CN1255628C - 可叠加自控帆板风车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可叠加自控帆板风车，包括垂直主轴(1)、帆板(3)，其特征在于：该风车还包括轮辐(2)、封闭性圆形轨道(7)、风车个体(5)，过渡小车(51)；上述过渡小车(51)和风车个体(5)的前后用拉杆(6)硬性铆接，构成依次首尾互接的大圆环状列车，这些环状列车均安放在对应的封闭性圆形轨道(7)上，位于同心相邻的两道圆环状列车则由轮辐(2)沿半径方向硬性铆接，最内圆环状列车与垂直主轴(1)之间也通过轮辐(2)沿半径方向硬性铆接构成一个巨型风车轮。该装置主要是利用风能发电与抽水蓄能相结合来实现风能稳压发电。

Description

可叠加自控帆板风车

技术领域

本发明涉及可叠加自控帆板风车，属于空气动力学风能利用技术领域。

背景技术

目前，成熟的发电方法主要有火力发电、原子能发电、水利发电、风力发电等。火力发电应用最广，但能源消耗较大，且对环境的污染破坏也较大；原子能发电技术要求非常高，投资也十分庞大，目前只有少数一些国家拥有这项技术；水利发电和风力发电虽然属于洁净的发电方法，但水利发电对环境和自然的条件要求较高，其发电容量与水源是否充足，以及水的流量大小有直接的关系，而且水源均不能循环利用，因此水利发电只能在地理环境非常适宜的地方采用；风力发电是利用自然风能进行发电的方法，由于自然风的大小变化频繁，造成风力发电的电压、发电量相应变化不稳，很难给电网稳定供电，同时发出的电能也很小。要获得稳定、大容量的电能，决定风力发电的动力源——风车，是解决上述技术问题的关键。

虽然，风力车的问世已有数百年历史，其中最为人们所熟知的风力车是荷兰式水平轴螺旋浆风力车。风力车利用大自然取之不尽、用之不竭，且无污染的免费风源作为动力源，具有很高的经济性。因此，风力车尽管有数百年历史，尚有更多国家正在不断研究改进已有的各类风力车，使之更加趋于完善、实用。

现有风力车具有水平轴螺旋浆风力车和垂直轴风力车之区别。水平轴风力车有浆臂愈长愈易被风吹拆及转速愈慢等缺点，加之其受风面有限又全靠其高悬空中之框轴输出扭力，无法兼顾大扭力与快速之缺点，该结构风力车正逐渐为垂直轴风力车所替代。在垂直轴风力车方面，其优点是包括不受风向限制，不必另设高塔，受风面扩充性大、增速方便等。但其也存在先天性缺点，既其车体以其垂直轴为界，顺风面与逆风面各占半周，在顺逆两面受力均衡情况下，因无法有效地排除其逆风面所受阻力，导致无法发挥顺风面受风应有之功效。现有技术中，如我国发明专利CN88214948.2公开了一种摆叶式风力机；又如CN89219274.7介绍的风叶能自转和公转的风车，其风叶在自转轴的两边不对称，宽边受风面积大，窄边逆风面小，以减少顺逆风交界面所受阻力。发明专利申请号91103531.1也公开了一种“活门万向风力发电机组”使用了转动轴、活动风门、滑动轮、环形轨道等部件，其活动风门能适应风向变化，随时能接收不同方向的风力。但是该技术中依然均存在窄边逆风面，不可避免的存在逆风阻力问题。因此，现有技术只能适应小型风力发电，不能适应中型大型风力发电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述垂直轴风力车所具有共同缺点的可叠加自控帆板风车。该装置可以利用风能发电与抽水蓄能相结合来实现风能稳压发电。

