CN102042174A - 水浮风水轮风帆风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水浮风水轮风帆风力发电机，该风力发电机结合冲压喷气式翼形风帆的设计理念，运用现代流体力学的原理，以环形水槽中的水浮起风水轮运转平台系统，结合磁力定位系统，由巨型风帆大面积高效地捕捉风能带动水浮磁力定位运转平台旋转转换为水能，同时通过水轮发电机组将水能转换为电能；也可直接在轴定位系统方式下实现机电一体的电能转换，由此形成了、“头轻脚重”非常稳定可靠的水浮风水轮风力发电机的物理结构，彻底突破了传统风机在结构设计与工艺制造上的一系列难以解决的技术瓶颈，使风力发电的建造、维护成本得以大幅度降低，使用寿命也呈数倍的提高，更容易安全平稳实现单机百万千瓦级以上的超大功率风力发电。

Description

水浮风水轮风帆风力发电机

技术领域

本发明涉及一种风帆风力发电机，尤其是涉及到构成这种风帆风力发电机的水浮风水轮运转平台系统、磁力定位配合限位轮定限位或轴定位的定位系统、搁浅式柔性制动系统、水轮发电机系统或机电一体发电机系统，以及该技术的多种组合实施技术方案，尤其是在单机超大功率风帆风力发电机的应用。

背景技术

目前世界上广泛应用的风力发电机的主流技术，仍然是运用的水平轴旋翼风车原理，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。为了提高有效发电功率，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：直径的增大，叶尖处的线速和风速比也随之增大，即使是使用高强度的新材料，这样结构的风机也难免长期处于极限工作的状态；从整体结构上看，现有风机巨大的旋转风轮以及大型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，这就给现有风机的设计与制造带来了一系列的难以突破的技术瓶颈，因而传统风力发电机单机容量不能做大已成定局。

半个多世纪传统风机的运用实践证明，传统的风机结构不仅致使风力发电机的建造成本高居不下，也由于其在物理结构上固有的缺陷，在运行过程中难免产生严重的噪音污染以及巨大风机叶片因高速旋转运动而引发三维空间的各种生态危害，其综合社会、经济效益因之大打折扣。

三千年的风能运用史表明，要想在空气密度仅为水密度的1/800的物理条件下大规模的利用风能，唯有“树大招风”才是硬道理、唯有古老的风帆才有可能大面积捕捉风能。但是随着风帆面积的增大，其迎风阻力也随之加大，同时由于其大型结构也带来了很高的材料成本问题，生产工艺、制造性价比等一系列技术设计上的难题都有待于彻底突破。

专利申请号为200710105746.9的磁悬浮钢筋混凝土筑造冲压喷气式翼型风帆风力发电机，虽从风力发电机的结构、材料、制造工艺及综合性价比上创造性的解决了风力发电机尤其是超大功率风力发电机的一系列技术瓶颈问题，但是否还有作为巨大质量的风帆运转平台系统更好的悬浮支撑载体、能否更有效地提高巨大质量的风帆风力发电机在水平圆周运动中的稳定可靠性、能否更进一步降低风力发电机的建造成本以提高其综合性价比，这一系列的问题都还有待于进一步探索、突破。

发明内容

本发明针对传统水平轴旋翼风车结构的风力发电机在结构上的缺陷，也带着磁悬浮钢筋混凝土筑造冲压喷气式翼型风帆风力发电机技术有待改进的问题，从悬浮支撑的载体入手，大胆地综合现代流体力学的设计理念，采用水浮式结构的流体力学的基本原理，更为创造性的提出了一种水浮风水轮风帆风力发电机的发明构想。

本发明水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于其整体结构是由依托于环形水槽基础系统中的水浮起的水浮风水轮运转平台系统，结合磁力定位配合限位轮限位的组合定限位方式或轴定位方式的定位系统、搁浅柔性制动系统、配套的水轮发电机组或机电一体永磁直驱的发电机系统组成。现就上述水浮风水轮风帆风力发电机的五大系统的结构、技术特征、工作原理作详细的说明。

一、水浮风水轮运转平台系统

水浮风水轮运转平台系统是水浮风水轮风帆风力发电机构成能浮起在环形水槽中的水面上，并作水平方向圆周运动的大型浮体结构系统，是本发明的核心系统之一。水浮风水轮运转平台系统有水浮磁力定位风水轮运转平台系统、水浮轴定位风水轮运转平台系统两大具体结构。

对于水浮风水轮运转平台系统，如图6、8、10所示，为了增强水浮风水轮运转平台系统的浮体结构强度，提高水浮体旋转运动的可靠性，防止水浮风水轮运转平台空心浮体的意外破损而进水造成灾难性的后果，可以采用在内部空间仓填充空间填充物(107、108)的结构。空间填充物可以用轻型硬质聚氨酯泡沫填充，也可以用其他廉价、比重小、强度高、吸水率低、抗压性能好的材料填充，还可以不填充任何填充物。

【1】水浮磁力定位风水轮运转平台系统：

如图4、5、6、7所示，水浮磁力定位风水轮运转平台系统的结构特征是，它是由水浮磁力定位运转平台(8)、冲压喷气式翼形风帆(21、22、23、24、25、26、27、28)、水轮叶片(10)、射流管道(9)构成。

①水浮磁力定位运转平台：水浮磁力定位运转平台(8)是构成水浮磁力定位风水轮运转平台系统的基础结构，是承载冲压喷气式翼形风帆的平台，也是实现风力发电机的风电能转换的重要载体。其结构特征是，在水浮磁力定位运转平台(8)之上均匀设置的一系列冲压喷气式翼形风帆，在其外环圆周边设置有一系列均匀分布的水轮叶片(10)，并在水轮叶片(10)的后面设置有一系列贯穿水浮磁力定位运转平台(8)的射流管道(9)。水轮叶片的作用是：当水浮磁力定位运转平台(8)在风能的作用下旋转运行时，水浮磁力定位运转平台(8)上的水轮叶片(10)带动环形水槽中的水与水浮磁力定位运转平台(8)作同步同向旋转运动，将风能转换为水能。射流管道作用是：平衡环形水槽内外环的水流，同时也可以消除水浮磁力定位风水轮运转平台因旋转运动而在水轮叶片后部产生的回漩涡流阻力。

②冲压喷气式翼形风帆：在本发明水浮风水轮风帆风力发电机中所选用的风帆，仍采用本发明人发明的、在磁悬浮钢筋混凝土筑造冲压喷气式翼形风帆风力发电机中采用的冲压喷气式翼形风帆的结构。为清晰、系统的阐明水浮风水轮风帆风力发电机的风电能转换原理，现对冲压喷气式翼形风帆的结构、工作原理说明如下：

如图1、2、3所示，冲压喷气式翼形风帆的结构是由风帆头部进气道组(1)、风帆侧面气道阵列组(2)、风帆头部(3)、风帆尾部(4)组成。而风帆侧面气道阵列组(2)是由分别分布于风帆的两侧翼面的风帆A面多极气道口(5)、风帆B面多极气道口(6)组成。

