專利名稱：一種帆式風(fēng)輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種帆式風(fēng)輪，用于垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)上。
背景技術(shù)：
目前垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪主要是薩布紐斯風(fēng)輪，亦稱S型風(fēng)輪。它是由兩 個(gè)邊緣連接的對(duì)置的半圓形筒狀葉片組成(圖1)；是利用這兩個(gè)葉片在同一風(fēng)場里產(chǎn)生的 壓力差驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種風(fēng)輪的最大的不足之處在于1)由于兩個(gè)半圓形筒狀葉片在同一風(fēng)場里受 風(fēng)的截面積相同，由此產(chǎn)生的壓力差有限，風(fēng)能的利用率低；2)受結(jié)構(gòu)限制，半圓形筒狀葉 片不能制造得非常大，因此不能大面積的收集風(fēng)能。由于風(fēng)能是能量密度非常低的能源，一種風(fēng)輪能不能大面積的收集風(fēng)能，并有較 高的能源轉(zhuǎn)換效率，決定了這種風(fēng)輪的適用范圍。薩布紐斯風(fēng)輪的這些不足之處限制了它 在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種帆式風(fēng)輪，用于垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)上。這種帆式風(fēng)輪是由旋臂和軟帆組成。安裝在旋臂上的軟帆是風(fēng)輪收集風(fēng)能的主要 裝置。在軟帆處于逆風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆兩側(cè)的帆面自動(dòng)收縮成為一個(gè)與風(fēng)向平行的平面， 因而使迎風(fēng)阻力大為減少；在軟帆處于順風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆自動(dòng)張開成為一個(gè)與風(fēng)向垂 直的平面，因而能夠收集風(fēng)能，推動(dòng)旋臂旋轉(zhuǎn)。由于軟帆在逆風(fēng)的時(shí)候收縮和在順風(fēng)的時(shí)候張開，能夠使風(fēng)輪產(chǎn)生很大的壓力 差，因而具有很高的能源轉(zhuǎn)換效率。由于軟帆可以制作得非常巨大一一例如象大型帆船的 風(fēng)帆一樣巨大，收集的風(fēng)能非?？捎^。這種帆式風(fēng)輪使垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)能夠應(yīng)用于大 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是帆式風(fēng)輪由兩個(gè)或者兩個(gè)以上的旋臂組成，圖2(頂視圖，未裝軟帆)所示的帆式 風(fēng)輪是由三個(gè)旋臂組成。旋臂由一個(gè)或者多個(gè)矩形的平面的框架組成，圖2所示的旋臂由兩個(gè)矩形的平面 的框架組成(圖2-A視圖)。在框架的上下橫梁之間有一根或者多根凸形立桿，凸形立桿的凸形平面垂直于兩 根橫梁的軸線，圖2所示的每個(gè)框架里有一根凸形立桿(圖2-B-B視圖和A視圖)。如果在 一個(gè)框架上設(shè)置多根凸形立桿，目的是在同一個(gè)框架上安裝多面軟帆。一般情況下，一根凸 形立桿對(duì)應(yīng)一面軟帆?！耙话闱闆r”是指一根凸形立桿的剛度能夠滿足支撐一面軟帆工作的需求。軟帆(圖3)的形狀是一個(gè)矩形的平面上下兩邊的邊長小于兩側(cè)兩邊的邊 長；兩側(cè)的邊長長于凸形立桿的長度。軟帆安裝在凸形立桿的凸出方向的外面(圖4)，軟帆的上下兩邊分別固定在框架的上下兩根橫梁上。如果框架的長度允許并排安裝多個(gè)軟帆，每個(gè)軟帆的順風(fēng)面的后面都必須有一根凸出方向?qū)χ浄耐剐瘟U。當(dāng)風(fēng)從軟帆的前面吹來即逆風(fēng)狀態(tài)，由于凸形立桿的阻擋和風(fēng)壓的共同作 用，軟帆的兩側(cè)的帆面沿凸形立桿的凸形平面相互靠攏，軟帆的迎風(fēng)面積縮小(圖5)。