CN117307399A - 一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术 - Google Patents

Abstract

近代风力发电机的主要发展方向是巨型三叶式“水平轴升力式风力发电机”技术，但在研究中发现，现有的升力式风力发电理论存在一些缺陷。基于升力公式可知，升力=升力系数×机翼面积×飞行动压。那么，理论上来说，在包括风速（飞行速度）和其他条件不变的前提下，机翼面积（叶片面积）越大，所能获得的升力（风能利用率）就应该越大。而近代风力发电理论中，叶片面积越大，或是叶轮上的叶片越多，风能利用率不升反降，这与升力公式不符。在后续研究中发现，很多人在设计风力发电机叶片时将叶轮视为一个静态结构，忽视了叶片与空气来流是处于一个相对运动的关系。同时，升力式风力发电机塔架结构相当于一个省力杠杆结构，如果风力发电机的风能利用率越大，则这个杠杆结构所承受的力矩就越大，这种设计不利于风力发电机的发展。为了解决上述问题，发明人提出本发明。

Description

一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术

技术领域

本发明属于风能利用领域，具体的说是一种针对复杂气流环境(风力发电机范围内存在大量扰流和湍流)开发的立体悬索式风力发电机技术。

背景技术

风能是一种绿色环保可再生的新能源技术。但近代风力发电机的主流研究方向存在一些问题。近代风力发电机的发展方向主要集中在“三叶式”超大型风力发电机组方向。但“三叶式”超大型风力发电机组实际上存在很多先天不足的问题，其中最主要的问题就是“弃风”问题。“弃风”分为广义上的“弃风”和狭义上的“弃风”。广义上的弃风一般被称为“弃风限电”，所谓弃风限电是指在某些情况下，风机可以正常运作，但因为电网消纳能力不足、风力发电不稳定、建设工期不匹配等而使得风电机组停止运作的现象。

狭义上的“弃风”是指因“三叶式风力发电机”的设计上存在先天不足，导致风力发电机在不同风速下，对风能的利用率呈断崖式下降。

举个例子：参考GW82/1500KW风力发电机参数。

从公开数据中可知，GW82/1500KW风机叶轮直径82.34米，轮毂高度70米，塔底截面外径5.5米，叶轮半径41.17米，扫风面积5324.9平方米，其叶轮扫风面的周长约为258米。资料显示，该风机额定转速为17.3转/分钟，额定工作风速为10米/秒～22米/秒。

已知，风力发电机的输出功率应当是“风速”乘以“扫风面积”乘以“风能利用率”。已知风速10米/秒时，风力发电机的输出功率为1500KW。那么，理论上来说，风速达到20米/秒时，风力发电机的输出功率就应当达到3000KW。而实际上，近代的绝大多数升力式风力发电机的输出功率都是固定的。GW82/1500在风速10米/秒时输出功率是1500KW，在风速20米/秒时，输出功率还是1500KW。也就是说，当环境风速达到20米每秒时，风力发电机的风能利用率降低了50％，也可以说当环境风速达到20米每秒时，风力发电机的“弃风率”达到了50％。

同时，超大型风力发电机还存在叶片体积过大导致的制造和运输困难的问题、塔架的强度要求随着风机高度增加而不断提高的问题、风力发电机叶尖移动过快导致影响鸟类安全的问题、以及叶片移动速度过快导致的噪音问题等等(叶尖的移动速度往往是当前风速的几倍甚至几十倍，叶尖高速切割空气产生啸叫是导致高频噪音的主要元凶)。

之所以会出现上述问题，是因为近代风力发电机技术存在三个基础性谬误。一是三叶式风力发电机被称为升力式风力发电机，但升力式风力发电机的设计不符合“升力原理”。二是在研究叶轮的空气动力学结构时，往往将叶轮视为了一个整体，其导致后续的一系列问题。三是忽视了风力发电机叶轮本身存在“惯性储能”结构特征，以至于将风力发电机叶轮的“惯性储能结构”储存的动能也并入了风力发电机的风能利用率，从而错误的计算了风力发电机的风能利用率问题。

基于升力公式可知，升力＝升力系数×机翼面积×飞行动压。那么，理论上来说，在其他条件不变的前提下，机翼面积(叶片面积)越大，所能获得的升力(风能利用率)就应该越大。例如早期的双翼飞机，可以在极低的速度下获得更大的升力。同理，基于升力公式可以推导出，风力发电机叶轮上的叶片面积越大，其所能获得的风能利用率就应当越大才对。但在具体实验中发现，七叶式风力发电机的风能利用率甚至会低于三叶式风力发电机。在大部分风力发电领域的教科书中都提到了，叶轮的实度越大，其风能利用率越低的情况。

传统风力发电机的研究过程中，尤其是在风能利用率以及空气流场研究中，叶轮往往被视为一个整体，在计算空气动力学模型时往往只考虑当前环境下的“绝对风速”，忽视了风力发电机的叶片实际上一直处于高速运动状态，叶片与空气来流实际上在做相对运动，这时气流与叶片之间的风速(空气流速)应当取“相对风速”值，而且这个“相对风速”是一个矢量值。

在本领域中，尤其是有关湍流对风力机的影响，是目前计算流体力学(CFD)最难以解决的问题。对于湍流，尚没有完善的理论模型，只能依靠经验公式来修正和补充。而传统升力式风力发电机的翼型设计还停留在利用飞行器翼型进行改进而来的程度。如果不能正确理解风力发电机叶轮气流流场结构与工作原理，那么风力发电机叶片的设计永远无法脱离飞行器翼型的桎梏。

我接触的很多的风力发电机设计者对风力发电机工作原理的理解存在一定谬误，为了能够正确清晰的理解本发明的设计理念，在此必须先用一定篇幅简略介绍一下“相对风速”、“绝对风速”、“船风”、“视风”、“真风”等术语以及他们对风力发电机的影响。

在研究中发现，升力式风力发电机领域(三叶式风力发电机)，风力机叶轮所处环境不能视为一个单纯的二维平面结构，而应视为一个三维立体结构。对于风向的计算也不应当简单粗暴的视为单一方向的流体，而是应当考虑到风向与“运动中的叶片”之间的合力，以及形成这个合力的矢量模型。更重要的是，很多人在推导风能公式时，都将空气视为一种“连续的、不可压缩的、没有粘性的理想流体”。而空气明显不属于这种理想流体，这导致很多推导结果与客观现实不符。

三叶式风力发电机的每一个叶片相对独立，应当单独计算每一个叶片的，独有的空气流场和动能参数(以及单一叶片流场扰流对其他叶片的影响)。在立体结构中，风力机叶片面对空气来流做圆周运动。如果单纯计算外界自然环境中的“绝对风速”，忽视了叶片高速旋转过程中产生的“相对风速”，那么对叶片所处环境的风速的计算结果必然与现实环境产生巨大的偏差。而且偏差数值会随着风力机叶轮直径的增加而成倍的增加。

在风力发电领域，此种情况没有相关专属名词，在此引用航海学领域中描述“帆船风向风速”的“真风”、“船风”、“视风”概念来描述“实际环境风速”、“叶片相对风速”与“环境相对风速”之间的关系。

在航海学领域，帆船是大规模风能利用的鼻祖之一，相较于风力发电领域来说，帆船更早注意到，船只运动与自然风速的相对矢量关系。帆船对风能的利用甚至能够让帆船的船速超过自然风速。在2012年，“风帆火箭2号帆船”就能够在自然环境风速达到45公里每小时(12.5米/秒)的情况下跑出了125.95公里/小时(34.99米/秒)的时速。也就是说，这艘无动力帆船的船速达到了2.8倍自然风速。这其中主要原因就是帆船的“视风风速”等于“真风”风速与“船风”风速的矢量合。