如图3所示，冲压喷气式翼形风帆捕捉风能的基本原理是：当风的气流从风帆A面冲压风帆时，在风帆A面形成高压区，而对应的风帆B面则形成低压区，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，一部分经由风帆翼面导向而分流，另一部分则直接进入风帆A面多极气道口(5)，此时，呈低气压区的风帆B面多极气道口(6)就会吸引风帆A面多极气道口(5)的一部分高压区的气流，并同时虹吸风帆头部进气道口(7)的气流一起经风帆B面多级气道口喷出，从而推动浮起于环形水槽中的水浮风水轮运转平台上的冲压喷气式翼形风帆向风帆头部(3)的方向旋转运行。同理，当风的气流从风帆B面冲压风帆时，风帆A面同样也会吸引风帆B面多极气道口(6)的一部分高压区的气流，并同时虹吸风帆头部进气道口(7)的气流一起经风帆A面多级气道口喷出，从而推动冲压喷气式翼形风帆向风帆头部(3)的方向前行。可见，风无论是从风帆A面还是从风帆B面冲压风帆，都会同时虹吸风帆头部进气道口(7)的气流经呈风帆低压区的风帆面多极道口喷出，增强了整个风帆向风帆头部方向运动的合力，也降低了风帆面的迎风阻力。同时冲压喷气式翼形风帆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。显然，这样的结构设计大大提高了风帆的捕风能力。本发明水浮风水轮风帆风力发电机也是依靠水浮风水轮运转平台上的一系列冲压喷气式翼形风帆，组成大面积的受风群体，使风力发电机的实际捕风面积呈积数的增大，实现对风能的高效率的捕捉。

同时，在水浮风水轮风帆风力发电机水平旋转运动的方向设计上，还巧妙的应用地球自转而产生的“科里奥利力”效应的原理，水浮风水轮风帆风力发电机在北半球运用时，设计为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，使水浮风水轮风帆风力发电机在自然风力的作用下，形成如图11中沿逆时针旋转方向(101)旋转运行；反之，在南半球应用时，则设计为沿顺时针方向将风帆头部(3)设置在前，风帆尾部(4)设置在后，使水浮风水轮风帆风力发电机在自然风力的作用下，形成沿顺时针方向旋转。这样就可使水浮风水轮风帆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(即进动力)的影响尤如顺水推舟，其水平旋转运动效率得以进一步提高，真正的实现超低风速启动和高效率运行。图14、15中的地球逆时针旋转方向(102)、运动平台逆时针旋转方向(103)、北半球台风逆时针旋转(104)形象的揭示了“科里奥利力”效应理论。

当然，在水浮风水轮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。

【2】水浮轴定位风水轮运转平台系统

水浮轴定位风水轮运转平台系统是由图8、9中的水浮轴定位运转平台(64)、冲压喷气式翼形风帆(21、22、23、24、25、26、27、28)、发电机专用永磁轨道(55)、定位轴连杆(65)、定位轴(66)、定位轴防护盖(67)、定位轴轴承(68)组成。

①水浮轴定位运转平台：水浮轴定位运转平台(64)是构成水浮轴定位运转平台系统的基础结构系统，也是其实现机电一体永磁直驱的风电能转换的重要载体。其结构特征是，在水浮轴定位运转平台系统中不需要再设置如水浮磁力定位运转平台(8)上的水轮叶片和射流管道，而是直接在水浮轴定位运转平台(64)上设置定位轴连杆(65)、定位轴(66)、定位轴防护盖(67)、定位轴轴承(68)，以对水浮轴定位运转平台(64)进行高精度机械定位，以实现水浮轴定位风水轮风帆风力发电机的平稳运行。为实现机电一体永磁直驱发电，并在水浮轴定位运转平台(64)的内环边或外环边安装有发电机专用永磁轨道(55)。

②冲压喷气式翼形风帆：在水浮轴定位运转平台系统的设计中，均匀分布于水浮轴定位运转平台(64)上的冲压喷气式翼形风帆的结构及其原理在水浮磁力定位风水轮运转平台系统中已作祥述，此处不再阐述。

③机电一体永磁直驱发电结构：如图9所示，在水浮轴定位运转平台(64)的内环边安装发电机专用永磁轨道(55)，以与在环形水槽的内环挡水墙(29)上安装的发电机定子线圈绕组(56、57、58、59、60、61、62、63)组合成完成机电一体永磁直驱发电的发电机结构。上述的发电机专用永磁轨道与固定在内环挡水墙上的发电机定子线圈绕组也可分别对应设置在水浮轴定位运转平台的外环边上和环形水槽的外环挡水墙上。

二、环形水槽基础结构系统

水浮风水轮风帆风力发电机的环形水槽基础结构系统是水浮风水轮风帆风力发电机的水浮风水轮运转平台系统得以浮起旋转运行的基础结构，图6、8所示的环形水槽，是由内环挡水墙(29)、外环挡水墙(30、40)、环形水槽底部(39、98)、环形水槽外环封顶盖(49)构成。

环形水槽基础结构系统的结构特征还有：在如图6、8所示的环形水槽的内环挡水墙(29)上设有一系列均匀分布的环形水槽溢水管道(50)、手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)。环形水槽溢水管道(50)的功能在于限制环形水槽出现过高的工作水位。因为过高的工作水位将影响水浮磁力定位运转平台的定限位系统、水浮轴定位运转平台的轴定位系统的定位以及发电机系统的正常工作。手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)是配合对环形水槽补充工作水和对水浮风水轮运转平台实施搁浅制动的装置。环形水槽溢水管道(50)、手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)也可以设置在环形水槽的外环挡水墙(30、40)上。

在环形水槽中灌注有足以保证水浮风水轮运转平台得以浮起的正常工作水位范围的水，环形水槽中的水可以是普通水，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。图6、8中的(43、44)表示水浮风水轮风帆风力发电机在静止状态下，环形水槽内的工作水位线；而当水浮风水轮运转平台在环形水槽中处于旋转运动状态时，因水浮风水轮运转平台的旋转离心力的作用，环形水槽内的水平面会出现如图6中的内径低外径高的水位线变化(45、46)。

三、水浮风水轮运转平台的定位系统

为提高水浮风水轮风帆风力发电机平稳运行的可靠性，对于浮起在环形水槽中的水浮风水轮运转平台的旋转运动必须进行有效的定限位。针对上述的水浮磁力定位风水轮定位运转平台系统和水浮轴定位风水轮运转平台系统两种结构，分别采用磁力定位配合限位轮限位的定限位方式与轴定位的定位方式。采用这样的定限位模式，还能有效的直接降低水浮风水轮运转平台系统的运行阻力、大幅度地降低水浮风水轮风帆风力发电机的建造成本。

