CN102705167A - 一种莲花型风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种莲花型风力发电装置，由主叶片、辅助叶片、发电机、莲花座和共轴管等部件构成。主叶片和发电机组成形状类似莲花花蕊，主叶片内侧边与发电机球形壳和共轴管表面连接，底边与莲花座上表面连接；辅助叶片形状类似莲花花瓣，与莲花座周表面连接，其本身可捕捉风能带动莲花座旋转，进而带动主叶片、发电机球形壳和转子部件旋转转换为电能，又可作为导风板，引导风流到主叶片，增大主叶片受风面的受风量，提高发电效率。本发明加入辅助叶片的结构设计理念，避免了传统风力发电装置“头重脚轻”现象，使整个装置结构平稳，运行安全可靠。本发明外形酷似莲花，具有多种积极向上的象征意义，适用于居民区和公共场所。

Description

一种莲花型风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电装置，尤其是涉及一种外形酷似莲花的风力发电装置。

背景技术

随着全球经济的不断发展和越来越严格的环保要求，近年来风电逐渐被很多领域重视并尝试开发利用，风电市场得到快速发展，年平均增长速度在30％以上。全世界许多风能充足的地区，风力发电的成本相对低廉，但往往都在地广人稀的地区，离用电量巨大的人口聚集地区较远，从而增加了电力输送成本；建设风力发电场需要占用很多的土地资源，就现在紧缺的土地资源来说无疑是亟待解决的问题，在这种情况下，风能与建筑一体化体现了创新性的设计理念，其运行费用相对较低，并大大减轻了电力远程输送的负担和损耗，既环保又节能。

开发风能会引起环境问题，如噪音、伤害鸟类、干扰通信、安全问题和影响视觉景观。视觉影响在实际规划时成为一种制约因素，对那些风景秀丽、经济发达和人口稠密的地区更是如此，这些限制了风能技术在公共场所中应用的发展。国外著名的旅游胜地迪拜、巴林的风能与建筑一体化设计中便考虑了人们的视觉感受。

传统垂直轴风力发电装置最常见的结构是Darrius风轮机，它应用了troposkien形状的弧形叶片。其它的垂直轴风力机应用了直叶片，这些叶片通过一个或多个叶片支撑臂连接到一根垂直轴上，物理结构“头重脚轻”，运行不稳定，噪音大，通常采用风力机顶部连接拉紧装置保证风力发电装置稳定性，直接影响美观，不适合用于城市公共场所。

US2010/0158673公开了一种艺术树型的风力发电装置，艺术树和垂直轴风力机结合，树干为圆筒形，迎风面处于敞开状态，多片半圆弧叶片安装于树干内，发电机位于树根部位，树干顶部安装有识别风向的风向仪。考虑人们视觉景观，本风力发电装置外形酷似树形，但增加了识别风向的风向仪，增加了制作成本和装置复杂性。

US2008/0007068公开了一种球形风力发电装置，叶片组成风轮为球形，发电机安装在中心轴底部。与传统垂直轴风力机的缺点一样，本装置承受旋转力的主轴过长，难于加工制作；其结构“头重脚轻”，运行不稳定，采用风力机顶部连接拉紧装置保证装置稳定性，直接影响美观。

CN201560895U公开了一种垂直轴风力发电涡轮机，发电机位于风能球内部，发电机球壳加固叶片，增加了叶片抗疲劳能力，但发电机位于叶片内部，减少了叶片受风面的受风量，发电能力下降。

CN101832224A公开了一种用于风力发电机的涡流风轮，风轮外形酷似风车，风叶翘曲呈U形，既能利用水平气流，也能利用上升气流使其叶轮转动，外形美观，与CN1643250A、US2011/0133474和CN201560895U专利中缺点相同，都未解决传统垂直轴风力机存在问题：主轴过长，难于加工制作；结构“头重脚轻”，运行不稳定，采用风力机顶部连接拉紧装置保证装置稳定性，直接影响美观，不用于城市公共场所。