本发明的目的是这样实现的：在河边、湖边、海边、岛屿、山口及其他自然风力资源丰富的地方，根据常年自然风力资源状况，动力输入要求，选择合适的地点，在有限的平整平面场地内安装一种可叠加自控帆板风车，包括垂直主轴、风车叶片，其特征在于：该风车还包括若干根可绕垂直主轴旋转的轮辐、优化排列有限组封闭性圆形轨道、若干台可辩别顺逆风力的风车个体、若干台过渡小车，上述过渡小车和风车个体的前后、左右用拉杆、轮辐硬性连接，并与垂直主轴稳固连接叠加；过渡小车和风车个体平卧在封闭性圆形轨道上；上述封闭性圆形轨道是以主轴为圆心，规则排列的自控帆板风车个体到主轴之间的距离为半径的轨道；上述风车个体由承载体和风车叶片组成；上述风车叶片的框架为“田”字叠加形式，“田”字中的每个小框架内安装一个卷闸门式帆板，各小框内的卷闸门式帆板连接小型低速马达；在框架的两端安装有***、负载保护器、在风车叶片的中央还有一个风力压力感应器，在风车叶片下端有平衡块；风车叶片下端三分之一处有一根转轴，另在风车叶片上端的三分之一处有两个连接定位活塞拉杆的连接点，定位活塞拉杆的两端点分别固定连接风车叶片的连接点和承载体的连接点；上述主轴的下端有伞齿；上述控制部分是由定位活塞拉杆、“T”字形定位环形轨道、定位轮、帆板压力感应器、低速马达、风车运转速度计、车载自备发电机、电源及控制线路组成，其定位活塞拉杆由缸体、端点接头、活塞及拉杆、进油管道、进油单向阀、出油管道、出油管电磁单向阀组成，活塞拉杆伸出长度以控制帆板采风水平倾角约在5°～90°之间活动为限；定位轮安装在连接两圆形轨道上的风车间的轮辐下；在风车运行的平面下方设立一个洞室，安装有工作机、输出动力或操作台。

本发明的最大优点是叶片受风面积大，排风阻力小，特别是当叶片处于顺逆风交界变换界面时，叶片受风力的自然作用，很容易由排风位置进入受风位置。  除此以外本发明还具备以下四性：一、叠加风车整体转向的规定性——即整体风车可同时接受来自不同方向的风力。若要想改变风车的转向，只要改变个体自控帆板风车个体的迎风方向，稳固联接之后风车转向即可改变。二、叠加风车整体动力输出的相对平稳性——风车整体是一个叠加式的巨型风车轮。三、叠加风车整体动力输出的叠加性——即在设计、制造、安装风车时，可有限增加自控帆板风车个体的数量，改变风车采风面积多少，达到改变风车输出动力的目的。四、本发明的易实施性，构成叠加风车材质为圆钢、槽钢、硬塑板(帆板)等等常规材料铆接。可将风车分解成若干个体在工厂内制造，在叠加风车场地吊装组装等。上述四性，可以最大限度地克服风力资源的间歇性，不稳定性的缺点，最大限度地满足使用者的需要。本发明能适应小型、中型、大型风力电站发电。另外，本发明所用的材料多数是金属，帆板叶片用金属、木材、塑料、丝布均可以，加工工艺多数是焊接，只有主轴和齿轮，需用机床加工。

附图说明

图1为本发明的可辩别顺逆风力的风车叶片示意图；

图2为本发明一种实施例结构侧视示意图；

图3为本发明一种实施例结构俯视示意图；

图4为本发明的A放大示意图；

图5为本发明的活塞拉杆示意图；

图6为本发明控制电路示意图。

附图中，编号1主轴；2轮辐；3风车叶片；4工作机；5风车个体；6拉杆；7封闭性圆形轨道；8行走轮；9转轴；10承载体；11定位活塞拉杆；12定位轮；13“T”字形定位环形轨道；14伞齿；15速度计；16低速马达；17电磁制动闸；18低速马达；19、20、21磁力起动器触头；22主操作台；31缸体；32、33端点接头；34活塞；36进油管道；37进油单向阀；38出油管道；39出油管电磁单向阀；51过渡小车；R1电阻可调；D1、D2、D3、D4稳压管；A1、A2、A3、A4线路。

