CN102518549B - 柔性螺旋风力收集装置及应用该装置的螺旋风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性螺旋风力收集装置及应用该装置的螺旋风力发电系统，包括一用作动力传送的轴绳以及一环绕在该轴绳上用于收集风力的螺旋形面料，所述螺旋形面料一侧设有若干支撑架条安装在轴绳上，其另一侧设有若干集风器；本发明属中小型风力收集装置，具有安装维护简单，风能利用效率高等特点，可根据环境的不同而选择不同的组合方式，自由组合，可大可小，只要是有风的地方就能用来发电。

Description

柔性螺旋风力收集装置及应用该装置的螺旋风力发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力收集装置，特别是一种柔性螺旋风力收集装置，以及应用该装置的风力发电系统，可采用多种方式进行安装，属于中小型的风力发电系统。 

背景技术

全球可利用风能为2x10⁷kW，中国仅陆地上的风能储量约为2.53亿kW，离地50米或更高处的风能资源估计超过20亿kW，而可利用的海洋风能资源约为7.5亿kW，年平均风速6m/s以上的内陆地面积约占全国总面积的1%，3m/s的风速就可以发电。世界风能市场预计未来20至25年内递增25%，我国可利用风能地区多，但是可发展大型风力发电场的少。陆地大型风电场大部分已完成规划，海洋成为最大风电场，但又受技术和市场限制。东南沿海是我国最大风能资源区，风能密度为200W/m²至300 W/m²。投资成本大，管理维护困难成为制约大型风电发展的关键；中小型风力发电因需求地方多，投资少，见效快，适用性广等原因成为未来普及发展的目标，因此，中小型普及化，大型、超大型专业化是未来风电发展的方向。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种结构简单，组合多样而且适合在不同环境下使用的柔性螺旋风力收集装置。 

本发明为解决其问题所采用的技术方案是： 

柔性螺旋风力收集装置，包括一用作动力传送的轴绳以及一环绕在该轴绳上用于收集风力的螺旋形面料，所述螺旋形面料一侧设有若干支撑架条安装在轴绳上，其另一侧设有若干集风器。

优选的是，所述集风器横截面呈三角形，并且绕螺旋面均匀设置，其安装面紧贴螺旋形面料，其迎风面设有一集风口。 

进一步的，所述安装面一长边垂直于轴心，且该长边一端紧贴螺旋形面料边缘；所述集风口横截面呈等腰三角形，该等腰三角形短边靠外，以使等腰三角形的重心靠近螺旋形面料边缘。 

优选的是，所述螺旋形面料上设有用于插接支撑架条的U型口袋。 

螺旋风力发电系统，包括前述任一项的柔性螺旋风力收集装置，所述柔性螺旋风力收集装置横向串联安装，轴绳两端各连接一伸缩弹簧扭力器，该伸缩弹簧扭力器通过用U型支架固定的抗拉脱万向轴承连接至发电机组；所述柔性螺旋风力收集装置之间设有连体轴承。 

优选的是，所述连体轴承上固定一比柔性螺旋风力收集装置半径长的支撑杆，相邻的支撑杆用一根硬质支撑横杆连接，其尾部再各连接一根长度相同的绳子，所述绳子的另一端垂直连接于一根平行于柔性螺旋风力收集装置的不锈钢绳；所述不锈钢绳与支撑横杆之间覆盖面料，并固定安装在绳子上。 

优选的是，所述连体轴承上设有一边长比柔性螺旋风力收集装置半径长的硬质菱形支架，所述菱形支架一锐角固接在连体轴承上，两钝角处各设有支撑横杆连接相邻的菱形支架的两钝角，其另一锐角连接一绳子，绳子连接到一与柔性螺旋风力收集装置平行的不锈钢绳上；在不锈钢绳及支撑横杆之间覆盖面料，并使面料的横截面呈Y型。 

