CN101087945A - 可安装于海上的工业风能收集系统 - Google Patents

Abstract

可安装于海上的工业风能收集系统，包括一个主轴(1)，两端由两个支撑(S)所支撑，从所述轴延伸的几个框架，每个框架包括一对平行杆(8)，杆(8)在其端部处通过安装杆或横梁(5)而互连。在每个框架中，所合成的平行四边形形成这样的表面，即所述表面分成几个翼板(6)，每个都支撑在一个轴(7)上，轴(7)可以旋转过90度。

Description

可安装于海上的工业风能收集系统

技术领域

发明的技术领域是风能收集，可在海上移动平台上运行，将风力转换成电能。

技术状况

至今，风能只限于通过陆地固定风力发电机组加以利用。

本系统力争改进采风效率，将设备安装于海上漂浮移动式平台上。

目前设备的不利之处

a).单位输出效率不高。尽管现在没有公布的数据，我们估计平均负荷系数在18％左右。我们知道负荷系数指特定时间实际产出和装机功率间的比例关系，按照上述比例数字意即实际产出是装机功率的18％。

增加产出主要靠增加机组数目。通过技术，可以靠完善和增加叶片面积来提高效率。增加面积具有物理上的限制，并且在技术上越来越昂贵和复杂。

b).最低风速一般是每秒四米，这样一来就出现了一个最大的不便：无法预测性。我们还应区分两种不可预测性：生产-不生产，在生产期间，生产量的变化情况，因为在不需要时可能会多生产。从自身结构无法改变这些参数。

c).投资成本。

d).对环境带来的影响：影响目视，影响山地景致和动物。

e).固定和长期设施，不能更换地点。

f).自身结构不允许干预风速，改变或改善风速。

g).地面已被占用。

结论：

风力能源是取之不尽用之不绝、免费和辅助性的资源，能节省其它能源，但是不能超越补充性范围，仍然需要保持在其它能源上的投资以保障消费需要。

根据目前采用的模式的技术发展程度，要在能源工业领域取得显著进步，就只能从改进出发点上着手。

应解决的问题：

-增加单位产量。

-降低启动速度，减少停机时间。这是降低不可预见性和增加符合系数的首要因素。

-降低投资成本，以便同一投资额能产生几倍的生产能力。

-克服环境影响，这就要求我们不得不着眼于远海。目前的风力发电机组要承受两种力量，风力和离心力。固定设施不具有惯性。在海上，扇叶不承受这一力量，所以我们应强调这点。另外，在海上风力更强和稳定，这是帮助我们降低不可预见性和增加负荷系数的第二个因素。

-设备应是移动性的。以便将系统置于最佳区域，这是帮助我们降低不可预见性和增加负荷系数的第三个因素。

-我们还可以通过调整风力经过系统的速度。这在帮助我们降低上述不可预见性和增加负荷系数的同时，是能解决风强度变化时保持生产稳定的一个很重要的第四个因素。

目标：

提供风力能源作为一种能源。如果上述问题和不利之处得到满意解决，风力能源将可和传统能源相比美，而风力的非常重要的独特优点已经被人熟知。

上述系统的基础和传统上的河流水车的原理相同。水车通过对叶片产生的不同压力来利用水流的力量进行旋转运动，即沉没在水中的周缘的下半部分进行一种行程，而上半部分在空气中进行复位行程。

该系统很简单和有效，但是压力差产生的原因是利用两种不同密度的物质。水产生推动力，在空气中进行复位运动，水引起缘于较大密度的高压，这一点不能在复位行程中抵消，因为空气提供相对零阻力。结果：理论上能利用100％的能源。

该系统不能运用于风力上，因为风力既存在于动力行程上，即在上半圆旋转上，也存在于复位行程上，即在下半圆旋转上，因此压力因素是一样的。结果：压力差别很小：一个方向产生的力量被相反方向产生的力量抵消。

曾经试图通过空气动力学设计增加压力差来解决这一问题，尽管有一定作用但是还是不能解决问题。要想令人满意地解决问题，就需要至少将复位行程上的阻力降低到5％以下。这样一来就能在动力行程上利用作用于翼板表面上的100％的风力。

为能便于理解这一情况，随附设计或附图，下面我们还将进行扼要介绍。

图1风力水车总图。

图2翼板轴截面图。

图3运行系统侧面图。

本备忘录涉及的系统具有一个带两端固定点(9)的水平轴(1)，通过从轴(1)延伸的杆(8)承受一个垂直迎风翼板表面(10)，所述表面分为各种翼板(6)，有各自的轴(7)，能有限旋转。

