CN1721693A - 超大风叶型风力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力机，其主要技术方案是在一组同心园轨道系统上运行有一个风力机底盘，并在此底盘上设有风叶及风叶稳定钢架系统。本发明要解决的关键技术问题是：在阻力型风力机的风叶过大时风力机的运行方式、巨大风叶的重量支承、风动力的传递方式等问题。本发明的意义在于：可以利用理想高度的风力进行发电；可以具有理想的风叶阻风面积、理想的风力力矩，因而可以使风力机的单机功率提高到理想的大小；发电机组是固定在地面的厂房内的，不必随风力机动荡不稳；技术方案易于实施等等优点。本发明将从根本上改变风力发电目前不能大规模生产、不易产业化的局面。

Description

超大风叶型风力机

技术领域  本发明涉及一种风力机，特别是涉及风力机的风叶面积、巨大风叶的重量支承及风力机对风动力的传递。

背景技术  在现有风力机技术中，不论是水平轴还是垂直轴风力机，其风叶重量的支承都是靠风力机的中心轴支承。这样，当风叶越大时，风叶重力中心与风力机中心轴之间产生的垂直向下的力矩就越大，这是一种对风力机起破坏作用的力。因此传统意义上的靠风力机中心轴支承风叶重量的结构，其所能设计的风叶面积是非常有限的。而目前公知风能源的特点是：离地面100～1000米高度的风能用于发电最为理想；阻力型风力机风叶面积越大所能获取的能量越大；垂直轴风力机风动力的力矩越大其风力机的功率越大。因此要想获取理想的风能源，需要有理想高度、理想长度和理想面积的风叶。而目前世界范围内现有风力机的单机容量由于风力机风叶面积过小而受到限制，因而风能发电在现有技术水平上不易于产业化。但随着全世界范围内现有能源紧张及不可再生能源生产及消耗过程中所产生的环境问及能源枯竭问题目渐突出，目前国家急需要能进行大型产业化生产的风力机。本发明就是从风力机的单个风叶的设计入手，使风叶的高度可达数百米到一千米不等，长度达三到四千米不等，单个风叶的阻风面以平方公里计，以期达到风力机的单机功率达到几十万千瓦到百万千瓦级或是功率更高。检索近20年来已经公开的关于“风力机”、“风力发电”及其相关的专利资料，没有相同或相近的技术；查阅超星电子图书馆中所有关于“风力机”、“风力发电”等全部资料，未发现有相同或是相近的技术。发明内容一组同心园形的风力机承重轨道基座，为混凝土结构，呈T字型。轨道的层数及间隔距离由设计的风叶高度及长度决定。最内层园形轨道的园半径为火车能够行使的最小轨道半径。

最内层承重轨道以内的园形区域为发电机机房的位置，称为机房区。在机房区内可以根据需要设置多台发电机组，但发电机组的数量一定要是偶数，而且发电机组设置的位置一定是处于传动齿环园周的对称位置上。

承重轨道最外层以外还设有一种特殊的轨道，为风力机运行稳定轨道，其轨道呈匚字型，混凝土结构，设有上并轨和下并轨，与现有的火车轨道相似，只是两铁轨之间的间距很小，上、下轨之间的高度恰为一个火车轮对的高度，运行于这种轨道上的是两个无轴的、背靠背固定在一起的火车轮对，两条铁轨之间的间距及匚字结构的高度为恰能行使这样一个特殊的轮对。匚字型结构的上、下轨也可以设计为具有磁悬浮功能的电磁铁。

T字型承重轨道基座的T顶部设有火车轨道(或是设有磁悬浮轨道的电磁铁)，轨道上运行有承重车，此承重车为目前已经公知的火车机车技术中的火车机车的转向架，转向架上同时设有目前已经公知的火车车体与转向架之间的联接装置和火车车体与转向架之间的横动装置，这两种装置共同构成承重车与风力机底盘之间的承重部。在转向架上同时还设有从两侧向下延伸的承重车悬臂，当其向下延伸至T字型承重轨道基座的两肩的向下的面时，设有承重车稳定轮运行于T字型承重轨道基座两个向下的面上，用于在风力机在强风状态下保持稳定。

