偿定位装置。

对水浮风帆风力发电机实施磁力定位配合限位轮限位的定位方式，有许多方案可以选择。在具体运用时，以什么样方式对水浮风帆风力发电机实施有效的定位，以保证其运行的平稳可靠，则需要根据水浮运转平台直径的大小、风帆面积的大小与数量、风帆的高度与水浮运转***直径的比例、水浮风帆风力发电机输出功率的大小、建造材料等多参数综合考虑、灵活设计。

【二】轴定位方式

如图8、9所示，轴定位***中，多根定位轴连杆45的一端通过定位轴轴承48套接在位于环形水槽圆心的定位轴46上，另一端均匀固定在水浮运转平台8上构成轴定位***。在定位轴46上设有定位轴防护盖47。轴定位***以定位轴46为中心呈放射状地将水浮运转***定位在环形水槽的中间正常位置，是一种对水浮风帆风力发电机定位精度很高的机械硬性定位方式，采用轴定位方式同时也能有效的降低水浮风帆风力发电机的制造成本。

水浮运转***如遇环形水槽中水位变化，会随轴定位***在轴套***上下移动行程49的正常范围内上下移动。

轴定位方式一般最适合应用于中小型水浮风帆风力发电机，因为尽管轴定位***中的定位轴46、定位轴连杆45、定位轴轴承48并不承载水浮运转***的重量，但随着水浮运转平台直径的增大，其定位轴连杆45的半径跨度也随之增长，还是给定位轴46、定位轴轴承48及定位轴连杆45的承受能力和稳定性结构设计都带来难以克服的技术障碍，对其材料的选择也提出了更高的要求，反而引致建造成本增大。

在实施轴定位方式时，也可以取消环形水槽的内环挡水墙17，将环形水槽改为水池结构。上述定位轴连杆既可采用刚性材料，也可采用缆绳等材料。

四、水浮风帆风力发电机的搁浅式柔性制动***

如图6、8、10所示，水浮风帆风力发电机的搁浅柔性制动***包括：安装于一系列进出水管道41上的进出水阀门42、进出水双向水泵43、大面积的铺垫在环形水槽底部19上的搁浅制动专用沙石料39。

当需要对水风帆风力发电机实施制动时，打开进出水管道41上的进出水阀门42和进出水双向水泵43，逐渐排出环形水槽内的液体，使水浮运转***失去浮力，平稳地搁浅在环形水槽底部19的大面积搁浅制动专用沙石料39上而停止运转。通过适度的调节控制排水速度，可自如的对水浮运转***的搁浅制动速度加以控制，从而使巨大质量的水浮运转***的制动更加安全可靠。在制动过程中，因水浮运转***是缓慢的接触到大面积松软的搁浅制动专用沙石料39上，在搁浅制动的同时会产生很大的柔性摩擦阻力，从而完成对水浮运转***有效、平稳的搁浅柔性制动，也较好的避免了如使用硬性制动方式对水浮运转平台8底部结构的损伤。

反之，打开进出水管道41上的进出水阀门42、进出水双向水泵43，向环形水槽内灌注液体至正常工作水位时，水浮运转***则由搁浅状态再次浮起，在风力的作用下启动、旋转运行。

五、水浮风帆风力发电机的配套发电机***

水风帆风力发电机配套设置的发电机***一般可以为：配套的水轮发电机***和配套机电一体永磁直驱发电***。

【一】配套的水轮发电机***

在水浮风帆风力发电机中，其配套的水轮发电机发电***，将水浮运转***捕风运转所产生的水能同时转换为电能输出，实现水浮风帆风力发电机将风能转化为水能，并同时将水能转化为电能输出的发电方式。

如图4、5、11所示，配套水轮发电机23包括：发电机11、水轮机导流管12和与发电机11同轴的水轮机叶片29。

与水浮风帆风力发电机配套的水轮发电机组中的水轮发电机23的数量、单机功率的大小，则是由水浮运转平台8的直径、冲压喷气式翼型风帆16的面积、水浮风帆风力发电机输出功率的大小而定。

【二】配套机电一体的发电机***

在水浮风帆风力发电机中，其配套的机电一体发电***，直接将风能转换为电能输出。

如图8、9所示，配套机电一体永磁直驱发电***是由：安装于水浮运转平台8的内环边上的发电机专用永磁轨道34、安装于环形水槽的内环挡水墙17上并与所述专用永磁轨道34相对应的发电机定子线圈绕组44构成。