【1】磁力定位配合限位轮限位的定限位方式

对水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机实施磁力定位配合限位轮限位的定限位方式，有许多方案可以选择。现通过以下4种具体的定限位方案对水浮磁力定位风水轮运转平台系统进行磁力定位配合限位轮限位的基本原理加以说明。在具体运用时，以什么样方式对水浮磁力定位风帆风力发电机实施有效的定限位，以有效的保证风力发电机运行的平稳可靠，则需要根据水浮磁力定位运转平台直径大小、冲压喷气式翼形风帆的大小与数量、水浮磁力定位风帆风力发电机功率的大小、水浮磁力定位风帆风力发电机建造材料等参数综合考虑、灵活设计。

以下所述的正常工作风力是指：自然风作用于冲压喷气式翼形风帆带动水浮风水轮运转平台系统旋转运动时同时所产生的水平位移力，小于磁力定位的牵引力时的风力。

①永磁斥力定位配合限位轮限位的定限位方式：如图6、7所示，永磁斥力定位配合限位轮限位的定限位方式的设计结构是由：安装于环形水槽内环挡水墙(29)上的定子永磁斥力定位轨道(37、53)与安装于水浮磁力定位运转平台(8)靠内环挡水墙(29)一侧的转子永磁斥力定位轨道(38、54)，再配合安装于内环挡水墙(29)上的系列上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)以及安装于环形水槽外环封顶盖(49)底侧的顶部限位轮(72、73)的定、限位结构组合而成。安装于定子永磁斥力定位轨道(37、53)、转子永磁斥力定位轨道(38、54)中的是对应磁极相同的永磁材料。其定限位工作原理是：如图7所示，当正常的工作风力从东方向作用于冲压喷气式翼型风帆时，冲压喷气式翼型风帆捕风带动漂浮在环形水槽中的水浮磁力定位运转平台(8)旋转运行，水浮磁力定位运转平台(8)因东风风力的作用，在水平旋转的同时也将向西方水平漂移，在定子永磁斥力定位轨道(37)和转子永磁斥力定位轨道(38)的柔性永磁斥力的作用下，水浮磁力定位运转平台(8)被定位在环形水槽中的相对位置旋转运行，此时，上限位轮(31)、下限位轮(41)处于悬空闲置状态。当东向的工作风力大于永磁斥力定位承受能力时，在环形水槽中旋转运行的水浮磁力定位运转平台(8)就挣脱永磁斥力的作用而继续向西漂移，并在永磁斥力定位轨道的磁斥力柔性钳制下，安全“软着陆”于西边的上限位轮(31)、下限位轮(41)上，并带动上限位轮(31)、下限位轮(41)随水浮磁力定位运转平台(8)同步同向旋转，使水浮磁力定位运转平台(8)被限位于环形水槽中的中心正常位置旋转运动，从而实现对水浮磁力定位运转平台(8)的水平漂移在一定范围内的硬性限位；当风回到正常工作风速时，在永磁斥力定位轨道的磁斥力柔性钳制下，运行旋转中的水浮磁力定位运转平台(8)又会漂回到环形水槽的中间位置上继续保持无阻力的正常旋转运行，此时，上限位轮(31)、下限位轮(41)又恢复到悬空闲置状态。来自其他方向的风力作用于水浮磁力定位运转平台系统时，其定限位工作原理与上述的东风向的工作原理相同。

对高、宽比小的中小型水浮磁力定位运转平台系统结构而言，因其重心相对较高，水平稳定性较差，还可以在环形水槽外环封顶盖(49)的下侧位置上安装系列顶部限位轮(72、73)，以对水浮磁力定位运转平台(8)在一定范围内的水平倾斜进行限位。

在上限位轮(31、33)的下方相对位置上安装下限位轮(41、42)甚至是多系列限位轮，是为增大限位范围，增强水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机克服各种恶劣的气候环境的能力，以使水浮风水轮风帆风力发电机更安全、可靠、平稳运行。同时，安装下限位轮(41、42)，也是为了在对水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机采取制动措施时，仍然能对水浮磁力定位运转平台系统进行有效限位。因制动时，排水而使环形水槽中的水位下降，水浮磁力定位运转平台(8)在环形水槽中的垂直位置也随之下降，上限位轮(31、33)对水浮磁力定位运转平台(8)失去限位功能，就需要在上限位轮(31、33)下方的相对位置上安装系列下限位轮(41、42)进行有效限位。根据水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的设计方式，限位轮可以设置在环形水槽的内外环挡水墙、环形水槽顶部封顶盖下侧、水浮磁力定位运转平台(8)的内外圆周边。

由于磁力定位是一种较为柔性的定位方式，对水浮磁力定位运转平台的定位精度不是很高，设置限位轮对水浮磁力定位运转平台(8)在环形水槽中的相对水平漂移或水平倾斜进行一定范围的硬性机械限制很有必要。在环形水槽的上、下、顶部位置或在水浮磁力定位运转平台上分系列设置限位轮，每系列可以由3个或3个以上的限位轮组成，限位轮的具体安装位置也可以根据上述原理和实际需要合理设置。

②永磁吸力定位配合限位轮限位的定限位方式：如图10所示，永磁吸力定位配合限位轮限位的定限位方式是分别在水浮磁力定位运转平台(8)的上方与对应的环形水槽内环封顶盖(92)的下侧分别设置永磁吸力轨道(70、71、77、78)，再配合上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)、顶部限位轮(72、73)进行永磁吸力定位配合限位轮限位。顶部限位轮(72、73)与永磁吸力轨道在环形水槽顶部封顶盖的左右位置也可以根据实际需要作相应的调整。安装于永磁吸力轨道的是对应磁极相反的永磁材料。其工作原理是：当正常工作风力从某一个方向作用于冲压喷气式翼型风帆带动水浮磁力定位运转平台(8)开始旋转运行的同时，水浮磁力定位运转平台(8)也有一个水平位移的的过程，依靠永磁吸力轨道(70、71、77、78)的磁吸力作用，将旋转中水平位移的水浮磁力定位运转平台(8)拉回到环形水槽的中心正常位置。此时，上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)处于悬空闲置状态。当工作风力大于永磁吸力定位轨道的承受能力时，水浮磁力定位运转平台(8)就会挣脱永磁吸力的定位力继续水平位移而“软着陆”在对应的上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)上并带动限位轮同步同向旋转，使水浮磁力定位运转平台(8)被硬性限位于环形水槽的正常工作范围内的相对正常位置运行。当风回到正常风速时，又因永磁吸力定位轨道(70、71、77、78)的磁吸力的柔性钳制作用，旋转运动中的水浮磁力定位运转平台(8)又被拉回到环形水槽的中间正常位置上继续旋转运行。此时上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)又处于悬空静止状态。

对中小型水浮磁力定位运转平台系统结构的重心相对较高、水平稳定性较差的水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机，也可以在环形水槽外环封顶盖(91)底侧位置安装系列顶部限位轮(72、73)，以对水浮磁力定位运转平台(8)在一定范围内的水平倾斜的进行限位。