优选的是，所述伸缩弹簧扭力器包括外壳及一滑动横杆，所述滑动横杆插接于设在外壳上的对称纵向开口内，并可沿该开口滑动，其超出外壳的两端各固接一防止其横向移动的滑动介子和固定螺母；所述滑动横杆中心连接一滑动绳，该滑动绳另一端超出外壳，并通过外壳上的轴承通向壳外，其端部还设有一连接轴绳的连接环；滑动横杆上方固定安装一设有小滑轮的固定横梁，所述固定横梁上连接有弹簧，该弹簧另一端连接一引绳，该引绳另一端连接穿过设在纵向开口另一侧的U型弯管，再绕过设在固定横梁上的小滑轮与滑动绳相接，引绳长度长于纵向开口；所述滑动横杆与固定横梁不在同一平面上。 

本发明的有益效果是：本发明的柔性螺旋风力收集装置结构简单，安装方便，利用柔性螺旋风力收集装置使风能转换为电能的螺旋风力发电系统，基本构造为一个可相互串联一起的柔性螺旋风力收集装置；把一个或多个串联的柔性螺旋风力收集装置两端迎风固定，其中一端连接变速箱和发电机进行发电，电能由蓄电池储存待用；本发明属中小型风力发电系统，具有安装维护简单，风能利用效率高等特点，可根据环境的不同而选择不同的组合方式，自由组合，可大可小，只要是有风的地方就能用来发电。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 

图1为本发明柔性螺旋风力收集装置的结构示意图；

图2为本发明其中一种较佳实施方式的螺旋风力发电系统的结构示意图；

图3为本发明使用的伸缩弹簧扭力器的结构示意图；

图4为本发明安装在路灯上的结构俯视图；

图5为本发明采用悬挂式的安装示意图；

图6为本发明直立式的安装示意图；

图7为本发明固定式多向安装结构的俯视图；

图8为本发明固定式多向安装结构的正视图。

具体实施方式

如附图1所示本发明柔性螺旋风力收集装置，是由一根长度几米到十几米具有足够拉伸力和扭力的钢丝绳或其它的细绳作为动力传送轴绳2，轴绳2上按需要等距离固定安装支撑架条28。支撑架条28的安装方法有，方法一：对于直径较细的轴绳2，把一个两头都开有螺纹的细螺栓穿过轴绳2的中心点，细螺栓两头穿上护肩，把穿上抗拉伸，抗紫外线的螺旋形面料3的支撑架条28固定在细螺栓上，再加上防松脱介子，加上粘合剂再旋接；可根据环上的支撑架条28接口数目制成单螺旋或多螺旋的柔性螺旋风力收集装置1。方法二：对于较粗的轴绳2，固定有支撑架条28的支撑架底座环直接套在轴绳2上用紧固螺丝固定。支撑架条28可使用粘着剂固定在螺旋形面料3的背风面一侧，也可在螺旋形面料3上设置U型口袋，将支撑架条28插接在U型口袋内，进行安装。 

螺旋形面料3可采用双向拉伸的PET薄膜或其它坚固耐用的复合薄膜材料，如凯夫拉材料。在螺旋形面料3的迎风面一侧，采用较软的材质，沿垂直于轴心方向缝上迎风开口的集风器，所述集风器为四面体，并且绕轴绳2均匀设置，其安装面紧贴螺旋形面料，其迎风面设有一集风口。所述集风器优选为三角形口袋21，三角形口袋21第二边长垂直于轴心并尽可能靠近螺旋边缘，连接在螺旋形面料3上，迎风的第一边长随第三边向内移动而拱起直至第一边长的垂直投影与第二边长接近或相等，固定第三边在螺旋面料上，三角形重心尽量靠近螺旋边缘，形成一个聚风重心在螺旋边缘上的近等腰三角形口袋结构，使得风力的作用半径更大，柔性螺旋风力收集装置1的旋转速度更快。口袋连续紧密排列成鳞状均匀分布。螺旋的直径越大，受风面积越大，所能作的功和发电量也越大。 

实施方式1 

如附图2所示的螺旋风力发电系统，把柔性螺旋风力收集装置1的两端分别连接抗拉脱万向轴承10，用“U”型支架9固定在迎风竖起的两根高杆7上，高杆7用钢丝绳与地面通过松紧螺丝6与地锚连接固定，控制柔性螺旋风力收集装置1与地面在安全的距离，在其中一端抗拉脱万向轴承10后连接一组涡轮涡杆8或一对锥形齿轮，在涡轮涡杆8或锥形齿轮上加单向控制杆使涡轮涡杆8只能单向旋转，提高即时反应能力。涡轮涡杆8或锥形齿轮中心连接一根钢丝绳，通过轴承导引22沿高杆7至下方与固定在地面平台上的齿轮连接固定，齿轮连接平台上的变速箱、发电机发电，电能由蓄电池存储待用，这种连接方式为最基本的构成方式。