在一组同心园承重轨道基座的下方，设有一条与园半径方向走向一至的火车轨道，与同心园承重轨道基座立体交叉，凡处于立体交叉处的同心园承重轨道均为活动的可更换结构，当承重车需要维修或是更换时通过此处拆除更换。

十字型风叶底座，为十字型重型钢梁，其十字交叉点恰位于一组同心园轨道的园心，十字型风叶底座在向四个方向延伸的过程中每与园形轨道交叉处都设有承重车并由承重车支承十字型风叶底座的重量，在十字型风叶底座与每一层轨道交叉处设有承重车的位置上再设有一条与另一十字型风叶底座相平行的钢梁，称为风力机底盘稳定钢梁，一组风力机底盘稳定钢梁与十字型风叶底座之间相互联接并固定成为一个整体，构成风力机的底盘。这是一个巨大的、能够在一组同心园轨道上旋转的风力机底盘。

在最内层承重轨道以内的风力机底盘上设有一个半径比最内层承重轨道稍小的齿面向下的齿环，齿环的向上面固定于风力机底盘上，向下的齿面用于传递风力机的动力，由于最内层轨道以内的区域设计为发电机组所在的位置，因此风力机可以通过该齿环直接将风动力传递给发电机组。

最外层承重轨道同时也为引导动力的牵引轨道，在此轨道上同时设有动力机车，用于风力机启动时的动力引导以及风力过大时风力机增加负荷时引导风力机匀速运行的引导动力。

设在最外层承重轨道以外的风力机稳定轨道，十字型风叶底座及风力机底盘上的一组稳定钢梁均向外延伸至风力机稳定轨道，并与设在风力机稳定轨道上的轮对相固定，固定处同样设有现有已经公知的火车技术中的火车车体现转向架之间的横动装置万向关节以使它们之间可以万向转动及横动。

从最内层承重轨道开始，在十字型风叶底座上根据需要设有若干二级风叶立柱，在风叶的迎风面，设有卷杨机钢架，在卷杨机钢架的每一个二级风叶立柱的高度上设有卷杨机。同时在风力机底盘上设有风叶稳定钢架，其搭建技术与目前已经公知的建筑工地上使用的“脚手架”的搭建技术相同，但其所使用的钢管长度比“脚手架”所使用的钢管更长，其高度与二级风叶立柱的高度一致。这样在整个风力机底盘上所搭建的钢架系统，构成风力机的稳定钢架，用以稳定竖立起来的风叶以及风叶在受风力作用时在整个风力机上传递风动力。二级风叶立柱由风叶稳定钢架系统稳定后再搭建二级风叶横梁，由二级风叶立柱及二级风叶横梁构成二级风叶框架。由此风力机第一层建造完成。如此类推，可以将风力机搭建到理想的高度。由此方式搭建到一定高度的风叶称之为一级风叶，一级风叶中含有若干二级风叶框架。

由具有一定强度的板材制成的长方形板面，其大小和形状与二级风叶框架相适应，称之为二级风叶。二级风叶的上缘设有铰合结构并与二级风叶横梁相铰合，其下缘设有钢索并与设在卷杨机钢架上的卷杨机相联接。