③永磁吸力、斥力组合定位配合限位轮限位的组合定限位方式：根据上述永磁吸力和永磁斥力的定位原理，还可以对水浮磁力定位运转平台同时采用设置永磁吸力定位轨道与永磁斥力定位轨道再配合限位轮限位的双重定限位模式，形成组合式永磁磁力定位配合限位轮限位的定限位方式对水浮磁力定位运转平台系统实施定限位。

④电磁吸力补偿定位方式：如图6、7所示，电磁吸力补偿定位方式的基本结构是由：安装于环形水槽外环封顶盖(49)下侧的电磁吸力补偿定位线圈轨道(96、97)与对应安装于水浮磁力定位运转平台(8)上的专用补偿定位钢轨道(94、95)再配合电子控制器组成，以对水浮磁力定位运转平台(8)的水平倾斜进行分区段、实时的电磁吸力补偿定位。其工作原理是：在正常工作风速下，水浮磁力定位运转平台(8)平稳运行旋转时，电子控制器未识别到水浮磁力定位运转平台(8)倾斜的信号，电磁吸力补偿定位自动处于闲置状态。这时仅依靠磁力定位系统维持正常风速下的定位工作。当东向风力的作用力大于磁力定位的承受力时，水浮磁力定位运转平台(8)呈加速旋转状态，此时水浮磁力定位运转平台(8)不但会向西水平方向移位，同时还可能出现一定范围的水平倾斜，此时电子传感器旋即发出水浮磁力定位运转平台(8)某区段向下倾斜的信号，电子控制器随即控制该区段电磁吸力补偿定位线圈轨道(96、97)产生对应的电磁吸力补偿定位力，吸引专用补偿定位钢轨道(94、95)的强电磁吸力，使水浮磁力定位运转平台(8)恢复到正常水平位置，从而完成对水浮磁力定位运转平台(8)的水平倾斜的平衡补偿定位工作。这里特别需要强调的是，对水浮磁力定位运转平台系统分区段的电磁吸力补偿定位，主要是针对中小型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机设计的，对于大中型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机而言，由于风帆的高度与水浮磁力定位运转平台(8)的直径之比很大、重心很低、水平稳定性就非常高，就可以不再设置电磁吸力补偿定位装置。

【2】轴定位方式

轴定位方式是一种对水浮风水轮风帆风力发电机定位精度很高的机械硬性定位方式，适用于中小型水浮轴定位风水轮风力发电机。采用这种定位方式同时也有效的降低了水浮风水轮风帆风力发电机的制造成本。

如图8、9所示，轴定位方式是由直接在水浮轴定位运转平台(64)上的定位轴连杆(65)、定位轴(66)、定位轴防护盖(67)、定位轴轴承(68)组成的轴定位系统，在轴定位系统的高精度硬性机械定位作用下，水浮轴定位风水轮运转平台系统的旋转运动。水浮轴定位运转平台(64)在环形水槽中，如遇水位变化时，轴定位系统也会随水浮轴定位运转平台(64)在轴套系统上下移动行程(69)的正常范围内上下移动。

四、水浮风水轮风帆风力发电机的搁浅柔性制动系统

水浮风水轮风帆风力发电机的搁浅柔性制动系统，是由图6、8、10中安装于内环挡水墙(29)或水面漂浮式环形水槽(74)的内环边上的一系列手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)和大面积的铺垫在环形水槽底部(39、98)的搁浅制动专用沙石料(47、48)组成。上述的手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)也可以安装在外环挡水墙(30)或水面漂浮式环形水槽(74)的外环边上。其工作原理是：当需要对水浮风水轮运转平台实施制动时，打开手动电动进出水阀门(51)和进出水双向电动水泵(52)，排出环形水槽内的水，使水浮风水轮运转平台逐渐失去浮力，平稳地搁浅在环形水槽底部大面积的搁浅制动专用沙石料(47，48)上而停止运转。通过适度的调节、控制环形水槽中的水的排水速度，可自如的对水浮风水轮运转平台系统的搁浅制动速度加以控制，从而使巨大质量的水浮风水轮运转平台系统的制动更加安全可靠。

在制动过程中，因水浮风水轮运转平台系统是缓慢的接触到大面积松软的搁浅制动专用沙石料(47，48)上，在搁浅制动的同时会产生很大的柔性摩擦阻力，从而完成对水浮风水轮运转平台系统有效、平稳的搁浅柔性制动，也就彻底避免了巨大质量的水浮风水轮运转平台如使用硬性制动方式对水浮风水轮运转平台底部结构造成的损伤。反之，打开手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)，向环形水槽内灌注水至环形水槽溢水管道(50)处的正常工作水位线时，水浮风水轮运转平台则由搁浅状态再次缓慢浮起，在风力的作用下启动、旋转运动。

五、配套的发电机系统

针对上述水浮风水轮风帆风力发电机的水浮磁力定位运转平台系统与水浮轴定位运转平台系统两大结构，配套设置的发电机系统相应的为：配套的水轮发电机系统和配套机电一体永磁直驱发电系统。

【1】配套的水轮发电机系统

配套的水轮发电机发电系统，是水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机实现风能转换为电能的能量转换系统。如图4、5所示，配套水轮发电机系统是由发电机组(11、12、13、14)、水轮机组导流管(15、16、17、18)和系列水轮机叶片(35)组成。配套水轮发电机系统实现风、水、电能能量转换原理是，如图4、5所示，在水浮磁力定运转平台(8)上均匀分布的冲压喷气式翼形风帆捕捉风能，使水浮磁力定位运转平台系统在环形水槽中随风旋转运行，同时，在水浮磁力定位运转平台(8)的外环圆周边上设置的一系列均匀分布的水轮叶片(10)，推动环形水槽中的水作水平方向的同向同步旋转运动，将风能转换为水能；旋转动中的水流向水轮机组导流管(15)，并冲击水轮机叶片(35)旋转，经水轮发电机组(14)将水能转换为电能，最终实现水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机将风能转换为水能，同时将水能转换为电能的低损耗高效能的能量转换。水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的配套水轮发电机组的数量，则是由水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机输出功率的大小而定。

【2】配套机电一体的发电机系统

配套机电一体永磁直驱发电机系统，是水浮轴定位风水轮风帆风力发电机实现风电能转换的能量转换系统。如图9所示，配套机电一体永磁直驱发电系统的结构是：在水浮轴定位运转平台(64)的内环边上设置有发电机专用永磁轨道(55)，并在对应的环形水槽的内环挡水墙(29)上设置发电机定子线圈绕组(56、57、58、59、60、61、62、63)。当然，也可以将上述的发电机专用永磁轨道(55)和对应的发电机定子线圈绕组(56、57、58、59、60、61、62、63)分别设置在水浮轴定位运转平台(64)的外环边上和环形水槽的外环挡水墙(30)上，构成与其相对应的机电一体永磁直驱发电方式。其机电一体永磁直驱发电的原理是：当风作用于冲压喷气式翼形风帆捕风而使水浮轴定位运转平台(64)在水槽中随风旋转，固定在水浮轴定位运转平台(64)上的发电机专用永磁轨道(55)在同步运动中产生运动磁力线，由固定在内环挡水墙(29)上的发电机定子线圈绕组(56，57，58，59，60，61，62，63)切割发电机专用永磁轨道(55)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。