具体实施方式

以下是参考附图对本发明的某些具体描述，但必须知道，该实施方案不能用来构成对本发明的限制。

附图1、2、3所示的一种可叠加自控帆板风车，包括垂直主轴1、风车叶片3，其特征在于：该风车还包括若干根可绕垂直主轴旋转的轮辐2、优化排列有限组封闭性圆形轨道7、若干台可辩别顺逆风力的风车个体5、若干台过渡小车51，上述过渡小车5 1和风车个体5的前后、左右用拉杆6、轮辐2硬性连接，并与垂直主轴1稳固连接叠加；过渡小车51和风车个体5平卧在封闭性圆形轨道7上；上述垂直主轴1是在平整的场地上，按照设计要求垂直平面安装，用来接受风力，并输出动力的转轴；上述封闭性圆形轨道7是根据建造地址的自然条件、常年风力状况、使用者的动力需求，按照设计要求，以主轴1为圆心，规则排列的自控帆板风车个体5到主轴1之间的距离为半径的轨道；上述风车个体5由承载体10和风车叶片3组成；承载体10类似火车车皮，它具有行走、制动、停止的基本功能，承载体10的建造应避免偏重，可以减少风车在运行中的阻力，提高风车的净输出动力；因此，承载体10的建造宜采用槽钢铆接骨架形式，在骨架四周设置硬连接点，用来硬连接相邻的自控帆板风车，自控帆板的转轴9的支架与骨架相铆接，在支架骨架上选择两个点，作为连接帆板定位活塞拉杆11的连接点。在骨架的下面安装4个行走轮8。在行走轮、硬连接点之间及骨架两端点附近最少各安装四个定位轮12，也可以安装在相对应的轮辐上，上述风车叶片3的框架为“田”字叠加形式，“田”字中的每个小框架内安装一个卷闸门式帆板，帆板能在框架内自由收缩；风车叶片3的小框架大小根据风车输出动力的多少，风车运行安全的稳定性确定，各小框内的卷闸门式帆板连接小型低速马达16、18；在框架的两端安装有***、负载保护器，在风车叶片3的中央还有一个风力压力感应器，用来控制低速马达的正反运转或停止。在风车叶片3下端有平衡块；风车叶片3下端三分之一处有一根转轴9，另在风车叶片3上端的三分之一处有两个连接定位活塞拉杆11连接点，定位活塞拉杆11的两端点32、33分别固定连接风车叶片3的连接点和承载体10的连接点，上述过渡小车51用来承载及传递同一运行轨道上前后两个自控帆板风车之间拉杆6的重力和动力，如同一运行轨道上的自控帆板风车5间隔较小，也可不用过渡小车51，上述轮辐2用来径向稳固连接相邻间运行轨道上行走的自控帆板风车，其材质是槽钢、圆钢或圆管等普通钢材；上述拉杆6用来连接同一运行轨道上的自控帆板风车，使之构成巨型风车的一层轮缘，以减轻主轴负载；上述主轴1在轴的一端有接受自控帆板风车轮辐传递的风力，另一端可以有伞齿14输出；动力经变向、变速传递到工作机4；上述控制部分是由定位活塞拉杆11、“T”字形定位环形轨道13、定位轮12、帆板压力感应器、低速马达、风车运转速度计、车载自备发电机、电源及控制线路组成。定位活塞拉杆11由缸体31、端点接头32、33、活塞34及拉杆11、进油管道36、进油单向阀37、出油管道38出油管电磁单向阀39组成。打开或关闭出油管道上的电磁单向阀39，控制活塞拉杆11伸出长度，控制帆板3采风水平倾角约在5°～90°之间。

