CN108757302B - 一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，包括捕能风扇、上螺旋臂、下螺旋臂、支撑柱、横向连接柱、永磁体和能量转换装置；所述螺旋臂为上下倒放相连的两螺旋空心管结构，为整个装置的框架，用于依放所述捕能风扇及能量转换装置；所述捕能风扇是材料为碳纤维的轻质风扇，依附于所属螺旋臂之上，用于捕获大气垂向气流；所述能量转换装置放置于所述螺旋臂空心管内，用于将捕获的风的动能转换成电能；所述支撑柱是与所述螺旋臂相同材质的结构，用于支撑与固定整个装置。本发明利用垂直气流带动风扇转动所提供的动能，经过一系列步骤转化为电能，以清洁、环保的途径发电，对于自然大气运动所蕴藏资源充分的利用。

Description

一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法

技术领域

本发明涉及环境科学技术、生态修复技术领域，具体为一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法。

背景技术

由于传统能源，主要为化石能源，包括煤、石油、天然气的大量使用，所排放的废气会带来许多严重的环境污染现象，如造成酸雨、气候变暖、光化学烟雾等各种全球性的环境问题。

现在对于新型清洁能源的开发、使用的趋势越来越强烈，清洁能源即绿色能源，是指不排放污染物、能够直接用于生产生活的能源，它包括核能和“可再生能源”。

可再生能源，是指原材料可以再生的能源，如水能、风能、太阳能、生物能(沼气)、地热能(包括地源和水源)、海潮能等能源。

清洁能源中的风能是一种易捕捉、无二次污染的能源，对于风能最成熟的利用技术是风力发电技术，原理是通过风力发电装置将风能捕捉后，利用风力带动装置风车叶片旋转，把风的动能转变成机械能，再将机械能转化为电能，来实现风力发电效果。

由于我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，而风能本身无公害、取之不尽用之不竭，对于风力发电技术的探索一直处于热门话题。

风是范指大气的水平运动，风的形成是太阳辐射到地球表面，由于地表差异所致辐射不均，所导致的气块的规则运动，表现为大气气流持续流动的结果。传统的风力发电技术，主要是捕捉水平方向的气流动能，主要装置是风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。

自然状态下的气流运动，分为水平方向与垂直方向，从科学的角度来看，风常指空气的水平运动分量，现有的风力发电装置能够高效的捕获水平方向气流流动形成的风的动能。

而除了水平方向气流流动以外，气流还有垂直方向的分运动，太阳辐射使地表温度上升，接近地面的气流受热膨胀而上升，而热空气上升后，低温的冷空气横向流入，上升的空气因逐渐冷却变重而降落，由于地表温度较高又会加热是空气上升，这样就形成了空气的垂直对流运动，而现有的风力发电装置并没有对于这部分气流进行利用。

风力发电技术目前已经发展得比较成熟，然而由于对风能捕捉效率要求较高，传统风力发电装置大多需要设置在平原、高原等障碍少、风能资源高的地区，风车装置较大型，整体运行占地面积很大，并且局限于对于水平气流的捕捉。

鉴于以上所述大气气流运动原理情况以及现有风力发电仅仅开发利用水平风能资源的现状，如果能够设置出一类捕捉大气垂直方向气流运动动能的装置，并且该装置捕获气流的动能不受到过多地形限制、占地面积不过大，那么对于大气气流动能发电这种清洁能源的开发应用将会更加全面和充分，原理上分析，该种资源的利用“零排放”，不会对环境造成二次污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，利用垂直气流带动风扇转动所提供的动能，经过一系列步骤转化为电能，以清洁、环保的途径发电，对于自然大气运动所蕴藏资源充分的利用，以解决上述背景技术中已有风力发电装置体型较大、整体运行占地面积大、受地形限制、对于垂直气流没有设置捕捉等不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，包括捕能风扇、上螺旋臂、下螺旋臂、支撑柱、横向连接柱、永磁体和能量转换装置；