关于水浮风水轮风帆风力发电机的建造材料问题

水浮风水轮风帆风力发电机的整体结构，尤其是环形水槽基础结构、水浮风水轮运转平台、冲压喷气式翼形风帆三大巨大质量的主体结构选用什么材料来建造，是本发明水浮风水轮风帆风力发电机最终能否取得商业广泛应用的关键所在。显然，如此巨大的结构系统如使用价格昂贵的材料建造，其高昂的建造成本就使本风力发电机失去了商业运用价值。

基于本发明水浮风水轮风帆风力发电机在物理结构上“头轻脚重”的特有优势，同时又利用了简单易行的巨大水浮力，可以非常容易的在主体结构上直接采用经久耐用、廉价、笨重的钢筋混凝土筑造。这样不但有利于提高水浮风水轮风帆风力发电机的使用寿命，也直接降低了建造成本，更重要的是，采用钢筋混凝土这样具有很高质量比重的材料，使水浮风水轮风帆风力发电机的水浮风水轮运转平台系统在其运行中能存储巨大的旋转运动惯性，从而使其发电运行、能量转换更加恒稳可靠。当然，对于水浮风水轮风力发电机，尤其是中小型水浮风水轮风力发电机，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。

水浮风水轮风帆风力发电机的显著特有优势

综上所述，由水浮风水轮风帆风力发电机的上述系统结构特征所决定，水浮风水轮风帆风力发电机具有以下显著优势：

【1】实现单机超大功率风力发电

水浮风水轮风帆风力发电机由于其主体结构都是建造在地面上，形成“头轻脚重”的整体结构，又依托简单易行的巨大水浮力，就能以笨重的钢筋混凝土建造。其结构、成本优势使该结构的水浮风水轮风帆风力发电机很容易一步实现百万千瓦级超大功率单机发电，并可形成以超大功率风力发电为主的特大型多功能综合风电场经济区。同时巨大的环形水槽配合水浮风水轮运转平台系统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、交通、观光生态农业和旅游中心。

【2】实现单机低成本风力发电

本发明水浮风水轮风帆风力发电机可以以更低的建造材料成本、安装工艺成本、使用维护成本实现单机低成本风力发电：

①悬浮载体的材料成本、工艺成本的大幅度降低。水轮风帆风力发电机运用了现代流体力学的水浮理念，安装工艺也大为简化，悬浮体的材料成本和风机的安装成本大为降低。

②主体结构材料成本的大幅度降低。由于本发明在物理结构上“头轻脚重”的结构优势，在环形水槽基础结构、水浮风水轮运转平台、冲压喷气式翼形风帆等主体结构的建造材料上可以采用笨重、廉价、经久耐用的钢筋混凝土筑造，极大的降低了水浮风水轮风帆风力发电机的建造材料成本。

③使用维护成本、折旧成本的大幅度降低。由于采用钢筋混凝土这样的经久耐用的建造材料，从主体结构上保证了水浮风水轮风帆风力发电机能实现百年使用寿命，使其折旧成本大幅度降低；同时也由于结构上的优势，几乎没有什么复杂的机械构造，运行维护简单，就决定了该风力发电机能以很低的运行维护成本，完全实现低成本运行。

【3】实现风力发电机的超低风速启动及稳定可靠运行

①由于采用了冲压喷气式翼形风帆的风帆结构，这样的风帆结构具有很强大的捕风能力，是实现超低风速启动的动力基础。

②由于水浮风水轮运转平台呈环形闭合状地浮起在环形水槽之中，不存在船舶的船首、船尾在前进过程中引起的兴波阻力和回漩涡流阻力，从结构上保证了巨大质量的水浮风水轮运转平台浮起在环形水槽中的水面上得以以超低风速启动，并作相对无阻力的旋转运动。

③本发明有于采用了对水浮风水轮运转平台系统的无机械接触的磁力定位系统或轴定位定位技术，水浮风水轮平台系统在环形水槽中的水面上能作相对无阻力的漂浮旋转运动，得以实现超低风速启动；运行中的水浮风水轮风帆风力发电机，也由于磁力定位技术或稳定可靠的轴定位技术的设计，更能在各种恶劣气候环境下实现稳定、可靠运行。

④在水浮风水轮风帆风力发电机水平旋转运动的方向设计上，巧妙的运用了地球自转的“科里奥利力”原理，从而使水浮风水轮风帆风力发电机的水平旋转运动顺应地球自转的进动力影响尤如顺水推舟，风机的水平旋转运动效率得以进一步的提高，保证了能真正的实现超低风速启动、高效旋转运动。

⑤在自然风力的作用下巨大的冲压喷气式翼形风帆受风群体带动超大质量的环形水浮风水轮运转平台一旦启动运行，巨大质量、体积的水浮风水轮运转平台，具备超强的运动惯性动力储能陀螺效应，能使水浮风水轮风帆风力发电机在运行中遭遇风力渐小的低风速情况也不致骤停，保障了水浮风水轮风帆风力发电机的恒稳运行。

【4】实现水浮风水轮风帆风力发电机的环保运行

由于水浮风水轮风帆风力发电机的巨大体积质量所决定，无论是在正常风速还是在灾害性的飓风环境下，都能以匀速圆周运动的态势作相对低速、恒速旋转运动，不会产生运行噪音污染；也由于其结构特征所决定，其所有主体结构都建造于地面，其匀速圆周运动不会在风电场的上空产生三维立体空间运动污染，真正安全稳定可靠的做到水浮风水轮风帆风力发电机的环保运行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1.冲压喷气式翼形风帆平面图

