CN102297076A - 轮状风叶轮、风力发电装置及人造空气流发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮状风叶轮、该轮状风叶轮包括有叶片、轮圈、辐条及动力输出轴，所述轮圈通过辐条固定在位于轮状风叶轮径向中部的动力输出轴上；所述叶片有多个，均布固定于轮圈上；所述轮圈的直径，大于所述叶片的径向长度。由于所有叶片的受风面均设计处于轮状风叶轮径向离轴心的尽量远处，从而与现有技术相比，可以将气流的作用力转换成对叶片的更大推动力；同时，由于叶片是安装在轮圈上，便于安装数量更多的叶片进而增加叶片的总受风面积，从而，本轮状风叶轮的引入，可显著提高应用有本发明轮状风叶轮的风力发电装置及人造空气流发电装置的风力转换效率。

Description

轮状风叶轮、风力发电装置及人造空气流发电系统

技术领域

本发明涉及气流能-机械能-电能转换装置，更具体地说是涉及一种轮状风叶轮和应用有该轮状风叶轮的风力发电装置及人造空气流发电装置。

背景技术

随着人类对电能的需求的日益增大，电能成为人类生产生活活动最主要的动力来源。但是，过度使用燃料制取电能，已使得气候出现异常。长此以往，人类将不得不面对大自然的报复，并将付出越来越惨重的代价。自然界中有许多种已知且取之不尽用之不竭的能源。怎样更简便地、与自然友善亲和地来开发利用这些能源，是人类一直努力的方向。

现有的气流发电，主要采用涡轮发电机组或风力发电机组，但二者均要求气流有较高的流速，否则就会产生推力不够、风电转换效率低甚至无法转换的问题。经过研究分析，本发明人发现：虽然气流对涡轮风叶及风力叶片的叶尾到轴心的作用力一致，但根据杠杆原理，叶尾部分到轴心部分将气流对叶片的冲力转化为推力的效率是递减的。换句话而言，叶片处于离径向轴心的越远处，具有越大的将气流的作用力转换成对动力输出轴的推动力的风力转换效率。

发明内容

本发明的第一目的，即在于提供一种结构简单而气流能-机械能转换效率高的轮状风叶轮。

本发明的第二目的，在于提供一种应该有上述轮状风叶轮的风力发电装置。

本发明的第三目的，在于提供一种人造空气流发电装置。

一、轮状风叶轮

本发明所述的轮状风叶轮，是指轮圈上设有风叶叶片的轮状体，该轮状体及其轮圈的具体形状不限。本发明轮状风叶轮的技术方案：包括有叶片、轮圈、辐条及动力输出轴，所述轮圈通过所述辐条固定在位于轮状风叶轮径向中部的动力输出轴上；所述叶片有多个，均布固定于所述轮圈上；所述轮圈的直径，大于所述叶片的径向长度。所述叶片，可固定于所述轮圈的内周，和/或，外周，和/或，轮圈的其它任一侧面或侧缘上。

所述叶片的形状、大小、安装方向及角度，可依现有技术进行设计及采用。

采用本轮状风叶轮结构，由于所有叶片的受风面均设计处于轮状风叶轮径向离轴心的尽量远处，从而与现有技术相比，可以将气流的作用力转换成对叶片的更大推动力；同时，与现有的叶片安装在轴部相比，由于叶片是安装在轮圈上，轮圈上有更多的安装空间使得便于安装数量更多的叶片，进而可增加叶片的总受风面积，从而，本轮状风叶轮的引入，可使现有的风力发电装置的风力转换效率得到显著提高。

二、风力发电装置

本发明风力发电装置，包括有气流能-机械能转换单元及机械能-电能转换单元，其特别之处在于，所述气流能-机械能转换单元采用为上述方案中所述的轮状风叶轮，所述轮状风叶轮的动力输出轴与所述机械能-电能转换单元相连即可。本风力发电装置的其它部份，可采用现有技术。