为增加设备有效利用率提高发电效果，可延长柔性螺旋风力收集装置1的有效长度，在其中的一些连接点安装一个轴承，固定在一根高杆7上作为承重支撑点，以及通过涡杆的另一端接口把相同长度的柔性螺旋风力收集装置1接上，使有效工作长度延长一倍，提高发电能力，这种连接方式称为横挂式连接方法。 

在每段高杆7之间的柔性螺旋风力收集装置1连接点处安装一对连体轴承13，即两个轴承的内轴连为一体的结构。在其中一个轴承上垂直固定一根比柔性螺旋风力收集装置1半径略长的支撑杆25，支撑杆25近尾部用一根不易变形的支撑横杆14相互连接，支撑横杆14尽可能靠近柔性螺旋风力收集装置1，支撑杆25尾部各连接一根相同长度的绳子，再垂直连接于一根平行于柔性螺旋风力收集装置1的不锈钢绳4上。在不锈钢绳4与支撑横杆14间用一种抗拉伸、抗紫外线的面料5覆盖，如PET复合薄膜，并使其牢固地附着在各绳子与支撑横杆14上。 

把一个边长比柔性螺旋风力收集装置1半径略长的用不易变形材料构成的菱形支架23，垂直连接在另一个连体轴承13上，菱形对角用杆件连接成“十”字形结构，用不易变形的支撑横杆14沿两钝角分别连接其余的菱形支架23。在菱形外锐角顶部连接一根相同长度的绳子，最后连接于一条与柔性螺旋风力收集装置1平行的不锈钢绳4上；把抗拉伸、抗紫外线的面料5覆盖在不锈钢绳4与支撑横杆14之间，使覆盖后的面料横截面成“Y”形结构，“Y”形分叉在折边上用拉链连接的方式进行链接。 

把两条平行于柔性螺旋风力收集装置1的不锈钢绳4分上下与柔性螺旋风力收集装置1一起固定在两旁高杆7上，柔性螺旋风力收集装置1居中，并各与一个伸缩弹簧扭力器11连接后再与高杆7连接固定，伸缩弹簧扭力器11的作用是使柔性螺旋风力收集装置1能够随风的吹动自由移动。不锈钢绳4与支撑横杆14之间的覆盖膜5构成了柔性螺旋风力收集装置1的两翼，因为不锈钢绳4与高杆7之间通过松紧螺丝6连接拉紧，而柔性螺旋风力收集装置1与高杆7之间的连接加上了伸缩弹簧扭力器11，使得柔性螺旋风力收集装置1在风的作用下能向前移动。 

设定在高杆7上两不锈钢绳4到柔性螺旋风力收集装置1的固定距离应为实际上不锈钢绳4到连体轴承13的一半距离，装置在风的作用下就会形成漏斗状，两不锈钢绳4处为漏斗口，柔性螺旋风力收集装置1处于漏斗尾部，面料5所形成的两翼则起到了集风作用。柔性螺旋风力收集装置1在形成漏斗状时，两翼与柔性螺旋风力收集装置1的水平夹角应不大于45^o，通过调整菱形支架23夹角的大小，使“Y”型覆盖膜受风斜面运动方向与柔性螺旋风力收集装置1的切风面应在另一半螺旋半径3/4左右，以得到最好的效果，这种连接方法称为横挂式集风螺旋风力发电系统。 

如附图3所示本发明设计的伸缩弹簧扭力器11，为一圆筒状，筒身中心对称开一对纵向开口，能够让一个滑动横杆36在开口里自由上下滑动，开口外面覆盖弧面支撑板37固定，以增加圆筒的抗扭力作用，滑动横杆36在突出筒体的两端各加一滑动介子40并用螺母固定好，使滑动横杆36能在筒体内沿开口自由滑动而不脱落。滑动横杆36中心点与滑动绳38连接，圆筒内滑动绳38出口处盖上旋盖，旋盖中心装上小轴承43，滑动绳38通过轴承孔与一个O形连接环41连接，方便与柔性螺旋风力收集装置1的连接。 