“真风”是“真实风速”的简称，又名“绝对风速”，是船舶航运中的术语，指空气相对于地球某一固定地点的运动速率。“真风风速”与传统风力发电领域的自然风风速完全一致。“船风”也称速度风，“船风风速”是船舶在航行时所产生的一种：“风向与船舶运动方向相反，风速与船速相等”，的矢量风。如果在无风环境下，船风风速等同于船速。船舶移动速度越快，船风风速越快。(如果在无风环境下风力机叶片主动旋转时，在叶片表面测得的空气流速即为叶片的“船风风速”)。

“视风”是真风和船风的矢量和，“视风风速”是真风和船风二者的合成风。如果以船帆为参照物，“视风风速”是实际气流流经船帆表面时测得的气流速度。如果以风力发电机单一叶片为参照物，他的“视风风速”就是当前环境风速“真风风速”与叶片移动速度“船风风速”产生的矢量合。叶片的“视风风速”是一个矢量参数，他包含了风速与风向。

为了便于说明与理解，还是参考GW82/1500KW风力发电机参数在此进行举例。

已知，GW82/1500KW风机叶轮直径82.34米，半径41.17米，扫风面积5324.9平方米，其叶轮的最大周长约为258米。资料显示，该风机额定转速为17.3转/分钟，额定工作风速为10米/秒～22米/秒。

通过上述条件可以计算出在额定风速下，单一叶片的叶尖移动速度。

用周长258米乘以风机额定转速17.3转/分钟，除以60秒，可以计算出直径82.34米风力发电机在额定风速下(10米/秒)，叶尖的移动速度约为74米/秒。

已知风力发电机拥有对风功能，因此可以视为叶片移动方向与风力来流方向呈90度夹角。套用风速矢量三角形计算方法可以计算出，此时的风力发电机叶片“视风”风速等于“真风风速”(10米/秒)与“船风风速”(74米/秒)的矢量合。考虑到叶片移动轨迹为扇形，因此应当将叶片分割为若干分段，以叶素-动量理论求解。

通过上述计算过程可以揭示出近代常见的升力式风力发电机的工作原理。

常见的水平轴三叶式风力发电机(水平轴升力式风力发电机)，其本质上是一台自带惯性储能结构的“风速放大装置”，而不是传统大多数人认知中的单纯由风力推动叶轮驱动发电机进行发电的简单风能利用装置。

风力发电机通过细长的叶片将速度较慢的“真风风速”(10米/秒)产生的动能以惯性形式储存到风力发电机叶轮中，使叶轮的翼片移动速度达到速度较快的“船风风速”(74米/秒)。叶片以74米/秒的“船风风速”旋转，并且叶轮利用风力发电机的“对风功能”将叶轮的旋转方向与空气来流固定为90度夹角，再利用叶片自身攻角，使叶片高效利用视风风速，从而高效利用风能。

水平轴升力式风力发电机的具体工作过程如下：

首先，环境风速达到“启动风速”(3米每秒)后，风力发电机空载启动。风力发电机的叶轮此时有两个作用。

一是“风力发电机叶轮”等同于一个飞轮储能系统，利用叶轮自身重量和“真风风速”(3米每秒)对叶轮进行惯性储能，使叶轮能够储存动能并保持较高的转速(74米每秒)。二是当叶片转速达到阈值后(74米每秒)，叶片迎风面会以适合的攻角切向空气来流，重点是此时风力发电机的叶轮上的每个叶片面对的不是流速较低的“真风风速”(3～10米每秒)，而是流速相对较高的“视风风速”(74米每秒)。叶片以视风风速与空气来流呈90度夹角，绕叶轮做圆周运动。此时叶片的移动速度与真风风速相对运动，产生螺旋形轨迹。

式升力式三叶风力发电机的叶片面积较窄，叶片在空气中移动的阻力较小，所以叶片的移动速度较快(视风风速)，在没有遇到湍流环境之前，叶片都能够保持高速移动。这也是为什么升力式风力发电机的风能利用率能够高于传统的阻力式风力发电机的原因之一。(其具体工作原理与帆船在低风速环境下跑出远高于风速的船速原理相同)。

当“视风风速”与“真风风速”达到最佳比值后(可通过调整攻角来调整叶轮转速)，启动发电机负载进行发电。负载将叶轮储存的动能(叶轮惯性储能)转化为电能的同时，也会导致叶轮转速逐渐降低(能量转化为电能导致失去动能)。当叶轮转速低于额定阈值后，断开发电机负载，由“真风风速”继续对叶轮进行储能，恢复叶轮转速，如此往复进行发电。(此时因为输出电能不稳定，这时的风力发电机输出的电能往往被视为垃圾电，这时产生的电能往往不会被送入电网)。

而常见的“额定风速”参数则是风力发电机能够不需要断开发电机负载进行储能，即可连续输出电流的最低阈值。只要“真风风速”达到额定风速(10米每秒)，发电机就可以满功率持续进行有功输出。所谓最佳“叶尖速比”实质上指的是叶片的“真风风速”与“视风风速”的比值。

通过上述原理，也可以很好的解释风力发电领域中的几个常见的，大多数人知其然而不知其所以然的问题。

一是解释了如果风力发电机叶轮处于立柱后方或存在其他扰流环境，叶轮的风能利用率为什么会断崖式的大幅度降低；

这是因为风力机叶轮如果处于立柱后方，立柱会扰动空气来流，使空气来流失稳并产生湍流，无法在叶片表面形成“附面流动”，使叶片表面无法形成连续的附面层，进而无法获得足够的升力。湍流会使叶片背面低压区消失，使叶轮范围内无法形成稳定的层流，大幅度降低叶片的风能利用率。过去计算叶轮气流失稳的影响时，往往以“自然风速”(真风风速)为参数，计算结果与实际结果天差地别。如今，用“视风风速”为参数重新进行计算，结果就与现实非常接近了。

二是解释了为什么风力发电机叶片的叶尖转速往往会超过自然环境风速；

如前文提到的GW82/1500KW风力发电机，他在自然风速10米/秒的额定风速运行期间，叶尖转速能够达到74米/秒，这已经远超自然风速了，但很少有人解释这一情况的构成机理。为了描述这个问题甚至为此设立了专属名词“叶尖速比”，这导致部分学习风力发电工作原理的人知其然而不知其所以然。他们只知道叶尖速比是重要数值，但却不知道为什么会产生这个数值，以及这个数值起作用的底层逻辑是什么。

三是解释了为什么现代风力发电机大多采用三片或三片以下的叶片，而不是更多的叶片；近代风力发电机实验中发现，升力式风力发电机的叶片越多，风能利用率越差。现有理论认为，这是因为“叶轮实度”越高，风能利用率就会越低。这也是为什么很多人认为阻力式风力发电机风能利用率必然很低的原因，因为阻力式风力发电机的叶轮实度太高了。但如果重新推导风力发电机原理并代入“真风”、“船风”与“视风”概念，那么就会发现之所以叶片越多，风力发电机风能利用率越低是因为，每一个叶片都有自己独立的尾流。传统研究者将叶轮视为一个整体，甚至进行风洞实验时单独使用一个叶片进行风洞实验。而实际上，在叶轮上的单一叶片的尾流是螺旋形的，尾流的流场也是螺旋形的。如果叶片的数量太多，当叶轮高速旋转时，前一个叶片的尾流就会影响到后一个叶片的气流流场的稳定性，在后一个叶片表面产生湍流，进而导致后续叶片的气流流场失稳，最终导致风力机的风能利用率大幅降低。

四是解释了为什么垂直轴风力发电机的风能利用率远低于水平轴风力发电机；

垂直轴风力发电机分为升力式风力发电机和阻力式风力发电机。升力式风力发电机风能利用率低的主要原因是叶轮前方的翼片产生的扰流影响了叶轮后方的叶片，在后方叶片表面形成湍流。这导致叶轮后方的叶片的风能利用率远低于前方的叶片。阻力式风力发电机虽然没有湍流的困扰，但因为没有完善的理论支撑，导致阻力式风力发电机的风能利用率也一直不理想。