所述上螺旋臂和下螺旋臂为上下倒放相连的两螺旋空心管结构，为整个装置的框架，用于依放所述捕能风扇及能量转换装置，材料为不锈钢，焊接，并加以喷塑处理；

所述捕能风扇的材料为碳纤维的轻质风扇，依附于所属的上螺旋臂和下螺旋臂上，用于捕获大气垂向气流；

所述永磁体和能量转换装置放置于所述上螺旋臂和下螺旋臂的空心管内，用于将捕获的风的动能转换成电能；

所述支撑柱与所述上螺旋臂和下螺旋臂相同材质的结构，分为中央支撑住、纵向连接柱及横向连接柱三种，用于支撑和固定整个装置。

优选的，所述上螺旋臂和下螺旋臂为一种上下倒置连接的螺旋空心管结构，形成的半球面体，其整体高为1.5米，螺旋圈数及宽度根据装置风扇数确定，可根据实际工作情况进行微调。

优选的，所述捕能风扇为一种碳纤维材料的轻质风扇，外圈风扇直径规格为20cm，内圈风扇直径为10cm，风扇独立生产，每组装置风扇数量可根据实际工作情况确定，组装时满足相互间无空隙，能够最大效率捕获风能。

优选的，所述支撑柱插入地面，而后连接所述上螺旋臂和下螺旋臂，其支撑柱中的纵向连接柱固定于下螺旋臂最底层螺旋处，相互间隔120°。

优选的，所述捕能风扇依据实际地形情况，固定于上螺旋臂和下螺旋臂每圈的螺旋上，其外圈捕能风扇固定于螺旋外圈，内圈捕能风扇固定于螺旋内圈。

本发明提供另一种技术方案为：一种用于捕获大气垂向气流运动动能的方法，包括以下步骤：

S1：按上述连接关系，将装置内的各个组件组装好，并将支撑柱插入地表面，固定好整个装置；

S2：下螺旋臂上的捕能风扇与地表部分受热膨胀的垂向气流接触，带动扇叶转动，由此捕获了上升气流的动能；

S3：当扇叶转动捕获到垂直气流的动能后，会切割下螺旋臂空心管内配置的永磁体的磁感线，产生电流，经过能量转换装置收集后进行储存或者直接利用；

S4：受热膨胀上升的部分气流在高空遇冷空气后会下降，下降的这部分气流带动上螺旋臂上的捕能风扇扇叶转动，由此收集下降部分气流的动能，其上螺旋臂上的捕能风扇的设置以及空心管内部各装置相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，利用风力动能发电的原理，捕捉垂直气流用于发电，极大的完善现有风力发电装置的仅仅利用水平风能的状况。

2、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，由于捕捉的气流较弱且规律性较差，本发明整体体积不会过大，占地面积较小，且装机容量较小，但是可以不受地形、地貌等限制、可以形成一个个小型“充电桩”(电能储蓄电池)，原位发电原位使用，发电后利用形式多样，利于展开“小型发电点源+各种利用”小的清洁能源利用方式。

3、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，风扇所使用的碳纤维材料为轻质、环保的材料，在投入使用时不会对环境产生污染。

4、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，风扇的密集放置以及内外双层风扇能够充分捕获垂直气流。

5、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，风扇的轻质扇叶材料，使风扇工作时启动风速小，利于捕能。

6、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，螺旋臂的设置能够使装置整体较美观，且充分利用空间，减少交叉连接，使风扇工作时，相互不会造成影响。

7、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，螺旋臂上下倒置的设置，能够将受热上升及遇冷下降的气流都高效的进行捕捉，尤其是白天上升为主的气流和夜间的下降为主的气流都能够充分利用，而且也会将不规则的湍流(垂直分量)利用起来。

8、本用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，多发电机的设置以及风扇固定规格、单独工作，运行过程中如果有损坏，易维护、替换，不会对装置整体造成太大影响。

