双侧风能全利用竖直风车.doc

双侧风能全利用竖直风车风电的希望风车结构的大胆创新！当前风力发电多数采用的是升力型水平轴风车，其特点是：转速高、风能利用率较高，其叶尖速比通常在4以上，效率大约在45%；而阻力型垂直轴风车尖速比一般为0.3至0.6，在0.5左右时才能获得较高的功率输出，若风轮直径较大转速会很低，其效率大约仅有35%。根据上述分析，看起来阻力型垂直轴风车似乎没有发展前途。但上述比较是在风轮尺寸、重量和成本一定的条件下，并且是对普通阻力型垂直轴风车只能利用一侧风能，其叶片逆风旋转时还会抵消部分风能的情况下得出来的结论。既没有考虑到阻力型垂直轴风车的叶片面积，通常远远大于升力型叶片面积的实际情况，也没有考虑到阻力型风车的风时利用率非常高的优点；那就更不可能考虑到最新发明的阻力型垂直轴风车，不仅叶片的逆风阻力几乎可以忽略不计，同时还可以双侧风能全利用的特点。正是西方国家的理论研究数据束缚了我们的思维，许多人不加分析地人云亦云，盲目否定阻力型垂直轴风车的发展前景。要知道西方国家通用的升力型三桨水平轴风车，更适合西欧环境，当地风速较高、风力和风向相对较稳；而我们中国的风速较低，风力和风向变化较大。不加分析地大量引进西方国家的三桨水平轴风力发电设备，实践证明弊端显现，因风时利用率太低，许多风电设备每年多数时间处于停转闲置状态。真正的优劣比较，最科学的方法应当是，将投资运行成本和全年发电量进行对照评判。讲到这儿，可能有人会问：你说的最新发明是什么？别急，听我慢慢道来。该发明属于阻力型垂直轴风车范畴；但又有别于一般的垂直轴风车，因为该风车的旋转中心位置，并没有一根实实在在的垂直转动轴；如果在中心位置真的有一根垂直转动轴，就无法同时利用双侧风能，所以才起名叫“双侧风能全利用竖直风车”。该发明已申报了国家发明专利，申请号：200910032465.4 ，申请日：20090708，公开日：20091202。该发明一旦实施成功，可打破西方国家普遍推广使用的三桨水平轴风车的“神话”，预计可将风能利用效率提高数十倍，使风电成本远远低于火电，不仅可以扭转全国大型风电场普遍亏损的局面，还可以逐步减少碳排量，并有可能改变未来能源结构。也许有人会嘲笑，哪儿冒出这么一个狂人？其实，我们中国人要有自信心，尽管西方的技术是成熟的，但不一定是最好的、最实用的！要相信中国人能够按照胡锦涛总书记的要求“抢抓世界新一轮能源革命先机”！让我把“双侧风能全利用竖直风车”原理和特点介绍完，请你再作评价。（附图）见（附图），在竖直塔上分层安装可旋转的大型内齿齿轮，在每层大型内齿齿轮的外侧固定联接4根水平力臂，相邻层力臂的旋转方向相反，以达到竖直塔双侧风能全利用的目的。阻力平面型桨叶安装在力臂上，并可绕力臂翻转，接受风力时呈竖直状态，逆风时翻转为水平状态。力臂每旋转一周，桨叶翻转两次，桨叶翻转是靠力臂旋转的强大推力和控制环片的相互作用，强制力臂上的内齿螺旋轮来回位移，从而推动外齿螺旋轮90度来回转动完成的。其决窍是安装在竖直塔上可转动的控制环片，其下侧面有两个半径大小不同的半圆形沟槽，通过直线形沟槽平滑过渡过地连成一圈，能让内齿螺旋轮上的滑块沿沟槽受控旋转并径向位移。在伺服跟踪装置的调节下，不仅能确保桨叶随风向适时翻转；而且还能确保桨叶处于翻转方位时，相邻层力臂错开45度角。桨叶是由具备泄风功能的弹性小叶片排列组成，以确保风车的正常平稳运行。该风车的特点是：桨叶受风面积大、逆风阻力小、启动风速低、转速低、噪声低、双侧风能全利用，整体效率并不低；不仅结构新颖、制作简便、风时利用率高，而且对材质和加工精度要求不太高，符合中国国情，方便普及应用，更适合于大型风力发电场使用。并且该风车稍加简化后可用于水能转换，使正常流动的水力资源得到开发利用，避免了拦河筑坝周期长、投资高、对环境破坏大的弊端。当然，任何一项新事物，要经过实践检验才能得到人们的认可，理论上再好也得做出实物，才能让人心服口服。