图1为垂直轴风力发电机的俯视气流流场图，其中空气来流流速为V。受高实度叶轮阻挡，气流从叶轮外侧绕行。气流通过叶轮两侧时，因为叶轮占据了气流通过的空间导致气流路径变窄，基于伯努利原理可知，气流流管变窄会导致气流流速加快，所以空气流速变成了V1与V2，V1、V2的气流流速大于V的气流流速。

在此图中，叶轮顺时针旋转，叶轮转速为R。叶轮上的叶片移动方向与风向相同时，视风风速为R1，叶轮移动方向与风向相反时，视风风速为R2。

从图中可以看出，V1的方向与R的方向相同，假设V1＝R，那么此时，R1的视风风速等于零。从图中可以看出，V2的方向与R的方向相反，假设V2＝R，那么此时，R2的视风风速等于V2加R。

这一段内容非常反直觉，很多人表示难以理解。为了解释这段内容，下面举个例子。

假设我们在风速30米每秒的环境下开车，如果车辆行进方向与风向相同，车速也保持在30米每秒，那么在车辆里的人感受到，外面一点风都没有(这只是举例，实际上排开空气会导致空气的流动)。但如果这辆车行驶方向与风向相反，那么在车窗上测得的风速则会是每秒60米(30米每秒+30米每秒)。

传统的垂直轴风力发电机的设计者往往追求叶轮顺风侧(R1)的风能利用率。有极端案例，甚至把逆风侧(R2)的叶轮区域用整流罩包裹。这导致叶片与气流的相对速度大幅降低，所以风能利用率也大幅度降低。

如果想要设计高效垂直轴风力发电机，那么就需要针对顺风方向和逆风方向重新设计垂直轴风力机叶轮(叶片)结构。这也是传统垂直轴风力发电机的风能利用率一直不尽人意的主要原因之一。

在发现上述问题后，我重新审视了风力发电机叶片结构以及相关的空气动力学原理，参考双翼式飞机结构重新设计了针对复杂气流环境的风力发电机叶轮结构。尤其是设计了利用鳞片结构对空气流道进行先收敛，再扩张的技术方案，从而达成将湍流逆转捩为层流的效果。通过在叶轮表面设计若干鳞片结构形成半开放式流管，基于特斯拉阀原理，引导逆流气流相互之间形成阻力，引导顺流气流利用叶轮旋转产生的压差环境进行加速并形成层流，使气流有序流动。

近代风力发电机翼片结构源于飞机机翼。在流体力学领域，有部分学者认为，飞机机翼上表面弯，下表面平，流过上下表面的空气必然在相同时间内到达尾缘，因此上方的气流速度比下方的快。再根据伯努利定理可知，机翼上表面所受的空气压强低，下表面所受的空气压强高，这样就产生了升力。

但另一些研究中发现，这种说法可能存在部分谬误。实际上，流经机翼上下表面的气流并不是同时到达机翼尾缘，而且机翼上下表面的气流流速大致相同。因此可以推定，机翼升力来源并非完全源自伯努利原理。

还有一种说法是基于质量守恒定理。机翼上表面凸起，使上方的流通面积变小，因此流体加速并产生低压。这种说法不能说完全不对，但如果定量地看，这种收缩产生的压降微乎其微，真实机翼上表面的压强则要低得多。因此这种说法也不能完全解释机翼所能够获得升力的原因。

与上述理论不同，我比较认同，飞机机翼之所以能够获得升力，其主要来源于是基于康达效应。康达效应(Coanda Effect)也称附壁作用或柯恩达效应。流体(水流或气流)有偏离原本流动方向，改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性)，流体就会顺着物体表面流动，而不会产生分离流(Separation flow)。根据牛顿运动定律，物体对流体施加一个偏转的力，则流体也必然要对物体施加一个反向偏转的力。

基于实验可知，康达效应产生升力的效率与空气密度、气流流速、叶片弧度、叶片面积等条件有很大关系。基于升力公式可知，在低风速条件下，翼片面积越大获得的升力就越大。因此，如果想高效利用康达效应，有效利用低速气流提供的动能，就需要增加叶片面积、调整叶片弧度、增加低压区所占比值，防止叶片表面生成湍流。

这样一来，基于康达效应设计的风力机翼片结构就与基于伯努利效应设计出的传统升力式风力发电机翼片结构完全不同了。传统的风力发电机主要有基于伯努利原理设计的窄叶片升力式风力发电机和基于阻力原理设计的阻力式大叶片风力发电机。而在本发明中则提出一种基于康达效应设计出的立体结构风力机叶轮。

过去，为了解决小三叶式风力发电机风能利用率低下的问题，我提出过《一种水平轴尾流扩散式风力机技术2019113146521》、《一种全阻流式微风风力机技术2020115080860》等发明。但在后续研究中发现，上述发明的风能利用率虽然大幅提高，但对风力机塔架的负担强度也等比上升。这意味着传统“单一立柱结构”的风力发电机支撑结构已经无法满足要求了。举个例子：假设一台风力发电机的风能利用率在30％左右，以前文中提到的GW82/1500KW风力发电机为例。其叶轮直径82.34米，轮毂高度70米，塔底截面外径5.5米，叶轮半径41.17米，扫风面积5324.9平方米，额定风速10米每秒。已知在标准大气压环境下，摄氏15度环境中，每立方米空气重约1.2公斤。

塔架可以视为一个省力杠杆结构，轮毂高度70米，塔底截面外径5.5米，风力机所受推力在塔架上会放大12.7倍。

风速10米每秒时，叶轮扫风面积5324.9平方米，每立方米空气重约1.2公斤，则可以计算出叶轮范围内每秒钟通过63898.8公斤(63.89吨)空气(10×5324.9×1.2＝63898.8公斤)。假定风力发电机叶轮的风能利用率是30％，叶轮范围内每秒钟会有19吨空气的作用力完全作用到叶轮上(63.89×0.3)。

基于牛顿运动定律，这19吨空气产生的作用力最终会完全作用在塔架顶端。而塔架本身作为一个杠杆结构，会将这19吨空气产生的径向推力放大12.7倍，最终导致风速10米每秒时，塔架底部每秒钟要承受241.3吨的径向力。

如果风速达到20米每秒时，(20×5324.9×1.2×0.3×12.7＝486.9吨)如果不降低风能利用率，风力发电机很可能会在强风下发生“倒塔”事故。这也是为什么近年来风力发电领域大幅度发展变桨距风力发电机的原因。

但是，近年来风力发电机的发展方向明显朝着塔架更高，叶轮更大的方向发展。而这个发展方向会导致材料强度要求更高，成本也会大幅提高。这条发展方向存在着材料学极限。当材料强度无法满足要求时，这条技术路线也就发展至极限了。因此，为了负担基于康达效应设计的风力机叶轮对塔架产生的压力，改进风力机的支撑结构势在必行。

参考建筑领域里，桥梁设计专业。如果说传统单立柱式风力发电机等同于老式石板桥结构，那么由各种悬索结构加强的风力机支撑结构就等同于现代悬索桥。无论从结构力学、建筑强度、建筑速度，施工难度、还是从节省材料、建筑成本等方面，悬索桥结构都优于传统石板桥结构。

因此，为了解决风力机立柱强度问题，参考悬索桥结构，有人提出了诸如《悬索立柱中置式风能发电装置201110277666.8》、《一种适用于悬索桥的风力发电装置201420359550.8》、《一种海上风电场垂直轴风力发电机悬索桥式支撑结构201820515144.4》等发明。但上述发明所述内容存在诸多缺陷，这导致上述案例在具体实施中出现效率低下、稳定性差等问题。尤其是上述发明多是以传统“升力式风力机理论”为基础发展而来，其忽视了一些非常重要的问题导致基于上述发明发展的风力发电机无法商业化。