附图说明

图1为本发明整体结构正视图；

图2为本发明的整体结构俯视图；

图3为本发明的捕能风扇示意图。

图中：1捕能风扇、2上螺旋臂、3下螺旋臂、4支撑柱、5横向连接柱、6永磁体、7能量转换装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-3，本发明实施例中：提供一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，包括捕能风扇1、上螺旋臂2、下螺旋臂3、支撑柱4、横向连接柱5、永磁体6和能量转换装置7；

其中，上螺旋臂2和下螺旋臂3是本装置主体，是诸多捕能风扇1的支撑结构，是由空心管制成的呈现环绕一条垂直于地表向上的中心线，而形成的上螺旋臂2和下螺旋臂3旋绕的相对应的双半球面体结构，装置外观表现为由底部向上，螺旋内径逐渐减小，围绕中心柱至旋绕最狭窄处后又向上逐渐展开，即螺旋内径逐渐增大，整体状若沙漏的外貌，上螺旋臂2和下螺旋臂3内外两侧均连接捕能风扇1，相邻悬臂间隔为所夹捕能风扇1直径之和，目的在于保证垂直气流通过上螺旋臂2和下螺旋臂3之间的捕能风扇1时，既不会存在漏气缝隙也不会存在风扇间遮挡等风能损耗问题；螺旋的空心管结构内部空间用于设置永磁体6、能量转换装置7和导线等，并将各“捕能-发电”单元所得电能汇集后导出本装置；上螺旋臂2和下螺旋臂3形成的半球面体推荐整体高约1.5米，螺旋圈数及宽度根据装置风扇数确定，为了能够将地表受热膨胀上升的气流以及上空遇冷下降的气流动能充分捕捉，每套装置的细节结构是由两套螺旋半球面体组成，下部的“大口”朝下，上部的“大口”朝上，二者“顶-底”相交而连接，由下至上呈现为，“粗旋-细旋-粗旋”的状若沙漏型的外观，装置的中部，即“细旋”处是互相连接的一体化设计，但应有一定距离不设置捕能风扇1，防止上下气流间相互产生干扰影响，为了防止野外工作时的高强度风吹日晒雨淋等自然过程损坏内部元件，上螺旋臂2和下螺旋臂3的材料为不锈钢，焊接，并加以喷塑处理，为增加整体结构稳定性，每圈螺旋与中央支撑柱之间设置若干横向连接。

其中，捕能风扇1分别置于上螺旋臂2和下螺旋臂3两侧，即沿臂外圈以及内圈，风扇的规格为外圈风扇内径20cm左右，内圈风扇间距10cm左右(也就是悬臂间距30cm左右)，捕能风扇1的中心轴部设置支柱固定于螺旋臂每圈螺旋上，扇叶水平放置，以充分捕获受热向上及遇冷下降的气流，流动的气流与风扇接触后，带动扇叶转动，以此捕获气流的动能，捕获到的气流的动能经过机械结构的能量传递，传导至悬臂内部进行“动能-电能”转化；每圈螺旋内外水平固定两圈风扇，而螺旋臂尖端与中央支撑柱连接不设置风扇，总风扇数视实际工作情况以及螺旋内径而定，固定于同一圈螺旋的风扇间需要紧密排列，垂向上互不遮挡，也不存在较大孔隙，以提高气流动能的捕获效率，由于垂直运动的气流较为微弱，风扇扇叶需要用轻质、易启动转动的材料，且野外工作时需要防止风吹日晒造成的损坏，并且在投入使用后，不能对环境造成二次污染，所以扇叶的材料推荐设置为碳纤维，每个风扇运作时为独立的单元，相互间运行时应不造成影响，实际运作时如果有损坏应该能够及时更换。

