CN104018990A - 风洞式发电环 - Google Patents

Abstract

风洞式发电环，是将发电环置于风洞之内，利用风洞提升风力。发电环由无中轴的环状风轮(即翼环)与发电机组合构成。翼环只保留了远离轴心的翼段(高效集风翼段)，而完全放弃了连接轴心和靠近于轴心的翼段(集风功能为零的和较差的翼段)，并且，翼环没有中轴，不依靠远离高效翼段的中轴支撑翼片，而是以环状支架直接支撑高效翼段，相比原先远端的、单侧的轴心支撑，力臂不但缩短，还从一支增加到两支，而且两支力臂分置于两侧支撑，其结果是支撑力及稳定度大为提高，翼片的摇摆幅度和振动频率大为降低。风洞式发电环由于无中轴，风或水流更为顺畅、能量损耗更小。风洞式发电环既适用于风力发电，也适用于水流发电。

Description

风洞式发电环

技术领域

风洞式发电环，涉及一种管道内置风轮的发电机。 

背景技术

目前，现有各种风轮发电机主要采用有轴心的风轮，风轮与轴联动，轴带动转子。 

发明内容

发明的目的

    目前各种风轮发电机的共同之处，是采用有轴的风轮（旋翼也是一种风轮），有轴风轮的三个致命弱点是：

一、每个翼片从轴心往外的大部分翼段集风能力不大，而且越靠近轴心的翼段采集风能效力越小，直至为零，真正高效集风翼段是越远离轴心的翼段，高效翼段至轴心之间的翼段是应该省略却无法省略的，因为高效翼段还得靠这低效翼段和无效翼段来维系其与轴心之间的联动，这就增加了整机重量，妨碍了发电机形体进一步扩大；

二、高效翼段只能得到单侧的而且是处于远端的轴心支撑，所以风轮直径越大，其翼片的高效翼段就只能做得越尖细，因此集风效率低，无法推动更大型的发电机；

三、只能由中轴带动内层铁芯和绕组（内转子）旋转，或只能由外轴带动外层铁芯和绕组（外转子）旋转，而不能让内、外铁芯绕组互为转子同时相对反向旋转。

现有高转速发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子，特别是在3000转／分以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时，转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度，运行中可能发生较大的振动。所以大型高速发电机转子的尺寸受到严格的限制。正是由于这个原因，在增大发电机体形方面存在着技术极限，要开发更大容量的机型困难很大。如何突破这个技术极限？增加电磁负荷、加强散热降温，但这些措施目前似乎也不易进一步提高，所以只能另辟蹊径。如果让原来固定不动的铁芯绕组（即定子绕组）也旋转起来且旋转方向相反，那么原先的转子就可以得到高一倍的相对转速，就可以用较低的绝对转速达到较高转速的发电容量。 

本系列发明就是要针对以上几个现有技术的弱点，解决如下几个技术难题： 

一、只保留风轮发电机翼片的高效翼段而省去无效翼段、低效翼段和轴心，从而减少累赘、减轻重量、节省材料。

二、在不扩大风轮直径的前提下，大大拓宽翼片高效翼段的尺寸，同时降低翼片的摇摆和振动幅度。 

三、让相邻的两个环形铁芯绕组互为转子同时反向旋转，使它们的相对速度提高一倍，从而在不扩大发电机体形、不提高转子速度、不增加电磁负荷的前提下使发电容量成倍提高，甚至突破目前发电机的体形极限和容量极限。 

四、提供一种风洞式发电环。 

风洞式发电环的技术方案：

将高空发电环置于风洞之中，将所有铁芯绕组和电路皆作防水密封，舍弃高空发电环的牵引缆和向翼环外侧伸出的翼片，只保留向翼环内伸出的翼片和翼环外侧的轨道及其滑轮车，滑轮车的车架与风洞内壁相连；风洞可以是水平走向，也可以是垂直走向。（如图14、图15所示。注意：虽然两图所示的发电机翼环组是由圆心处于同一轴心线上的、平行的两个翼环组成，但风洞式发电环的翼环组并非只能由圆心处于同一轴心线上的、平行的两个翼环组成，亦可由圆心处于同一点的、直径不同的两个翼环组成。）