研究中发现，因为缆索结构的刚度不足，气流会使悬挂于悬索上的风力发电机发生共振和偏转，这导致传统升力式风力发电机无法稳定工作。

其次，悬索结构本身会对气流造成扰流影响，进而产生复杂的气流环境和湍流。悬索本身产生的扰流会导致升力式风力机叶轮范围无法形成稳定的层流与涡流，使小叶片风力机风能利用率大幅降低，最终导致依照上述技术方案制备的风力机出现了发电效率低、稳定性差、叶片偏转导致叶片撞击支撑结构等诸多问题。

特斯拉阀门是一种特殊设计的流管通路几何形状的被动单向导通阀。特斯拉阀管道内的流体正向流动时几乎没有阻力，逆向流动时，流速越快阻力越大。特斯拉阀的特征在于其内部没有活动部件，寿命长，几乎不需要维护。

特斯拉阀的工作原理为：特斯拉阀利用特殊设计的流管结构，将流体来流分为两股，然后利用两股来流对冲。假定流体来流动量为F，特斯拉阀利用流管结构将F分割为F1与F2。F1的动量等于二分之一F,F2的动量等于二分之一F。特斯拉阀利用流管结构将F1与F2引导成两个方向相反的流，并让两个流对撞。因为两个流的动能在对撞过程中相互抵消，所以流速大幅度降低。简单的说，特斯拉阀的工作原理是利用巧妙的设计，使来流的动能降低来流的流速。特斯拉阀原理并不局限于封闭式的流管结构，利用特殊设计的半开放式的流管结构也可以达成类似的效果。

传统风力发电机的设计大多停留在平面概念上，但如果想要通过约束空气流动的方式利用风能，叶轮必须设计成立体结构。如果想要利用多个方向的风能，则风力发电机叶轮应当设计为球体、圆柱体或其他立体的旋转对称结构。而球体的空气动力学问题是个三维问题，球体的尾涡不仅会“左右”不对称，形成的涡流也存在周向不旋转对称的问题。球形叶轮在某些风况下大概率会产生不对称卡门涡街，所以在设计球形叶轮的过程中一定要特别注意上述问题。

发明内容

为了解决上述一系列问题，本发明提出一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术。本发明需要同时解决以下一系列问题：

1：传统的风力发电机大多采用单独立柱支撑结构，而单独立柱支撑结构的缺陷在于材料强度要求高，材料造价高，叶片体积过大导致运输困难、遇到强风容易损毁等。单一立柱式风力机，其本身类似一个省力杠杆，其会将风能产生的力放大。如果改用拉索结构，参考悬索桥结构上的悬空缆索部分，其可以在缆索区域以串联方式安装更多的风力发电机叶轮，串联的叶轮总面积更大，等比情况下风能利用率更高。并且拥有降低制造难度，降低运输难度，降低安装难度，降低维护难度等一系列优势。

2：如果采用普通悬索结构，传统升力式风力发电机自身会面临摆动以及震颤的问题，产生空气扰流，并有可能产生涡振、雨振、尾流驰振等情况。其必然会产生湍流，使风能利用率大幅降低。这意味着如果在缆索式风力发电机上采用传统的三叶式风力发电机叶片，会导致风能利用率非常低。

3：为了解决前两个问题，本发明所述风力发电机需要基于康达效应重新设计风力发电机叶轮结构。这种基于康达效应设计的风力发电机叶轮需要抛弃传统风力发电机气动原理，基于升力公式进行设计。在本发明中，参考双翼飞机结构，设计出一种叶轮转速低于真风风速，风能利用率相对来说高于传统小三叶式风力发电机的叶轮结构。

4：研究中发现，基于康达效应设计的风力发电机叶轮结构在风力作用下，会产生一个叠加的旋转力矩。在强风下会导致叶轮牵引“整条缆索”做圆周运动。这个旋转力矩的来源是空气来流与旋转的叶轮之间产生的马格努斯效应。

5：如果采用缆索结构设计风力发电机，缆索因为经常受风力影响产生震颤与摆动，这会导致缆索结构的寿命和安全性难以受到监控。同时，如果采用缆索结构设计风力发电机，缆索结构有可能会在强风下产生共振，甚至有可能会让缆索结构风力发电机如同塔科马海峡大桥一样被共振摧毁。

6：如何排列鳞片结构，采用何种鳞片结构才能更高效的利用风能。如何让风力发电机无论是面对轴向空气来流还是径向空气来流，均可以有效利用，是本发明所面临的主要问题之一。

7：本发明所述风力发电机建设过程中的施工难度如何，安装难度如何，维护难度如何，整体设计是否足够环保，是否会影响当地生态环境，是否会伤害鸟类，是否会影响飞行器安全(日间安全和夜间安全)，产生的噪音是否严重，是否会产生光污染，是否影响附近居民生活等问题也是本发明需要认真考虑的问题。

8：对于这种全新设计的风力发电机，应当采用何种发电机布局，采用何种结构，其输出功率如何，能否应对不同风速下的电力输出，是否会在大范围强风环境时产生电涌情况。为了同时解决上述一系列问题，发明人特此提出本发明。

本发明为一种利用缆索结构牵引并串联若干个“叶轮结构”组成的风力发电设备。其核心主要由两部分组成。一是由缆索结构牵引并串联的若干个风力发电机。二是基于“视风概念”、“康达效应”、“陀螺效应”、“升力原理”以及“特斯拉阀原理”，设计出的一种新型风力发电机叶轮结构。

本发明所述“由缆索结构牵引并串联的若干个风力发电机”是指：如附图6所示，本发明所述缆索结构可以安装在包括但不限于塔架与地面之间、高楼与地面之间、高楼与塔架之间、立柱与立柱之间等诸多环境中。叶轮固定在缆索结构上，气流流经叶轮范围时带动叶轮旋转，驱动发电机发电。

本发明所述一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术是由缆索1、支撑梁2、发电机3、叶轮4、阻尼减震器5、升温部件6、承力索7、导线8、减震结构9、桁架10、叶轮蒙皮11、导流翼片12、鳞片13、鳞片角度控制器14、稳压型升压电路15组成。在权利要求1中提到，本发明的技术特征为一种利用“缆索结构”牵引并串联若干个“叶轮结构”组成的风力发电设备；

在本发明中，缆索1由承力索7、导线8、减震结构9组成；

其中，承力索7承担缆索1所需的牵引力，导线8依附在承力索7上。

在本发明中，为了解决强风引起的风力发电机叶轮震颤问题，特设计了支撑梁2。支撑梁2整体为一中空套管结构，缆索1从套管结构内部穿过。支撑梁2利用若干个减震结构固定在缆索1上，可以将风力引起的叶轮震颤产生的切向力分散到这“若干个减震结构”上，利用减震结构吸收叶轮震颤产生的动能，并将叶轮震颤产生的切向力转变为对缆索1的拉力，从而保证缆索结构在强风作用下能够长时间稳定工作。

当缆索1上固定的叶轮的数量达到两个或两个以上时，为了阻止“叶轮向同一方向旋转”时产生的“马格努斯力的叠加效应”，相邻的叶轮的旋转方向应设置为相反的转向。例如同一条缆索上设有甲、乙、丙三个叶轮时，设置的叶轮的旋转方向应当为顺时针旋转、逆时针旋转、顺时针旋转。三个叶轮产生的“马格努斯力”的方向各不相同，相互之间的力会相互抵消，从而解决了缆索结构所受的合力导致“缆索本身整体偏转”以及“破坏缆索结构本身”的情况发生。

本发明所述缆索结构的风力发电机遇到的最大问题就是强风引起的缆索震颤问题。其中因为马格努斯效应引起的缆索回旋问题最为严重。为了解决这一问题，我尝试了在缆索上增加稳定翼片结构、在叶轮外侧增加导流罩、甚至尝试了增加程控重心调整装置等诸多技术方案。但因为性价比问题和安全性问题以及设备寿命问题等诸多原因，我最终确定了通过将“相邻的叶轮”的旋转方向设置为“相反的旋转方向”的方法，通过将相邻叶轮产生的马格努斯力相互抵消的方式解决了这一问题。本发明所述叶轮结构除了会产生相互抵消的马格努斯力外，叶轮本身还是一个陀螺结构，其在高速旋转过程中产生的进动效应也会有助于稳定叶轮。在本发明中，承力索7是由两条或两条以上的“线缆”绞合而成，每条单独“线缆”的表面进行绝缘处理，通过分别测量每一条“线缆”两端的电阻，即可测得每一条“线缆”是否发生内部断裂的情况，从而预防承力索7因材料疲劳断裂导致的事故。