本发明采用莲花座旋转取代绕中心轴旋转方式，避免了垂直轴风力发电装置中心轴过长难于加工的缺陷；加入导流叶片的结构设计理念，避免了传统垂直轴风力发电装置“头重脚轻”现象，使整个装置的结构平稳，运行安全可靠。

本发明有两种形式的叶片：主叶片和导流叶片，导流叶片既能捕获风能转化为电能，又能引导风流到主叶片受风面，增加主叶片的受风量，提高发电效率；主叶片的安装方式加固主叶片结构，增强其抗疲劳强度。同时考虑人们的视觉景观，本发明外形酷似莲花，莲花具有多种积极向上的象征意义，适用于交通工具、居民区和公共场所。

发明内容

本发明针对传统垂直轴风力发电装置在结构上的缺陷和发电效率低问题，考虑人们的视觉感受，大胆地综合现代流体力学的设计理念，创造性的提出了一种莲花型风力发电装置的发明构想。中华传统文化中，莲花作为和平、和谐、合作、合力、团结、联合等的象征，本发明以莲花为主题，适用于交通工具、居民区和公共场所。

本发明为一种莲花型风力发电装置，如图1和图2所示，该装置含有主叶片(1)、发电机(2)、共轴管(3)、莲花座(4)、导流叶片(5)、固定件(6)、紧固件(7)等部件。

主叶片(1)和导流叶片(2)形状采用数学公式及参数取值范围确定。如图3所示建立坐标系，主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right]\end{array}\right.,$ 如图4所示，其中：y₀∈(-∞，0]控制主叶片(1)最大弯度f，t为主叶片(1)最大弦长，主叶片中圆弧段(11)采用紧固件(7)安装于发电机球壳(18)表面，其曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-t)}^2=D^2\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}x\&Element;(0,+\&infin;),\frac{D}{t}<1\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0],y\&Element;[0,t]\end{array}\right.,$ D为发电机球壳(18)半径；主叶片下直面段(12)采用紧固件(7)与共轴管(3)连接，其直线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2=r^{21}\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中：r为共轴管(3)半径， $\left\{\begin{array}{c}\frac{r}{D}\&le;1\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0],y\&Element;[0,t]\end{array}\right.;$ 主叶片底面段(10)采用紧固件(7)与莲花座(4)上表面连接，这种连接方式能加固主叶片(1)结构，增强主叶片(1)抗疲劳强度，主叶片底面段(10)的直线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\\ z=l\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0),y\&Element;[0,t]\\ \frac{l}{D}<1\end{array}\right.;$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-t)}^2=t^2\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}x\&Element;(0,-\&infin;)\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0),y\&Element;[0,t]\end{array}\right.,$ 按上述数学描述制作的主叶片(1)组装后整体为球体形状，与发电机球壳(18)同一轴线，发电机(2)被包裹在主叶片(1)中心，两者组成构型类似莲花花蕊，主叶片(1)片数n为4～10片。

本风力发电装置的导流叶片(5)构型类似莲花花瓣，均匀安装在莲花座(4)周表面，如图5所示建立坐标系，莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-r′)²＝r′²，其中：z ∈[0，h]。r′为莲花座(4)半径，h为莲花座(4)高度；导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-r^{\&prime;})}^2=r^{\&prime;2}\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ r^{\&prime;}\sin \frac{2\mathrm{\&pi;}}{n}& 2r^{\&prime;}{\sin }^2\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}& h\\ r^{\&prime;}\cos (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{n})& r^{\&prime;}\sin (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{n})& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此曲线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)

的射线族，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r″²其中r″满足条件x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²＝r″²，与导流叶片曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。按上述数学描述制作的导流叶片(5)形状类似莲花花瓣构型，采用紧固件(7)安装在莲花座(4)的周围，导流叶片(5)片数与主叶片(1)片数相同，安装位置与主叶片(1)相互照应，与莲花座(4)周表面夹角可在30°～150°之间调整。