三、人造空气流发电系统

本发明人造空气流发电系统，包括有柱筒和将气流能转换为机械能及电能的装置；所述将气流能转换为机械能及电能的装置具有进风口和出风口，该进风口即为本人造空气流发电系统的总进风口；所述柱筒，为处于直立或大致斜立状态的柱状中空筒体，并具有平整光滑或大致平整光滑的内表面；所述柱筒的两端，分别设有进风口和出风口；所述将气流能转换为机械能及电能的装置的出风口，通过连通管道与所述柱筒的进风口相连通；

所述柱筒，为单筒单节形式的单柱筒，或者，是由若干个所述单柱筒串接连通而成的柱筒串；或者，是多个所述单柱筒或柱筒串或由这二者的组合组成的柱筒群；所述柱筒群具有共用的一个或多个最终出风口；所述单柱筒、柱筒串、柱筒群的最终出风口的总截面积，远大于所述系统总进风口的截面积；

在所述柱筒内或者所述连通管道内，设有对被自然抽吸入所述柱筒内的自然温度的空气进行加热和/或冷却的结构单元；

所述将气流能转换为机械能及电能的装置包括有气流能-机械能转换单元及机械能-电能转换单元，所述气流能-机械能转换单元采用上文所述的轮状风叶轮，所述轮状风叶轮的动力输出轴与所述机械能-电能转换单元相连；

所述柱筒最终出风口与系统总进风口之间的垂直高度，为几十米至一百米。

所述对吸入所述柱筒内的空气进行加热的结构单元，可根据实际应用，选择采用阳光采集单元或热交换器单元：

(1)所述阳光采集单元，与其自身所处位置处的柱筒筒体或连通管道可采用一体式结构，其具体结构为：相应部位的柱筒筒体或连通管道采用为具有透光面的棚式或筒状结构；位于所述棚式或筒式的柱筒筒体或连通管道内的、与所述透光面对应的阳光吸收面上，铺装或涂覆有易吸收太阳能的膜片或涂料；

(2)所述热交换器单元，设置于所述柱筒内或者连通管道内，通过管道连接包括但不限于地热能、火山热能、工业余热能、工业废热能中的一种或多种热源。

所述对吸入所述柱筒内的空气进行冷却的结构单元，可采用如下的冷水引入及喷雾形成单元；该冷水引入及喷雾形成单元包括有位于所述轮状风叶轮叶片下方的喷雾头组群；该喷雾头组群通过管道及水泵连接地表或地下水、或深海冷水水源。

以上加热空气法造风和冷却空气法造风，分别适用于有丰沛热源和水源的地区。对于同时具有丰沛热源和水源的地域，还可将这两种方法结合使用，即：在同一人造空气流发电系统中同时包括有加热空气法造风子系统和冷却空气法造风子系统，其中加热空气法造风子系统采用上文中的采用有对吸入所述柱筒内的空气进行加热的结构单元的的人造空气流发电系统，冷却空气法造风子系统采用上文中的采用有对吸入所述柱筒内的空气进行冷却的结构单元的人造空气流发电系统；同时，所述加热空气法造风子系统的最终出风口通过连通管道与所述冷却空气法造风子系统的总进风口相连通，将从所述加热空气法造风子系统的最终出风口出来的热空气引进到所述冷却空气法造风子系统的总进风口。

上述方案中的所述柱筒，可由多节直立的单柱筒串接而成，或由多节斜立的单柱筒串接而成，或由部分直立而另一部分斜立的多节单柱筒串接而成，亦或者，由外形与具体地形或应用环境相适应的一个单柱筒或多节单柱筒串接而成；所述各单柱筒相互联接处具气密性。

上述方案中的所述柱筒，可根据具体应用，包括采用如下方式之一构建：

(1)所述柱筒，为筒体不透光的构建物，例如采用中空的全砼筒体。

(2)具有透光面的柱筒，除上述公开的方案外，还可采用如下方法构建：筒体由透光膜布围成，并内设金属支撑结构。例如：其筒围四周设有立柱，筒状透光膜布形成的筒体吊挂安装于所述立柱上；或者，所述柱筒的径向中部设有立柱，筒围内周带有钢框架的筒状透光膜布筒体通过固定于所述立柱顶端的横梁或钢索吊挂安装于所述立柱上；或者，所述柱筒，为内/外表面之一或全部装覆透光膜片及阳光吸收膜片的钢架筒体；所述透光膜片贴置于所述阳光吸收膜片的近光侧。