这个设计的灵感来源于电线。电线表面拥有一个绝缘层(电线皮)，内部是导体。如果电线内部导体发生断裂，不需要从头到尾的完整检查电线，只需要用测电笔测量电线两端就可以确定电线内部的导体是否出现了断裂(短路)问题。

同样的道理，如果将一股钢丝绳，或者碳纤维之类的导电材料表面增加绝缘材料(例如绝缘漆或电线皮，以及利用其他绝缘材质的线缆作为隔离材料)，那么钢丝绳或碳纤维就变成了一条类似电线的结构。只要测量这条钢丝绳或碳纤维的电阻，就可以判断出这条钢丝绳或碳纤维内部是否存在断裂问题。例如，一条由64根承力索组成的缆索结构，在长期工作后，其中有52根承力索均测定为短路，那么就可以判断这条缆索结构需要更换了。

本发明在权利要求2中提到，本发明所述“叶轮结构”是基于“视风概念”、“康达效应”、“陀螺效应”、“升力原理”以及“特斯拉阀原理”，设计出的一种新型风力发电机叶轮结构。利用本发明所述的新型叶轮结构能够高效利用叶轮的轴向空气来流和叶轮的径向空气来流。在本发明中，风力发电机叶轮有两个作用；首先，风力发电机叶轮可以驱动发电机转子旋转并发电。其次，利用风力发电机叶轮旋转产生的陀螺效应(进动效应)能够维持支撑梁2以及固定在支撑梁2上的叶轮悬挂在缆索上的轴向稳定性。

如前文所述，缆索式风力发电机最大的问题就是在强风下面临的稳定性问题。因为风能是一种跨度非常大的能源，风力发电机的风能利用率越高，意味着强风下叶轮越容易产生震颤问题。叶轮4为一旋转对称的中空立体结构，其外形可以选用诸如球形、桶形、碟形、斗笠形或橄榄型等各种“中空立体旋转对称结构”。

本发明的技术特征有两点，一是在这个“中空立体旋转对称结构”的叶轮外缘设有配重环。利用叶轮外缘的配重环，能够加强叶轮自身的结构强度，增强叶轮的陀螺效应，增加叶轮惯性储能特性。二是在叶轮表面设有若干鳞片结构。叶轮4形成的陀螺结构在高速旋转过程中产生的进动效应能够进一步抵消相邻叶轮在气流中因马格努斯效应产生的偏转力矩。

上述部分主要介绍了叶轮在强风下如何稳定自身的方式，下面开始介绍本发明所述风力发电机的叶轮如何高效利用风能。

权利要求2中提到，在本发明中，叶轮4表面按一定顺序排布鳞片结构，鳞片13的排列方式参考‘特斯拉阀’原理和“升力原理”，使叶轮表面设置的鳞片结构获得更大的升力，使空气来流作用于叶轮时受到的压差阻力更大，离开叶轮时受到的阻力更小。

首先介绍一下鳞片结构在气流中的工作原理。

基于升力公式可知，升力＝升力系数×机翼面积×飞行动压。那么，理论上来说，在包括风速(飞行速度)和其他条件不变的前提下，机翼面积(叶片面积)越大，所能获得的升力(风能利用率)就应该越大。本领域内公知，双翼式飞机能够在更低的飞行速度中获取更大的升力，这得益于双翼式飞机机翼的面积更大。

在本发明中，缆索结构上的每一个叶轮结构都可以视为一个高实度的垂直轴风力发电机叶轮结构。在叶轮表面设有若干鳞片结构。每一个鳞片结构都可以视为一个相对独立的，高机翼弯度(wing camber)的翼型结构，其能够在低风速条件下获得较大升力。

已知，图1为垂直轴风力发电机的俯视气流流场图。

图2、图3为鳞片结构剖面流场示意图。

图4、图5为鳞片结构的俯视流场示意图。

如图1所示，当鳞片处于图1中R1位置时，鳞片会面临图2、图4中的气流流场环境。鳞片处于R1位置时，叶轮鳞片的移动方向与空气来流方向相同，此时的每一个鳞片都相当于一个内凹的口袋型结构。基于康达效应可知，叶轮壁面移动过程中会产生负压，气流会产生附面层流动，于是叶轮附近的空气就会被叶轮“吸”到叶轮壁附近，贴着叶轮表面进入鳞片结构所形成的“口袋”中(此时的鳞片结构与空气的接触面积为“鳞片结构外表面积”、“鳞片结构内表面积”和“叶轮结构外表面积”，三者的有效面积的和大约相当于鳞片所占叶轮表面积的2～3倍)。基于“库塔-儒科夫斯基升力定理”可知，鳞片结构能够使空气来流形成低压区，产生涡升力。

传统三叶式风力发电机通过增加叶片移动速度来获取较高的飞行速度(视风风速)，也就是说传统三叶式风力发电机必须在较高的风速下才能获取较大升力。

而本发明所述风力发电机叶轮结构为了不产生高频噪音，叶轮转速不能高于自然风速(真风风速)。所以，为了提高风能利用率，就要通过增加机翼面积(叶轮翼片面积)的方式来获取更多的升力。这里必须分清，阻力式风力发电机虽然也是拥有较大翼片，但其结构与原理是完全不同的。

当空气来流直接作用到鳞片结构表面时，会形成压差阻力，为叶轮提供旋转的动能。鳞片结构内部虽然有通往叶轮中空部分的开口，但因为鳞片结构是基于特斯拉阀原理设计的结构，靠近叶轮一侧的气流和靠近鳞片内部一侧的气流会相互撞击并形成湍流。两股气流的动能相互抵消导致他们无法快速进入叶轮内部。

如图4所示，鳞片呈扇形结构，进入鳞片结构内部的气流会因流管逐渐缩窄导致流速加快，但因为特斯拉阀原理，气流会阻滞在鳞片结构空腔内部。最终导致气流受鳞片结构约束，将动能转移到鳞片结构和叶轮结构上。

当叶轮继续旋转，鳞片移动至图1中R2位置时，鳞片会面临图3、图5中的气流流场环境。如图3所示，空气来流会受鳞片结构影响，从鳞片结构外侧快速通过。此时空气来流与鳞片的接触面积仅稍大于叶轮表面积。如图3所示，随着叶轮的旋转，鳞片结构与空气来流之间的迎角也会逐渐变化。此时空气来流会在鳞片后下方形成脱体涡，将鳞片结构内部的空气带走，从而在鳞片结构后部形成脱体涡。此时，鳞片会获得一个径向于叶轮的升力。这一升力最终会转化为叶轮旋转的推力。

如图5所示，鳞片呈扇形结构，鳞片的开口位置更加宽阔，这会导致相对流速较快的“视风风速”带走更多空气，并在鳞片与鳞片之间的低谷区域形成涡管，从而在鳞片内部形成低压区，为鳞片结构提供更多升力。

在本发明中，叶轮与叶轮之间可以根据需要设置若干导流翼片12。其主要作用为：利用缆索结构的牵引力和导流翼片结构形成叶轮结构，利用轴向空气来流驱动叶轮旋转。导流翼片12可以与本发明所述叶轮结构融为一体，也可以单独设立。导流翼片的具体结构可参考发明专利《一种水平轴尾流扩散式风力机技术2019113146521》所述叶轮结构。