本风力发电装置发电机(2)外形设计成球形，包裹在主叶片(1)组成的球形体中心，同时发电机球壳(18)还起到固定主叶片作用，使本发明的整体结构美观、紧凑。如图6所示，发电机球壳(18)半径D与主叶片(1)最大弦长t之比D/t＜1；本风力发电装置的发电机(2)可以采用外转子式和内转子式两种，采用外转子式发电机的情况下，定子部件(22)由带中心轴(21)的十字支架(20)支撑，中心轴(21)穿过共轴管(3)进入莲花座(4)内，与固定件(6)连接，固定件结构如图7所示；转子部件(19)与发电机球壳(18)内表面采用卡环或焊接方式连接，其外半径L与发电机球壳(18)半径D之比L/D≤0.71。临近莲花盘(4)发电机球壳(18)部位设计有4～20个散热口，其半径与发电机球壳(18)半径D之比为0.02～0.1，利用自然风冷却发电机(2)，这样设计目的防止雨雪天引起发电机故障，同时利用自然风冷却发电机，节省能源。发电机球壳(18)也可作为机房使用，在十字支架(20)上装配稳压器、蓄电池等设备。

本风力发电装置的共轴管(3)与莲花座(4)、转子部件(19)、中心轴(21)、定子部件(22)共轴，其半径r与发电机球壳(18)半径D之比r/D ∈(0.01，0.5)，定子部件(22)的中心轴(21)穿过共轴管(3)、莲花座(4)和固定件(6)的中心轴插入孔，固定于固定件(6)上，共轴管(3)对本装置有承上起下的作用，使装置结构稳定。

本风力发电装置的莲花座(4)半径r″与主叶片(1)最大弦长t之比r″/t ∈[0.1，2]，高度h与主叶片(1)最大弦长t之比h/t∈[0.1，1]，莲花座(4)内设有旋转槽(23)，旋转槽(23)周围安装轴承，固定件(6)安装于轴承内，莲花座(4)绕固定件(6)旋转。

本风力发电装置的工作原理如下：均匀分布在莲花座(4)周表面的类似莲花花瓣导流叶片(5)，一方面可捕捉风能带动莲花座(4)旋转，进而带动主叶片(1)、发电机球壳(18)和转子部件(19)旋转转换为电能，另一方面又可作为导风板，引导风流到主叶片(1)，增加主叶片(1)受风面的受风量，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(主视)；

图2为本发明的结构示意图(俯视)；

图3为本发明的主叶片结构示意图(三维坐标系中)；

图4为本发明主叶片结构示意图(俯视)；

图5为本发明导流叶片结构示意图(三维坐标系中)；

图6为图1的截面结构示意图；

图7为图1的固定件截面结构示意图；

图8为建筑物顶部安装有图1所述的莲花型风力发电装置的结构示意图；

图9为安装有图1所述的莲花型风力发电装置供电的地面路灯结构示意图；

图10为安装有图1所述的莲花型风力发电装置供电的桥面路灯结构示意图；

图11为安装有图1所述的莲花型风力发电装置供电的汽车结构示意图；

图12为安装有图1所述的莲花型风力发电装置供电的帆船结构示意图；

图1-图12图号：

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于下述实施方案，凡是依据本发明作出的等效变化或修改，均应认为落入本发明的保护范围。

实施方式1：

本实施例以该装置为建筑物照明广告牌供电为应用背景，如图8所示，具体设计参数如下：主叶片(1)的最大弦长t为500mm、曲率f为250mm、片数n为6，发电机(2)半径D为250mm、共轴管(3)半径r为60mm、参数l为100mm，莲花座(4)半径r′为600mm、高度为300mm、参数r″为600mm，固定件(6)直径2000mm、高度500mm。

本实施例的主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-250)}^2+{(y-250)}^2={\left(250\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,1000}\right]\end{array}\right.,$ 主叶片中圆弧段(11)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-500)}^2={250}^2\\ {(x-250)}^2+{(y-250)}^2={\left(250\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片下直面段(12)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2={60}^2\\ {(x-250)}^2+{(y-250)}^2={\left(250\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片底面段(10)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-250)}^2+{(y-250)}^2={\left(250\right)}^2\\ z=100\end{array}\right.,$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-500)}^2={500}^2\\ {(x-250)}^2+{(y-250)}^2={\left(250\right)}^2\end{array}\right..$ 莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-600)²＝600²，导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-300)}^2={300}^2\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ 508.1& 300& 600\\ 300& 508.1& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此控制线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)，坐标为(259.8，150，300)的射线，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-150)²+(y-150)²+(z-300)²＝600²与导流叶片(5)曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。上述为主叶片(1)和导流叶片(5)形状数学描述和设计过程。