本发明轮状风叶轮和应用有该轮状风叶轮的风力发电装置及人造空气流发电系统的优点：

1、本发明轮状风叶轮的采用，可显著提高气流能-机械能转换效率。

2、利用自然热源或工业余/废热源进行人造空气流发电，可充分利用环境资源，并且，无污染、不需工质，运营/维护成本低。

3、本发明人造空气流发电系统，由于所述单柱筒、柱筒串、柱筒群的最终出风口的总截面积远大于所述系统总进风口的截面积，加之可采用若干节串接的柱筒，或是采用柱筒群，与现有技术中高达至少几百米的高柱筒相比，因此所述柱筒最终出风口距地面的高度不到一百米，建造难度及建造成本大为降低；而且，还可采用与具体地形或应用环境相适应的外形，因而，安全性好，适用面广、适合投入工业化生产及商业化运营。

4、现有风力发电装置一般是采用6级以上风力进行发电，但采用气流能-机械能转换效率显著提高的本轮状风叶轮后，可利用低于6级的风力，从而可使发电机组的年发电量提高，同时可使风力发电的使用区域扩大。

附图说明

图1是本发明轮状风叶轮的一个实施例的原理示意图。

图2是本发明人造空气流发电系统的一个实施例的原理示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是本发明人造空气流发电系统的另一个实施例的原理示意图。

图5是本发明人造空气流发电系统的又一个实施例的原理示意图。

附图标记说明：

1-柱筒  11、12-单柱筒  2-柱筒进风口  21-系统总进风口

3-柱筒最终出风口  4-阳光采集单元的透光面  5-阳光采集单元的阳光吸收面

6-进气道挡板  7-将气流能转换为机械能及电能的装置  71-机械能-电能转换单元

72-环形进气道  81-叶片  82-轮圈  83-辐条  84-动力输出轴

9-喷雾头  10-水泵

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明轮状风叶轮和应用有该轮状风叶轮的风力发电装置及人造空气流发电系统作进一步地说明。

一、实施例1：轮状风叶轮

图1是本发明轮状风叶轮的一个实施例的原理示意图。如图所示的轮状风叶轮由叶片81、轮圈82、辐条83及动力输出轴84组成，轮圈82通过放射状辐条83固定在位于轮状风叶轮径向中部的动力输出轴84上；叶片81有多个，均布固定于轮圈82上；轮圈82的直径，大于所述叶片81的径向长度。

值得说明的是，所述叶片，不仅可固定于图1中所示的轮圈的外周上，也可以固定于轮圈的内周上。如果在轮圈的外周和内周上同时设置有叶片，显然更可增大叶片的总受风面积，从而，具有更高的风力转换效率。当然，所述叶片，也可根据具体应用情形，固定于所述轮圈的其它任一侧面或侧缘上。

此外，在用于风力发电时，为充分利用风力，所述幅条也可设计为风叶形式，此时该幅条也作为风叶参与风力转换。

二、实施例2：风力发电机

现有技术的风力发电装置都包括有气流能-机械能转换单元及机械能-电能转换单元。本实施例的风力发电机的气流能-机械能转换单元，采用以图1所示的轮状风叶轮：在图1的动力输出轴84连上现有风力发电机的机械能-电能转换单元，即形成了本实施例的风力发电机。本风力发电装置的其它部份，可采用现有技术。

三、实施例3：人造空气流发电系统(1)

图2是本发明人造空气流发电系统的一个实施例的原理示意图。图3是图2的俯视图。

本实施例的人造空气流发电系统由位于图左侧的柱筒和位于图右侧的将气流能转换为机械能及电能的装置组成。如图所示的将气流能转换为机械能及电能的装置，包括有位于图

上部的气流能-机械能转换单元及位于图下部的机械能-电能转换单元71；

该气流能-机械能转换单元可采用图1所示的轮状风叶轮。该轮状风叶轮由叶片81、轮圈82、辐条83及动力输出轴84组成，如图3所示，轮圈82通过放射状辐条83固定在位于轮状风叶轮径向中部的动力输出轴84上；叶片81有多个，均布固定于轮圈82上；轮圈82的直径，大于所述叶片81的径向长度。叶片81的形状、大小、安装方向及角度，可依现有技术进行选择采用。所述动力输出轴84，连接机械能-电能转换单元71。

