CN101813058A

CN101813058A - 一种帆式风轮

Info

Publication number: CN101813058A
Application number: CN200910009347A
Authority: CN
Inventors: 陈谦
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2010-08-25

Abstract

本发明的目的在于提供一种帆式风轮，用于垂直轴阻力型风力机上。这种帆式风轮是由旋臂和软帆组成。安装在旋臂上的软帆是风轮收集风能的主要装置。在软帆处于逆风状态的时候，软帆两侧的帆面自动收缩成为一个与风向平行的平面，因而使迎风阻力大为减少；在软帆处于顺风状态的时候，软帆自动张开成为一个与风向垂直的平面，因而能够收集风能，推动旋臂旋转。由于软帆在逆风的时候收缩和在顺风的时候张开，能够使风轮产生很大的压力差，因而具有很高的能源转换效率。由于软帆可以制作得非常巨大----例如象大型帆船的风帆一样巨大，收集的风能非常可观。这种帆式风轮使垂直轴阻力型风力机能够应用于大型风力发电机组。

Description

一种帆式风轮

技术领域：

本发明是一种帆式风轮，用于垂直轴阻力型风力机上。

技术背景：

目前垂直轴阻力型风力机的风轮主要是萨布纽斯风轮，亦称S型风轮。它是由两个边缘连接的对置的半圆形筒状叶片组成(图1)；是利用这两个叶片在同一风场里产生的压力差驱动风轮转动。

这种风轮的最大的不足之处在于：1)由于两个半圆形筒状叶片在同一风场里受风的截面积相同，由此产生的压力差有限，风能的利用率低；2)受结构限制，半圆形筒状叶片不能制造得非常大，因此不能大面积的收集风能。

由于风能是能量密度非常低的能源，一种风轮能不能大面积的收集风能，并有较高的能源转换效率，决定了这种风轮的适用范围。萨布纽斯风轮的这些不足之处限制了它在大型风力发电机组上的应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种帆式风轮，用于垂直轴阻力型风力机上。

这种帆式风轮是由旋臂和软帆组成。安装在旋臂上的软帆是风轮收集风能的主要装置。在软帆处于逆风状态的时候，软帆两侧的帆面自动收缩成为一个与风向平行的平面，因而使迎风阻力大为减少；在软帆处于顺风状态的时候，软帆自动张开成为一个与风向垂直的平面，因而能够收集风能，推动旋臂旋转。

由于软帆在逆风的时候收缩和在顺风的时候张开，能够使风轮产生很大的压力差，因而具有很高的能源转换效率。由于软帆可以制作得非常巨大----例如象大型帆船的风帆一样巨大，收集的风能非常可观。这种帆式风轮使垂直轴阻力型风力机能够应用于大型风力发电机组。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

帆式风轮由两个或者两个以上的旋臂组成，图2(顶视图，未装软帆)所示的帆式风轮是由三个旋臂组成。

旋臂由一个或者多个矩形的平面的框架组成，图2所示的旋臂由两个矩形的平面的框架组成(图2--A视图)。

在框架的上下横梁之间有一根或者多根凸形立杆，凸形立杆的凸形平面垂直于两根横梁的轴线，图2所示的每个框架里有一根凸形立杆(图2-B-B视图和A视图)。如果在一个框架上设置多根凸形立杆，目的是在同一个框架上安装多面软帆。一般情况下，一根凸形立杆对应一面软帆。“一般情况”是指一根凸形立杆的刚度能够满足支撑一面软帆工作的需求。

软帆(图3)的形状是一个矩形的平面----上下两边的边长小于两侧两边的边长；两侧的边长长于凸形立杆的长度。软帆安装在凸形立杆的凸出方向的外面(图4)，软帆的上下两边分别固定在框架的上下两根横梁上。

如果框架的长度允许并排安装多个软帆，每个软帆的顺风面的后面都必须有一根凸出方向对着软帆的凸形立杆。

当风从软帆的前面吹来----即逆风状态，由于凸形立杆的阻挡和风压的共同作用，软帆的两侧的帆面沿凸形立杆的凸形平面相互靠拢，软帆的迎风面积缩小(图5)。

当风从软帆的后面吹来----即顺风状态，风压使软帆迅速张开，软帆以其全部的最大的面积收集风能(图6)。

图2所示的旋臂由两个矩形的平面的框架组成，两个框架之间有一个大于90度的夹角。设置夹角的目的是使同一旋臂的外侧框架上的软帆早于内测框架上的软帆张开。同一旋臂上的软帆在同一风场里分别先后张开，而不是同时张开，其作用在于避免帆式风轮输出的转速和扭矩出现忽大忽小的情况：软帆张开的时候会使帆式风轮的扭矩和转速骤然增加。