水平轴(1)将由杆(8)所形成的周缘分为两个半圆并在风力(V)作用下旋转，上半圆(3)，翼板垂直于风向，下半圆(4)，风帆平行于风向，从而产生主轴(9)旋转力差。

每个框架的翼板经过水平位置时，一个安装于固定杆上的自动装置，既可是电动装置也可是压缩空气活塞装置，使翼板交替旋转90度，并使帆叶面垂直或平行于风向，通过这些不同位置完成两个半圆行程，即迎风和复位运行。

我们建议的系统具有两个支架(5)，从两端将一个轴(1)架起，最低高度可使杆(8)完全旋转。在轴下部和两端固定四个框架，间隔90度。每个框架还有两个平行杆(8)，固定于轴端，端点和支架相接。从侧面看，外形是两个风叶，在其连接点处与轴端连接。每对杆端部由一个固定杆(5)连接。该架与轴心平行。轴旋转时应没有任何阻碍。外形类似一个风磨或水车。

在由轴、固定杆和两个平行杆所形成的每一平行四边形中，各独立翼板将被安装成分布在平行四边形的表面，每个翼板都和轴(1)以及固定杆的轴(7)相连。固定点有轴承。横向上分成两段，可旋转90度。数目按照轴和固定杆的长度而定。翼板宽度和数目有关，并和旋转情况和翼板表面有关，这将在下面进行介绍。注意到这两个参数，我们预计翼板理想宽度约为0.50至0.75米。翼板(6)每两个一对，反方向旋转90度，以抵消风力在旋转中的力量，清除或减少叶片上一个方向的压力。该90度旋转可通过电动机构、机械装置或气压活塞实现，它们位于固定杆上，在分布有翼板的平行四边形的平面之外。装置90度旋转时一次朝一个方向，下次朝另一个相反方向，并恢复原始位置，同时连续90度旋转不会产生全圆旋转，即360度。

由于系统的目标是工业化生产，尺寸应相对更大。翼板旋转围绕的轴(7)两端有固定点，在工业化生产时，厚度应显著增加以承受风力推力，并避免产生振动和移动以至翼板相互碰撞，特别是中心部分。减少该轴直径时，在系统运行至复原位置时也减少的风阻，并降低整个系统重量。为使10米翼板的轴直径小于3厘米，我们需要在整个轴上安装几个均匀分布的固定点(图2)。下面将还会看到这样的例子。为此，我们根据可以风力情况(4)在翼板后部安装三个支撑杆(5)。这些支撑杆固定在长杆(8)上，外形是U型。翼板(6)从后面横穿轴，并具有足够的间隙，以便不影响翼板的旋转。翼板(6)进行两个象限旋旋转，每次90度，另两个象限自由。后面的自由旋转象限，将由一个固定在支撑杆(5)上的动臂进行，并围绕翼板轴旋转完成，以避免产生震动和便于旋转。因此，我们减少了支撑点的分隔距离，建议从10米减至2.5米。

每个框架的固定杆(5)经过迎风水平线时，旋转装置将收到信号，我们称之为动力信号，进行旋转并使得翼板处于与风向垂直的位置，即覆盖全部翼板面。在假设情况下，将对10个装置发出10个信号以便进行旋转。完成半圆运动并处于风力出口的水平位置(1)时，将发出另外10个复位信号(翼板处于与风向平行位置时)，每个翼板装置进行反向旋转。应知道，在这两点发出的信号不同，信号的指令是使旋转装置处于一个特定位置，而不是任意进行旋转。因此，如果某一装置出现故障，不能收到信号，下一个信号也将没有任何作用，因为它的指令是使旋转装置复位。

发出了10个信号和启动了10个装置后，我们即获得系统的灵活性。我们可以减少风力受力面积，逐渐从10个翼板降为1个。

如果每个框架经过风力入口水平线时我们中断向各个装置发信号，轴(1)将继续旋转，但不是靠风力而是靠离心力，因为翼板将旋转360度平行于风向，即处于被动位置。这一可能性是在风力过大时，最佳控制发电生产的关键所在。如果设备在风速每秒7米下即全力运行，则每秒21米的风速会对我们带来损害，因此，建议采取的措施减少翼板运行数目，比如，减少为4个。用这一方式，过高风速也不会影响系统的运行。仅需要随时调整所需翼板数目，就能按我们的需要进行生产。通过这一可能，可完全管理因风速过高而停机的情况，除非出现极端情况。

