專利名稱：廣口聚風密封輪斗式風力發電機組系列的制作方法
技術領域：
本發明涉及系列大功率和特大功率高效風力發電裝置背景技術引進的世界上最先進的渦輪風力發電機和各種槳葉式風力機組，功率太小，價格和成本太高，解決不了社會發展對能源，電力之急須，二是風能利用系數小，約0.4左右，三是“有效風速”制約了它，即風速小時，啟動不了，風速太大時對發電機造成破壞，不得不剎車停機，不但浪費了到手的能量，反而對機組造成破壞性的影響，四是風速時大時小，槳葉的轉速時快時慢，發電機的轉速不固定，電壓電流時高時底極不穩定，各種家用電器和電動機得不到穩定的50Hz交電，通過整流器，蓄電池，逆變器，或其它電器元件轉變，途中有一系列的耗能。元件易損，容量也極為有限，成本高，功率小等重大缺陷，各國若不是政府強令電力公司必須收購風電的電力，等措施，就都會拒絕風電并網從而大大減小它的實用價值，五是風輪直徑8.1-128米掃風面積50-12800平方米，飛轉的槳葉像成千上萬把“大刀”向人類的朋友—鳥類的“頭上砍去”，六是嗓音污染。
發明內容
本發明的目的是制造系列大功率和特大功率即廉價而又低成本的風力發電機組，提供結構簡單，易于施工制造，能廣范適用于北方西部沿海，海島等地的大、中、小以及微型風電機組。
1、小型定向廣口聚風密封輪斗式風電機組a、“廣口聚風器”由一個鋼鐵大喇叭口，長20米，高10米，的長方形進風口，和寬2米，高1.5米的長方形出風口。它們之間兩側由長22米，高是由進風口的10米到出風口的1.5米的梯形鋼板角鋼組成，頂蓋是由進風口的寬20米，長22米，到出風口的寬2米的梯形鋼板角鋼結構，下底由大地為一個自然面，梯形頂蓋與兩側引風筒鉚結后焊接，與兩側的引風筒式的引風墻牢固連結，以防被大風吹動，如圖1.2所示，鋼板為2毫米的鍍鋅鋼板與角鋼鉚接后又焊接，全部做防水防銹處理。
b、“密封輪斗”8個弧形鋼鈑長2米，高1.2米，厚5毫米，與主大軸(長2.5米，Φ50m/m)軸向垂直固定，各葉片間的距離相等，再與凹形槽咬合半周，即把4個葉片包圍進去，4個弧形葉片與凹形槽咬合組裝成一個密封的輪斗，如圖1、2、3、4所示，主大軸中間與8個弧形葉片軸向垂直固定(固定方法有多種在此省略)，兩端分別安裝一個大皮帶輪，最后兩端與軸承和底坐地錨連結，也就是說大風從進風口大量吹進后被鋼鐵大喇叭口集中到出風口的葉片上，由于進風口的面積A＝200平方米，如果風速V＝8m/s，進風量為每秒1600立方米，標準大氣壓的空氣密度ρ＝1.226kg/m3，根據流體力學公式進風口的動能應該是μ＝0.5ρν3A＝62771.2w＝62.8kw。
從進風口的面積200平方米經22米的路程體積由大變小到出風口2.2平方米，再到密封輪斗的出風口2平方米，其中有能量損失，由于是空氣，是可壓縮的流體。克服摩擦力要損失約1％，假如是水，水是不可壓縮的，根據公式進風口的壓力F應為F＝0.5ρAν2＝1961.61kg。這就是說1961.6公斤的壓力通過水把壓力傳遞到面積只有2平方米的面積上，那么，2平方米面積的出風口的壓力邊應該是1961.6公斤，也就是在面積縮小10倍后總力是相等的，只是空氣被力作用而壓縮過程中和在路途中由于克服摩擦力損失一點點摩擦能量，絕大部分能量被傳遞到了密封輪斗的葉片上，這樣就完成了聚風聚能，動能轉換為機械能，再通過大輪帶動小輪增速，達到發電機每秒50轉的轉速，即發出了50Hz的交電。