高空发电环的结构如下：

     环状支架上等距离设置翼片而形成翼环；翼片采用切割空气会产生升力的翼片，每个翼片皆如同中轴式风轮的翼片的末段，翼面与翼环的圆周面之间形成夹角，即迎风角；翼片可以向环外或环内伸出，也可以同时向两侧伸出；同一翼环上所有翼片的迎风角度相同，而相邻的翼环的迎风角度相反。

翼环上的翼片可以是向环内伸展或向环外伸展的单翼，也可以是从环上同一点向环内、环外两侧伸出的双翼。现一翼环上的单翼可以完全设置于环的内侧成为内翼，或完全设置于环的外侧成为外翼，也可以按内翼、外翼相间的方式设置翼片，无论内、外翼，各翼片间隔距离相等；同一翼环的双翼的内翼和外翼可以对称也可以不对称，但同一侧的所有翼的规格、构造和迎角迎角必须相同。 

    上述的翼环可直观地见于图2、图3，上述的翼环组可直观地见于图1，各图的详细说明可参见本文的附图说明。 

翼环虽然形似一个由单翼飞行器或双翼飞行器首尾相接形成的环，但实际上它是一个风轮，而且是一个迎风旋转时能产生升力的自旋翼风轮；它虽然是一个自旋翼风轮，但与普通的自旋翼风轮又有不同，它的翼片可以不与轴心联动，甚至可以把轴心完全省略，即使保留轴心，也不是为了让轴心带动翼片，而是为了是在翼环旋转速度过快、离心力过大的情况下在环体与轴心之间架设辐条，从而达到加固环体的目的，这种情况下，如有必要，可将辐条设计为翼形，使其既有辐条的作用又有翼片的作用。 

由两个或三个翼环组成一个翼环组，同组各翼环处于同一平面并有同一圆心，或各环互为平行面且圆心处于同一轴心线上；整机中可以只有一组翼环，也可以有两组或两组以上翼环，每组翼环可以构成一个完整的发电机构（比如图10所示的机型就有内、外两个翼环组，图12所示则有上下两个翼环组，这两个机型中的每个翼环组都是一个完整的、可以独立的发电机构，即使拆卸掉其中一组翼环，剩下的一组翼环仍然可构成完整的发电机构）。 

本发明中的发电机的两种优选结构方式： 

第一种，以各个翼环的支架为支架分别设置相当于普通发电机的定子铁芯、绕组和转子铁芯、绕组，由两个或三个这样的翼环组成一个巨大的发电机，该发电机实际上并不存在定子铁芯绕组，因为每个铁芯绕组环都随翼片旋转于风中，相邻的环旋转方向相反，因此实际上是互为转子、互为定子。（可参见图4、图5）

第二种，在翼环的支架上等距离安装有动力轴的发电机，让发电机动力轴上的轮以相邻的翼环上相应部位的环形轨道相耦合，环形轨道绕环（翼环的环状支架）而设并与环连为一体。轨道随翼环旋转的同时必然带动与之相耦合的发电机动力轮旋转。（可参见图6、图7、图8）

由于同组中相邻的翼环的迎风角度相反，因此它们的旋转方向必然相反，两环反向旋转的结果是两个翼环的相对速度都提高了一倍，也就是说翼环组上的铁芯绕组的相对旋转速度提高一倍，这里所说的铁芯绕组包括直接以翼环为支架的铁芯绕组和轴式发电机上的铁芯绕组。因此与普通发电机相比，如果转子的直径、长度和转速相同，而且电磁负荷相同，那么本发明的发电机容量会大幅度增加，甚至可能增加一倍。

在上述第二种结构当中，与轴式发电机动力轮耦合的环形轨道可设置于环的外圈边沿、内圈边沿或侧边边沿等三处位置中的任意一处；发电机动力轮和轨道的耦合方式当然可以效仿火车轮与轨道的耦合，但最好的方式是采用互相啮合的齿轮和齿式轨道。此种结构中，相邻的两个翼环中最少要有一个翼环安装轴式发电机，而另一个翼环设置与之相耦合的轨道，也可以两个翼环都安装轴式发电机并设置与另一个翼环上的轴式发电机相耦合的轨道。 