设立于四个一级风叶外侧顶部的风向标，为飞机型结构，设立在一个可以旋转的基座上并可以在一级风叶的顶梁上进行旋转，在强风吹击下其尖端始终朝向正迎风向。在其尖端设有一强光发生器。在一级风叶的顶梁上，在距风向标基座相等距离的两个点上设有光电转换器，在风力作用下风向标始终朝向正迎风向，风向标发光点在一级风叶旋转时一级风叶顶梁上的两个光电转换器可以在一级风叶分别转到正迎风向及正背风向时分别与风向标尖部所发出的强光相遇，相遇后就可以通过光电转换发出光电信号，使卷杨机工作。当一级风叶的纵轴与风力方向相平行、并处于正迎风向时，通过光电信号使杨机放下钢索，使二级风叶下垂致与一级风叶同一平面，这样一级风叶形成一个巨大的、完整的叶面，随着一级风叶的旋转，很快下垂二级风叶的这个一级风叶面成为迎风受力面。当该面旋转到正背风面且一级风叶的纵轴与风力方向相平行、并处于正背风向时，通过风向标的光电转换信号，卷杨机开始工作，将二级风叶拉起并旋转90度，此时二风叶的叶面与一级风叶的叶面成垂直角度。随着一级风叶的旋转，该一级风叶面进入逆风区，此时该一级风叶就变成为一个由若干二级风叶框架构成的钢结构框架。在四个一级风叶周而复始的旋转中，不停的重复上述的过程，使风力机得以正常工作。这样一个庞大的风力机，在启动时必需要有动力引导，因此在最外层承重轨道与稳定轨道之间同时还设有牵引轨道用于风力机运转开始时或是运转过程中必要的动力牵引。

本发明所提供的风力机与现有技术的各种风力机相比较，具有以下优点：(1)可以利用理想高度的风力进行发电，这是目前任何一种风力机所不能提供的。由此，我国可利用的风能资源也将与现有只能利用地表风力的现状相比，可以成千、万倍的的上调；(2)可以具有理想的风叶受风面积，同时具有巨大的风力的力矩，这就可以使风力机的单机功率成千、万倍的增长，这正是目前国家能源发展所急需的；(3)发电机组是固定在地面的厂房内的，不必随风力机动荡不稳，因此发电机组的使用寿命会像现在水力发电机组一样可以经久耐用；(4)本发明所设计的风力机结构原理简单，大多数为现有公知技术的组合，所需材料普通，构建的过程基本为搭建，焊接的很少，因此构建非常简单；(5)不适合人居住的地方或是不适合耕作的地方往往是最适合建立这样风力机的地方，因此这样的风力机的建设不需要占用耕地；(6)如能在近海建成这样的大型风力机机群，将可以调控台风对陆地的影响；(7)可以根据规划在沙漠上建立风力机机群，调控沙漠上空的风力，用于治理沙漠和治理我国北方地区的沙尘天气；(8)建立在偏远地区的风力机机群所发出的强大电流可以不必远距离输送，而是就地转化，电解水生产液态氢，将风能源转换成可带能源，以减少现在经济发展中对石油的依赖。

附图说明

附图1是本发明的轨道系统及轨道基座系统；

附图2是本发明的承重车；

附图3是本发明的稳定轨道及并轮；

附图4是本发明的风力机底盘系统；

附图5是本发明的一级风叶；

附图6是本发明的稳定钢架系统；

附图7是本发明的风向标；

其中标识为：1下并轨、2上并轨、3承重轨道、4维修轨道、5可拆装部、6T字型承重轨道基座、7牵引轨道、8匚字型稳定轨道基座、9承重车承重部、10转向架、11承重车悬背、12承重车稳定轮、13并轮、14十字型风叶底座、15风力机传动齿轮、16承重车、17风力机底盘稳定钢梁、18钢缆固定环、19二级风叶立柱、20二级风叶横梁、21一级风叶、22风叶顶梁、23稳定钢缆、24卷杨机钢缆、25卷杨机、26风叶稳定钢架横梁、27风叶稳定钢架立柱、28卷杨机钢架、29强光发生器、30风向标尾翼、31二级风叶、32光电转换装置A、33光电转换装置B。