如图2所示，所述轮状风叶轮的叶片81，其进风侧处设有起气流方向引导作用的进气道挡板6，其出风侧通过连通管道与所述柱筒的进风口2相连，图2中所示的连通管道为位于叶片81下方的环形进气道72；环形进气道72的上部与进气道挡板6相连。本人造空气流发电系统处于工作状态时，外部空气由位于所述轮状风叶轮叶片81的进风侧的本人造空气流发电系统的总进风口21，穿经轮状风叶轮的各叶片间隙，再经过环形进气道72，经柱筒进风口2进入柱筒内部。环形进气道72的出气口与柱筒的进风口2之间的联接处具气密性。

本实施例的所述柱筒，由直立的单柱筒11和依山势斜立的单柱筒12串接而成，并具有进风口2和最终出风口3，该进风口2与所述环形进气道72连通；本系统的所述最终出风口3的总截面积设计选择为系统总进风口21的截面积的10倍；

如图2所示，在单柱筒11及12的筒体上，还设有阳光采集单元，阳光采集单元的透光面4设在柱筒11及12的筒体上；位于柱筒筒体内的、与透光面4相对的阳光吸收面5上，铺装或涂覆有易吸收太阳能的膜片或涂料。本实施例中的单柱筒12，是依山势斜立而建，出于降低建造难度及建造成本的角度考虑，可采用具有透光面的棚式结构，所述透光面4设在棚面上，而阳光吸收面5设在棚面下方的地面上。

根据空气动力学的原理：阳光透过所述透光面加热柱筒内的空气，受热后的空气产生自主的上升运动流向出风口3；由于设定的柱筒的最终出风口的总截面积远大于所述系统总进风口的截面积，则柱筒内的空气流速加快，柱筒外的空气经由轮状风叶轮的叶片81、环形进气道72、柱筒进风口2被自然抽吸入柱筒内，并同时驱动轮状风叶轮的叶片81转动，即可实现将动力从动力输出轴84输出。所述单柱筒12的长度及高度可以根据实际地形及实际需求热量而作具体设计。所述柱筒最终出风口与总进风口之间的垂直高度，视柱筒所在具体地形及地势确定单柱筒11、12的斜度及长度后，可以只有几十米至一百米。

关于背景技术的一点补注：上个世纪80年代，西班牙科学家曾设想建造高度为300-500米的直立柱筒进行人造空气流发电，且最终建造了直立柱筒高度为270米的人造空气流发电系统进行人造空气流发电实验；该系统装机容量为26KW，实验取得了成功并顺利发出了电。但是，由于建设如此高度的柱筒的建造难度及造价极高，该方案一直未见投入规模推广及商业运营。

四、实施例4：人造空气流发电系统(2)

本实施例的人造空气流发电系统与实施例1基本相同，不同之处在于：在所述气流能-机械能转换单元的外周，实施例1中只连接有一个由两个单柱筒串接而成的柱筒串，而本实施例设有由多个单柱筒和/或柱筒串组成的柱筒群(图4中示出的是以三个柱筒串组成的柱筒群)。该柱筒群的各组成单柱筒及柱筒串的进风口，均与所述环形进气道72连通。

以10个单柱筒(各单柱筒的出风口直径为10米)组成的柱筒群，取系统总进风口的截面积为最终出风口的总截面积的1/10。以进风口温度为25℃、出风口温度为35-50℃，柱筒内的空气流速为1-1.5米/秒计，则进风口空气流速可达到10-15米/秒。显然，这样的人造空气流风速，已达到适合投入工业化生产及商业化发电的要求。根据常识，此时对柱筒的高度要求可大为降低。

本实施例的技术方案与实施例1的相比，由于均为只采用一个具有轮状风叶轮的气流能-机械能转换单元的单动力系统，而柱筒群的最终出风口的总截面积与所述系统总进风口的截面积之比倍增，根据空气动力学的常识，显然可以使得柱筒内流经的风速倍增。采用本实施例柱筒群的结构，有助于使本发明人造空气流发电系统实现生产的规模化。