在权利要求3中提到，在本发明中，阻尼减震器5工作原理类似高层建筑上使用的风阻尼器，阻尼减震器5挂载在缆索1上，能够吸收缆索1的震动，降低缆索1在强风下受风力影响而产生的震颤。在本发明中，阻尼减震器可以与风力发电机叶轮融为一体，利用叶轮旋转产生的陀螺效应和陀螺效应的迟滞现象抵消缆索1上的震动。

阻尼减震器工作原理是一项公知的成熟技术，常用于摩天大楼等高层建筑。本发明首次提出在缆索式风力发电机设备上应用阻尼减震器和将阻尼减震器与风力发电机叶轮结构融为一体的技术方案，使风力发电机叶轮本身也可以起到减震作用，降低强风引起的震动问题，提高了风力发电机的工作寿命，降低了风力发电机的噪音。

在权利要求4中提到，鳞片13的选择根据不同气候环境，要进行不同的调整。鳞片结构包含但不限于仿生蝴蝶鳞片的凹面鳞片、仿生鲤鱼鳞片的光滑凸面鳞片、仿生鲨鱼鳞片的带有导流槽的盾鳞等结构或混合上述不同鳞片的结构。具体鳞片排列方式、鳞片张合角度、鳞片的结构、鳞片的大小、鳞片与叶轮的比例、鳞片材质和种类的选择与当地风力条件以及当地降雨多寡、当地光照情况、当地温度变化程度、是否存在霜冻、冻雨危害等自然条件有关，因此，选用不同鳞片种类、大小和不同鳞片排列方式不影响本发明的权属。

风力发电技术讲求因势利导。针对不同环境，就要采用不同的解决方案。例如海上风电就需要采用疏水性较强，抗腐蚀性能较强的材质。并且在设计叶轮结构时要考虑到鳞片结构积水或盐分积存的问题。沙漠地区则需要采用能够抵抗较大温差，以及能够抵抗沙尘暴，防止鳞片内部积存沙砾等杂物的鳞片结构。甚至在某些地区要将几种不同的鳞片结构排列组合起来，达到冬季能抗霜冻，夏季能抗暴雨的目的。因此，单纯更改鳞片结构的种类、鳞片大小比例、鳞片张合角度和鳞片的排列方式，并不能脱离本发明的技术保护范围。

在权利要求5中提到，鳞片角度控制器13可以通过调整鳞片偏转角度以及张合角度来适应不同风速与风向。所谓鳞片角度控制器13是指一种通过机械结构控制鳞片偏转角度以及张合角度来适应不同风速与风向的装置。在某些风力资源比较极端的地区，如果想要高效利用风能，则需要让鳞片结构如同花瓣一样拥有张开和闭合的能力。

例如，在某些经常发生飓风的海域，如果风力发电机的叶轮结构遇到飓风，鳞片结构很有可能会被飓风损毁。那么，风力发电机在接到飓风预警后，可以主动收缩鳞片结构，让鳞片结构如同花瓣一样收缩，降低气流对叶轮的影响，安全度过飓风天气。飓风结束后，鳞片结构恢复张开，继续高效利用风能进行发电。

在权利要求6中提到，所述的缆索1可以通过牵引装置收紧，也可以通过牵引装置放松。当需要检修和更换风力发电机叶轮、缆索等零部件时，可以通过放松牵引装置的方式，使风力发电机缆索结构整体下落到地面。当检修完成后，通过收紧牵引装置的方式拉紧缆索1，使风力发电机能够恢复正常工作。

所谓牵引装置，实际上是一组由电动滑轮组装置和冗余缆索(辅助缆绳)组成的，能够放松和收紧缆索结构的辅助装置。其主要功能为收紧和放松缆索结构。

如图7、图8所示，一座塔架结构，结构的两侧均安装了本发明所述的风力发电机装置。两组风力发电机结构互为镜像。图8中，右侧的风力发电机需要进行检修，并且更换零配件。于是通过牵引装置上的冗余缆索(辅助缆绳)放松缆索1，增加缆索结构的总长度，使缆索结构在重力影响下，从空中下垂到地面。下垂的缆索降至地面后，由地面的工程人员对风力发电机进行检修和维护。

当检修和维护完成之后，通过牵引装置收紧冗余缆索(辅助缆绳)，在冗余缆索的牵引下，缆索1上升至空中，使风力发电机能够恢复图7中的正常工作状态。

在本发明中，牵引装置可以安装在缆索上的任何位置。一般情况下，牵引装置安装在塔架顶端，但也存在诸如将牵引装置安装在地面或是利用可滑动的动滑轮组安装牵引装置的情况。在权利要求7中提到，为了防止本发明所述的风力发电机与鸟类或飞行器发生碰撞，在包括但不限于缆索1、叶轮4、叶轮蒙皮11、鳞片13的部分外表涂有高辨识度的，色彩鲜艳的荧光涂料。白天阳光给荧光涂料充能，夜间荧光涂料自发光，防止鸟类或飞行器意外撞击本发明所述风力发电机。

现有的室外用荧光涂料一般的寿命大约为3～5年。如果本发明所述风力发电机设置于人口较密集区域，为了防止意外影响飞行器安全，可在风力发电机叶轮表面涂抹荧光涂料。荧光涂料在阳光下照射30分钟，即可发出12小时荧光。而且荧光强度较弱，基本不会对环境造成光污染。

如前文所述，传统小三叶风力发电机叶轮的转速往往能够达到真风风速的几十倍，叶片高速移动会导致叶片高速切割空气和靠近叶轮的一切生物。这就是小三叶式风力发电机会伤害鸟类和发出高频噪音的主要原因。

而本发明所述风力发电机叶轮的最大转速不会超过环境真风风速(外界自然风的风速)，所以不会出现类似小三叶式风力发电机叶轮高速旋转，叶片伤害到鸟类或昆虫的问题。也不会因为叶轮高速旋转产生啸叫问题。这有助于风力发电机与自然界的生命和谐相处。

同时，权利要求7中提到，在本发明所述叶轮结构上可以安装割线器，能够有效预防风筝线绞入到风力发电机叶轮，影响叶轮正常工作。

所谓割线器是一个带有保护套的刀片结构，其技术特征为在叶轮外部设有刃口向外的纵向刀片。当有风筝线缠绕到叶轮上的时候，叶轮旋转会导致风筝线的收紧。收紧的风筝线会压在刀片的刃口，随着风筝线收紧的力量导致刃口切割风筝线。刀片可以采用包括金属材质、陶瓷材质、高分子材质等各种不同的材质，用于抵抗腐蚀和震动。

在权利要求8中提到，在本发明中，同一条缆索上有若干台发电机3，在同一缆索上的发电机3共用一条或多条导线8用于传输电能；

已知，每一台发电机3的实际输出功率与当前环境风速成正比。风速越高，发电机3的输出功率越大。为了输出电压的稳定，在本发明中，每一个发电机3都需要设置独立的稳压型升压电路15。

本发明中所述的稳压型升压电路15是一种基于脉宽调制技术设计的针对本发明的专用电子设备。其特征在于，稳压型升压电路15将发电机3输出的电能整流成“脉动直流电”；当风速较低时，风力发电机叶轮转速较慢，发电机输出的脉动直流电占空比较低。当风速较高，风力发电机叶轮转速较快时，发电机输出的脉动直流电占空比较高。

若干发电机3以并联方式接入导线8，其产生的脉动直流电共同输出到导线8之后，叠加的直流电脉冲只会增加占空比而不会造成过大的电压波动，在导线8末端利用变压装置和储能设备将脉动直流电整流并储存后，即可获得稳定的电能输出。

在本发明中，所谓脉动直流电是指，将直流电以电脉冲的形式进行传输的一项技术。脉动直流电是一种直流瞬间放电的现象，其特征为高电压，低电流，放电时间短，发热少，输电损耗低。