具体实施方式  图1给出了本发明最为重要的轨道系统及轨道基座系统，其承重轨道(3)的层数及牵引轨道(7)的层数根据风力机风叶的高度和长度决定，可以是若干层；在一组同心园形的T字型承重轨道基座(6)中，T字型承重轨道基座(6)及匚字型稳定轨道基座(8)均为混凝土结构；所有的承重轨道(3)和最外层稳定轨道中的下并轨(1)均处在同一平面；上并轨(2)处于最上一层平面；牵引轨道(7)和维修轨道(4)同处于最下层平面；维修轨道(4)与承重轨道(3)形成立体交叉；维修轨道(4)与牵引轨道(7)在同一平面上使用道叉进行交叉；维修轨道(4)处于一组同心园的任意一处的半径位置上，所过之处的上部的T字型承重轨道基座(6)及相应部位的承重轨道(3)设计为可拆装部(5)，当承重车(16)需要维修时将其运行至此处与可拆装部(5)共同拆下进行更换或维修；由于火车能运行的最小轨道园半径是150米，因此最内层承重轨道(3)的半径是一个半径大于150米的园形区域，这个园形区域为安装发电机组的发电厂房区；最外层的匚字型稳定轨道基座(8)为混凝土结构，匚字结构的上、下面上均设有一种特殊的轨道，称为上并轨(1)和下并轨(2)，为普通铁轨，但两根轨道铺设的间距比普通轨道要小，仅容纳下一个并轮(13)的凸出部分；牵引轨道(7)上运行的火车机车的数量由风力机的大小所决定；

图2所示的风力机承重车，其主要部件为目前已经公知的火车机车的转向架(10)，同时还设有目前已经公知火车车体与转向架之间的联接装置及目前已经公知的火车车体与转向架之间的横动装置，这两种装置共同构成风力机底盘与转向架之间的承重部(9)；在转向架(10)上同时还设有从两侧向下延伸的承重车悬臂(11)，当其向下延伸至T字型承重轨道基座(6)的两肩的向下的面时，设有承重车稳定轮(12)运行于T字型承重轨道基座(6)两个向下的面上，用于在风力机在强风状态下保持稳定。

同时也可以将上述实施方案中的所有承重轨道(3)设计为目前已经公知的磁悬浮轨道，将承重车设计为目前已经公知的磁悬浮列车的车箱底座，用于风力机底盘的承重，同时将匚字型稳定轨道基座内上面的上并轨(2)设计成为具有磁阻功能的轨道，将并轮(13)上设计有电磁铁利用磁阻功能对风力机起稳定作用。

图3给出的是风力机底盘系统，十字型风叶底座(14)，为一重型钢梁，其十字交叉点位于一组同心园轨道的园心，十字型风叶底座(14)每与承重轨道(3)交叉处均设有承重车(16)；与两条相互垂直的十字型风叶底座(14)相平行，设有若干风力机底盘稳定钢梁(17)，它们相互间、同时也与十字型风叶底座(14)间相互交叉、固定并形成一个整体；且在最外层承重轨道(3)以外延伸到匚字稳定轨道基座(8)，若干风力机底盘稳定钢梁(17)及十字型风叶底座(14)的四个末端到达匚字稳定轨道基座(8)上的上并轨(1)、下并轨(2)处时，其末端均设有并轮(13)，并运行于上并轨(1)及下并轨(2)之间；在最内层承重轨道以内由十字型风叶底座(14)及风力机底盘稳定钢梁(17)构成的风力机底盘上，设有一风力机传动齿轮(15)，其齿面向下，齿轮的半径可以根据需要设计其大小，其半径最大可达150米左右；综上所述，由若干承重车(16)、十字型风叶底座(14)、若干风力机底盘稳定钢梁(17)、风力机传动齿轮(15)和若干并轮(13)共同构成了可以在相应轨道上旋转的风力机底盘系统。

图4给出了本发明的轨道系统及轨道稳定系统的最外层稳定轨道及其基座，匚字稳定轨道基座(8)，为混凝土结构，在匚字型结构的内上面及内下面上均设有由小间距铁轨构成的上并轨(1)及下并轨(2)；并轮(13)由两个普通的现已公知的火车轮对背靠背固定而成，在并轮(13)的中心设有万向关节及风力机底盘稳定钢梁(17)与并轮(13)之间的横动装置，并通过这种可以万向转动的装置及横动装置实现风力机底盘稳定钢梁(17)与并轮(13)之的连接；在靠近并轮(13)的风力机底盘稳定钢梁(17)上设有钢索固定环(18)。