除了用于带动轴式发电机的环形轨道之外，还有一种槽型轨道，它与滑轮车相耦合，这种轨道的横截面为槽型，与滑轮车正好配对耦合，从而将两个反向旋转的翼环连接起来，图9即是此种槽型轨道与滑轮车耦合示意图。 

须要注意的是，以上两种轨道皆是不间断的闭合环，而滑轮车或轴式发电机的动力轮则是间断的、等距离分布于轨道上的；轨道上的滑轮车不能少于三个，而且翼环直径越大，轨道上的滑轮车就应该越多，目的是使两翼环不即不离、保持固定间距，作顺畅的反向旋转。 

整机中各翼环组的圆心处于同一点或同一轴心线上，处于同一点则呈同层面内外环排列，处于同一轴心线则呈平行面层叠排列；处于同一圆心的两个相邻的翼环组，或处于同一轴心线上的半径不同的两个相邻的翼环组可以通过辐条连接，这些辐条也可以同时作为翼片（参见图10），作为翼片的辐条切割空气必须能产生升力；两个相邻的翼环的旋转方向相反，并且同组中顺时针旋转的翼环和逆时针旋转的翼环在任何同一时间段采集的风能总量相等。由两组或两组以上翼环组成的整机，如果其中部份翼环组由于连接器阻碍或吊挂机舱占用了空间等原因不便于安排翼片，那么可以将整机视如一个大的翼环组，只要整机所有顺时针旋转的翼环和所有逆时针旋转的翼环在任何同一时间段采集的风能总量相等即可，两个相反方向旋转的扭力就能达到平衡，从而使整机在风中保持稳定运转。 

风洞的设置： 

选常年有风的山口、峡谷（或水流湍急的河流、海底峡谷），以土石填塞，仅留一洞让风或水流通，这种风洞（水洞）的风（或水）的流力将十分可观；大型输水管道内亦可设置风洞式发电环。

也可以在风向稳定的旷野垒石、砌砖建造挡风墙，留出墙洞安置风洞式发电环，墙洞的两端的开口应宽于发电机翼环的直径，使风洞的两端形成两个反向的喇叭口；如果墙砌得不太高，也不太宽，那么墙尽头边线可以放长，即把墙往风洞的轴心线方向拉长，这样，风洞成为一个长筒，而风洞壁的侧剖面形如飞机的机翼（如图15所示）。由于流过风洞内壁的风走的是弧线，流过风洞外壁的风走的是直线，两股风必然同时在风洞的后方汇合，因此风洞内的风会得到加速。 

  

风洞式发电环的有益效果：

    风洞式发电环承袭了高空发电环的翼片优势和相邻翼环互为转子优势，从而成为鹤立鸡群的地面和低空风力发电机。

风洞式发电环的有益效果： 

    现有风轮皆具有中轴，此种中轴式风轮越靠近轴心的翼段集风能力越小，直至为零，而越远离轴心的翼段集风能力越大，前者是低效翼段和无效翼段，后者是高效翼段。实际上，中轴式风轮低效翼段的主要功能不是集风，而是支撑远端高效翼段，保证其与轴联动，称之为“联动杠杆”可能更为合适。这条“杠杆”由于仅得到单侧支撑而且支撑点远在轴心，如果有效翼段太宽、集风能过多，就必然会发生严重振动、摇晃，影响运行，其实际效果还比不上较尖细的翼，所以中轴式风轮的翼片的末段也就是高效翼段，不能拓宽，只能尖细。翼环的翼全是效率最高的翼段，它完全放弃了集风功能为零的和较差的翼段，并改而依靠近端的、两侧相邻的翼片提供支撑，相比原先远端的、单侧的轴心支撑，力臂不但缩短，还从一支增加到两支，而且两支力臂分置于两侧支撑，其结果是支撑力及稳定度大为提高，翼片的摇摆幅度和振动频率大为降低。