6片主叶片(1)均匀地安装在发电机球壳(18)上，主叶片(1)的顶端用紧固件(7)连接，发电机球壳(18)与主叶片中圆弧段(11)连接，主叶片(1)下直面段(12)与共轴管(3)表面连接，共轴管(3)底端和主叶片底面段(10)与莲花座(4)上表面连接，以上连接方式均采用紧固件(7)连接。主叶片(1)这种连接方式，增强主叶片(1)抗疲劳强度，发电机球壳(18)既有保护发电机内部构件作用又起到固定主叶片(1)作用，整个装置美观、结构紧凑。

导流叶片(5)构型类似莲花花瓣，均匀分布在莲花座(4)四周，主叶片(1)组装后整体为球体形状，与发电机球壳(18)同心，发电机(2)被包裹在主叶片(1)中心，两者组成构型类似莲花花蕊。导流叶片(5)片数与主叶片(1)片数相同，安装位置与主叶片(1)相互照应，与莲花座(4)周表面夹角为90°。导流叶片(5)受风面可以采集风，又可以引导风流到主叶片(1)，增大主叶片(1)受风面的受风量，提高发电效率。

本实施例发电机采用外转子式，定子部件(22)由带中心轴(21)的十字支架(20)支撑，中心轴(21)穿过共轴管(3)进入莲花座(4)和固定件(6)的中心轴插入孔(24)内，与固定件(6)连接；转子部件(19)与发电机球壳(18)内表面采用卡环或焊接方式连接，其外半径L与发电机球壳(18)半径D之比L/D＝0.7。4个直径为50mm圆形散热口平均分布在发电机球壳底部为0.25D区域。中心轴(21)与莲花座(4)同一轴线，莲花座(4)内旋转槽(23)内安装轴承，与固定件(6)连接，固定件(6)固定于建筑物(26)顶部，本装置与建筑物(26)迎风面墙体平齐，风作用于主叶片(1)和导流叶片(5)驱动莲花座(4)和发电机(2)的发电部件旋转发电，莲花座(4)承担本风力发电装置主要结构的重量。中心轴(21)上有刻槽，定子绕组电流引线穿过刻槽，将电流从莲花座(4)底部引出，引出的电流线与建筑物(26)顶部的照明广告牌(25)连接，为其供电。

实施方式2：

本实施例以该装置为砌砖沥青路面路灯供电为应用背景，如图9所示，具体设计参数如下：主叶片(1)的最大弦长t为400mm、曲率f为200mm、片数n为6，发电机(2)半径D为200mm、共轴管(3)半径r为48mm、参数l为80mm，莲花座(4)半径r′为480mm、高度为240mm、参数r″为500mm，固定件(6)直径1000mm、高度300mm，立柱直径800mm、高度5000mm。

本实施例的主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-200)}^2+{(y-200)}^2={\left(200\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,800}\right]\end{array}\right.,$ 主叶片中圆弧段(11)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-400)}^2={200}^2\\ {(x-200)}^2+{(y-200)}^2={\left(200\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片下直面段(12)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2={48}^2\\ {(x-200)}^2+{(y-200)}^2={\left(200\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片底面段(10)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-200)}^2+{(y-200)}^2={\left(200\right)}^2\\ z=50\end{array}\right.,$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-400)}^2={400}^2\\ {(x-200)}^2+{(y-200)}^2={\left(200\right)}^2\end{array}\right..$ 莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-480)²＝480²，导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-480)}^2={480}^2\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ 385.3& 240& 480\\ 240& 385.3& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此控制线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)，坐标为(385.3，240，480)的射线，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-120)²+(y-120)²+(z-240)²＝480²与导流叶片(5)曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。上述为主叶片(1)和导流叶片(5)形状数学描述和设计过程。