上述设于水浮运转平台8的内环边上发电机专用永磁轨道34与对应固定在内环挡水墙17上的发电机定子线圈绕组44也可同时或分别对应设置在水浮运转平台8的外环边上和环形水槽的外环挡水墙18上。

现结合附图中的以下四种典型实施方式，举例说明本发明水浮风帆风力发电机较佳方式的具体应用：

一、配套水轮发电机***的水浮风帆风力发电机的应用

如图4、5、6、7所示，应用于北半球的配套水轮发电机***的水浮风帆风力发电机实施例是采用的组合式磁力定位配合限位轮限位的强化定位方式。设计运行方向为逆时针旋转。

该组合磁力定位方式是采用永磁斥力定位轨道和电磁吸力补偿定位轨道组合而成。其中，永磁斥力定位轨道是由安装于内环挡水墙17上的定子永磁斥力定位轨道31和对应安装在水浮运转平台8上的转子永磁斥力定位轨道32组成，以实现对水风帆风力发电机在正常风速下的定位。

电磁吸力补偿定位轨道是由安装于环形水槽外环挡水墙封顶盖21下侧的电磁吸力补偿定位线圈轨道36和对应安装于水浮运转平台8上的专用补偿定位钢轨道35组成；与磁力定位***配套的限位轮限位方式是采用安装于内环挡水墙17上的上限位轮26、下限位轮27与安装于环形水槽外环挡水墙封顶盖21下侧的顶部限位轮28构成，电磁吸力补偿定位方式与限位轮定位方式，实现对水浮运转***旋转运行时的水平位移、水平倾斜的组合式强化定位。

配套水轮发电机***的水浮风帆风力发电机的运行发电的过程是：

打开设于进出水管道41上的进出水阀门42、进出水双向水泵43，向环形水槽内灌注达到足以浮起水浮运转***的正常工作水位线的水，环形水槽中的水浮运转***逐渐浮起在环形水槽水面上。

在正常风速下，均匀分布于水浮运转平台8上的冲压喷气式翼形风帆16捕风而带动水浮运转***沿逆时针水平13方向旋转。在永磁斥力定位***的作用下，水浮运转***平稳的旋转运行于环形水槽的中间相对正常位置上，同时，在水浮运转平台8外圆边上的水轮叶片10的作用下，环形水槽中的水也与水浮运转***沿逆时针13方向同步旋转运动，旋转运动中的水沿14方向冲向与环形水槽贯通的水轮机导流管12，并冲动水轮机叶片29旋转，从而同步带动发电机11发电；冲向水轮机导流管12的水流沿15方向流出水轮机导流管12与环形水槽中的水汇合循环，完成水浮风帆风力发电机将风能转换为水能，并同时将水能转换为电能的发电过程。

当风力增强达到非正常风速时，永磁斥力定位***所产生的永磁斥力不能牵制水浮运转***在环形水槽中的水面上的中间相对正常位置运行，水浮运转***出现水平漂移时，在永磁斥力定位***的永磁斥力的柔性钳制下，水浮运转***软着陆于上限位轮26、下限位轮27上，并带动上限位轮26、下限位轮27同步旋转，水浮运转***被硬性限位于环形水槽的中间位置正常旋转运行。当水浮运转***在水平漂移的同时出现水平倾斜时，水浮运转***在永磁斥力的钳制下，靠上位于外环挡水墙封顶盖21下侧的顶部限位轮28；同时，当电子控制器也识别到该区段的水平倾斜，并旋即控制该区段电磁吸力补偿定位线圈轨道36产生吸引专用补偿定位钢轨道35的强电磁吸力，使水浮运转***恢复到正常水平位置平稳旋转运行，保证水风帆风力发电机正常运行发电。

当水浮风帆风力发电机需要制动时，则打开进出水管道41上的进出水阀门42、进出水双向水泵43，逐渐排放环形水槽中的水，使运行中的水浮运转平台失去浮力，缓慢地沉落在铺垫于环形水槽底部19上的大面积专用砂石料39上，发电机***也随之停止工作，从而实现对水浮风帆风力发电机的水浮运转***的柔性搁浅式安全制动。

本实施配套的水轮发电机组23可以采用传统贯流式水轮发电机，其水轮机桨叶片可采用定桨式或转桨式；水轮发电机的布置方式也可为全贯流式或半贯流式。这种贯流式水轮发电机***能量转换效率一般都在90％以上，有的甚至已超过94％，所以这样的低水头结构的水轮发电机***，特别适合于配套本实施方案中电能的转换。