为了方便本发明描述，以附图2约定，风力规定是从外指向里，左面风车个体5上的风车叶片3面视为背风面，右面风车个体5上的风车叶片3面视为迎风面。则附图3的风车主轴为逆时针方向转。本实施例的工作原理是：一、叠加风车正常工作状态，打开定位活塞拉杆11，出油管电磁单向阀39，当自控帆板风车5运行到迎风面时，风力推起帆板3，帆板3拉动活塞拉杆11，压缩油在活塞34的推动下，从缸体31的上腔经出油管道38、出油管电磁单向阀39进入下腔；这时活塞拉杆11伸出最长，帆板3水平倾角约90°，风车为最大采风面积；当自控帆板风车5运行到背风面时，帆板3在风力的压迫下，压迫活塞拉杆11，推动活塞、压缩油由下腔经进油管道36、进油管单向阀37进入缸体31的上腔。这时活塞拉杆11最短，控制帆板3成水平约5°倾角，帆板3的迎风面最小，其阻力亦最小；如此往复，周而复始；二、当风车异常运转时，即风车转速超过设计规定的参数时，在风车采取制动措施后，风车仍然超转速运行时，安装在自控帆板风车上的速度计15产生电信号，经风车上的自备电源线路关闭出油管38上的电磁单向阀39，压缩油只进入缸体31上腔不流出，活塞拉杆11最短，自控帆板3始终在最小采风面积状态下运转，直到风车恢复正常运转，速度计15产生的电信号指令经自备电源线路打开出油管道电磁单向阀39，叠加风车重新恢复正常运转，为了避免叠加风车在大风、台风袭击时掀起自控帆板风车脱离运行轨道7，给风车造成破坏性的伤害，在相邻两组轨道之间安装“T”字型环形轨道13，在相对应的轮辐2上安装定位轮12，定位轮12卡在“T”字型环形轨道13内，最大限度地保证风车不遭受暴风袭击，造成破坏性的伤害；为了满足风车的自控措施，每个自控帆板风车应配置气压制动或电控气压制动及手动机械制动；在风车的轮辐2上安装人工检修安全通道，每个自控帆板风车还应配置小型空压机、高压储气罐以供风车的制动需要；在叠加风车外缘的某个自控风车上，配置一台小型直流发电机、蓄电池组、控制线路设备供风车自控调节需要；控制设备应有能力接收主操作台22的无线操作指令信号或有线操作指令信号(可以在“T”字型环形轨道内安置接收有线电操作指令的动态连接点)。还要在该自控帆板风车上配置速度计15，用来发布调节指令。

风车的自控调节过程是这样的；如设计制造的风车其材质、风车运行状态可在10级风力内运行，其可变电阻可调R1最大值为10级风速推动风车转动产生的相应电信号值。如果环境风速达到或超过10级以上，风车仍在转动，则导通稳压管D4由线路A1直接下达指令控制自控帆板风车采风水平倾角在约5°内，指令低速马达16收紧卷好帆板；如果环境风速在10级以内，风车可正常运行，此时，可由操作员人工下达指令，将可变电阻R1的参数调整在10级风速以内任何一级风速相对应的参数，如果希望风车在8级风速以内运转，则将可变电阻R1的参数调整到8级风速推动风车转速产生的电信号的对应值；当风力级别超过8级时，风车转速会超过设定参数所规定的转速，电阻信号导通稳压管D3经磁力起动器触头20经线路A2，下达接通各自控帆板风车上的电磁制动闸17电源，风车采取制动减速措施。如风车仍在超转速转动时，电信号导通稳压管D2经磁力起动器触头20、21经线路A3下达指令接通定位活塞拉杆上出口管道上的电磁单向阀39，关闭出口管道，自控帆板倾角逐渐稳定在水平夹角5°左右。如风车还在保持超速运行，同理，电信号导通稳压管D1经磁力起动器触头19、20、21经线路A4下达收帆板指令，低速马达18运转收帆；收帆工作还有一条保护措施就是：帆板在5°内运行，风力会在风速、地面、阻力的共同作用下，对帆板3产生较大的上推力，这时安装在帆板中央的压力传感器会指令低速马达18采取收帆动作；若遇天气预报得知风车站址将会有超过风车运行所允许的风级条件时，可由人工在操作台22提前操作收帆，在符合风车允许运行条件时，再由人工操作张帆，恢复风车的正常运转。