因此现有风轮发电机很难进一步扩大其风轮的翼展半径，而本高空发电环的翼展半径则可以轻而易举地扩展至数百米。 

因此与相同翼展半径的现有高空风轮发电机相比，本发明的翼片数量可以更多，单个翼片的面积可以更大。 

因此，即使不考虑本发明的相邻翼环互为转子反向旋转的技术优点，与相同翼展半径的普通高空风轮发电机相比，本发明的发电能力也要强大得多。 

本发明具有相邻翼环互为转子反向旋转的特点，使各翼环的相对速度提高一倍，从而在不扩大发电机体形、不提高转子速度、不增加电磁负荷的前提下使发电容量提高一倍，因此可突破目前发电机的体形极限和容量极限，开发出以目前技术不敢想象的巨型风力发电机和巨型的非风力发电机。 

由于放弃了中轴式风轮的“联动杠杆”，因此在数倍地提高发电能力的同时，还可降低整机重量并节省原材料。 

图面说明

一、标记说明

1： 翼环

1-1：外层翼环

1-2：内层翼环

1-3：上层翼环

1-4：下层翼环

2： 翼片

2-1：向外伸的单侧翼片

2-1.3：上层翼环向外伸的单侧翼片

2-1.4：下层翼环向外伸的单侧翼片

2-2：向内伸的单侧翼片

2-2.3：上层翼环向内伸的单侧翼片

2-2.4：下层翼环向内伸的单侧翼片

2-3：向两侧伸出的双翼片

3： 槽型轨道＋滑轮车及其组件

3-1：槽型轨道

3-2：滑轮车的车架

3-3：滑轮车与滑轮车之间的连杆

3-4：滑轮

3-5：滑轮车

3-6：滑轮车与翼环或机舱的连杆

4： 通过中轴线的连杆或翼片式辐条

4-1：通过中轴线的连杆

4-2：翼片式辐条或翼片式连杆

5： 牵引缆（或牵引缆、电缆二合一）

6： 轴式发电机

7： 发电机动力轮

8： 轴式发电机轮的轨道

10： 风洞内壁

19： 高空发电环或飞行器

二、附图序号及内容

图1：同圆心的大小两翼环组成的内外翼环组俯视图、圆心处于同一轴心线的上下两翼环组成的上下翼环组俯视图；

图2：图1中内外翼环组的各翼环单独俯视图；

图3：图1中上下翼环组的各翼环单独俯视图；

图4：以翼环支架为铁芯绕组支架的内外翼环互为转子发电机垂直剖面结构示意图；

图5：以翼环支架为铁芯绕组支架的上下翼环互为转子发电机垂直剖面结构示意图；

图6：以翼环支架为普通发电机机座的内外翼环机组垂直剖面结构示意图；

图7：以翼环支架为普通发电机机座的上下翼环机组垂直剖面结构示意图（轴式发电机的轴与翼环面垂直）；

图8：以翼环支架为普通发电机机座的上下翼环机组垂直剖面结构示意图（轴式发电机的轴与翼环面平行）；

图9：槽型轨道与滑轮车结构示意图；

图10：处于同一圆心的两个相邻的翼环组或处于同一轴心线上的半径不同的两个相邻的翼环组俯视图；

图11：处于同一圆心的两个相邻的翼环组的垂直剖面结构示意图；

图12：处于同一轴心线上的半径不同的两个相邻的翼环组垂直剖面结构示意图；

图13：风洞式发电环正面结构示意视图；

图14：风洞式发电环垂直剖面结构示意视图；

最佳实施例

    下面结合附图介绍几个实施例。

高空发电环实施例一（如图4所示）： 

分别以翼环1-1、翼环1-2的支架为支架设置铁芯、绕组；环1-1、翼环1-2的上下两端分别连接环形轨道3-1，轨道3-1绕翼环一周，实际上与翼环同体；轨道3-1的横截面为槽型，槽型内耦合滑轮车3-5（由包容于槽型轨道3-1之内的车架3-2、连杆3-3、滑轮3-4组成，详见于图9）；各轨道上等距离设置若干个(不少于四个)滑轮车3-5，两台相邻的滑轮车3-5通过连杆3-3连接，因此两个翼环虽然各自朝不同方向旋转，却不会相互分离或碰撞。