此外，在组成群柱筒时，显然还可以采用包括有树状柱筒群的形式，或者，也可采用在多个阳光集热棚(即上文提及的棚式结构的柱筒)上各连通一个或多个的单柱筒或柱筒串的形式，或者，也可配置成多个动力系统联动运营。

五、实施例5：人造空气流发电系统(3)

图5是本发明人造空气流发电系统的又一个实施例的结构示意图。如图所示，本实施例的人造空气流发电系统包括有筑建在水平面上的柱筒1，该柱筒可采用中空的全砼筒体，柱筒上方设有进风口2，柱筒下方留有出风口3。柱筒1上部，设有可将气流能转换为机械能及电能的装置7。该将气流能转换为机械能及电能的装置7，采用如图1所示的轮状风叶轮作为其气流能-机械能转换单元，其中的附图标记81即为可由气流驱动的风叶叶片；所述风叶叶片81下方，设有喷雾头组群9；该喷雾头组群9通过管道及水泵10连接地表或地下水、或深海冷水水源。位于所述轮状风叶轮叶片下方的喷雾头组群与所述连接地表或地下水、或深海冷水水源的管道及水泵一起组成的冷水引入及喷雾形成单元，成为对吸入所述柱筒内的空气进行冷却的结构单元。

使用时，打开水泵10，将冷水通过管道及喷雾头组群9引入柱筒1内并形成喷雾，柱筒内的空气被该喷雾状冷水冷却，产生重力沉降；由于自然温度的空气与喷雾状冷水间存在几度至几十度的温差，从进风口2被强制抽吸入柱筒内的空气得以加速，从而驱动位于所述将气流能转换为机械能及电能的装置7，实现发电。

本发明的冷却空气法人造空气流发电系统，以单个柱筒直径为30-50米的发电机组计，可以使每平方公里产生3万-10万KW/H的装机发电量。中国有1.8万公里长的大陆海岸线，如果利用其中的一万平方公里海域进行本发明的冷却空气造空气流法发电，以最南端年发电时数估计有7-8K小时、以最北端年发电时数3.5-4.5K小时/年推算，由此可能为我国及人类提供的丰富能源量则可想而知，同时，还可能为人类的减排作出巨大的贡献。

以上方案仅是冷却空气造空气流法的其中一个实施例。此外，在机组装机容量比较大的情形下，还可在同一将气流能转换为机械能及电能的装置的风叶叶片下，设置多个柱筒，各柱筒的上部分别设有喷雾头组群9，冷水通过喷雾头组群引入不同柱筒内形成喷雾并导致各柱筒内的空气被该喷雾状冷水冷却后产生重力沉降，共同驱动位于上部的风叶叶片转动，实现发电。

六、实施例6：人造空气流发电系统(4)

本实施例为以上实施例方案的综合，采用的是将从所述总进风口被自然抽吸入所述柱筒内的自然温度的空气在柱筒内先进行加热，再进行冷却的组合法进行人造空气流发电。例如在山侧有水的地域，在山侧采用加热空气法造空气流法，有水边采用冷却空气造空气流法，即将实施例3中从出风口3出来的经加热的空气，通过管道引入到实施例5的进风口2，再进行冷却。

采用本实施例方案，包括有前后两级或多级将气流能转换为机械能及电能的装置7，而且，又进一步增大了后级进风口与最终出风口之间的温差，使得前级柱筒内的空气流速得以增加，人造空气流效果更好。本实施例的对外部自然温度的空气进行先加热后冷却的方案，尤其适宜于有丰沛热源及水源的地区。

Claims (9)

1.轮状风叶轮，其特征在于：包括有叶片、轮圈、辐条及动力输出轴，所述轮圈通过所述辐条固定在位于本轮状风叶轮径向中部的动力输出轴上；所述叶片有多个，均布固定于所述轮圈上；所述轮圈的直径，大于所述叶片的径向长度。