减少同一旋臂的软帆同时张开而使帆式风轮的扭矩和转速骤然增加的其他的技术方案还有：

1)沿帆式风轮的轴线上设置两层或者两层以上的旋臂。上下层的旋臂的位置交错而不在同一个垂直面上。设置两层或者两层以上的旋臂，而不是在同一层里设置众多的旋臂，原因在于避免由于同一层旋臂过多而扰乱风的流场，使各个旋臂上的软帆相互干扰，从而降低了帆式风轮收集风能的能力。

2)增加旋臂的重量，使旋臂能够象飞轮一样的储能。

附图说明：

图1：萨布纽斯风轮的示意图。

图2：帆式风轮的顶视图。为了显示旋臂的位置和形状，没有装上软帆。视图选择了三旋臂结构的帆式风轮。A视图中显示每个旋臂选择了只有两个矩形的平面的框架的结构。B-B视图中显示每个框架选择了只有一个凸形立杆的结构。

图3：软帆的形状。

图4：软帆安装在凸形立杆的突出方向的外面。

图5：当软帆处于逆风状态的时候，软帆收缩的形状。

图6：当软帆处于顺风状态的时候，软帆张开的现状。

图7：凸形立杆的几种形状。

具体实施方式：

旋臂由金属材料制成。由于是长悬臂梁结构，设计旋臂需要有较高的结构静力学的计算能力。旋臂与中心轴之间，旋臂与旋臂之间可以由钢索把整个帆式风轮连接成为一个封闭的整体，以增加帆式风轮的刚度。由于旋臂是金属材质，注意表面的防腐，可以极大的延长使用寿命。

凸形立杆可以由金属材料制作；由于风的作用，在软帆收缩的时候软帆会与凸形立杆之间相互摩擦，为了减少摩擦力以期尽量延长软帆的使用寿命，在凸形立杆的表面应该覆盖有减少摩擦力的材料，例如聚四氟乙烯。

凸形立杆的凸起形状可以是弧形、梯形或者矩形(图7)。形状的选择取决于软帆的大小，对于需要输出大功率的大面积的软帆，由于可能需要软帆随时可以升降，例如风力超出额定功率需求的时候降下一部分软帆，风力减小的时候升起全部的软帆，凸形立杆应该选择弧形。对于需要输出小功率的面积较小的软帆，由于不需要升降软帆，应该选择梯形或者矩形。选择梯形或者矩形的凸形立杆，可以把软帆的中心部位固定于凸形立杆上，从而减小了软帆与凸形立杆的摩擦，延长了软帆的使用寿命，降低了维护成本。

软帆的材料应该选择轻柔、耐摩擦并不透气的材料，如覆盖有耐磨擦并不透气的涂层的尼龙布或者带有类似涂层的帆布。对于可能与凸形立杆发生摩擦的中心部位，还应该增加其他的更厚的耐磨材料，例如皮革。

需要特别强调的是，软帆在帆式风轮上属于“非耐用品”，需要定期更换，例如一年更换一次；视软帆选择的材料和运行环境而定。在计算帆式风轮的维护费用上应该把软帆放在“非耐用品”的范畴里。

垂直轴阻力型风力机属于大扭矩低转速风力机，例如，如果帆式风轮的一个旋臂长40米，旋转圆周就在240米以上，如果风速每秒10米，帆式风轮即使按照风速旋转，每旋转一圈就需要近30秒，因此帆式风轮用于发电即使选择目前已经生产的直驱式风力发电机仍然可能需要再配备用于增加转速的齿轮机。由于使用帆式风轮的发电机和齿轮机都可以安装在地面附近，与水平轴风力发电机组相比，对帆式风机驱动的发电机和齿轮机的重量和结构没有任何苛刻的限制，特别是对于齿轮机来讲，可以选择平行轴型齿轮机，而不必使用行星型齿轮机，因而不仅可以从设计方面而且可以从制造方面减低发电机和齿轮机的成本。

Claims

1.一种帆式风轮，它是由旋臂和软帆组成，其特征是软帆安装在旋臂上。

2.根据权利要求1所述的旋臂，其特征是每个旋臂由一个或者多个矩形的平面的框架组成。

3.根据权利要求2所述的旋臂的框架，在每个框架上有一根或者多根凸形立杆，凸形立杆的两端与框架的上下横梁连接，其特征是凸形立杆的凸形平面垂直于旋臂的上下横梁的轴线。

4.根据权利要求1所述的软帆和权利要求3所述的凸形立杆，其特征是软帆安装在旋臂的凸形立杆的凸出方向的外侧，软帆的中心部位对正凸形立杆。