一个翼环的各台滑轮车与另一翼环相应位置上的滑轮车通过连杆3-3互相连接；连杆4的两端分别与一个连杆3-3相连接，各条连杆4在翼环的轴心线上相交，并且在交点相互固定连接，除在交点固定连接外，还可以在各相交的连杆4之间焊接支撑杆以形成三角形力矩结构，目的是保证各滑轮车的相对位置不改变，使它们能够保持平稳运动。由于两组滑轮车的车架连接固定在一起，而两个滑轮车却分别耦合于两个翼环的轨道，因此两个朝相反方向快速旋转的翼环，既不会分离也不会碰撞。 

在此实施例中，同一翼环的各个翼片，它们的面积必须相同，但不同翼环的翼片面积可以不同。由于内环翼片采集风能的效率比相同面积的外环翼片小，因此必须让内环翼片的面积大于外环翼片面积，至于两者的比例大小，必须遵循一个原则，就是使两个逆向旋转的翼环采集风能的效率相等，使两环在迎风逆向旋转过程中扭力相互抵消，避免整机随扭力较大的那个翼环旋转，从而保证机构持续正常工作并杜绝拧缆事故发生。 

至于翼片的迎角，如果外翼环翼片的迎角是n，那么内翼环翼片的迎角为-n，所以两翼环旋转方向必然相反，两翼环上的铁芯绕组随翼片逆向旋转互相切割磁力线而发电。发电机构的电路通过电刷连接电缆上端，电缆下端与地面用电设施连接。 

在各条连杆4的相交点连接牵引缆的上端，牵引缆的下端连接下方用电设施。 

牵引缆和电缆可以合二为一。 

高空发电环实施例二（如图5所示）： 

用同相直径的三个翼环1，按同一轴心线上下排列，上下两端的翼环1各有一条轨道3-1环绕，中间的翼环1有两条轨道3-1环绕；各轨道上等距离设置若干个(不少于四个)滑轮车3-5；上翼环的滑轮车与中翼环上沿的滑轮车，中翼环下沿的滑轮车与下翼环的滑轮车通过连杆3-3连接。

分别以三个翼环1的支架为支架设置铁芯、绕组，中间的翼环与上下的翼环互相切割磁力线从而发电（在这里，也可以除去最上层或最下层的翼环，只让两个翼环互相切割磁力线发电），最上层和最下层的两个环的翼片迎角相同、面积相同，从而使这两个翼环作同步旋转，这样它们的铁芯绕组产生的电就是一样的，不会互相干扰。 

如果最上层和最下层两个翼环的翼片迎角是n，那么中间翼环的翼片迎角为-n。同一翼环同一侧（即统一伸向环的外侧或内侧）的翼片，它们的面积必须相同，但不同翼环的翼片或同一翼环不同侧的翼片的面积可以不同，要对它们的面积作适当调整，使所有顺时针旋转的翼片和所有逆时针旋转的翼片采集的风能相等。 

各条轨道3-1皆绕它的翼环一周，实际上它是与翼环溶为一体的；轨道3-1的横截面为槽型，槽型内耦合滑轮车（由包容于槽型轨道3-1之内的车架3-2、连杆3-3、滑轮3-4组成，详见图9）。由于两台相邻的滑轮车3-2通过连杆3-3连接，因此两个翼环虽然各自朝不同方向旋转，却不会相互分离或碰撞。 

关于连杆3-3与连杆4和牵引缆、电缆的设置以及它们之间的连接结构，请参照实施例一。 

高空发电环实施例三（如图6所示）： 

在内翼环1-2和外翼环1-1上分别按等距离安装若干个轴式发电机6，翼环支架作为轴式发电机6的支架，各翼环上的发电机的动力轮7皆与另一翼环上的环形轨道8相耦合。

其他各部位的结构比如实施例一。 

以翼环支架为普通发电机机座的内外翼环机组剖面图； 

高空发电环实施例四（如图7所示）：

    在内翼环1-2和外翼环1-1上分别按等距离安装若干个轴式发电机6，翼环支架作为轴式发电机6的支架，各翼环上的发电机的动力轮7皆与另一翼环上的环形轨道8相耦合。

其他各部位的结构比如实施例二。 

高空发电环实施例五（如图8所示） 

    发电机的轴向从垂直变为水平之外，与实施例四完全相同。

高空发电环实施例六（如图10、图11所示） 

    内、外两个翼环组，内翼环组中的外翼环1-1与外翼环组中的内翼环1-2通过翼片式辐条4-2固定连接、同步转动，这些辐条是翼片状的辐条，因此既起到辐条的作用，又有翼片的功能。同组中两翼环的连接方式与实施例一相同。