其中，能量转换装置7是用于将捕能风扇1捕捉到的气流的动能转换成电能而发电的装置，风扇转动会带动所连接的转子转动，切割内置永磁体6的磁感线，根据电磁感应原理，转子线圈中会产生电流，产生的电流经过收集后进行储存或者直接利用，由于上下两组螺旋臂捕捉的分别是受热上升和遇冷下降的两股方向相反的气流，即可以充分捕获昼间为主的上升气流和夜间为主的下降气流，因此其效率较高；但也会导致风扇转动方向相反而切割方向相反，这样上下两组所获得电流的方向也会相反，所以应该注意区分利用，捕能风扇1设置反转阻尼，保证始终朝一个方向旋转，也保证产生的电流方向一致，考虑到空间的利用问题，发电单元(永磁体6等)可固定于上螺旋臂2和下螺旋臂3的空心管内部，捕能风扇1通过机械传导，将动能导至管内发电单元后发电(本装置以此为主说明)，或者，也可以将发电单元整合于每个捕能风扇1处，发电后通过管内导线导出整体装置后利用.

其中，支撑柱4包括中央支撑柱、纵向支撑柱及横向连接柱5，中央支撑柱为整个装置的固定以及支撑，与各横向连接柱5相接并插入地下，根据实际生产的需求可调整其长度，但需要足够的上下螺旋臂依附；纵向连接柱一共三根，相互间隔120°固定于下螺旋臂最底层螺旋处，与地面相连接，用于增加装置的稳定性；横向连接柱5是每圈螺旋与中央支撑柱相连接的装置，与螺旋臂同为空心管结构，内部有用于传输电流的导线等传输装置，横向连接柱5在传输电流的同时，对于螺旋臂也起到一定的支撑、固定作用；所有支撑柱的材质均与螺旋臂材质相同，或为更强力的高硬度、绝热、耐久、环保的材质。

实施例2：

基于上述实施例1描述，本发明提供另一种实施方案为：一种用于捕获大气垂向气流运动动能的方法，首先，按实施例1中的连接关系，将装置内的各个组件组装好，并将支撑柱4插入地表面，固定好整个装置；

昼间，太阳辐射强烈，地表被持续加热，垂向气流的运动以地表部分气流受热膨胀向上为主，气流在上升过程中会与下螺旋臂3上的捕能风扇1接触，由于捕能风扇1轻质、启动风速小，极微弱的气流就能带动扇叶转动，上升的气流会带动捕能风扇1的扇叶转动，由此捕获了上升气流的动能，下螺旋臂3是一种上小下大的分层空心管状螺旋结构，可根据当地日照强度、地理位置调整层数，下螺旋臂3每一层螺旋内外均紧密排列规格一致的捕能风扇1，相邻悬臂间隔为所夹两个捕能风扇1直径之和，通过此种排布方式保证每个捕能风扇1占有一定的独立空间，既不会相互遮挡也不会有空间上的浪费，保证垂直气流通过下螺旋臂3间捕能风扇1时，既不会存在漏气缝隙也不会存在风扇间遮挡等风能损耗问题；以发电单元置于空心管内为例，当扇叶转动捕获到垂直气流的动能后，会切割下螺旋臂3空心管内配置的永磁体6的磁感线，根据电磁感应原理，转子线圈中会产生电流，产生的电流经过能量转换装置7收集后进行储存或者直接利用；

此外，昼间受热膨胀上升的部分气流在高空遇冷空气后会下降，下降的这部分气流带动上螺旋臂2上的捕能风扇1扇叶转动，由此收集下降部分气流的动能，上螺旋臂2上捕能风扇1的设置以及空心管内部各装置基本相同，但由于上下气流方向相反导致风扇转动方向相反而切割方向相反，这样上下两组所获得电流的方向也会相反，所以应该注意区分利用；捕能风扇1设置反转阻尼，保证始终朝一个方向旋转，也保证产生的电流方向一致；上螺旋臂2与下螺旋臂3的尖端都与支撑柱4中的中央支撑柱相衔接，而每圈螺旋臂与中央支撑柱之间有横向连接柱5，横向连接柱5是与螺旋臂相同材质的空心管，内置能量转换装置7；在实际工作中，横向连接柱5的规格、数量与中央支撑柱的规格可根据当地情况以及螺旋臂的规格而定，但需要足够上下螺旋臂依附，在组装时，两螺旋尖端需留有一定距离，横向连接柱5需要有足够的强度和数量以支撑每圈螺旋；