风力发电机的电力特征是：当风速较低时，风力机的叶轮转速较低，发电机输出电能较少，体现在电路中的表现就是输出电压电流较低。

当风速较高时，风力机的叶轮转速较高，发电机输出电能较多，体现在电路中的表现就是输出电压电流较高。

风力发电机输出的电压会随着风速的变化而变化，这给电网用电造成了较大的麻烦。为了解决这一问题，在本发明中利用稳压型升压电路15，将发电机输出的电能进行稳压升压。

稳压型升压电路内设有电容器和控制器，风力发电机输出的电能先送入电容器对电容器进行充电。在控制器的控制下，当电容内的电能储存达到设定阈值后对电路进行一次高压放电，即可获得一次高压脉动直流电。

举个例子：某一台风力发电机，当环境风速3米每秒时，风力发电机对应的稳压型升压电路每间隔5秒钟释放一次电压为136V高压直流脉冲电流。当风速达到7米每秒时，稳压型升压电路每间隔2.5秒钟释放一次电压为136V高压直流脉冲电流。当风速达到15米每秒时，稳压型升压电路每间隔1.6秒钟释放一次电压为136V高压直流脉冲电流。

136V高压直流脉冲电流通过变压器，变压为12V大电流直流电，输出到储能设备中进行储存。用户可以根据需要，将储能设备中储存的电能供给用电设备。

稳压型升压电路15的技术特征在于，无论风速如何变化，稳压型升压电路15输出的电压相对恒定。而根据风速的改变，产生变化的是输出高压直流脉冲电流之间的间隔(占空比)。

具体实施方式：

具体实施本发明所述风力发电机需要经过运输、安装、运行、输出、储能、发电、维护等诸多步骤。

第一步，运输与安装。

本发明所述风力发电机从厂家制造完成后，其主要结构有缆索1(包含承力索7导线8等)、叶轮4(包含支撑梁2发电机3阻尼减震器5等诸多零部件)、控制系统(包含稳压型升压电路15、控制器、储能设施等各种零部件)。本发明所述风力机各零部件相对独立，可以自由分解组合。无论是缆索结构、叶轮结构还是控制系统和电气部分甚至是塔架结构，都可以拆解组装。因此，无需使用运送传统风力发电机叶片的特种车辆。利用普通物流系统即可实现快速运输功能。将各个零配件运输至需要安装风力发电机组的工地后即可进行安装。安装分为利用自然环境安装和建设塔架安装两种解决方案。如附图6所示，利用自然环境安装，可以安装在山谷、楼顶、河岸等自然环境中。利用地形落差，如同建设悬索桥一样直接建造牵引支架，用于固定缆索结构，即可完成本发明所述风力发电机的安装。

如果需要在诸如大草原、荒漠、海岸等相对平坦广阔的地形进行安装，则需要建设一个或多个立柱或高塔结构用于支撑和牵引缆索结构。与传统风力发电机塔架不同，本发明所述风力发电机对地基的要求相对较低。如图7所示，缆索结构能够起到牵引作用，缆索结构本身不但不是风力发电机塔架的负担，甚至对风力发电机塔架结构能起到稳定和补强的作用。因此，本发明所述风力发电机塔架成本相较于传统风力发电机塔架更加廉价。

第二步，运行与输出。

安全风速与运行问题：如图7所示，假设将采用高度为100米的塔架结构安装本发明所述风力发电机，在单一塔架的8个方向分别安装一条缆索结构，缆索呈斜拉索方式对称排列。缆索结构的一端由牵引装置收紧至塔顶，另一端固定在地面或塔台上。缆索长度约为135米。每条缆索上设有能够有效工作的风力发电机叶轮100个。8条缆索上有效的风力发电机叶轮总共800个。

8条缆索呈4组对角线排列，每组对角线相互牵引。如图7中所示，相互之间在强风下产生的牵引力会如图中的箭头所示，转化为对塔架的压力。

每个叶轮均为直径1米的球形结构，其投影面积为0.785平方米。其所受气流产生的作用力约等于风速乘以空气质量乘以叶轮的投影面积。单一叶轮半径只有0.5米，所以叶轮能够抵抗的最大风速达到了30米每秒以上。单一缆索上设有100个叶轮，假设风力发电机遇到风速达到30米每秒的飓风，则单一缆索会受到最大0.785(叶轮面积)×1.29公斤(空气重量)×100(叶轮数量)×30(风速)＝3037公斤(3.037吨)的牵引力。牵引力会分解到缆索两端，即塔顶与地面两端。这进一步降低了强风对塔架的影响。

输出功率问题：

假设采用直径1米的单一叶轮结构的输出功率，在风速5米每秒时大约为1KW/小时，风速10米每秒时大约为2KW/小时，风速15米每秒时大约为3KW/小时，风速20米每秒时大约为4KW/小时，以此类推。

风速5米每秒时，800台风力发电机的总输出功率约为750KW/小时(塔架后方100个叶轮输出功率减半)。风速10米每秒时，这组风力发电机的总输出功率约为1500KW/小时。风速15米每秒时，这组风力发电机的总输出功率约为2250KW/小时。风速20米每秒时，这组风力发电机的总输出功率约为3000KW/小时。本发明所述风力发电机的输出功率与当前风速成正比。

第三步：储能与发电。

风力发电机最大的痛点在于输出不稳定。风速与输出功率成正比导致其输出的电能无法稳定向电网供电。为了解决这一问题，在本实施例中，将风力发电机技术与氢储能技术相组合，利用氢储能技术将不稳定的风力发电技术转化为可以参与调峰调压的优质能源技术。

首先，将风力发电机输出电能通过变压装置变压并接入电解槽。风速较快时因输出电流较大所以电解速度较快，氢气产量较大。风速较慢时输出电流较小，氢气产量较小。无风环境下，电解槽停止工作。

电解槽产出的氢气，通过氢气压缩机压缩后送入深埋在地下的储氢容器中。利用高分子材料作为隔离层，利用地层的重量增加储氢容器的耐压强度，可以用较为廉价的方式压缩储存氢气。

已知电解一吨水会获得111千克氢气和889千克氧气。理论上电解一吨水需要消耗4400度电，而实际上目前电解技术转化效率约为80％，电解一吨水需要消耗约5500度电能。目前市面上的氢燃料电池转化效率约为60％，将111千克氢气和889千克氧气利用氢燃料电池能够转化为2640度电能。考虑到包括氢气压缩机等其他设备的能量损耗，风力发电机每输出5500度电能后，经过氢储能储存，最终利用氢燃料电池能够获得1吨纯水和2500度左右的电能输出。

利用地下储氢井技术，可以将大量的氢气廉价的储存到地下。并且可以实时监控地下储氢井的氢气储量。日常，风力发电机根据风速满功率进行发电，输出的电能全部用于电解水。产生的氢气储存到地下储氢容器中。而国家电网调度中心则可以根据储氢容器内的储氢量决定对氢储能设施进行并网发电的时间与输出功率。

例如，当某储氢容器储量达到80％的时候，电网调度中心开始调用储氢容器内的氢气输入氢燃料电池堆进行并网发电。当储氢容器内的氢气储量不足20％时，停止调用当前储氢容器内的燃料电池并网发电，改由其他储能设施进行并网发电。

已知，氢燃料电池发电过程中，氢气与氧气通过氢燃料电池会产生电能和纯净水，这部分产生的纯净水会回收到储水容器中备用。

此时的风力发电机继续工作，持续将之前产生的纯净水导入电解槽进行电解。水资源在此可以进行循环再利用。

通过上述过程，利用储氢容器内储存的氢气，在国家电网调度中心的调配下，可以由本发明所述的风力发电机系统与氢储能设施相互协作，从而起到调峰作用，平抑因其他不稳定能源波动对电网造成的不利影响。

第四步，维护。

通过定期巡护，检测每一个叶轮(风力发电机)的工作状态。若是单独某个风力发电机叶轮如果出现故障，在不影响其他风力发电机的前提下，可以不予理会。当发生多个叶轮都出现问题时，如附图8所示，利用牵引装置放松缆索，使缆索下降至地面。由工作人员在地面对风力发电机进行更换维修，并同时对其他风力发电机进行养护。养护结束后，启动牵引装置，将缆索收紧，使风力发电机复位，继续进行发电。