葉片的工作原理如圖3所示，風流帶著被聚集后的巨大能量沖向葉片A、B、C、D其中葉片C受到的壓力最大，因為C處是凹形槽與葉片間隙最小的地方，約1毫米左右，這就等于是密封的狀態下工作，也就是被擠壓的壓縮空氣，只有在體積不擴大的工況下推動葉片后到C處，把在進風口所具有的能量傳遞到了葉片，空氣在經過葉片A、B、C、D4個位置時，幾乎把全部能量都交給了輪斗機。在由進風口到輪斗的出風口整個能量的接收到轉換的過程中，沒有直接作功，只有四周的摩擦力，和被壓縮時大氣分子之間摩擦力，和葉片與凹形槽之間的1毫米的間隙，損失的能量約1-3％左右，加上其它各部件的摩擦損失，是否可以這樣說本設計的風能利用系數為0.9以上。
在葉片獲得了巨大的能量之后，帶動主大軸轉動，主大軸的兩端有大皮帶輪，同時轉動之后通過多根三角皮帶帶動左右兩側的兩個小皮帶輪，小皮輪與二軸同軸，二軸可直接帶動發電機也可再安裝一個較大的皮帶輪再去帶動三軸這樣最終的目的是使發電機的轉速達到50轉/s，直接發出50Hz的交電。
風速是變化的，所以功率也是變化的，但50Hz的交電不能變，辦法是通過增減發電機的數量，功率，多臺發電機全部的安裝到機組上，以當地最大的風速為標準，根據進風口的面積大小，計算出風能的功率，用多臺發電機的功率之和等于它的總功率，用測風儀，測出風速每秒幾米，合多少功率用離合器調節發電機的數量，就用多少個發電機，經過實驗，就能得出那幾臺在什么風速下正好是基本相等的功率即可，這樣就不須要什么整流器，控制器、蓄電池、逆變器等電器元件，直接可用于各種家電，各種機器，也就可以直接并網、售電。本機組單機發電量應為62.8kw。
2、小型旋轉式“廣口聚風密封輪斗式風力發電機組”原理和構造同前，所不同的是它可迎著風向自動旋轉，始終使廣口聚風器對準來風方向，以達最佳受風目的，如圖4、5所示，整個機組放在一個圓形軌道上，機組下面有多個輪子支承著機組的重量，輪子下方有凹形槽與軌道咬合如圖6、7、8所示，圖4、5是圓形工字鋼軌道、它的作形槽與軌道咬合如圖6、7、8所示，圖4、5是圓形工字鋼軌道、它的作用一是支承機組的重量，更重要的是固定機組不得離開軌道，多個輪子只能在軌道上轉動做旋轉，不得分離，工字鋼的里，外兩側均有凹形槽與之相咬合如圖7所示，當大風使機組上下波動時，里外有凹形槽結構，自然會卡住而被固定，工字鋼與地錨緊緊固定，圖4、5中的中軸作用是機組以中軸為圓心轉動，中軸也是工字鋼軌的圓心，更起到固定的作用，中軸有多個軸承，當尾翼調整方向機組旋轉時減少摩擦力，可靈活對準來風風流垂直廣口聚風器正面，以紿終保持最佳受風角度，中軸底座與地錨緊連固定，本機適合于風向多變地區，本機外形尺寸的大小決定于需要多大的功率。
3、微型定向式“廣口聚風密封輪斗式風力發電機組”。
原理構造同1、外形尺寸的大小根據功率需要。
4、微型旋轉式“廣口聚風密封輪斗式風力發電機組”原理構造同2、外形尺寸的大小根據功率需要而定5、中型、大型、特大型“廣口聚風密封輪斗式風力發電機組”發電廠我國的內蒙古、新疆、華北等地，多為西北風或偏北風，風向變化很小，尤其是冬春兩季，西佰利亞和蒙古的寒冷空氣，直指新疆、內蒙古、甘肅、華北、東北而來，造成大風降溫、沙塵、楊沙或沙塵暴千百年來給人們帶來極大的災害，為了對付這種大風，中國人把一年中儲存的木頭，柴草、煤炭(幾億噸)，其次是石油、天然氣全部都燒光了，來年又再儲存，年復一年，若采用本發明，就再也不要燃燒木頭，柴草、煤炭、石油、天然氣了。