当然，在配套水轮机发电***的水浮风帆风力发电机中，也可以根据实际情况配套安装轴定位***、单独的安装限位轮定位***、机械轨道定位***等对水浮运转***进行定位，实施水浮风帆风力发电机的水轮机组发电模式。

二、配套机电一体发电机***的水浮风帆风力发电机的应用

配套机电一体发电机***是水浮风帆风力发电机实现机电一体化直驱发电的实施模式。这种实施模式运用于水浮风帆风力发电机尤其是中小型水浮风帆风力发电机，具有很高的运行转换效率，也特别有利于进一步降低水浮风帆风力发电机的建造成本。

如图8、9所示，轴定位***以定位轴46为中心呈放射状地将水浮运转***定位在环形水槽的中间正常位置，在风力驱动下，冲压喷气式翼型风帆带动水浮运转***随风旋转运行，固定在水浮运转平台8的内环边上的发电机专用永磁轨道34在随水浮运转***同步旋转运动中产生运动磁力线，由对应固定在内环挡水墙17上的发电机定子线圈绕组44切割发电机专用永磁轨道34所产生的运动磁力线而产生电流，完成机电一体永磁直驱发电。

在本实施方式中，直接采用定位精度较高的轴定位***的定位方式，特别有利于在水浮风帆风力发电机上直接安装配套机电一体的直驱发电***，制造成本也因之大为降低。

当然，配套机电一体永磁直驱发电方式的水浮风帆风力发电机，其水浮运转***也可以采用磁力定位配合限位轮限位的方式、还可单独使用限位轮定位方式、机械定位轨道定位方式等实施定位。但由于机电一体永磁直驱发电模式对水浮运转***的运行精度要求较高，而磁力定位配合限位轮限位等定位方式，其定位精度不及轴定位方式，不利于较好的配套使用机电一体永磁直驱发电模式。所以，采用机电一体永磁直驱发电方式时，一般是采用轴定位***对水浮风帆风力发电机进行定位。

三、水上运用的水浮风帆风力发电机

本发明水浮风帆风力发电机不仅可以建造在陆地、建筑物的顶部，还可以广泛应用于江河、湖泊、海洋的水面上，这种水上应用的实施模式一般可以有水面漂浮式水浮风帆风力发电机和水上固定桩式水浮风帆风力发电机两种实施类型。

【一】水面漂浮式水浮风帆风力发电机

图10是本发明水浮风帆风力发电机的水面漂浮式水浮风帆风力发电机实施例的截面结构示意图。其区别于陆上应用的水浮风帆风力发电机的主要技术特征是：其环形水槽是采用漂浮在水面25上的水面漂浮式环形水槽，水面漂浮式环形水槽采用了内空腔结构，在其内空腔中填充油填充物22。为使水面漂浮式环形水槽在水面上能在正常的范围内漂浮，设置了三个以上的水下固定锚24加以牵制。

本方案中的水下固定锚24，也可以采用活动锚结构。

由于水面漂浮式环形水槽是漂浮在水面上，水浮运转***在旋转运动中，水面漂浮式环形水槽同时会受到风浪的影响而上下左右颠簸，其水平方向的旋转运动就会因风浪的影响而极不稳定。但是，当水面漂浮式环形水槽的直径远大于风浪的周波波长时，风浪对水面漂浮式环形水槽的颠簸力就会被抵消。所以，本实施方案一般适合于大中型或超大型的水上漂浮式水浮风帆风力发电机的应用。

水面漂浮式水浮风帆风力发电机的水浮运转***在自然风的作用下作某一方向的水平旋转运动，并带动水面漂浮式环形水槽中的水同步旋转，巨大质量的水浮运转***的旋转运动自身也有很强的旋转运动陀螺效应，也进一步提高了水面漂浮式水浮风帆风力发电机抗强风浪颠簸的能力。

又由于采用轴定位方式的水浮风帆风力发电一般只适合于中小型风力发电机结构，为提高水面漂浮式水浮风帆风力发电机抗御强台风的能力，其定位方式一般是采用的组合式磁力定位配合限位轮限位的强化定限位方式。