在纵向开口另一端滑动横杆36上方近端口处固定一条设有中央带小滑轮47的固定横梁48，与滑动横杆36不在同一平面内，约成30⁰的交角，使连接滑动横杆36中心点与小滑轮47，再到圆筒底端U形弯管44的引绳45不会触碰到滑动横杆36。把经过小滑轮47的引绳45与一个弹簧46相连接，通过U形弯管44再连接回固定横梁48固定。在圆筒最底端沿筒壁处固定的U形弯管44强度必须能抵抗弹簧在它里面滑动所产生的压强，不会产生变形，引绳45长度必须长于纵向开口，固定横梁48上方加盖，并在圆筒外部焊接U形连杆39，用于与轴绳2的连接。 

上述实施方式1仅为本发明柔性螺旋风力收集装置1的其中一种横挂式的安装方法，通过其它不同的安装方法及结构，还能够得到不同的实施方式，如下所述。 

实施方式2 

如附图4所示为本发明柔性螺旋风力收集装置1安装在路灯的结构示意图，包括柔性螺旋风力收集装置1、面料5；柔性螺旋风力收集装置1上下两端通过支撑杆25安装在灯柱20上，面料5安装在柔性螺旋风力收集装置1迎风一侧，通过支撑杆25固定在柔性螺旋风力收集装置1和灯柱20上，与柔性螺旋风力收集装置1外侧半径成四分之三交角。而且，还可根据当地风能强弱装上一块或多块面料5，或者改变面料5的面积大小，以加强风能收集。更进一步的，面料5不仅可以用作集风，还可在其上面作广告宣传，柔性螺旋风力收集装置1所产生的电能供给路灯使用，十分环保耐用。

实施方式3 

在海岛、草原、边境、山林等需要看护和通信而空域广阔的地方，可以使用风筝、飞艇式悬空柔性螺旋风力收集装置1，做一个足够大的风筝式氢气或氦气充填飞艇101，飞艇101由头部、中部、尾部等至少三部分以上组合缝制而成，使飞艇101具有多个独立气室，提高安全性，并可视情况需要加装独立的气室。

将多个柔性螺旋风力收集装置1串联在一起，一端连接在飞艇101上，其另一端连接至地面上的抗拉脱万向轴承10上，并由轴承架固定在地面上，再连接变速器15及齿轮组等部件，为增强柔性螺旋风力收集装置1结构的稳定性和强度，用加强绳34把各相邻同一平面上的支撑架条28按顺序连接成一线，形成一个柱状体结构；把一个或多个发电机16连接到齿轮组上，通过自动开关控制发电机的最佳功率发电，电力存储于蓄电池待用。 

飞艇101的迎风面为硬质结构，外形为斜切45⁰圆柱体形成一个椭圆形的剖切面，剖切面迎风面覆盖光滑的面料，可用轻质的碳纤维复合材料做成“井”字结构骨架105，在“井”字形的四个平衡交点上分别联结一条足够强度的绳索作为提线106，约两倍椭圆直径后联结于一个抗拉脱万向轴承10的外圈固定，抗拉脱万向轴承10与柔性螺旋风力收集装置1相连接。在抗拉脱万向轴承10向飞艇101一面外圈上连接一个密闭防水的小型永磁发电机107，通过柔性螺旋风力收集装置1的旋转带动发电，供飞艇101上的电子监控通信设备使用。飞艇101迎风面左右提线两外侧各加一道顺风板，增加稳定性和升力。飞艇101正下方加一道向后的三角翼定风板，维持飞艇101的方向性和稳定性，在飞艇101前上方加一对机翼，可用高压充气机翼代替，外加固定绑带固定，用于增加飞艇101的扬力。 