在风车运行的平面下方设立一个洞室，用来安装工作机4或输出动力，同时安装工作机，叠加风车的操作台22；风车操作台应根据风车控制与预防措施中所要求的程序设计，条件差时可用一般电路控制***实现风车自控。条件好时，可用编排电脑程序实现风车自控。实施者有能力时，可以自行设计制造，实施者无能力时，可以招标委托专业控制设备厂家协助制造。

另外，发明人还给出本发明的一些安装、设计及数据描述摘抄如下(仅供参考)：

本实施为：如某场地，自然风力状况常年4级以上，适合兴建半径100米的风车。单个自控帆板风车的制造参数可将下列数据作参考，即承载体骨架长40米，帆板支点高15米，帆板转轴9、帆板长12.5米。帆板高40米。定位活塞拉杆伸出总长38米，收缩长度19米。帆板最大采风面积40×12.5＝500.17m²最小逆风面积为40×sin10°×12.5＝86.8m²，单个自控帆板风车自重控制在8吨以内。Fr＝8×0.02＝0.16吨＝160公斤，根据从建筑结构力学中摘录的风级压强、风速表可以计算出各级风力该类型单个自控帆板风车的净输出功率。计算公式为：单个自控帆板风车净输出功率＝[<正向采风面积-逆向迎风面积>×风级压强-摩擦阻力]×10×风级风速，计算结果详见风车功率计算表。

在以垂直主轴为中心，半径100米范围内等距铺设8条运行轨道。在每条运行轨道安放四个如上述类型的自控帆板风车，用轮辐、拉杆过渡小车等距离稳固连接。整个叠加风车总重量为4个×8条×8吨/个+轮辐拉杆、小车控制重量40吨＝296吨。每台径向采风面积＝40×100＝4000m²，逆向受风面积40×sin10°×100＝694.4m²，摩擦阻力Fr＝296×0.02＝5.92吨＝5920公斤，净输出功率计算方法同上，计算结果详见风车功率计算表。

可根据风车功率计算表，建设安装同等规模的叠加风车，可以采用抽水蓄能电站与发电机组群相结合的方式实施。

在建设场地常年自然风力4级以上，建设安装风力发电站。

如果某场地常年自然风力在4级以上，实施者需要实施本发明，并建设相等规模的叠加风车。风车运行参数可设定风力在8级以内，采用抽水蓄能电站与发电机组群相结合的方式建设风力发电站，其理由是我国处在北纬约20～60°之间，属于季风气候。每年春秋冬季节，都会经常刮起大风，且有丰富的风力资源。发电机组的配置为抽水蓄能水轮发电机组500千瓦一台，直接由风车传动发电机抽水发电的发电机组为500千瓦一台，1000千瓦一台，2000千瓦四台，合计总装机10000千瓦。

具体操作实施：4级风条件下，24小时抽水，16小时发电(用电高峰期发电)；5级风条件，开动两台500千瓦发电机组；6级风条件，开动两台500千瓦、一台2000千瓦的发电机组；7级风条件，开动两台500，开动两台2000千瓦；8级风条件，开动全部发电机组。

如果该站址常年自然风状况分布为：4级365天，5级200天，6级100天，7级80天，8级20天，则该发电站全年可发电分别为：2137440、3628800、4800000、7680000、960000。总19206240千瓦时，按0.3元/千瓦时价入网，电站全年产值为576万元。