图2.是图1的立体截面图

图3.风帆射流气道结构平面图

图4.水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机结构立体图

图5.是图4的结构原理平面图

图6.是图4的截面图

图7.水浮磁力定位风水轮运转平台部分平面图

图8.水浮轴定位风水轮风帆风力发电机截面图

图9.水浮轴定位风水轮风帆风力发电机机电一体的部分平面图

图10.水面漂浮式水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机截面图

图11.百万千瓦级超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机运用图例

图12.是图11的水浮运转平台截面尺寸图

图13.是图11的风帆尺寸图

图14.北半球台风逆时针旋转的卫星云图

图15.地球自转运动的相关说明图

具体实施方式

现以以下四种典型实施方式，举例说明水浮风水轮风帆风力发电机的具体应用：

一、水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的应用

水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机是水浮风水轮风力发电机的最基本的实施模式，其具体的结构特点在发明内容中关于水浮磁力定位运转平台系统及其相关内容中已作详尽阐述，现按图4、5、6、7所示的中小型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的结构，就其运行发电原理作详尽介绍。安装于北半球的水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机，其风、水、电能的能量转换运行发电的过程是：打开环形水槽的内环内挡水墙(29)上的手动电动进出水阀门(51)和进出水双向电动水泵(52)，向环形水槽内灌注达到环形水槽溢水管道(50)处的正常工作水位线范围的水，环形水槽中的水浮磁力定位运转平台系统缓慢浮起在环形水槽水面，此时，环形水槽中的水处于静止状态下的水槽水位(43、44)。在风的作用下，均匀分布于水浮磁力定位运转平台(8)上的冲压喷气式翼形风帆捕风而带动水浮磁力定位运转平台系统沿逆时针方向旋转。此时，环形水槽中的水处于运动状态下水槽水位(45、46)，有外环高、内环低的水位变化。同时，在水浮磁力定位运转平台(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磁力定位运转平台(8)沿逆时针方向作同步同向旋转运动，冲向设置在环形水槽边沿的水轮机组导流管(15)，冲动水轮机叶片(35)旋转，从而同步带动发电机组(11)发电，完成水浮磁力定位风帆风力发电机将风能转换为水能，再将水能转换为电能的发电过程。当水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机需要制动时，则打开手动电动进出水阀门(51)和进出水双向电动水泵(52)，排放环形水槽中的水，从而使水浮磁力定位运转平台(8)因失去浮力而缓慢地搁浅于制动专用沙石料上，实现对水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的柔性搁浅制动。

在本实施方案中，对于水浮磁力定位运转平台的定限位方式是采取设置定子永磁斥力定位轨道(37)、转子永磁斥力定位轨道(38)与专用补偿定位钢轨道(94、65)、电磁吸力补偿定位线圈轨道(96、97)再配合上限位轮(31、32、33、34)、下限位轮(41、42)、顶部限位轮(72、73)，实现对水浮磁力定位运转平台系统旋转运行时的水平位移、水平倾斜的定、限位。具体的定位轨道、限位轮的种类、设置位置与数量，可以根据需要合理设计。这种强化组合式定限位的方式，是专门针对风帆高度与水浮运转平台直径的比值较小，重心较高，从而运行的平稳性较差的中小型磁力定位水浮风水轮风帆风力发电机而设计的。

本实施配套的水轮发电机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，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系统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系统，特别适合于配套本实施方案中电能的转换。

二、水浮轴定位风水轮风帆风力发电机的应用

水浮轴定位风帆风力发电机是上述的水浮磁力定位风帆风力发电机基础上的变异，是一种水浮风水轮风帆风力发电机的机电一体化直驱发电的实施模式。这种实施模式运用于中小型水浮风水轮风帆风力发电机，具有很高的运行稳定性，也特别有利于进一步降低风力发电机的建造成本。图8是水浮轴定位风水轮风帆风力发电机系统截面图，图9是水浮轴定位风水轮风帆风力发电机机电一体的部分平面图。其发电原理是：固定在水浮轴定位运转平台(64)上的发电机专用永磁轨道(55)在随水浮轴定位运转平台(64)同步运动中产生运动磁力线，由固定在内环挡水墙(29)上的发电机定子线圈绕组(56，57，58，59，60，61，62，63)切割发电机专用永磁轨道(55)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。

本水浮轴定位风帆风力发电机制动系统的结构和工作原理，与上述的水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机中的搁浅柔性制动系统应用实施方式相同，在此不再细述。

在本实施方式中，直接采用精度较高的水浮轴定位的结构，特别有利于在水浮轴定位风水轮风帆风力发电机上直接安装配套机电一体的直驱发电系统，省去了风能转换为水能的中间转换过程，水浮风帆风力发电的电能转换效率得以大幅度提高，制造成本也因之大大降低。

虽然轴定位方式的水浮风水轮风帆风力发电机有着上述一系列的优点，但是，这种结构的水浮轴定位风水轮风帆风力发电机不宜作大。因为，随着水浮轴定位运转平台(64)直径的增大，其定位轴连杆(65)的半径跨度也随之增长，这就给定位轴(66)及定位轴连杆(65)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更高的要求，也反而造致建造成本增大。所以本实施方案最适合应用于中小型水浮风水轮风帆风力发电机。

三、水上运用的水浮风水轮风帆风力发电机

本发明水浮风水轮风帆风力发电机不仅可以建造在陆地、地上建筑物的顶部，还可以广泛应用于江河、湖泊、海洋的水面上，这种运用模式有水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机和水上固定式水浮风水轮风帆风力发电机两种类型。

【1】水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机

图10是水面漂浮式水浮磁力定位风帆风力发电机截面图。其区别于陆上应用的水浮风水轮风帆风力发电机的显著特征是：环形水槽不再是固定在陆地、建筑物顶部，而采用漂浮在水面(76)上的水面漂浮式环形水槽(74)，为了使水面漂浮式环形水槽(74)在水面上能在正常的范围内漂浮，需要设置三个以上的水下固定锚(75)加以牵制。本方案中的水下固定锚(75)，也可以采用活动锚结构。

由于漂浮式环形水槽(74)是漂浮在江河、湖泊、海洋的水面上，水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机在旋转运动中，漂浮式环形水槽(74)同时会受到水面风浪的影响而上下左右颠簸，水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机的水平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(74)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(74)的颠簸力就会被抵消。所以，本实施方案只适合于大中型或超大型的水上漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机的应用。在实验模型中我们也发现：水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机在大风浪中旋转运动的同时，带动水面漂浮式环形水槽(74)中的水同步旋转，巨大质量的水浮风水轮运转平台系统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水轮风帆风力发电机抗强风浪颠簸的能力。

本实施方案为进一步提高水上漂浮式水浮磁力定位风水轮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。图10中的永磁吸力定位轨道(70、71、77、78)，是保证在正常工作风速下的水浮磁力定位运转平台糸统的永磁吸力定位。而专用补偿定位钢轨道(94、95)和相对应的电磁吸力补偿定位线圈轨道(96、97)，是利用水面漂浮式水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机在非正常的强风条件下所转换的多余电力，直接提供给上述对应的电磁线圈产生强电磁吸力，在电子电路自动控制下，对水浮磁力定位运转平台系统的各方向上的水平倾斜进行分区段的强电磁吸力补偿定位。为应对非正常大风、浪的恶劣气候，也可以不在环形水槽外环顶部封顶盖(49)的下侧设置顶部限位轮(72、73)，而直接在该位置与对应的水浮磁力定位运转平台上，也安装两条相对应的强电磁吸力轨道，利用本风力发电机在非正常强风时所转换的多余电力，直接提供给电磁线圈而产生强电磁吸力，在电子电路的自动控制下，对水浮磁力定位运转平台的各个方向的水平倾斜分时段、分区间进行强电磁吸力直接定位。在本方案中设置的上限位轮(31、33)、下限位轮(41、42)、顶部限位轮(73、73)配合磁力定位的基本原理同前述的水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的限位原理是一样的，在此不再祥述。