當(dāng)風(fēng)從軟帆的后面吹來即順風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)壓使軟帆迅速張開，軟帆以其全部的 最大的面積收集風(fēng)能(圖6)。圖2所示的旋臂由兩個(gè)矩形的平面的框架組成，兩個(gè)框架之間有一個(gè)大于90度的 夾角。設(shè)置夾角的目的是使同一旋臂的外側(cè)框架上的軟帆早于內(nèi)測框架上的軟帆張開。同 一旋臂上的軟帆在同一風(fēng)場里分別先后張開，而不是同時(shí)張開，其作用在于避免帆式風(fēng)輪 輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩出現(xiàn)忽大忽小的情況軟帆張開的時(shí)候會(huì)使帆式風(fēng)輪的扭矩和轉(zhuǎn)速驟然 增加。減少同一旋臂的軟帆同時(shí)張開而使帆式風(fēng)輪的扭矩和轉(zhuǎn)速驟然增加的其他的技 術(shù)方案還有1)沿帆式風(fēng)輪的軸線上設(shè)置兩層或者兩層以上的旋臂。上下層的旋臂的位置交錯(cuò) 而不在同一個(gè)垂直面上。設(shè)置兩層或者兩層以上的旋臂，而不是在同一層里設(shè)置眾多的旋 臂，原因在于避免由于同一層旋臂過多而擾亂風(fēng)的流場，使各個(gè)旋臂上的軟帆相互干擾，從 而降低了帆式風(fēng)輪收集風(fēng)能的能力。2)增加旋臂的重量，使旋臂能夠象飛輪一樣的儲(chǔ)能。


圖1 薩布紐斯風(fēng)輪的示意圖。圖2 帆式風(fēng)輪的頂視圖。為了顯示旋臂的位置和形狀，沒有裝上軟帆。視圖選擇 了三旋臂結(jié)構(gòu)的帆式風(fēng)輪。A視圖中顯示每個(gè)旋臂選擇了只有兩個(gè)矩形的平面的框架的結(jié) 構(gòu)。B-B視圖中顯示每個(gè)框架選擇了只有一個(gè)凸形立桿的結(jié)構(gòu)。圖3 軟帆的形狀。圖4 軟帆安裝在凸形立桿的突出方向的外面。圖5 當(dāng)軟帆處于逆風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆收縮的形狀。圖6 當(dāng)軟帆處于順風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆張開的現(xiàn)狀。圖7 凸形立桿的幾種形狀。
具體實(shí)施例方式旋臂由金屬材料制成。由于是長懸臂梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)旋臂需要有較高的結(jié)構(gòu)靜力學(xué) 的計(jì)算能力。旋臂與中心軸之間，旋臂與旋臂之間可以由鋼索把整個(gè)帆式風(fēng)輪連接成為一 個(gè)封閉的整體，以增加帆式風(fēng)輪的剛度。由于旋臂是金屬材質(zhì)，注意表面的防腐，可以極大 的延長使用壽命。凸形立桿可以由金屬材料制作；由于風(fēng)的作用，在軟帆收縮的時(shí)候軟帆會(huì)與凸形 立桿之間相互摩擦，為了減少摩擦力以期盡量延長軟帆的使用壽命，在凸形立桿的表面應(yīng) 該覆蓋有減少摩擦力的材料，例如聚四氟乙烯。
凸形立桿的凸起形狀可以是弧形、梯形或者矩形(圖7)。形狀的選擇取決于軟帆 的大小，對(duì)于需要輸出大功率的大面積的軟帆，由于可能需要軟帆隨時(shí)可以升降，例如風(fēng)力 超出額定功率需求的時(shí)候降下一部分軟帆，風(fēng)力減小的時(shí)候升起全部的軟帆，凸形立桿應(yīng) 該選擇弧形。對(duì)于需要輸出小功率的面積較小的軟帆，由于不需要升降軟帆，應(yīng)該選擇梯形 或者矩形。選擇梯形或者矩形的凸形立桿，可以把軟帆的中心部位固定于凸形立桿上，從而 減小了軟帆與凸形立桿的摩擦，延長了軟帆的使用壽命，降低了維護(hù)成本。軟帆的材料應(yīng)該選擇輕柔、耐摩擦并不透氣的材料，如覆蓋有耐磨擦并不透氣的 涂層的尼龍布或者帶有類似涂層的帆布。對(duì)于可能與凸形立桿發(fā)生摩擦的中心部位，還應(yīng) 該增加其他的更厚的耐磨材料，例如皮革。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，軟帆在帆式風(fēng)輪上屬于“非耐用品”，需要定期 更換，例如一年 更換一次；視軟帆選擇的材料和運(yùn)行環(huán)境而定。