高空发电环实施例七（如图12所示） 

    上下两个翼环组，上翼环组中的下翼环1-4与下翼环组中的上翼环1-3的连接方式可以有两种：

    第一种，与同一翼环组中上下两翼环的连接方式相同，如此这两个翼环的旋转方向可以设定为相同或相反；

    第二种，用将上翼环组中的下翼环与下翼环组中的上翼环用翼片式连杆4-2固定连接，如此，这两个翼环翼片的迎角必须一样，它们迎风旋转的方向必须相同（因为它们只能作同步运动）。

高空发电环实施例八（如图13所示） 

    高空发电环19-1的下端连接牵引缆5-1的下端，牵引缆5-1的下端连接高空发电环19-2的上端，高空发电环19-2的下端连接牵引缆5-2的上端，牵引缆5-2的下端连接高空发电环19-3的上端，高空发电环19-3的下端连接牵引缆5-3的上端，牵引缆5-3的下端连接地面设施；高空发电环19-1、19-2、19-3的电路作并联，汇合为一根电缆与地面用电设施连接，该电缆可以与牵引缆5-3合二为一。

采用本实施例时最好将高空发电环19-1、19-2、19-3放飞于同一气流层中，使得各机发出的电压相同，方便各机并网发电以同一电缆5-3向下输送。 

风洞式发电环实施例(如图13、图14所示) 

本实施例的风洞式发电环的翼环组，由圆心处于同一轴心线上的、平行的两个翼环1-3和翼环1-4组成，翼片2-2.3的迎角与翼片2-2.3的迎角相反。 

翼环1-3、翼环1-4与风洞壁的连接方式：槽型轨道3-1绕翼环一周并与之结合为一体，滑轮车的三个滑轮分别与槽型轨道3-1的三个面耦合，滑轮车的车架3-2与风洞壁10固定相连。 

  

Claims (2)

1.风洞式发电机，由两个或三个铁芯绕组相对运动发电，铁芯绕组由螺旋桨风轮推动，机架通过牵引缆与下方提供牵引力的设施相连，发电机构的电路则通过电刷与电缆的上端相连，电缆的下端与下方用电设施相连，其特征是：将高空发电环置于风洞之中，所有铁芯绕组和电路皆作防水密封，舍弃高空发电环的牵引缆和向翼环外侧伸出的翼片，保留向翼环内伸出的翼片和翼环外侧的轨道及其滑轮车，滑轮车的车架与风洞内壁相连；风洞可以是水平走向，也可以是垂直走向；

    高空发电环的结构：在环状支架上等距离设置翼片而形成翼环；其翼片采用切割空气会产生升力的翼片，每个翼片皆如同普通风轮的翼片的末段，翼面与翼环的圆周面之间形成夹角，即迎风角；翼片可以向环外或环内伸出，也可以同时向两侧伸出；同一翼环上所有翼片的迎风角度相同，而相邻的翼环的迎风角度相反；由两至三个翼环组成一个翼环组，同组各翼环处于同一平面并有同一圆心，或各环互为平行面且圆心处于同一轴心线上，整机中可以只有一组翼环，也可以有两组或两组以上翼环，每组翼环可以构成一个完整的发电机构；两个或两个以上的高空发电环整机之间可以通过牵引缆和电缆首尾相连，即处于上端或下风头的整机，其下端通过牵引缆和下方或上风头的另一整机的上端连接，各整机的电路通过电缆相连最终通过同一电缆与地面用电设施连接。

2.根据权利要求1所述的风洞式发电机，其特征是：以同一翼环组中各翼环的支架为支架分别设置定子铁芯、绕组或转子铁芯、绕组使整个翼环组成为一个不依靠轴带动转子的发电机；或者在翼环的支架上等距离安装有动力轴的发电机，让发电机动力轴上的轮以相邻的任一翼环上相应部位的环形轨道相偶合，环形轨道绕环而设并与环连为一体。