1、巨型廣口聚風器如圖9、10所示，進風口就像一個巨大的圓屋頂或一座巨大的橋梁結構，東西長1000米，高260米，頂蓋為弧形厚鋼板半個圓錐體結構，長本身就具有極好的穩定性和抗颶風能力，再加上進風口前有多根斜拉張緊索，和多根鋼管支柱，它們的主要功能是使蓋與大地緊緊連結，勿使大風吹動，服務年限可達30-50年，(全部作防水，防銹處理)出風口為寬20米，高12米，與巨大的凹形槽焊接，由于進風口巨大，大風時其能量極其巨大風速10m/s時，產生的壓力是為0.5ρν2A＝10604900公斤，要求各焊接口都要另加扁鋼工字鋼等材料加固再加固，務使萬無一失，由于進風口的面積為173000平方米，根據內蒙古電管局采用德國的先進儀器測量輝騰錫勒40米高處，年平均風速為8.8米/s，那么100米以上風速可達10m/s以上，就以10m/s計算。
用如前所述的公式計算，它的能量應為W＝0.5ρν3A×0.9(風能利用系數)＝95444100w95MW這個單機的功率就相當于一個大型引進的多臺窩輪風電機功率之和的風電場，由于該風場的風能總面積為300km2若建造本設的10～100個單機，總電量應為950MW～9500MW，也相當于幾個或十幾個中、小型火電廠的功率之和。為了取得更多的電力，可用多臺本機一個接一個地并排矗立，也可加大東西長1-3公里，高為500米的特大型廣口聚風器。
b、巨型密封輪斗機由于如圖9、10巨大的進風口和聚風筒所集中的風流，傳遞的能量極其巨大，要求長20米，高12米的巨大葉片與主大軸(長35米，Φ0.6米)的連結固定要有多個橫向鋼板(即與葉片垂直)結構，全部先鉚接后焊接務使其牢固經久耐用，以保證其安全，凹形槽和引風筒也要鉚接加焊接，凹形槽與葉片端部逐步縮小間隙到葉片C處的位置要完全密封產生的壓力極大，要求凹形槽為整體結構與大地一定牢固連結，由于輪斗葉片是在密封的條件下被強大風壓風流推壓做“宏觀位移”而做功，所以它的功率極大，風能利用系數極高，要求以下各部件都要粗大結實，防水、防銹、以確保安全，工作原理如圖12所示。
圖1、是本發明小型定向機組俯視示意2是本發明小型定向機組側視示意3、是本發明密封輪斗機組剖面工作原理示意4是本發明旋轉型機組俯視工作原理示意5是本發明旋轉型機組側視工作原理示意6是本發明旋轉型機組工字鋼軌道剖面示意7是本發明旋轉型機組轉向輪凹形槽與工字鋼軌道咬合連結可滑動結構示意8是本發明旋轉型機組轉向輪子與圓形軌道滾動結構示意9是本發明中、大型機組廣口聚風器進風口正視結構示意10是本發明，中、大型廣口聚風器密封輪斗機組側視結構示意11是本發明密封輪斗機組各大小軸，各大小齒輪，發電機，離合器安裝結構位置示意12是本發明密封輪斗機工作原理圖具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明做進一步詳細描述圖1中進風口的虛線表示網狀的安全網，防止鳥類和人畜等雜物進入，保護生態環境和社會安全，以下凡有進風口的圖文均有安全網，不再重復圖1中的風流箭頭表示風流進入進風口后，被巨大的動能所迫使而被壓縮被集中到出風口和密封輪斗葉片做功的示意圖，以下凡有進風口和引風筒的圖應均有此流線，為了方便不再重復。
圖1中，長方形進風口1、進風口頂部與大地張緊索2，兩側聚風筒3，輪斗中葉片4，凹形槽5，主大軸6，大軸兩端軸承和底座7，兩端大皮帶輪8，與兩端大皮帶輪咬合增速的小皮帶輪9，二軸皮帶輪10，發電機11，三軸小皮帶12，三軸離合器13，二軸離合器14，機組兩側都有與主大軸大皮帶輪咬合傳動的小皮帶輪，二軸、三軸皮帶輪離合器，固定用的軸承基座，發電機等部件，大風時期各部件全部工作，以保證發電機50轉/s的轉速，小風時期根據測風儀表的風速計算出進風口的功率，選用適當的發電機通過離合器分離部分發電機，使這部分發電機暫時停止轉動，集中能量讓被選定好的發電機繼續保持50轉/s的轉速，以保證發出50Hz的交電，這樣就不需要整流器，控制器，蓄電池，逆變器等能量功率極低，價格極高，易損的電器元件。