图5和图6给出了风叶和风叶稳定钢架系统，设于风力机底盘上的十字型风叶底座(14)，从最内层承重轨道开始向外设立若干二级风叶立柱(19)，同时在风叶的迎风面设有卷杨机钢架(28)并与每一个二级风叶立柱(19)相对应；二级风叶立柱(19)之间用二级风叶横梁(20)相固定，二级风叶立柱(19)与卷杨机钢架(28)之间用风叶稳定钢架横梁(26)固定；在风力机底盘上，根据需要设有若干风叶稳定钢架立柱(27)，其高度与二级风叶立柱(19)及卷杨机钢架(28)相同；在整个风力机底盘上，二级风叶立柱(19)卷杨机钢架(28)及风叶稳定钢架立柱(27)之间均应用风叶稳定钢架横梁(26)相联接并固定；风叶稳定钢架立柱(27)相互间同样也以风叶稳定钢架横梁(26)相固定，固定方法均采用现代建筑工程中已经公知的搭建“脚手架”的技术；在卷杨机钢架(28)上设有卷杨机(25)。应用上述方法建立了每层二级风叶框架及相应的风叶稳定钢架，利用风叶稳定钢架可以将四个风叶分别从两面加以固定，这样就建立了风力机风叶的第一层，根据需要，使用同样的方法可以一层一层的向上“搭建”，直到需要的高度。二级风叶立柱(19)和二级风叶横梁(20)构成二级风叶框架，二级风叶(31)为具有一定强度的板面，其大小形状与二级风叶框架相适应，其上缘铰合于二级风叶横梁(20)上，其下方通过卷杨机钢索(24)与卷杨机(25)相连。

当风力机被“搭建”到一定的高度时，在最顶端的风力机稳定钢架横梁(26)及风叶顶梁(22)的最外侧端分别用钢索与相应位置的风力机底盘上的钢索固定环(18)相连接，以固定具有一定高度的风力机。

附图7给出了风力机的风向标，设立于四个风叶顶梁(22)上的最外端，只要有风力，风向标的尖端就永远指向正迎风向，风向标的尖端设强光发生器(29)，如图所示，在风叶顶梁(22)的外侧端，位于风向标两侧相对应的位置上，分别设有光电转换装置A(32)及光电转换装置B(33)；当风力机旋转，风叶顶梁(22)的外侧端朝向正迎风向时，风向标上的强光发生器(29)恰与光电转换装置A(32)相遇，通过光电转换给出信号，使相应风叶的所有卷杨机(25)松下卷杨机钢索(24)，使二级风叶(31)下垂并与二级风叶框架处于同一面内，并构成一级风叶(21)，随着风力机的旋转，一级风叶(21)进入阻风区，并获取风动力。当风力机旋转风叶顶梁(22)的外侧端朝向正背风向时，风向标上的强光发生器(29)恰与光电转换装置B(33)相遇，通过光电转换给出信号，使所有相关的卷杨机(25)拉起卷杨机钢索(24)并将二级风叶(31)拉起至水平位并与原有平面垂直，随风力机的旋转，一级风叶(21)进入排风区。如此周而复始，风力机开始工作。

附图1给出的牵引轨道(7)，其上设有火车牵引机车，供风力机启动时或是其它必要时进行动力引导。

Claims (10)