计算方法：

4级244×24×365＝21374405    级(1000-244)×24×200＝3628800

6级2000×24×100＝4800000    7级4000×24×80＝7680000

8级2000×24×20＝960000

                                风车功率计算表

风级

压强kg/m2

风速m/s

压强组中值

风速组中值

单风车

风车总

					功率kw	功率kw
								1	2	3＝(1上+1下)/2	4＝(2上+2下)/2	5	6
1	0.006～0.141	0.3～1.5	0.074	0.9	-1.16	-
							2	0.16～0.181	1.6～3.3	0.17	2.4	-2.15	-
3	0.732～1.832	3.4～5.4	1.287	4.4	16	-
							4	1.89～3.901	5.5～7.9	2.896	6.7	70	244
5	4～7.156	8～10.7	5.578	9.35	201	1170
							6	7.29～11.963	10.8～13.8	9.676	12.6	484	3284
7	12.076～18.276	13.9～17.1	15.178	15.5	947	6859
							8	18.47～26.81	17.2～20.7	22.64	18.95	1742	13060
9	27.04～37.21	20.82～24.2	32.125	22.7	2977	22762
							10	37.52～50.41	24.5～28.4	43.96	26.45	4762	36870
11	50.77～66.42	28.5～32.6	58.59	30.55	7347	57359
							12	＞66.42	＞32.6	66.42	32.6	8895	69646

为计算方便，g取约数10。

Claims (1)

1、一种可叠加自控帆板风车，包括垂直主轴(1)、风车叶片(3)，其特征在于：该风车还包括若干根可绕垂直主轴旋转的轮辐(2)、优化排列有限组封闭性圆形轨道(7)、若干台可辩别顺逆风力的风车个体(5)、若干台过渡小车(51)，上述过渡小车(51)和风车个体(5)的前后、左右用拉杆(6)、轮辐(2)硬性连接，并与垂直主轴(1)稳固连接叠加；过渡小车(51)和风车个体(5)平卧在封闭性圆形轨道(7)上；上述封闭性圆形轨道(7)是以主轴(1)为圆心，规则排列的自控帆板风车个体(5)到主轴(1)之间的距离为半径的轨道；上述风车个体(5)由承载体(10)和风车叶片(3)组成；上述风车叶片(3)的框架为“田”字叠加形式，“田”字中的每个小框架内安装一个卷闸门式帆板，各小框内的卷闸门式帆板连接小型低速马达(16、18)；在框架的两端安装有***、负载保护器、在风车叶片(3)的中央还有一个风力压力感应器，在风车叶片(3)下端有平衡块；风车叶片(3)下端三分之一处有一根转轴(9)，另在风车叶片(3)上端的三分之一处有两个连接定位活塞拉杆(11)的连接点，定位活塞拉杆(11)的两端点(32、33)分别固定连接风车叶片(3)的连接点和承载体(10)的连接点；上述主轴(1)的下端有伞齿(14)；上述控制部分是由定位活塞拉杆(11)、“T”字形定位环形轨道(13)、定位轮(12)、帆板压力感应器、低速马达、风车运转速度计、车载自备发电机、电源及控制线路组成，风车运转速度计(15)安装在自控帆板风车上，风车运转速度计(15)经可变电阻(R1)，一路经导通稳压管(D4)、线路(A1)接低速马达(16)，第二路经导通稳压管(D3)、磁力起动器触头(20)、经线路(A2)接各自控帆板风车上的电磁制动闸(17)电源，第三路导通稳压管(D2)经磁力起动器触头(20、21)，线路(A3)接定位活塞拉杆上出口管道上的电磁单向阀(39)，第四路经导通稳压管(D1)、磁力起动器触头(19、20、21)，线路(A4)接低速马达(18)；上述定位活塞拉杆(11)接缸体(31)内的活塞(34)，缸体(31)的下腔接进油管道(36)、经进油单向阀(37)到缸体(31)的上腔；缸体(31)的上腔接出油管道(38)、经出油管电磁单向阀(39)到缸体(31)的下腔；活塞拉杆(35)伸出长度以控制帆板(3)采风水平倾角约在5°～90°之间活动为限；上述“T”字型环形轨道(13)在相邻两组轨道之间，轮辐(2)上有定位轮(12)，定位轮(12)安装在连接两圆形轨道上的风车间的轮辐(2)下；在风车运行的平面下方设立一个洞室，安装有工作机(4)、输出动力或操作台(22)。

Images