尽管本发明已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变形均在本发明的保护范围内。

附图说明

图1是垂直轴风力发电机的俯视气流流场图，其中空气来流流速为V。受高实度叶轮阻挡，气流从叶轮外侧绕行。气流通过叶轮两侧时，因为叶轮占据了气流通过的空间导致气流路径变窄，基于伯努利原理可知，气流流管变窄会导致气流流速加快，所以空气流速变成了V1与V2，V1、V2的气流流速大于V的气流流速。

图2是鳞片结构剖面流场示意图。

图3是鳞片结构剖面流场示意图。

图4是鳞片结构的俯视流场示意图。

图5是鳞片结构的俯视流场示意图。

图6是本发明所述缆索结构可以安装在包括但不限于塔架与地面之间、高楼与地面之间、高楼与塔架之间、立柱与立柱之间等诸多环境中。叶轮固定在缆索结构上，气流流经叶轮范围时带动叶轮旋转，驱动发电机发电。

图7是，缆索结构能够起到牵引作用，缆索结构本身不但不是风力发电机塔架的负担，甚至对风力发电机塔架结构能起到稳定和补强的作用。

图8是，当发生多个叶轮都出现问题时，如附图8所示，利用牵引装置放松缆索，使缆索下降至地面。由工作人员在地面对风力发电机进行更换维修，并同时对其他风力发电机进行养护。养护结束后，启动牵引装置，将缆索收紧，使风力发电机复位，继续进行发电。

Claims (8)

1.本发明提出了一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其技术特征为：

一种利用“缆索结构”牵引并串联若干个“叶轮结构”组成的风力发电设备；

在本发明中，缆索1由承力索7、导线8、减震结构9组成；其中，承力索7承担缆索1所需的牵引力，导线8依附在承力索7上；

为了解决强风引起的风力发电机叶轮震颤问题，特设计了支撑梁2；其技术特征为“支撑梁2整体为一套管结构，其通过若干个减震结构固定在缆索1上”，支撑梁2可以将风力引起的叶轮震颤产生的切向力通过减震结构分散到缆索1上变为拉力，从而保证缆索结构在强风作用下能够长时间正常工作；

承力索7是由两条或两条以上的“线缆”绞合而成，每条单独“线缆”的表面进行绝缘处理，通过分别测量每一条“线缆”两端的导电系数，即可测得每一条“线缆”是否发生内部断裂情况，从而预防承力索7因材料疲劳断裂导致的事故；

在本发明中，叶轮4为一旋转对称的中空立体结构，其外形可以选用诸如球形、桶形、碟形、斗笠形或橄榄型等各种“中空立体旋转对称结构”，本发明的技术特征在于这一“中空立体旋转对称结构”的叶轮外缘设有配重环，用于加强叶轮自身结构强度、增加陀螺效应强度、增加叶轮惯性储能特性；

在本发明中，叶轮4表面按一定顺序排布鳞片结构，使空气来流作用于叶轮时受到的压差阻力更大，风能利用率更高。

2.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，本发明所述“叶轮结构”是基于“视风概念”、“康达效应”、“陀螺效应”、“升力原理”以及“特斯拉阀原理”，设计出的一种新型风力发电机叶轮结构，其技术特征为：叶轮表面的鳞片结构如附图2、附图3、附图4、附图5所示，无论正向面对空气来流、侧向面对空气来流还是背向面对空气来流，本发明所述的鳞片结构均能够高效利用空气来流；

当本发明所述缆索1上固定的叶轮（特指高实度升力式叶轮结构）的数量达到2个或两个以上时，为了阻止“叶轮向同一方向旋转”时产生的“马格努斯力的叠加效应”，相邻的叶轮的旋转方向应设置为相反的转向；例如同一条缆索上设有甲、乙、丙三个叶轮时，设置的叶轮的旋转方向应当为顺时针旋转、逆时针旋转、顺时针旋转，三个叶轮产生的切向力方向不同，从而导致切向力转化为方向相反的牵引力，进而杜绝了缆索所受的合力导致的“缆索1整体偏转”和“破坏缆索结构与稳定”的情况发生；

在本发明中，风力发电机叶轮有两个作用；首先，风力发电机叶轮可以驱动发电机转子旋转并发电；其次，利用风力发电机叶轮旋转产生的陀螺效应能够维持叶轮悬挂在缆索上的轴向稳定性；

叶轮4形成的陀螺结构在高速旋转过程中产生的进动效应能够进一步抵消相邻叶轮在气流中因马格努斯效应产生的偏转力矩。

3.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，阻尼减震器5工作原理类似摩天大楼上使用的风阻尼器，阻尼减震器5挂载在缆索1上，能够吸收缆索1的震动，降低缆索1在强风下受风力影响而产生的震颤；在本发明中，阻尼减震器的技术特征为：“阻尼减震器可以与风力发电机叶轮融为一体,也可以相对独立，其利用叶轮旋转产生的陀螺效应抵抗强风对风力发电机的影响”。

4.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，风力发电机叶轮表面排布有多种不同结构的鳞片装置；

所谓鳞片装置是指包含但不限于仿生蝴蝶鳞片的凹面鳞片、仿生鲤鱼鳞片的光滑凸面鳞片、仿生鲨鱼鳞片的带有导流槽的盾鳞等结构或混合上述不同鳞片的组成的结构；

具体鳞片排列方式、鳞片张合角度、鳞片的结构、鳞片的大小、鳞片与叶轮的比例、鳞片材质和种类的选择与当地风力条件以及当地降雨多寡、温度变化程度、是否存在霜冻、冻雨危害等自然条件有关，因此，选用不同鳞片种类、大小和不同鳞片排列组合方式不影响本发明的权属。

5.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，鳞片角度控制器13可以通过调整鳞片偏转角度以及张合角度来适应不同风速与风向。

6.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，所述的缆索1可以通过牵引装置收紧，也可以通过牵引装置放松；当需要检修和更换风力发电机叶轮、缆索等零部件时，可以通过放松牵引装置的方式，使风力发电机缆索结构整体下落到地面；

当检修完成后，通过收紧牵引装置的方式拉紧缆索1，使风力发电机能够恢复正常工作；

在本发明中，牵引装置可以安装在与缆索相关联的任意位置。

7.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，为了防止本发明所述的风力发电机与鸟类或飞行器发生碰撞，在包括但不限于缆索1、叶轮4、叶轮蒙皮11、鳞片13的部分外表涂有高辨识度的，色彩鲜艳的，荧光涂料；白天阳光给荧光涂料充能，夜间荧光涂料自发光，防止鸟类或飞行器意外撞击本发明所述风力发电机；

在本发明所述叶轮结构上可以安装割线器，能够有效预防风筝线绞入到风力发电机叶轮，影响叶轮正常工作。

8.根据权利要求1所述的一种针对复杂气流环境开发的立体悬索式风力发电机技术，其特征在于，在本发明中，同一条缆索上能够设置若干台发电机3，在同一缆索上的发电机3共用一条或多条导线8用于传输电能；

已知，每一台发电机3的实际输出功率与当前环境风速成正比，风速越高，发电机3的输出功率越大，为了输出电压的稳定，在本发明中，每一个发电机3都需要设置独立的稳压型升压电路15；

本发明中所述的稳压型升压电路15是一种基于脉宽调制技术设计的针对本发明的专用电路，其特征在于，稳压型升压电路15将发电机3输出的电能整流成“脉动直流电”；

当风速较低时，风力发电机叶轮转速较慢，发电机输出的脉动直流电占空比较低，当风速较高，风力发电机叶轮转速较快时，发电机输出的脉动直流电占空比较高；

若干台发电机3以并联方式接入导线8，其产生的脉动直流电共同输出到导线8之中后，叠加的直流电脉冲只会增加占空比而不会造成过大的电压波动，在导线8末端利用变压装置和储能设备将脉动直流电整流并储存后，即可获得稳定的电能输出。