圖2是小型定向機組側視示意圖，長方形進風口1、頂部拉緊索2，梯形頂蓋3，多個地錨4，凹形槽5，主大軸6，大皮帶7，葉片8，二軸9，二軸小皮帶輪10，離合器11，機組主大軸兩側大皮帶輪大風時期可以帶動各小輪，二軸，三軸轉動最終目的是要保證發電機50Hz交電所需要的轉速，當然在小范圍內的變化還是可行的，輕風、微風時期由于聚風筒內被集中的風量小，為了保證轉速，必須通過離合器分離部分發電機，留下的必須發出50Hz的交電，哪怕是一個小電機，也要保證它的發電質量，由于有了聚風器，0.3-1.5m/s的一級輪風期也能帶動一個小的發電機，以供燈光，指示儀表等耗電少的用戶。
圖3是輪斗葉片工作原理圖，主大軸1與8個葉片2是在軸的外徑上8個均分點縱向垂直用轂卡壓條縲絲固定在大軸上，為了防止葉片被壓彎，用多個三角形鋼板把葉片和葉片，葉片和大軸焊接在一起，以保持在長期運轉中保持葉片的形狀不變，8個葉片之間等距離不變，以保在颶風時期正常發電，獲取最大的能量，同時也減小了颶風所造成的破壞，圖中風流箭頭在引風筒和凹形槽3的聚風作用下直指輪斗上部的A、B、C、D四個葉片，被集中和壓縮了的空氣表現為巨大的壓強推壓葉片轉動，葉片從A處被推移到C處時，由于三面包圍葉片的凹形槽3，和葉片上的大軸1本身的一個小面，三個活動面的間隙越來越小，到了C處的位置間隙最小幾身的一個小面，三個活動面的間隙越來越小，到了C處的位置間隙最小幾乎完全密封，幾乎成為一個密封的斗室，起名為“密封輪斗機組”真正的用意就在于“斗室”內氣體的體積不變，根據玻意爾·馬略特定律“一定質量的氣體，在溫度不變時，氣體的壓強與體積成反比”“斗室”內風流的動能轉換為機械能，在體積不變，壓強就不變的工況下，能量轉換的效率最高，損失的能量最小，除了克服一點摩擦力之外，幾乎沒有能量損失，也就是動能的99％被利用，加上其它各部件的摩擦損失，以最保守的計算方式采用90％的效率計算，所以本設計風能利用系數為0.9可能是最保守的計算，可能是最精確的。
圖4、5、6、7、8是小型，微型，旋轉式機組俯視和側視結構工作原理示意圖，進風口1、兩側引風筒2，機組整體旋轉時的中心軸3，旋轉時支承重量并且與圓形工字鋼軌道4咬合的輪子及凹形槽小車5，使機組始終迎著來風方向的變化而旋轉的動力尾翼6，固定尾翼的支架7，由于風向的變化推動巨大的尾翼運動，由于有中軸3只能原地旋轉，由于有工字鋼軌道4，和小車輪子下部兩側的凹形槽5相互咬合但有很小的間隙足夠凹形槽在圓形工字鋼上部平面的下方滑動旋轉(參看圖7)而當大風吹起機組整體抬高時，卻被工字鋼軌上平面卡住，因為凹形槽卡住了工字鋼的上平面，保持整個機組只能在軌道上旋轉而不得離開軌道，這樣就保證了風向改變時，尾翼、中軸，圓形軌道，輪子，輪子兩側的凹形槽，相互配合工作調整機組迎接來風方向，始終保持進風口與來風風流線垂直。中軸3，圓形軌道4與大地地錨8，緊連固定保證大風時期巨大風能使機組整體在旋轉時的穩定工作。
圖9、10、11中，厚鋼板整體鉚接后又焊接的頂蓋1，為了防止大風吹跑頂蓋而支設鋼管支柱或鋼塔2，為防止頂蓋被颶風吹跑而特制拉緊張索鋼覽3，為使頂蓋，鋼管，張緊鋼索等部件的穩定，特制加深、加大、加多地錨4，結構極其簡單整體部件穩定性極好，可捕捉極其巨大的風能。離合器6，二軸大齒輪7，三軸小齒輪8，發電機9，四軸小齒輪10，發電機11。