在本方案中，水面漂浮式环形水槽(74)、水浮磁力定位运转平台的内空间仓都采用空间填充物(107、108)。

【2】水上固定式水浮风水轮风帆风力发电机

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水轮风帆风力发电机。其主体结构可以是水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的结构，也可以是水浮轴定位风水轮风帆风力发电机的结构。其结构设计、发电运行原理同上述水浮风水轮风帆风力发电机一样。

四、超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的运用

由于水浮风水轮风帆风力发电机“头轻脚重”的特殊物理结构优势，在技术设计、工艺制造上彻底消除了现今风力发电机单机容量不能做大的瓶颈限制，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水轮风力发电机更低。尽管超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的实施所涉及技术非常复杂，但其基本结构、发电原理与前述中小型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机基本相同，现就超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机所涉及的相关重要技术内容和在具体实施中将会遇到的相关问题作简要说明：

【1】本实施方案的主要结构数据

如图11、12、13所示的百万千瓦级超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机，若按设计发电功率180万千瓦计，超大型水浮磁力定位运转平台(8)的设计数据大致为：直径1280m、圆周长4019m、宽40m、高20m；冲压喷气式翼形风帆的设计数据大致为：高136m、宽55m、厚19m、风帆数量36片、风帆间距57m；超大功率水轮发电机组是由：大型水轮机进水管道(89)、大型水轮机出水管道(90)、10台大型水轮发电机组(79、80、81、82、83、84、85、86、87、88)构成的大型水轮发电机组。其中：水轮发电机组的单机发电功率约为18万千瓦，10台机组总发电功率约为180万千瓦。

【2】超大型水浮磁力定位运转平台系统的浮力说明

如图11所示，水浮磁力定位运转平台系统的直径为1280m、圆周长为4019m、截面宽为40m、高为20m，则其2/3工作排水量为214万吨。估算得知，以钢筋混凝土建造的高136m、宽55m、厚19m的36片空心结构的冲压喷气式翼形风帆大致总重量为61万吨；以钢筋混凝土建造的圆周长4019m、宽40m、高20m的空心水浮磁力定位运转平台(8)大致总重量为120万吨，则水浮磁力定位运转平台系统的总重量为181万吨，小于其214万吨2/3的工作排水量。以上大致数据表明，庞大的水浮磁力定位运转平台系统，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。

【3】水浮风水轮运转平台的动态变形及定位限位说明

我们知道，高层建筑在大风情况下会发生正常性摇晃。同样，在实施超大直径水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机时，在冲压喷气式翼形风帆受风压作用时，巨大的水浮磁力定位运转平台也会在正常范围内有水平方向的椭圆变形。

由于超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的结构特点，质量、体积巨大的水浮磁力定位运转平台系统是浮起在环状封闭的环形水槽内的水平面上，绝对不会象船舶航行那样受到风浪影响而致使巨大水浮磁力定位运转平台系统发生水平方向的扭曲变形。

资料显示，10级台风的平均风速是每秒26米，受风面的单位风压约为每平方米0.04吨。在本实施设计中，单片冲压喷气式翼形风帆的面积为7480平方米，在十级大风下，单座风帆的正面风压为299吨。则36片风帆的正面总风压则为10771吨。但由于36片冲压喷气式翼形风帆，是均匀分布在圆周长为4000米的水浮磁力定位运转平台上，相对于来自一个方向的风压而言，每片冲压喷气式翼形风帆的迎风角不一样，所受风压也就不同，所以所承受的总风压只能其平均值5385吨。在这样的风压下，水浮磁力定位运转平台就会在旋转运动的同时，发生很小范围的正常椭圆变形，但不影响正常旋转运动。因为设计的磁力定位系统对水浮风水轮运转平台系统的牵引力，能承受10级风所产生的5385吨左右的水平方向的风压。

但是在10级以上的大风情况下，当风压的作用力大于永磁磁力定位轨道的牵引力时，水浮磁力定位运转平台系统就会脱离永磁定位的牵引力而漂移到对应的限位轮上，同时水浮磁力定位运转平台也会发生较大正常范围内的椭圆变形，使水浮磁力定位运转平台能比在不变形状态下，更大范围的接触更多个限位轮，使水浮磁力定位运转平台的弧面与限位轮的系列弧面更趋一致，从而平均分摊了系列限位轮的正面压力，有效的保护了限位轮的结构安全。同时，在超过10级以上大风的情况下，水浮磁力定位运转平台(8)带动限位轮同步旋转，限位轮对水浮磁力定位运转平台的机械摩擦力，在一定范围内也消耗了其大于正常风速所产生的多余能量，保证水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机无论是在怎样的风力的作用下，都能以相对恒稳的速度作匀速圆周运动，从而保障了水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机更安全的恒稳运行。

【4】超大型风力发电机的超长使用寿命和应对灾害的能力

水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的整体结构是以价廉耐用的钢筋混凝土建造，几乎没有复杂的机械结构需要进行运行维护，在正常使用情况下，其使用寿命完全可以实现百年安全平稳运行。

水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的水浮磁力定位运转平台是以匀速圆周运动恒稳的浮起运行在闭合环状的环形水槽的水面上运动的，当灾害性地震发生时，其巨大直径和质量的水浮磁力定位运转平台系统的圆周运动，能在一定范围内有效的将地震波的能量进行分解，降低地震对本建筑体的破坏。

一旦出现战争等人为灾难，可以采取排放环形水槽中的水实施紧急搁浅制动，使水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机停止运转，不至于象大型水电站那样因排放库区的水，对水电站下游造成一些不利的影响。

【5】超大型风力发电机建造成本的估算

为取得该水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机建造成本的估算数据，现对其核心主体结构水浮磁力定位运转平台系统、环形水槽基础结构系统的建造成本进行估算：

①水浮磁力定位运转平台系统的建造成本：如图13所示，高136m、宽55m、厚19m的冲压喷气式翼形风帆，是以钢筋混凝土建造为空心结构，其单座风帆(包括内部的加强支撑结构)的自重估算为1.7万吨，36座风帆的总自重约为61万吨。如图12所示，直径1280m、圆周长4019m、截面宽40m、高20m的空心体(加上浮体内部的加强支撑结构)水浮磁力定位运转平台(8)，其自重估算120万吨左右。则水浮磁力定位运转平台系统的全部重量为181万吨左右。

按钢筋混凝土比重每立方米2.5吨、单价每立方米500元(含混凝土材料、人工费用)计，水浮磁力定位风水轮运转平台系统需要72万立方米的钢筋混凝土，造价为人民币3.6亿元。

②环形水槽基础结构系统的建造成本：环形水槽包含内环挡水墙(29)、外环挡水墙(30)、环形水槽的地基结构(包括地下桩基)，估算约需要1280万吨钢筋混凝土，按钢筋混凝土的比重每立方米2.5吨、单价每立方米500元(含混凝土材料、人工费用)计，环形水槽基础结构系统需要512万立方米的钢筋混凝土，环形水槽(包括地下桩基)的造价为人民币25.6亿元。