当风力增大时，飞艇101的迎风面扬力增大。机翼也能使扬力增大。把悬挂式螺旋风力捕能器的口袋缝在向地面的一面，也可提供一部份的扬力，这样，增加的扬力就可抵消螺旋风力捕能器增加的向下拉力，保证悬挂式螺旋风力发电系统能正常悬空发电。在没有风筝飞艇情况下，把柔性螺旋风力收集装置1直接连接于高楼，高楼与地面也可以组成简单的悬挂式螺旋风力发电系统。 

实施方式4 

如附图6所示把两根高杆7迎风并列竖起，为增加高杆7的抗风强度，下层用倒“T”形支架固定，上层用钢绞线加松紧螺丝6与地面的地锚连接固定，把柔性螺旋风力收集装置1连接至略低于高杆7的高度，可以按需要连接一个或者多个，然后按横挂式螺旋风力发电系统护翼的安装方法安装面料5。用两高杆7代替两平行不锈钢绳4连接支撑杆25和菱形支架23上的绳子，柔性螺旋风力收集装置1从横挂方式变为直立方式。

正常工作时支撑杆25与菱形支架23的夹角小于90^o，支撑杆25和菱形支架23必须能承托起柔性螺旋风力收集装置1及自身重量而不变形，在连体轴承13处安装一个“一”字形的发夹式弹簧，分别连接支撑杆25和菱形支架23，使支撑杆25和菱形支架23静止时呈“一”字形，柔性螺旋风力收集装置1下部连接一个伸缩弹簧扭力器11，再与安装在一辆能前后移动的小车上的抗拉脱万向轴承10连接，抗拉脱万向轴承10用支架固定，再与变速箱、发电机相连发电。装置静止时呈凹形，当工作时截面以轴绳2为底部，两高杆7为顶部呈“Ｖ”形漏斗状。这种组合方式称为直立式集风螺旋风力发电系统。 

实施方式5 

如图7所示，以一点为中心，按需要的距离为半径作圆，圆上任意选取三点以上为坐标竖立起相同的高杆7，以两根高杆7为一组正向迎风；如东南风、西北风等经常性季风，即分别在东南、西北正向风的位置竖起相应的两组高杆7，高杆7和中心点的连线与风向的夹角以45^o为最佳位置。

又如附图8所示，以圆心为终点，把高杆7最高处连接的不锈钢绳4联结于圆心处的一个抗拉脱万向轴承10，不锈钢绳4近高杆7连接处连接松紧螺丝6拉紧。相邻高杆7之间最高处同样用不锈钢绳4加松紧螺丝6连接，在高杆7最高处连接成的多边形上，用抗紫外线、抗拉伸的面料5覆盖并与钢丝绳紧密连接一起，防止风能的逃逸。 

以两杆地面连线中心为起点，以不大于45^o 昂角向圆心延伸至中心的位置，按上述方法用不锈钢绳4水平固定另一个抗拉脱万向轴承10，在两轴承之间安装一个等高的柔性螺旋风力收集装置1，在高杆7与柔性螺旋风力收集装置1之间安装与直立式螺旋风力发电系统相同的集风翼，但不用挂上“一”字形发夹，每个集风翼上按同一方向排列次序装上三角形支架26，构成Y形集风膜27的单边迎风状态，三角形支架26最长边垂直连接轴承，另一端连接组成护翼的不锈钢绳4后连接于高杆7，连接轴承的另一边的边长略长于柔性螺旋风力收集装置1半径，另一边长工作时与柔性螺旋风力收集装置1切点，应在螺旋半径四分之三左右。在两高杆7地面连线，与轴承间连线的三角形上连接不锈钢绳4，用抗拉伸、抗紫外线的面料5覆盖。高杆7顶上杆与杆之间也用不锈钢绳4连接，同时用面料5覆盖，为增强装置的抗风性，可在迎风的两高杆7之间中轴线上再竖立一根高杆7，与柔性螺旋风力收集装置1上每节螺旋上的轴承相同高度的地方用钢丝绳连接轴承，高杆7再由钢丝绳与地面连接且用松紧螺丝6固定。 