2.根据权利要求1所述的轮状风叶轮，其特征在于：所述叶片，固定于所述轮圈的内周，和/或，外周，和/或，轮圈的其它任一侧面或侧缘上。

3.风力发电装置，包括有气流能-机械能转换单元及机械能-电能转换单元，其特征在于：所述气流能-机械能转换单元为如权利要求1或2所述的轮状风叶轮，所述轮状风叶轮的动力输出轴与所述机械能-电能转换单元相连。

4.人造空气流发电系统，其特征在于，包括有柱筒和将气流能转换为机械能及电能的装置；所述将气流能转换为机械能及电能的装置具有进风口和出风口，该进风口即为本人造空气流发电系统的总进风口；所述柱筒，为处于直立或大致斜立状态的柱状中空筒体，并具有平整光滑或大致平整光滑的内表面；所述柱筒的两端，分别设有进风口和出风口；所述将气流能转换为机械能及电能的装置的出风口，通过连通管道与所述柱筒的进风口相连通；

所述柱筒，为单筒单节形式的单柱筒，或者，是由若干个所述单柱筒串接连通而成的柱筒串；或者，是多个所述单柱筒或柱筒串或由这二者的组合组成的柱筒群；所述柱筒群具有共用的一个或多个最终出风口；所述单柱筒、柱筒串、柱筒群的最终出风口的总截面积，远大于所述系统总进风口的截面积；

在所述柱筒内或者所述连通管道内，设有对被自然抽吸入所述柱筒内的自然温度的空气进行加热和/或冷却的结构单元；

所述将气流能转换为机械能及电能的装置包括有气流能-机械能转换单元及机械能-电能转换单元，所述气流能-机械能转换单元为如权利要求1所述的轮状风叶轮，所述轮状风叶轮的动力输出轴与所述机械能-电能转换单元相连；

所述柱筒最终出风口与系统总进风口之间的垂直高度，为几十米至一百米。

5.根据权利要求4所述的人造空气流发电系统，其特征在于，所述对吸入所述柱筒内的空气进行加热的结构单元，为阳光采集单元或热交换器单元；

所述阳光采集单元与其自身所处位置处的柱筒筒体或连通管道为一体式结构，其具体结构为：相应部位的柱筒筒体或连通管道采用为具有透光面的棚式或筒状结构；位于所述棚式或筒式的柱筒筒体或连通管道内的、与所述透光面对应的阳光吸收面上，铺装或涂覆有易吸收太阳能的膜片或涂料；

所述热交换器单元，设置于所述柱筒内或者连通管道内，通过管道连接包括但不限于地热能、火山热能、工业余热能、工业废热能中的一种或多种热源。

6.根据权利要求4所述的人造空气流发电系统，其特征在于：所述对吸入所述柱筒内的空气进行冷却的结构单元，为冷水引入及喷雾形成单元；该冷水引入及喷雾形成单元包括有位于所述轮状风叶轮叶片下方的喷雾头组群；该喷雾头组群通过管道及水泵连接地表或地下水、或深海冷水水源。

7.根据权利要求1所述的人造空气流发电系统，其特征在于：包括有加热空气法造风子系统和冷却空气法造风子系统，其中加热空气法造风子系统采用如权利要求5所述的人造空气流发电系统，冷却空气法造风子系统采用如权利要求6所述的人造空气流发电系统；所述加热空气法造风子系统的最终出风口通过连通管道与所述冷却空气法造风子系统的总进风口相连通。

8.根据权利要求4至6之一所述的人造空气流发电装置，其特征在于：所述柱筒，由多节直立的单柱筒串接而成，或由多节斜立的单柱筒串接而成，或由部分直立而另一部分斜立的多节单柱筒串接而成，亦或者，由外形与具体地形或应用环境相适应的一个单柱筒或多节单柱筒串接而成；所述各单柱筒相互联接处具气密性。

9.根据权利要求7所述的人造空气流发电装置，其特征在于：所述柱筒，由多节直立的单柱筒串接而成，或由多节斜立的单柱筒串接而成，或由部分直立而另一部分斜立的多节单柱筒串接而成，亦或者，由外形与具体地形或应用环境相适应的一个柱筒或多节单柱筒串接而成；所述各单柱筒相互联接处具气密性。

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