本实施例发电机采用外转子式，中心轴(21)上有刻槽，定子绕组电流引线穿过刻槽，将电流从莲花座(4)和固定件(6)底部引出，引出的电流线与LED路灯(28)连接，为其供电。在砌砖沥青路面(30)的下面，安装有混泥土基座(32)和带有活动盖(29)的箱子，箱子内安装有蓄电池(30)，用来储备莲花型风力发电装置(27)白天发出的风电，以供晚上LED路灯(28)照明使用。其它内容同实施方案1。

实施方式3：

本实施例以该装置为大桥路面路灯供电为应用背景，如图10所示，具体设计参数如下：主叶片(1)的最大弦长t为1200mm、曲率f为500mm、片数n为10，发电机(2)半径D为300mm、共轴管(3)半径r为144mm、参数l为240mm，莲花座(4)半径r′为1500mm、高度为700mm、参数r″为1500mm，固定件(6)直径3000mm、高度300mm，立柱直径2000mm、高度5000mm。

本实施例的主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-600)}^2+{(y-600)}^2={\left(600\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2400}\right]\end{array}\right.,$ 主叶片中圆弧段(11)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-1200)}^2={300}^2\\ {(x-600)}^2+{(y-500)}^2={\left(600\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片下直面段(12)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2={144}^2\\ {(x-600)}^2+{(y-500)}^2={\left(600\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片底面段(10)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-600)}^2+{(y-500)}^2={\left(600\right)}^2\\ z=150\end{array}\right.,$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-600)}^2={600}^2\\ {(x-600)}^2+{(y-500)}^2={\left(600\right)}^2\end{array}\right..$ 莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-1500)²＝1500²，导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-1500)}^2={1500}^2\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ 1350.8& 750& 1500\\ 750& 1350.8& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此控制线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)，坐标为(1350.8，750，1500)的射线，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-600)²+(y-600)²+(z-800)²＝1500²与导流叶片(5)曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。上述为主叶片(1)和导流叶片(5)形状数学描述和设计过程。

本实施例发电机采用内转子式，中心轴(21)上有刻槽，定子绕组电流引线穿过刻槽，将电流从莲花座(4)和固定件(6)底部引出，引出的电流线与两盏LED路灯(28)连接，为其供电。为装饰街道、美化城市，且又不影响风轮采集风的能力，在主叶片(1)和导流叶片(5)的背风面边缘安装彩灯(38)，彩灯(38)电流线从发电机球壳(18)上的散热口引出。为解决支撑本装置立柱占地面积过大问题，把立柱设计在支撑桥面(34)的桥墩(35)和支座(36)的上面，立柱靠近桥面(34)路面一侧与栏杆(39)平齐。本实施例中发电机球壳(18)内安装蓄电池(30)，用来储备装置(27)白天发出的风电，以供晚上LED路灯(28)和彩灯(38)照明使用。其它内容同实施方案1。

实施方式4：

本实施例以新能源汽车为应用背景，如图11所示，具体设计参数如下：主叶片(1)的最大弦长t为100mm、曲率f为50mm、片数n为6，发电机(2)半径D为30mm、共轴管(3)半径r为10mm、参数l为20mm，莲花座(4)半径r′为120mm、高度为55mm、参数r″为50mm，固定件(6)直径300mm、高度50mm。

本实施例的主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-50)}^2+{(y-50)}^2={\left(50\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,100}\right]\end{array}\right.,$ 主叶片中圆弧段(11)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-100)}^2={30}^2\\ {(x-50)}^2+{(y-50)}^2={\left(50\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片下直面段(12)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2={10}^2\\ {(x-50)}^2+{(y-50)}^2={\left(50\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片底面段(10)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-50)}^2+{(y-50)}^2={\left(50\right)}^2\\ z=10\end{array}\right.,$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-100)}^2={100}^2\\ {(x-50)}^2+{(y-50)}^2={\left(50\right)}^2\end{array}\right..$ 莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-120)²＝120²，导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-120)}^2={120}^2\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ 110.2& 50& 120\\ 120& 110.2& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此控制线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)，坐标为(110.2，50，120)的射线，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-100)²+(y-100)²+(z-80)²＝100²与导流叶片(5)曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。上述为主叶片(1)和导流叶片(5)形状数学描述和设计过程。