该风车既然是最新发明，其实施也得有一个过程，何况作为一个大型风车发明，具体实施难度当然更大，不是发明者个人力所能及。希望广大风电专家学者和热爱风电事业的网友就此开展讨论，评估该发明是否具有可行性？是否符合中国的国情？是否有普及推广的价值？特别希望爱挑剔的网友拍“砖头”，指出其中的问题和缺陷，并提出改进意见和建议。邮箱：url=mailto:/url （附件：该发明专利的详细资料） 发 明 专 利 说 明 书 双侧风能全利用竖直风车 所属技术领域 本发明涉及风电和水电技术领域，是一种竖直式风能或水能的流体动能接收装置。 背景技术 为保护环境节约资源，人类正在加大风能、水能和太阳能等可再生资源的开发力度，特别是提高风能和水能的开发利用效率，正是人们努力攻克的重点目标。现常用风力发电装置水平轴风车，存在三桨叶片迎风面积小，桨叶运动方向与风向垂直，风能利用率低，启动和运行风速要求高，对桨叶的外形、材质、重量和强度要求极高，加工难度大等问题。而现有的垂直轴风车，虽然能解决桨叶迎风面积不足和运动方向与风向不一致的问题，但逆风阻力仍然较大的难题还有待克服，并且只能利用一侧风能。同样，目前的水力开发也存在拦河筑坝建设周期长、投资成本高的问题。所以，必须要为风能和水能的开发利用，寻找更科学有效的途径。本发明正是基于这样的思路，提出一种新颖高效的解决方案。 发明内容 本发明是一种大型塔式竖直风车，适合大型风力发电场使用。它能有效解决多种垂直轴风车逆风阻力仍然较大，另侧风能不好利用的难题。该风车不仅桨叶迎风面积大，逆风阻力小，还做到了双侧风能全利用，且无需辅助启动，启动时正反转都可以。装置稍加简化，同样适合于水能的开发利用。 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 在竖直塔上分层安装可旋转的大型内齿齿轮，内齿齿轮上固定联接4根（3到6根都可以，4根为宜）水平力臂，每根力臂上安装可翻转的平面型桨叶，迎风时竖直，逆风时转为水平。桨叶每周翻转两次，是靠沿力臂移动的内齿螺旋轮，推动外齿螺旋轮转90度角实现的，桨叶的每次翻转都是在不承载风力的方位时快速完成。内齿螺旋轮的移动距离和方位，受控制环片的控制，能够保证桨叶跟踪风向及时翻转；控制环片通过风向跟踪齿轮，受伺服跟踪装置调节。桨叶由多个具有泄风功能的弹性叶片排列组成，既对桨叶起保护作用，也有利于风车平稳运转。 如果风车仅用单层4个桨叶组成，总会有一侧风能白白浪费。为了达到风能的充分利用，本发明将风车设计成多层，每相邻层之间旋转方向相反。为减少处于翻转方位时桨叶的数量，同时避免相邻层间的桨叶翻转时碰擦，采用伺服跟踪装置调节，确保桨叶处于翻转方位时，相邻层的力臂错开45度角。伺服跟踪装置在对同一方向旋转的力臂偏转调节时，有时需要强迫桨叶顶风旋转一定角度，必须提供较大力矩；但由于调节的偏转角度不大，时间又很短暂，消耗能量并不大；况且，对大型风电场来说，风向相对稳定，变化不是很频繁。为充分利用双侧风能，进行这样的跟踪调节还是非常值得。另外，为减少风向跟踪调节次数，可以设定风向超过允许误差角度范围，才进行跟踪调节。 由于风车可任意方向旋转启动，统一输出力矩的方向也会随之改变。尽管风车可以输出正反两个方向的力矩，但不会影响发电机按原方向正常运转，因为只要在发电机前安装一个变向齿轮箱，就能将不同方向的输入力矩，自动转换成相同方向的输出力矩。 本发明稍加简化，更适合于水能的开发利用。由于河流的流向和流速相对平稳，可取消伺服跟踪装置，把控制环片固定联接在竖直塔上；还可取消弹性叶片，把桨叶做成整体平面板。考虑到水流不会中断，且流速变化不大，变化也很缓慢，只要适当人为调节，就能让发电机发出比较稳定的电流，可直接提供民用，还能节约蓄电池转换的成本。 附图说明 下面结合附图对本发明进一步说明。 图1是风车结构全图。 图2是桨叶翻转原理图。 图3是控制环片及控制沟槽图。 