进一步的，当在风向不能长时间固定方向的地方，可把高杆7在圆上的位置等距离排列，并适当增加高杆7的数量，使其有更多的迎风面收集风能。 

为使暴风来时保护装置，集风翼设计成可伸缩的挂式，即集风翼悬挂在高杆7与柔性螺旋风力收集装置1之间的钢绳上，用圆扣挂在钢绳上滑动，与支撑杆25和三角形支架26紧密连接，与高杆7连接时通过连接拉力感应器再与高杆7连接，设定拉力感应器的拉力在一定的范围，不超过集风翼的最大承受压力。 

当感应器超过设定拉力时，自动断开，护翼顺风的方向滑向柔性螺旋风力收集装置1，在近柔性螺旋风力收集装置1一端的钢绳上，固定一个单向的弹性倒勾，护翼可以正向通过弹性倒勾，但不能反向通过，必须人工帮助才能通过，这样护翼就能紧缩一起，自动减少受风面积，保护装置不被破坏。这种组合方式称为固定式多向集风螺旋风力发电系统。 

上述实施方式为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的实施范围，凡是依据本发明的内容所做的简单或者等效变动而形成的技术方案，均属于本发明权利要求所要求保护的范围。 

Claims (8)

1.柔性螺旋风力收集装置，其特征在于，包括一用作动力传送的轴绳以及一环绕在该轴绳上用于收集风力的螺旋形面料，所述螺旋形面料一侧设有若干支撑架条安装在轴绳上，其另一侧设有若干集风器，所述集风器绕螺旋面均匀设置，其安装面紧贴螺旋形面料，其迎风面设有一集风口。

2.根据权利要求1所述的柔性螺旋风力收集装置，其特征在于所述集风器横截面呈三角形。

3.根据权利要求2所述的柔性螺旋风力收集装置，其特征在于所述安装面一长边垂直于轴心，且该长边一端紧贴螺旋形面料边缘；所述集风口横截面呈等腰三角形，该等腰三角形短边靠外，以使等腰三角形的重心靠近螺旋形面料边缘。

4.根据权利要求1所述的柔性螺旋风力收集装置，其特征在于所述螺旋形面料上设有用于插接支撑架条的U型口袋。

5.螺旋风力发电系统，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的柔性螺旋风力收集装置，所述柔性螺旋风力收集装置横向串联安装，轴绳两端各连接一伸缩弹簧扭力器，该伸缩弹簧扭力器通过用支架固定的抗拉脱万向轴承连接至发电机组；所述柔性螺旋风力收集装置之间设有连体轴承进行连接。

6.根据权利要求5所述的螺旋风力发电系统，其特征在于所述连体轴承上固定一比柔性螺旋风力收集装置半径长的支撑杆，相邻的支撑杆之间用一根硬质支撑横杆连接，其尾部再各连接一根长度相同的绳子，所述绳子的另一端垂直连接在一根平行于柔性螺旋风力收集装置的不锈钢绳上；所述不锈钢绳与支撑横杆之间覆盖面料，并固定安装在绳子上。

7.根据权利要求6所述的螺旋风力发电系统，其特征在于所述连体轴承上设有一边长比柔性螺旋风力收集装置半径长的硬质菱形支架，所述菱形支架一锐角固接在连体轴承上，两钝角处各设有支撑横杆连接相邻的菱形支架的两钝角，其另一锐角连接一绳子，绳子连接到一与柔性螺旋风力收集装置平行的不锈钢绳上；在不锈钢绳及支撑横杆之间覆盖面料，并使安装之后的面料的横截面呈Y型。

8.根据权利要求5所述的螺旋风力发电系统，其特征在于所述伸缩弹簧扭力器包括外壳及一滑动横杆，所述滑动横杆插接于设在外壳上的对称纵向开口内，并可沿该开口滑动，其超出外壳的两端各固接一防止其横向移动的滑动介子和固定螺母；所述滑动横杆中心连接一滑动绳，该滑动绳另一端超出外壳，并通过外壳上的轴承通向壳外，其端部还设有一连接轴绳的连接环；滑动横杆上方固定安装一设有小滑轮的固定横梁，所述固定横梁上连接有弹簧，该弹簧另一端连接一引绳，该引绳另一端穿过设在纵向开口另一侧的U型弯管，再绕过设在固定横梁上的小滑轮与滑动绳相接，引绳长度长于纵向开口；所述滑动横杆与固定横梁不在同一平面上。

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