在計(jì)算帆式風(fēng)輪的維護(hù)費(fèi)用上應(yīng)該把軟帆 放在“非耐用品”的范疇里。垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)屬于大扭矩低轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)，例如，如果帆式風(fēng)輪的一個(gè)旋臂 長40米，旋轉(zhuǎn)圓周就在240米以上，如果風(fēng)速每秒10米，帆式風(fēng)輪即使按照風(fēng)速旋轉(zhuǎn)，每旋 轉(zhuǎn)一圈就需要近30秒，因此帆式風(fēng)輪用于發(fā)電即使選擇目前已經(jīng)生產(chǎn)的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電 機(jī)仍然可能需要再配備用于增加轉(zhuǎn)速的齒輪機(jī)。由于使用帆式風(fēng)輪的發(fā)電機(jī)和齒輪機(jī)都可 以安裝在地面附近，與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，對(duì)帆式風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)和齒輪機(jī)的重 量和結(jié)構(gòu)沒有任何苛刻的限制，特別是對(duì)于齒輪機(jī)來講，可以選擇平行軸型齒輪機(jī)，而不必 使用行星型齒輪機(jī)，因而不僅可以從設(shè)計(jì)方面而且可以從制造方面減低發(fā)電機(jī)和齒輪機(jī)的 成本。
權(quán)利要求
一種帆式風(fēng)輪，它是由旋臂和軟帆組成，其特征是軟帆安裝在旋臂上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋臂，其特征是每個(gè)旋臂由一個(gè)或者多個(gè)矩形的平面的框架 組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋臂的框架，在每個(gè)框架上有一根或者多根凸形立桿，凸形 立桿的兩端與框架的上下橫梁連接，其特征是凸形立桿的凸形平面垂直于旋臂的上下橫梁 的軸線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟帆和權(quán)利要求3所述的凸形立桿，其特征是軟帆安裝在旋 臂的凸形立桿的凸出方向的外側(cè)，軟帆的中心部位對(duì)正凸形立桿。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種帆式風(fēng)輪，用于垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)上。這種帆式風(fēng)輪是由旋臂和軟帆組成。安裝在旋臂上的軟帆是風(fēng)輪收集風(fēng)能的主要裝置。在軟帆處于逆風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆兩側(cè)的帆面自動(dòng)收縮成為一個(gè)與風(fēng)向平行的平面，因而使迎風(fēng)阻力大為減少；在軟帆處于順風(fēng)狀態(tài)的時(shí)候，軟帆自動(dòng)張開成為一個(gè)與風(fēng)向垂直的平面，因而能夠收集風(fēng)能，推動(dòng)旋臂旋轉(zhuǎn)。由于軟帆在逆風(fēng)的時(shí)候收縮和在順風(fēng)的時(shí)候張開，能夠使風(fēng)輪產(chǎn)生很大的壓力差，因而具有很高的能源轉(zhuǎn)換效率。由于軟帆可以制作得非常巨大----例如象大型帆船的風(fēng)帆一樣巨大，收集的風(fēng)能非常可觀。這種帆式風(fēng)輪使垂直軸阻力型風(fēng)力機(jī)能夠應(yīng)用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
文檔編號(hào)F03D3/06GK101813058SQ20091000934
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月19日
發(fā)明者陳謙 申請(qǐng)人:陳謙