图4是传动齿轮和风向跟踪齿轮结构图。 图中：1.竖直塔, 2.大型内齿齿轮, 3.力臂, 4.桨叶, 5. 控制环片, 6.内齿螺旋轮, 7.外齿螺旋轮, 8. 弹性叶片， 9. 传动齿轮, 10.风向跟踪齿轮。 具体实施方式 （图1） 图1中：竖直塔（1）上分层安装可转动的大型内齿齿轮（2）、可转动的控制环片（5）。在大型内齿齿轮（2）上等角度地联接4根水平力臂（3）。在力臂（3）上安装桨叶（4）、内齿螺旋轮（6）、外齿螺旋轮（7）。桨叶（4）是由弹性叶片（8）排列组成。桨叶每周翻转两次，保持迎风时面积最大、逆风时阻力最小。相邻层力臂的旋转方向相反，使得竖直塔的双侧风能全利用。 （图2） 图2中：桨叶（4）（图中只画出部分）与外齿螺旋轮（7）固定联接，并能绕力臂（3）翻转，迎风时呈竖直，逆风时转为水平。桨叶是由若干弹性叶片（8）排列组成，每个弹性叶片都能向两个方向偏转或弯曲，其弹性从内向外逐渐变弱，强风时释放过大风力，既可保护桨叶免受损害，又能维持风车运转平稳。 内齿螺旋轮（6）和外齿螺旋轮（7）是带有类似“来福线”状纹的螺旋齿轮，相互配套时，一个主动做直线运动，另一个就被动做旋转运动。内齿螺旋轮（6）套在外齿螺旋轮（7）上，并能作距离为m的移动，推动外齿螺旋轮（7）转90度角，从而带动桨叶（4）翻转。内齿螺旋轮（6）移动的距离和方位，受控制环片（5）的控制。 （图3） 图3中：控制环片底部的控制沟槽，是大小不同半径的半圆弧形槽，通过两条直槽平滑过渡连成一圈，大小半圆弧的半径之差为m。当内齿螺旋轮（6）上的滑块，在控制沟槽内运行时，受旋转力臂的强力推动，被强制作距离为m的径向位移。 （图4） 图4中：安装在竖直塔内的传动齿轮（9），在传递动力的同时，限定相邻层间的力臂同速反向旋转，还能将不同方向的旋转力矩，转换为统一方向的输出力矩。另外，受伺服服跟踪装置的调节，确保桨叶处于翻转方位时，相邻层力臂正好错开45度角。由于风车启动时，力臂旋转方向不受限制，虽然会造成统一输出力矩的方向改变，但只要通过转向齿轮箱调节，仍能自动保持发电机按正常方向运转。由于桨叶是迎风水平旋转，不会发生低速停转现象；所以，可适当加大输出负载，让风车始终保持慢速旋转。这样既有利于桨叶承载更大风力，也有利于减小逆风阻力和机械磨损，同时也为桨叶留下足够的翻转时间。 在用于水能转换时，结构可以简化。由于水流方向固定，流速相对稳定，伺服跟踪装置不需要了，控制环片（5）可以固定联接在塔身上；桨叶（4）可以做成完整的平面板，不需要由弹性叶片（8）排列组成。 可行性分析 运行在控制环片（5）控制沟槽中的滑块，在旋转力臂的强力推动下，能够产生足够的径向位移力，因为控制环片（5）的直径较大，大小半圆弧形槽半径差距不大，又是平滑过渡，就两层正反旋转的8根力臂整体分析，每转45度角有两个桨叶翻转，同时却有3根力臂在做功，其中1个力臂处于产生最大力矩方位。 另外，通过加长外齿螺旋轮（7）的长度，增加内齿螺旋轮（6）位移的距离，可以增强翻转推力；同样，加大控制环片的半径，减少位移量m与半径的比值，可使两个半圆弧之间的过渡更加平缓，有利于提高滑块的位移推力。所以，该项发明的实施具有很强的可行性。 伺服跟踪装置是现有常用技术，目前的大型水平轴三桨风车的伺服跟踪装置，能对塔顶几十吨重的电机和风叶进行风向调节，用于双侧风能全利用竖直风车的跟踪调节，应该不存在技术问题。 有益效果 解决现有风车风能转换效率不高、启动风速要求高、造价高、桨叶制造技术难度大的弊端，可为社会提供更廉价、洁净的风能电力。用于水力发电，同样投资省、见效快；可以沿着河流大批量地安装，能发挥出优良的综合经济效益。 本发明为可再生能源的充分利用，提供了更有效的手段，既有利于缓解能源危机、保护资源环境，也有利于促进人类社会的长远发展和科学发展。 另附：专利实施过程中的补充说明： 1、专利说明书中写到：伺服跟踪装置在风向调节时，有时需要