1、一种超大风叶型风力机，在一组同心园轨道系统上运行有一个风力机底盘，并在此底盘上设有风叶及风叶稳定钢架系统，其特征是：一组同心园形的风力机承重轨道基座，为混凝土结构，呈T字型，承重轨道基座最外层以外为风力机运行稳定轨道基座，呈匚字型，混凝土结构，设有上并轨和下并轨；在承重轨道和稳定轨道之间设有牵引轨道；T字型承重轨道基座的T顶部设有承重轨道；也可以设计为目前已经公知的磁悬浮轨道；承重轨道上运行有风力机承重车，此承重车为目前已经公知的火车机车转向架、火车车体与转向架之间的联接装置、火车车体与转向架之间的横动装置和承重车悬臂共同构成，承重车悬臂是在转向架上设立承重车稳定钢架，钢架沿T字型承重轨道基座两侧向下，到达T“肩”向下的面时，再向内延伸并在其末端设有承重车稳定轮；在一组同心园承重轨道基座的下方，设有一条与园半径方向走向一至的维修轨道；十字型风叶底座，其十字交叉点恰位于一组同心园轨道的园心，十字型风叶底座在向四个方向延伸的过程中每与承重轨道交叉处都设有承重车；并在此交叉处设立与另一十字型风叶底座相平行的风力机底盘稳定钢梁，一组风力机底盘稳定钢梁与十字型风叶底座之间相互固定构成整体并成为风力机底盘；在最内层轨道以内的风力机底盘上设有一个半径比最内层承重轨道稍小的齿面向下的齿环，齿环被固定于风力机底盘上；在十字型风叶底座上设有若干二级风叶立柱；在风叶的迎风面，设有卷杨机钢架，在卷杨机钢架的每一个二级风叶立柱的高度上设有卷杨机，同时还设有风叶稳定钢架；由板面构成的与二级风叶框架相适应的二级风叶，其上缘设有铰合结构并与二级风叶横梁相铰合，其下缘设有钢索并与设在卷杨机钢架上的卷杨机相联接；设立于四个风叶顶梁上的风向标，为飞机型结构，设立在一个可以旋转的基座上并可以在风叶顶梁上进行旋转，在其尖端设有一强光发生器，在风叶顶梁距风向标基座相等距离的两个点上设有光电转换器。

2、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：轨道系统及轨道基座系统是一组同心园形结构，分三个平面设立，轨道交叉部分采用立体交叉或轨道道叉交叉；承重轨道为设在T字型承重轨道基座上的火车轨道；稳定轨道为设在匚字型稳定轨道基座内的上、下并轨；承重轨道、维修轨道及牵引轨道为普通的火车轨道；所有的承重轨道均在其与维修轨道相交叉处设有可拆装部。

3、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：风力机的稳定轨道与现有的火车轨道相似，只是两铁轨之间的间距很小成为并轨；上、下并轨之间的高度恰为一个火车轮对的高度，运行于这种轨道上的风力机稳定轮是两个无轴的、背靠背固定在一起的火车轮对，并与设在风力机底盘上的风力机底盘稳定钢梁相联接，联接处设有现已公知的火车车体与转向架之间的横动装置和万向关节。

4、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：承重车是由目前已经公知的火车机车转向架、火车车体与转向架之间的联接装置、火车车体与转向架之间的横动装置及承重车悬臂共同构成，承重车悬臂是设在转向架上的稳定钢架，沿转向架两侧向下延伸，到达T肩向下的面时再向内延伸并在其末端设有承重车稳定轮；联接装置及横动装置共同构成承重车的承重部。

5、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：十字风叶底座，其十字交叉点恰位于一组同心园轨道的园心，十字型风叶底座在向四个方向延伸的过程中每与承重轨道交叉处都设有承重车，在承重车的位置上再设有一条与另一十字型风叶底座相平行的钢梁，称为风力机底盘稳定钢梁，一组风力机底盘稳定钢梁与十字型风叶底座之间相互固定形成一个整体并成为风力机的底盘。

6、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：在最内层轨道以内的风力机底盘上设有一个半径比最内层同心园轨道稍小的齿面向下的齿环，齿环的向上面固定于风力机底盘上。

7、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：风叶的结构是在十字型风叶底座上，从最内层承重轨道开始设立若干二级风叶立柱，在风叶的迎风面，设有卷杨机钢架，在卷杨机钢架上设有卷杨机；由板面构成的与二级风叶框架相适应的二级风叶，其上缘设有铰合结构并与二级风叶横梁相铰合，其下缘设有钢索并与设在卷杨机钢架杨机相联接。当所有二级风叶下垂致与二级风叶框架处于同一平面时，就构成了一级风叶。

8、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：风力机稳定钢架系统是由卷杨机钢架及一系列钢管搭建起来的钢架系统。

9、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：风向标为飞机型结构，在其尖端设有一强光发生器，在风叶顶梁上，在距风向标基座相等距离的两个点上设有光电转换器。

10、根据权利要求1所述的超大风叶型风力机，其特征是：所有的同心园型的承重轨道及匚字型稳定轨道内上面的上并轨也可以设计为磁悬浮轨道。

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