这一灵活性在设备停机和启动时也对我们有益。所以，不需要机械动力进行启动。如果我们需要停止系统运行，首先我们需要使10个翼板中的9个停止运行。轴将通过离心力和未停止运行的翼板产生的动力继续运行。此外可以通过刹车器进行适当控制。

设备启动时，首先我们应做的是将处于关闭状况的信号发生器进行启动。取消刹车制动，通过已启动的翼板受力，轴将慢慢开始旋转。这样将最多旋转90度，因为在此之前，一个框架将经过水平线，并收到启动其它所有翼板的信号，因此当这些翼板处在工作位置时，这些叶片开始正常运行。

装置将在12.5×10^-2秒和25×10^-2秒内达到每分钟旋转30或60圈的运行速度。

在图2中，表示翼板(6，1)迎风位置和复位位置(6，2)。

V.风向。

固定于两个平行杆(8)上的支撑杆(5)位于翼板(6)横向位置，具有足够间隙，以便不妨碍旋转，并到达每个翼板的轴(7)，通过两个自由象限之一，并更好地承受由翼板所传递的力。

本图描述系统的基本情况，该系统用于固定每个翼板轴，以便减少体积和重量，同时能更好承受翼板传递的力量。

将一个支撑杆(5)牢固地固定在两个平行杆(8)上，横向经过翼板轴，具有足够间隙以便于进行旋转。

翼板利用设想中的圆周四个象限中的两个象限，来旋转90度，另外两个项目限总是处于自由状况。通过一个象限，起自固定杆的臂和轴连接，并通过轴承能自由旋转。

图上，成对翼板反向变位，按相反方向旋转，以便在单一方向抵消侧风力量。

左侧翼板，从动力位置变换到复位位置，向左旋转90度，右侧翼板同时进行向右旋转。

系统如此安装后，其运行情况如下：面对风向(V)，风推动水平线以上的翼板(6)通过主轴(1)位置(上半动力圆)(3)，正面地使主轴旋转。当每个框架的杆(8)到达入风口反面水平线位置时，位于杆(8)的固定杆上的装置使翼板(6)快速沿自己的轴旋转90度，这样在平行于风向的水平线以下行进，以便达到最低阻力并和行进在上部的翼板处于垂直角度。每对翼板旋转90度，并相反方向旋转，以便抵消风力产生旋转力时的推力，并横向作用于杆(8)上。

计算：设定是一个平行四边形，10米宽(和轴长和固定杆相同)，10米长(杆对)，翼板面积100平米。我们可以安装20个10米长，0.50米宽的翼板。如果翼板的最大厚度达0.025米(2.5厘米)，阻力面积则达2.5平米，相当于与迎风面对应面积的理论阻力的2.5％(实际阻力更小)，这样一来就降低了97.50％，大于原来认为的可以接受的95％这一比例。

完成了主轴水平线以下的半圆形运动(复位半圆)，每个框架都经过了迎风面水平线，使翼板反向旋转，覆盖整个平行四边形面积，因此位于与风垂直的位置，并产生最大的阻力。

轴连续旋转所产生的机械力通过机械装置传导给发电机。

我们不建议某一固定尺寸，因为实际上是没有限制的，取决于希望获取的风力大小。10米长的轴配有10米长的杆，相当于对每个框架产生100平米的推力表面。如想对该面积所能传递的动力有个概念，它相当于舷长16米20公吨排水量的帆船航行所需的动力。

是一种海面漂浮设施。

表述至此我们的意图是改进和解决一些问题，但是为了达到解决所有问题的这一预期目标，需要将这些装置在海上安装。

我们建议模式的主要特征是将所有移动部件固定在两个支撑点上。这样一来，系统可以很好地承受三种力量，即：风力，离心力和惯性力。最后一个力正是与固定设施不同之处。

我们应选择几个地点，具体根据气象资料，在不同的海区，尽可能地距离各区不远，风力条件应尽可能地符合风力发电要求，这样我们才能在任何时候都至少拥有一个地点能满足风力发电的最低要求。

我们选择的每个地点都将安置一个大型固定和稳固的浮标，该浮标锚定在海底。通过海缆将浮标与电网连通。有航行能力的船或平台可通过简易浮标对电网进行连接或断接。这样我们就将船上或平台上的发电机与电网连接。

我们在船和平台甲板上安装风力加速通道(图3)，表述如下：

V.风力入口/风向

1.主风力入口/风向轴。

1’.通过主轴的设想的水平线。

2.可放倒的下部斜板。

2’.下部斜板弓顶。

4.杆旋转圆周。

2”.上部可放倒的斜板。

8.杆。

9’.风出口。

风(V)从正面进入，在里面循环。适当操作可放倒斜板(2和2’)我们可以重新调整内部循环的风向，集中于受风半圆，增加冲击翼板的风速，并让翼板吸收全部风力，然后将风力传输到轴。