资料显示，汽车高速行驶时风力很大，在车上安装风力发电装置和风轮，借助风力使风轮旋转，风轮带动发电机发电为电瓶充电并驱动汽车，实现零排放的新能源汽车是可行的。然而，多数风力电动车都是在车上加装风力发电装置，风轮外露，车头前酷似飞机的螺旋桨，比较简陋，人们视觉感受很难接受，而且增加汽车行驶时风阻力，发出来的电力能不能抵消增加的阻力都是未知。为了不改变汽车造型，不增加汽车行驶时候的风阻力，本风力发电装置安装在车头部，自然吸气式发动机的进气口处，外露作为莲花型装饰品；也可以安装在引擎盖下，或者其它位置，充放电控制系统和电瓶安装在车体内。其它内容同实施方案1。

本实施例中的风力发电装置风轮缩小约为实施方式1中风轮的10倍，叶片扫风面积减小约10倍，但汽车高速行驶时风速会比实际风速高两倍以上，理论上，风能与风速的立方成正比，与叶片扫风面积一次方成正比，所以只要风速比实际风速高出两倍以上，本实施例中的风力发电装置发电量就会和实施方式1中发电量相当，甚至会更高。

实施方式5：

本实施例以该装置为帆船供电为应用背景，如图12所示，具体设计参数如下：主叶片(1)的最大弦长t为1000mm、曲率f为250mm、片数n为4，发电机(2)半径D为200mm、共轴管(3)半径r为80mm、参数l为150mm，莲花座(4)半径r′为1000mm、高度为500mm、参数r″为1500mm，固定件(6)直径2000mm、高度300mm，桅杆(40)直径800mm、高度3000mm。

本实施例的主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-500)}^2+{(y-250)}^2={\left(500\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,1000}\right]\end{array}\right.,$ 主叶片中圆弧段(11)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-1000)}^2={200}^2\\ {(x-500)}^2+{(y-250)}^2={\left(500\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片下直面段(12)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2={80}^2\\ {(x-500)}^2+{(y-250)}^2={\left(500\right)}^2\end{array}\right.,$ 主叶片底面段(10)直线数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-500)}^2+{(y-250)}^2={\left(500\right)}^2\\ z=150\end{array}\right.,$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-500)}^2={500}^2\\ {(x-500)}^2+{(y-250)}^2={\left(500\right)}^2\end{array}\right..$ 莲花座(4)形状的数学表达式为x²+(y-1000)²＝1000²，导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-1000)}^2={1000}^2\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ 650.4& 500& 1000\\ 500& 650.4& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将此控制线(14)沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)，坐标为(650.4，500，1000)的射线，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-600)²+(y-600)²+(z-500)²＝1000²与导流叶片(5)曲面的交线为导流叶片边缘线(16)。上述为主叶片(1)和导流叶片(5)形状数学描述和设计过程。

本实施例发电机采用外转子式，船体(41)中间位置上的桅杆(40)顶部安装莲花型风力发电装置(27)，中心轴(21)上有刻槽，定子绕组电流引线穿过刻槽，将电流从莲花座(4)和固定件(6)底部引出，引出的电流线穿过桅杆(40)为帆船供电，充放电控制系统和电瓶安装在船体(41)内。其它内容同实施方案1。

Claims (7)