以上两大系统的造价再加上磁力定位配合限位轮限位的定限位系统、发电机系统等其他的结构系统的造价，经估算该180万千瓦超大型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的总造价约为人民币33亿元，每千瓦单位造价仅为人民币1833元，比建成一座同等规模的水电站的还要便宜得多，由此可见，本超大型水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的造价是相当低廉的。因其技术实施，从而引发以下的综合经济效益更是无法估量。

【6】大型多功能综合风电场经济区的构想

巨大的水浮风水轮运转平台系统配合环形水槽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、交通、科研基地和观光旅游等。

为提高超大功率水浮磁力定位风水轮风帆风力发电机的实施效果，形成大型多功能综合风电场经济区，我们还构思了如图11所示的以下功能区：

①水浮风水轮风帆风力发电机功能区；

②风电场中央控制塔(93)功能区；

③观光农业用地(100)；

④由高速公路(99)、中央广场观景平台(105)、风电场旅游风景服务社区(106)组成的大型风景旅游区。

组成大型多功能综合风电场经济区。

Claims (10)

1.一种水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：其整体结构是由依托于环形水槽基础系统中的水浮起的水浮风水轮运转平台系统结合磁力定位与限位轮限位的组合定限位方式或轴定位方式的定位系统、搁浅式柔性制动系统、配套的水轮发电机组或机电一体永磁直驱发电机系统组成。

2.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的水浮风水轮运转平台系统有水浮磁力定位风水轮运转平台系统和水浮轴定位风水轮运转平台系统两大结构；水浮磁力定位风水轮运转平台系统，是由水浮磁力定位运转平台(8)与在其上均匀分布的冲压喷气式翼形风帆(21，22，23，24，25，26，27，28)、水轮叶片(10)、射流管道(9)组成；水浮轴定位风水轮运转平台系统，除了设置与水浮磁力定位运转平台系统相同结构的冲压喷气式翼形风帆(21，22，23，24，25，26，27，28)外，不需要再设置射流管道(9)、水轮叶片(10)，直接在水浮轴定位运转平台(64)上设置定位轴连杆(65)、定位轴(66)、定位轴防护盖(67)、定位轴轴承(68)和发电机专用永磁轨道(55)；水浮风水轮运转平台可以采用在内空仓填充空间填充物(107、108)的结构，空间填充物(107、108)可以用硬质聚氨酯泡沫填充，也可以用其他廉价、比重小、强度高、吸水率低、抗压性能好的材料填充，还可以不填充任何填充物；上述的均匀分布于水浮风水轮运转平台上的冲压喷气式翼形风帆，也可以以不带冲压喷气射流气口的传统软、硬式翼形风帆或电脑控制迎风角的传统折叠式风帆替代；冲压喷气式翼形风帆的大小及数目是随水浮风水轮风帆风力发电机的功率大小以及水浮风水轮运转平台直径的大小的不同而不同。

3.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的环形水槽基础系统是由内环挡水墙(29)、环形水槽底部(39、98)、外环挡水墙(30)、环形水槽内外环封顶盖构成；在环形水槽中灌注有足以浮起水浮风水轮运转平台系统的水，所灌注的水可以是普通水，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。

4.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的水浮风水轮运转平台的定限位方式有磁力定位配合限位轮限位方式和轴定位的定位方式；磁力定位定位方式，是指在环形水槽内侧设置磁力定位轨道，并在与其对应的水浮风水轮运转平台上设置相应的磁力定位轨道，对水浮磁力定位风水轮运转平台进行磁力定位；限位方式是指在环形水槽的内侧或水浮风水轮运转平台上设置系列、多系列限位轮，对水浮磁力定位运转平台进行限位；各系列限位轮可以由3个或3个以上组成；还可以在环形水槽内侧设置由电子控制器控制的电磁吸力补偿定位线圈轨道，并在对应的水浮磁力定位运转平台上设置专用补偿定位钢轨道，对水浮风水轮运转平台进行电磁吸力补偿定位；轴定位定位方式，则是直接通过在水浮轴定位运转平台(64)上设置定位轴连杆(65)、定位轴(66)、定位轴防护盖(67)、定位轴轴承(68)对水浮轴定位风水轮运转平台系统实施机械高精度定位；上述的磁力定位方式，其技术特征还可以广泛应用于各种液浮轴承上。

5.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的搁浅式柔性制动系统，是由在环形水槽的内环挡水墙(29)或环形水槽的外环挡水墙(30)上设置的系列手动电动进出水阀门(51)、进出水双向电动水泵(52)以及搁浅制动专用砂石料(47，48)构成对水浮风水轮运转平台的旋转运动实现搁浅式柔性制动的系统。

6.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的水轮发电机组或机电一体永磁直驱发电机系统，其中水轮发电机组是由发电机组(11、12、13、14)、水轮机组导流管(15、16、17、18)、水轮机进水口(19)、水轮机出水口(20)组成；机电一体永磁直驱发电是在水浮轴定位运转平台的内环圆边或外环圆边上设置发电机专用永磁轨道(55)，并在环形水槽相对应的位置上设置发电机定子线圈绕组(56、57、58、59、60、61、62、63)组成。

7.按照权利要求1所述的水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：所述的水浮风水轮风帆风力发电机系统所具有的“头轻脚重”物理结构特点，不仅有利于单机超大功率风力发电，其环形水槽基础结构系统与水浮风水轮运转平台系统的配套结构设计，还可以广泛运用于大型水处理工程、农田水利基础建设、地球大气物理科研实验、交通和观光旅游。

8.一种水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：水面漂浮式和水上固定式水浮风水轮风帆风力发电机的不同实施运用方式；水面漂浮式水浮风水轮风帆风力发电机与上述的水浮风水轮风帆风力发电机在结构上有所不同的是其水面漂浮式环形水槽(74)和水下固定锚(75)的设计；固定水面漂浮式环形水槽(74)的锚可以是水下固定锚，也可以是水下活动锚；水面漂浮式环形水槽可以采用内部空间仓设置，内部空间仓的填充物(107、108)可以是硬质聚氨酯泡沫填充，也可以是用廉价比重小强度高吸水率低抗压性好的材料填充，也可以不填充任何填充物；水上固定式水浮风水轮风帆风力发电机是在水底构筑多个系列桩基并托起环形水槽，直接组合成水上固定式水浮风水轮风帆风力发电机。

9.一种水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：水浮风水轮风帆风力发电机，尤其是其主体结构水浮风水轮运转平台、冲压喷气式翼形风帆和环形水槽基础结构的建造材料可以采用价廉耐用的钢筋混凝土材料，也可以采用全金属材料、金属与非金属合成材料，还可以采用新型的非金属化工合成材料。

10.一种水浮风水轮风帆风力发电机，其特征在于：在水浮风水轮风帆风力发电机的水浮风水轮运转平台水平旋转方向的设计上，在北半球应用时，将水浮风水轮风帆风力发电机的水平旋转方向设计为沿逆时针方向旋转，在南半球应用时则设计为沿顺时针方向旋转。

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