风力加速通道具有四侧加长加长的规则多边体形状，相同的一对侧面(相对面)相同，并且内部中空(图3)。外形很象砖头，只是尺寸不同。横贯船舷或平台边安装，根据船的长度增加长度和高度。

两个相对面，位于左舷和右舷，口敞开，让风(V)从内部通过。

我们再把前面描述的风车安装在一个下端处，即如果风从左边吹来则安装在右边。

为了尽可能地利用船或平台的甲板面积，可以并排或重叠安装几个机组，它们自己并不能旋转寻找风口。由固定在浮标上的平台或船旋转寻找风口。

入口风，即翼板正面受风，产生旋转，出口风，产生于同一方向，所以并排或重叠的几个机组不会相互影响，虽然需要将它们分置，如同在陆地上的固定风力发电机组一样。

上述风车的叶片斜面面积是100平米(10米×10米)，长方形，底边10米，高(直径)20米。我们建上述风力通道时将高度再增加2米。风力通道的尺寸是：

-长42米(该面位于左右船舷方向即横穿船长度)，高22米，宽10米。两个面尺寸是22米×10米，作为风力进出口，位于左舷和右舷。

多面体的下面(底面)和反面(顶面)我们固定两个面板或板位于入风口处，并可以通过控制装置移动到另一端，类似与一个可放倒的隔板(2和2’)。该板的正常位置是紧贴底和顶，不干扰风入口。如果需要增强风力速度，我们可以对板进行适当移动，获得漏斗效应，将风流对向翼板表面。上板可移动端最多可移动2米，下板可旋转至90度，可将通道入风口堵上。

用这一办法我们可以增加风力，因为在进、出风口压力差较大。

因此，根据上述建议尺寸，我们可以在特定时候将进口风量(22米×10米)集中于出口面积10米X10米上。

完成上述规模的试验后，我们的结论如下：

-入口风速每秒2米时，出口可达每秒3.2米。

-入口风速每秒4米时，出口可达每秒6.5米。

这意味着对风速可进行调节，可增加60％，这样一来可以：

显著降低机组启动所需风速。

将最低启动风速变成最佳启动风速。

尽管这是其主要用途，风力通道还有其它用途：

-清除风力对邻近或上面风车的干扰。

-便于对每台机组隔离，从而维修一台时不会影响其余机组。

-防止过强风损坏系统，包括雨水和日光。

所建议的系统将风力能源转换成机械能源然后在转换成电能。即使我们能将启动最低速度显著降低，仍需要一个最低的风力能源。完全无风情况下仍然束手无策。这种情况下的唯一解决方案是利用设施的可移动性来变换位置。

如果，最初，我们解决了气候条件的两个问题，A和B，我们知道刮风是不分季节的，在任何季节都可以有刮风，通常两个季节交换时风速最佳，解决方案是根据情况，将A地的船或平台移动到B地，或将B地的移动到A地。只要在这些不同海域预先安装了浮标并且连接装置快捷简单，我们就可以通过移动位置而基本上克服季节性风力产生的问题。

在16节的速度下，即每小时30公里，A海域与B海域相距300公里的话，平台将可在12个小时后继续运行。

Claims (3)

1.  一种可安装于海上的工业风能收集系统，其特征是：具有一个主轴(1)，两端由两个支撑(S)架高，主轴上安装有多个框架，每个框架都包括两个平行杆(8)，杆(8)在其端部处通过横梁或安装杆(5)而连接，在每个框架中，所合成的平行四边形形成了翼板表面，所述翼板表面可分成几个翼板(6)，每个翼板都支撑在一个轴(7)上，轴(7)可以旋转过90度并在其端部固定到主轴和固定杆，翼板轴的旋转在轴每次经过主轴所确定的水平线时产生，即，每一整圈旋转两次，为了分开每个翼板轴的两个支撑点和将每对杆连接在一起的一个支撑杆，横向经过翼板并具有足够间隙的几个轴，几个臂延伸到达该轴或每个翼板，将其紧固，而不妨碍旋转。

2.  根据权利要求1的可安装于海上的工业风能收集系统，其特征是：装入规则多面体通道，具有可放倒斜板(2和2”)。

3.根据权利要求1和2的可安装于海上的工业风能收集系统，其特征是；其能承受三种力：风力、离心力和惯性力，并且专门设计用于安装在海上漂浮移动平台上。

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