1.一种莲花型风力发电装置，其特征在于：该风力发电装置含有主叶片(1)、发电机(2)、共轴管(3)、莲花座(4)、导流叶片(5)、固定件(6)等部件。

2.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的主叶片(1)和发电机(2)组成形状类似莲花花蕊构型，主叶片(1)片数n为4～10，主叶片曲面(8)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right]\end{array}\right.,$ 其中：y₀∈(-∞，0]控制主叶片(1)最大曲率f，t为主叶片(1)最大弦长，主叶片中圆弧段(11)采用紧固件(7)垂直安装于发电机球壳(18)表面，其曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-t)}^2=D^2\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}x\&Element;(0,+\&infin;),\frac{D}{t}<1\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0],y\&Element;[0,t]\end{array}\right.,$ D为发电机球壳(18)半径；主叶片下直面段(12)采用紧固件(7)与共轴管(3)连接，其直线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2=r^{21}\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中：r为共轴管(3)的半径，且 $\left\{\begin{array}{c}\frac{r}{D}\&le;1\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0],y\&Element;[0,t]\end{array}\right.;$ 主叶片底面段(10)采用紧固件(7)与莲花座(4)上表面连接，其直线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\\ z=l\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0),y\&Element;[0,t]\\ \frac{l}{D}<1\end{array}\right.:$ 主叶片边缘面(9)曲线形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2+{(z-t)}^2=t^2\\ {(x-\frac{t}{2})}^2+{(y-y_0)}^2={\left(\frac{t}{2}\right)}^2\end{array}\right.,$ 其中： $\left\{\begin{array}{c}x\&Element;(0,-\&infin;)\\ z\&Element;\left[\mathrm{0,2}t\right],y_0\&Element;(-\&infin;,0),y\&Element;[0,t]\end{array}\right.,$ 上述描述是主叶片设计过程和制作方法。

3.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的导流叶片(5)形状类似莲花花瓣构型，莲花座形状的数学表达式为x²+(y-r′)²＝r′²，其中：z ∈[0，h]，r′为莲花座半径，h为莲花座高度；导流叶片曲面控制线(14)形状数学描述为 $\left\{\begin{array}{c}{x}^2+{(y-r^{\&prime;})}^2=r^{\&prime;2}\\ \left|\begin{array}{ccc}x& y& z\\ r^{\&prime;}\sin \frac{2\mathrm{\&pi;}}{n}& 2r^{\&prime;}{\sin }^2\frac{\mathrm{\&pi;}}{n}& h\\ r^{\&prime;}\cos (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{n})& r^{\&prime;}\sin (\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\frac{\mathrm{\&pi;}}{n})& 0\end{array}\right|=0\end{array}\right.,$ 将其沿引导线(17)拉伸，即为导流叶片的曲面形状，引导线(17)为经过导流叶片前缘点(13)的射线族，经过导流叶片后缘点(15)的球体(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝r″²，其中：r″满足条件x₀ ²+y₀ ²+z₀ ²＝r″²，与导流叶片曲面的交线为导流叶片边缘线(16)，导流叶片(5)数与主叶片(1)片数相同，安装位置与主叶片(1)相互照应，导流叶片(5)与莲花座(4)周表面夹角可在30°～150°之间调整。

4.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的发电机(2)外壳形状为球形，其半径D与主叶片(1)最大弦长t之比D/t＜1，转子部件(19)外半径L与D之比L/D≤0.71，临近莲花盘(4)发电机球壳(18)部位设计有4～20个散热口，其半径与发电机球壳(18)半径D之比为0.02～0.1，利用自然风冷却发电机(2)。

5.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的莲花座(4)半径r″与主叶片(1)最大弦长t之比r″/t∈[0.1，2]，高度h与主叶片(1)最大弦长t之比h/t∈[0.1，1]，莲花座(4)内设有旋转槽(23)，旋转槽(23)内安装轴承，固定件(6)伸入轴承内，莲花座(4)绕固定件(6)旋转。

6.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的共轴管(3)半径r与发电机球壳(18)半径D之比r/D ∈(0.01，0.5)，与莲花座(4)、转子部件(19)、定子部件(22)共轴，带有十字支架(20)的中心轴(21)穿过共轴管(3)、莲花座(4)和固定件(6)的中心轴插入孔(24)，与固定件(6)连接。

7.根据权利要求1所述的莲花型风力发电装置，其特征在于：所述的导流叶片(5)捕捉风能带动莲花座(4)旋转，进而带动主叶片(1)、发电机球壳(18)和转子部件(19)旋转转换为电能，又可作为导风板，引导风流到主叶片(1)，增加主叶片(1)受风面的受风量，提高发电效率。

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