图10所示，本实施方案配套的发电机***是采用的配套的水轮发电机***。

为进一步提高水上漂浮式水浮风帆风力发电机抗风浪的稳定性，在磁力定位配合限位轮限位的设计上，采取的是多种磁力定位配合限位轮限位的组合式定限位方式。

本方案的磁力定位***是采用的设置在水面漂浮式环形水槽外环封顶盖21下侧和对应设置在水浮运转平台8上的永磁吸力定位轨道33构成的永磁吸力定位***，以保证在正常风速下对水浮运转***实施永磁吸力定位。而设置在水浮运转平台8上的专用补偿定位钢轨道35和与其相对应的设置在内环挡水墙封顶盖20下侧上的电磁吸力补偿定位线圈轨道36构成的第一组电磁吸力补偿定位***，是利用水面漂浮式水浮风帆风力发电机在非正常强风条件下所转换的多余电力，直接提供给上述的电磁吸力补偿定位线圈轨道36产生强电磁吸力，在电子控制器的自动控制下，对水浮运转***在各方向上的水平倾斜进行实时分区段的强电磁吸力补偿定位。并配合设置在水面漂浮式环形水槽的内环挡水墙17上的上限位轮26、下限位轮27以及设置在水面漂浮式环形水槽外环封顶盖21下侧的顶部限位轮28构成的限位轮***实施对水面漂浮式水浮风帆风力发电机在强风大浪环境下的水平漂移、水平倾斜的强化组合定位。

为更好的应对非正常大风浪的恶劣气候，也可以不在水面漂浮式环形水槽外环封顶盖21的下侧设置顶部限位轮28，也直接在该位置与对应的水浮运转平台8上，相应安装电磁吸力补偿定位线圈轨道36和专用补偿定位钢轨道35构成第二组强电磁吸力轨道***，与上述第一组强电磁吸力轨道***配合，利用本水浮风帆风力发电机在非正常强风时所转换的多余电力，直接提供给电磁吸力补偿定位线圈轨道36而产生强电磁吸力，在电子控制器的自动控制下，强化对水浮运转***的各个方向的水平倾斜分时段、分区间定位能力。

在本方案中设置的永磁斥力定位***、电磁吸力补偿定位***、限位轮限位***的基本原理及其配套的水轮机***发电原理在说明书中的相关内容中已作详述，在此不再赘述。

【二】水上固定桩式水浮风帆风力发电机

在江河湖泊浅水区域、近海域地区，也可以直接在水底构筑系列多个桩基托起环形水槽，构成水上固定式水浮风帆风力发电机。

水上固定桩式水浮风帆风力发电机，在配套的发电机***上既可以采用配套水轮机发电***，也可以采用永磁直驱机电一体发电***；在定限位方式上，既可以采用磁力定位配合限位轮限位的方式，也可以采用轴定位***的定位方式，还可以采用单独的限位轮限位以及机械定位轨道等定位方式。其结构设计、发电运行原理同上述相应的水浮风帆风力发电机一样，在此不再赘述。

四、超大功率水浮风水轮风帆风力发电机的运用

由于水浮风帆风力发电机“头轻脚重”、主体结构的重心低的物理结构优势，在技术设计、工艺制造上彻底消除了现今主流风力发电机单机容量不能做大的瓶颈限制，完全可以很容易的实现单机百万千瓦级发电，其单位建造成本也较中小型水浮风帆风力发电机更低。

尽管现今超大功率水浮风帆风力发电机的具体实施所涉及的工艺技术复杂而不成熟，但已不存在任何技术瓶颈，其基本结构、发电原理、定位原理等与前述水浮风帆风力发电机相同，现仅就超大功率水浮磁力定位风帆风力发电机所涉及的相关主要数据作简要说明：

【一】本实施方案的主要结构数据

如图11、12、13所示的180万千瓦超大功率水浮风帆风力发电机，对超大直径的水浮运转***采用的是组合强化式磁力定位配合限位轮限位的定位方式，在水浮运转平台8上设有36座冲压喷气式翼型风帆，其配套的180万千瓦超大功率水轮发电机组是由10个单机功率18万千瓦的水轮发电机23组成，在水浮风帆风力发电机中央设计有风电场中央控制塔50。