圖12是工作原理圖，凹形槽1，葉片2，主大軸3，由于被集中，被捕捉到的風能極大，大風時期全部發電機都發電，小風時期輪斗的東西兩側均有二軸，三軸，四軸，各軸都帶有發電機通過離合器，根據測風儀表的風速，適當調整發電機的數量，使風速決定的功率，與多臺發電機功率之和相一致，以達到發電機的轉速必須是50轉/s，不管是大風、強風、和風、輕風，都能全部發出50Hz的交電，為上網并網提供廉價的電能，合格的電壓，保護電網。
例如在內蒙古、新疆、沙漠和山口地帶無人地區風沙很大，實際上給風力發電提供了極好的條件，這些地方風向穩定，能量豐富，品質好，同一地區，10米高處平均風速7.2m/s，40米高處平均風速8.8m/s，可想而知100-500米高處平均風速會更大，由于本發明的結構可捕捉大面積，超高高度的大量風流，從理論上為風電在大風時期代煤電，代核電，代氣電打下了可供研究的基礎，也為改造沙漠治理京津風沙源提供幫助，如圖9中的進風口東西兩端在沙漠中可設計為1-3公里，高度可設計為300-500米，無非是加大鋼板的厚度和腳手架的高度，在具體施工中，由十幾米到最高的500米，無風日中工作，進行的是事先準備設計好的鉚接，焊接工種，可快速完工，同時進行防水，防銹處理，周期短，施工快，投資少，見效快，成為綠色電廠，環保電廠。如前所述本發明的單機功率為95兆瓦，如果多臺機組連成一片，如果每片十公里又建一排機組，幾十公里或幾百公里的沙漠就變成了，永不枯竭的大油田、大煤田。
權利要求
1.一種廣口聚風密封輪斗式風力發電機組系列的發電裝置，它主要由巨大的長方形，弧形或半圓形的進風口進風，經過由大變小的引風筒聚風到出風口面積縮小100-800倍的鋼鐵大喇叭口和由一個巨大的凹形槽與主大軸上安裝的6-8個大葉片咬合組成的密封輪斗式能量轉換裝置組成，其特征在于廣口聚風的引風筒能把大自然中巨大而分散的風能集中起來用高效率的能量轉換裝置——密封輪斗機把風流的動能轉化為機械能直接發出50Hz，60Hz交電的裝置。
2.根據權利要求1所述的廣口聚風密封輪斗式風力發電機組系列裝置，其特征在于它有系列的不同的功率，不同的外形尺寸，有定向的，有變向旋轉的機型，根據用戶需要選擇其中合適的外形尺寸，合適的轉向或定向，合適的功率的機組，廣范用于離網較遠的農村，山區、邊遠的地區、哨所、海島等廣大地區和風能資源豐富的城市和鄉鎮解決各種家電，各種機器、做飯、取暖等一切的能源需求，以代煤、代木、代油、代氣等有機燃料。
3.根據權利要求1所述的廣口聚風密封輪斗式風力發電機組系列裝置，其特征在于能把風能從0-500米高度空中的廣大范圍的風能，風速從0.3-50m/s的颶風的能量收集起來發電，可與水電、火電、并網互補，大風時期，水電少發電或不發電，把水能儲存起來，抬高水庫水位，提高水頭，.增加庫容，待少風、無風日再使用，可得更多的水電，可替代一次能源。
全文摘要
本發明公開了一種新式風力發電機組“廣口聚風密封輪斗式風力發電機組系列” ，旨在提供一種結構簡單，易于加工制造施工，功率極大，效率極高，能把風速從0.3－50m/s，高度從0－500米高的空中把大自然中巨大而分散的偉大能量聚集起來高效率地轉化為機械能直接發出50Hz或60Hz的交電，可與水電、火電、并網互補，可替代一次能源的動力裝置。
文檔編號F03D9/00GK1740558SQ20051007211
公開日2006年3月1日 申請日期2005年5月25日 優先權日2004年12月13日
發明者丁陶生 申請人:丁陶生