夜间，温度较低，垂向气流运动主要以受冷下降为主，此时主要工作为上螺旋臂2，工作原理与昼间相同，而夜间地面极少数上升的气流由下螺旋臂3接受，昼夜交替上螺旋臂2和下螺旋臂3分别工作，保证高效利用垂向运动的气流，所捕获的上升与下降气流分别转换的电能应注意区分储存和使用。

综上所述：本发明提供的一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置及方法，针对已有风力发电装置体型较大、整体运行占地面积大、受地形限制、对于垂直气流没有设置捕捉等不足，本发明利用垂直气流带动风扇转动所提供的动能，经过一系列步骤转化为电能，以清洁、环保的途径发电，对于自然大气运动所蕴藏资源充分的利用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，其特征在于，包括捕能风扇(1)、上螺旋臂(2)、下螺旋臂(3)、支撑柱(4)、横向连接柱(5)、永磁体(6)和能量转换装置(7)；

所述上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)为上下倒放相连的两螺旋空心管结构，为整个装置的框架，用于依放所述捕能风扇(1)及能量转换装置(2)，材料为不锈钢，焊接，并加以喷塑处理；

所述捕能风扇(1)的材料为碳纤维的轻质风扇，依附于所属的上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)上，用于捕获大气垂向气流；

所述永磁体(6)和能量转换装置(7)放置于所述上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)的空心管内，用于将捕获的风的动能转换成电能；

所述支撑柱(4)与所述上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)均为相同材质的结构，分为中央支撑住、纵向连接柱及横向连接柱(5)三种，用于支撑和固定整个装置。

2.如权利要求1所述的一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，其特征在于：所述上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)形成的半球面体，其整体高为1.5米，螺旋圈数及宽度根据装置风扇数确定，可根据实际工作情况进行微调。

3.如权利要求1所述的一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，其特征在于：所述捕能风扇(1)的外圈风扇直径规格为20cm，内圈风扇直径为10cm，风扇独立生产，每组装置风扇数量可根据实际工作情况确定，组装时满足相互间无空隙，能够最大效率捕获风能。

4.如权利要求1所述的一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，其特征在于：所述支撑柱(4)插入地面，而后连接所述上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)，其支撑柱(4)中的纵向连接柱固定于下螺旋臂(3)最底层螺旋处，相互间隔120°。

5.如权利要求1所述的一种用于捕获大气垂向气流运动动能的装置，其特征在于：所述捕能风扇(1)依据实际地形情况，固定于上螺旋臂(2)和下螺旋臂(3)每圈的螺旋上，其外圈捕能风扇(1)固定于螺旋外圈，内圈捕能风扇(1)固定于螺旋内圈。

6.一种如权利要求1所述的用于捕获大气垂向气流运动动能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：按上述连接关系，将装置内的各个组件组装好，并将支撑柱(4)插入地表面，固定好整个装置；

S2：下螺旋臂(3)上的捕能风扇(1)与地表部分受热膨胀的垂向气流接触，带动扇叶转动，由此捕获了上升气流的动能；

S3：当扇叶转动捕获到垂直气流的动能后，会切割下螺旋臂(3)空心管内配置的永磁体(6)的磁感线，产生电流，经过能量转换装置(7)收集后进行储存或者直接利用；

S4：受热膨胀上升的部分气流在高空遇冷空气后会下降，下降的这部分气流带动上螺旋臂(2)上的捕能风扇(1)扇叶转动，由此收集下降部分气流的动能，其上螺旋臂(2)上的捕能风扇(1)以及空心管内部各装置的结构设置与所述下螺旋臂(3)中的结构设置均相同。