超大型水浮运转平台8的设计数据大致为：直径1280m，圆周长4021m，

宽40m，高20m；冲压喷气式翼形风帆16的设计数据大致为：高136m，宽55m，厚19m，风帆间距56.70m。

【二】超大型水浮磁力定位运转***的浮力说明

如图11所示，上述尺寸数据的水浮运转平台8的其2/3工作排水量为214万吨。而估算得知，上述数据的以钢筋混凝土建造的空心结构冲压喷气式翼形风帆16，总重量大致为61万吨，上述数据的以钢筋混凝土建造的内空腔结构的水浮运转平台8，总重量大致为120万吨，故水浮运转***的总重量为181万吨，大大小于其214万吨2/3的工作排水量。可见，水浮风帆风力发电机的庞大的水浮运转***，在风力的作用下，完全能在2/3工作吃水线左右的位置浮起在环形水槽中安全平稳的旋转运动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种水浮风帆风力发电机，其特征在于，包括：注有液体的水池或环形水槽；在风力驱动下在所述水池或环形水槽内的液体中转动的水浮运转***，所述水浮运转***包括浮起于所述水池或环形水槽内的液体中的水浮运转平台(8)，以及安装于所述水浮运转平台(8)之上的多个风帆；将所述水浮运转***定位于所述水池或环形水槽内的液面中并在预定范围内转动的定位***；可使所述水浮运转***停止转动的制动***；以及，将所述水浮运转***转动时所产生的能量转换为电能输出的发电机***；所述水浮运转平台是呈圆环形的内空腔结构的浮体；在所述的环形水槽上设置有用于灌注或排放液体的多根进出水管道(41)，所述制动***包括：安装于一系列进出水管道(41)上的进出水阀门(42)、进出水双向水泵(43)、大面积的铺垫在环形水槽底部(19)上的搁浅制动专用沙石料(39)。

2.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述环形水槽是建于地面、建筑物顶部、或浮起于液面，且该环形水槽包括内环挡水墙(17)、外环挡水墙(18)、环形水槽底部(19)，在所述内环挡水墙(17)和/或外环挡水墙(18)上设置有供所述环形水槽内的多余液体溢出的多根溢水管道(40)。

3.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述环形水槽还包括设于所述内环挡水墙(17)顶部的内环挡水墙封顶盖(20)，和/或设于所述外环挡水墙(18)顶部的外环挡水墙封顶盖(21)；所述定位***包括：设置在所述环形水槽的内环挡水墙(17)的内侧、外环挡水墙(18)的内侧、内环挡水墙封顶盖(20)的下侧、外环挡水墙封顶盖(21)的下侧这四者的一处或多处的一组或多组定子磁力定位轨道，以及设置在所述水浮运转平台(8)上并与所述定子磁力定位轨道相对应的一组或多组转子磁力定位轨道。

4.根据权利要求2或3所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述定位***包括：设置在所述内环挡水墙(17)内侧、外环挡水墙(18)的内侧、内环挡水墙封顶盖(20)下侧、外环挡水墙封顶盖(21)的下侧、水浮运转平台(8)这五者的一处或多处上的多个限位轮。

5.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述定位***包括：位于所述水池或环形水槽圆心的定位轴(46)，套接在所述定位轴(46)上的定位轴轴承(48)，以及一端与所述定位轴轴承(48)连接、另一端均匀固定在所述水浮运转平台(8)上的多根定位轴连杆(45)。

6.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述风帆是冲压喷气式翼型风帆(16)，在其风帆头部(3)上设有头部进气道组(1)，在其两个翼面设有翼面气道阵列组(2)；其中，所述风帆的头部进气道组(1)是由多个头部进气口(7)组成，所述风帆两翼的翼面气道阵列组(2)是由设置在所述风帆两个翼面的多个翼面多级气道口(5、6)组成；系列的头部进气口(7)、翼面多级气道口(5、6)在所述风帆的内部形成射流通道。

7.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述发电机***(23)包括：发电机(11)，与所述环形水槽贯通的水轮机导流管(12)，以及位于所述水轮机导流管(12)内并带动所述发电机(11)运转的水轮机叶片(29)；在所述水浮运转平台(8)的侧面设有将所述环形水槽内的液体引入所述水轮机导流管(12)内的多个水轮叶片(10)。

8.根据权利要求7所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述水浮运转平台(8)上设有系列位于所述水轮叶片(10)后并贯穿所述水浮运转平台(8)的内、外侧的水流管道(9)。

9.根据权利要求1所述的水浮风帆风力发电机，其特征在于，所述发电机***包括：设于所述水浮运转平台(8)的内侧和/或所述水浮运转平台(8)的外侧的一组或多组发电机专用永磁轨道(34)、设置在所述水池或环形水槽上并与所述发电机专用永磁轨道(34)相对应的一组或多组发电机定子线圈绕组(44)。