[發明專利]球狀浮空垂直軸風力機

無效

• 申請號: 200710064482.7
• 申請日: 2007-03-16
• 公開（公告）號: CN101265875A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 馮文學
• 申請（專利權）人: 馮文學
• 主分類號: F03D3/00
• 分類號: F03D3/00;F03D9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明是一種垂直軸、阻力型風力機，球體形狀，不須用塔架，只需要用系留繩拴住， 讓其漂浮在空中，浮空高度可調。用于風力發電設備技術領域。

技術背景

在面臨2020年以后化石燃料(石油、天然氣、煤炭等)的資源減少、成本增加和在2030 年后大部分也被開發完畢的水能資源的狀況下，風電將具備市場競爭能力，得到快速發展。

在過去的20多年中，風力發電在世界各國得到很大發展。風能作為一種很少有污染的可 再生能源引起人們越來越大的重視，美國、丹麥、德國等國在風力發電上取得了很大的成效。 現在的風力發電機均修建在地面，其輸出容量受地面風能密度限制，而地表面的風能密度相 當低，可利用的平均風能密度一般為0.2kW/m2-0.5kW/m2，因此要在地面建造兆瓦級以 上的大型風力發電機比較困難，大直徑的風輪將帶來槳葉材料、振動、噪聲等一系列問題。 此外，地表風的不穩定性也使得風能難以成為一種可靠的能源，風力發電站典型的容量系數 僅為30％左右。設置在地面的風力發電裝置還受地表擾動的影響，由此引起的疲勞效應會減 少設備的使用壽命。人們對靠近地面的風能系統已作了詳細的研究，但卻忽略了在遠離地面 的高空中使用風力機進行發電的可能性。事實上空中的風能密度遠比地表面大。和地表的氣 候不同，在3萬英尺的高空中，長年有著超過海平面20倍的強風，可以說是良好的風力發電 的場所。如果是想辦法將風力發電機升入高空，就能夠送回來源源不斷的電能。在某些區域， 空中發電機的效率可高達90％，比地面發電機高出3倍。研究表明，在海拔2000-8000m空中 的風遠遠比在地表面的強且穩定。在赤道兩側靠近緯度30°的區域內，年均風能密度可高達 2.0kW/m2

風電設備通常分為四個主要板塊：電機、變速箱、控制系統、風力機。其中風力機(也 就是風力機)是風電機組的重要部件。占了風電機組的很大一部分成本。

發明內容

現在世界范圍內垂直軸風力機的設計專利有上百種，有使用附加翼面的，也有使用連桿、 凸輪等機械裝置的，都相當復雜，難以經濟有效地實現。球狀浮空風力機實現了將風力發電 機升入高空，提供了經濟有效獲取各個高度風力能量資源的技術方案。球體內充的氦氣可以 保證風力機浮在空中，同時利用特殊的結構保證能隨風轉動獲取風能。由于是垂直軸風力機， 所以不存在風向改變的問題，無需迎風機構。風力機的下部可以安裝電機和變速箱，產生的 電力可以通過系留繩傳到地面。地面控制系統可以根據系留繩控制風力機的高度，受力可以 通過調節風力機內部的氣體量來實現。可以把兩個風力機的軸上下連在一起，組成一個共軸 系統，兩個風力機分別向不同的方向旋轉，這樣就可以相互抵消風力機發電時的返向鈕距。 同樣可以把許多風力機平行連在一起組成一個巨陣，建立風電場。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是風力機模型的前視圖。

圖2是風力機模型的水平剖面圖。

圖3、圖4、圖5、圖6是以風力機水平剖面圖的轉動來說明原理的原理圖。

圖中1球體的硬蒙皮部分2球體的軟蒙皮部分3風力機軸4球體支撐骨架5球 體內部的氣倉6風力充氣倉7支撐骨架的垂直影射線→風力機的受力方向

風力機的模型如圖1和2所示，是一個規則的圓球體，球體的從上看被支撐球體的骨架分 成平均6份。蒙皮有兩層，外層的是硬蒙皮，期中有硬質的骨架支撐保證不能隨風吹變形， 但只覆蓋了風力機的一半表皮，硬蒙皮在風力機上按中間隔1份的規則覆蓋了風力機表面積 的一半，也就是3份，??硬蒙皮與支撐球體的6根骨架緊密連接。球體的硬蒙皮下面還有一層 軟蒙皮，軟蒙皮完整覆蓋了風力機的所有面積包裹著內部的氣倉。軟蒙皮按照中間隔一根骨 架的規則，只與3根骨架緊密連接。所以軟蒙皮在內部氣倉不飽和的情況下可以隨風吹變形， 被風吹癟而產生如6所示的充氣倉。內部氣倉如果充的是比空氣輕的氣體(如氫氣或氦氣)， 就可以使風力機飄浮在空中，下部用系留繩調節浮空高度。

為了說明原理方便，把水平剖面圖按支撐骨架的垂直影射分成了6等份，每份都編了號， 如圖3所示。首先要向風力機內部的氣倉充氣，但不能充滿，只充到2/3體積就可以了。

風力機運行時的受力如圖3所示，在風的作用下，風力機順風面的軟蒙皮因為風的壓力 向球內凹陷，同時另外的兩個軟蒙皮受到球內壓力向外鼓起。風力機會獲得力巨沿順時針風 向轉動。當轉到圖4所示位置時風力機的第5部分的軟蒙皮同樣受到風的作用產生向球內的壓 力，但由于第6和1部分軟蒙皮向球內的壓力大于4部分，所以第4部分的軟蒙皮沒有向球內凹 陷，保持著原形狀。風力機繼續沿順時針風向轉動。當轉到圖5所示位置時風力機的第4部分 的軟蒙皮同樣受到風的作用產生向球內的壓力逐漸加大，而第6和1部分軟蒙皮向球內的壓力 逐漸減小，由于各出受力狀況不同，所以第6和1部分軟蒙皮開始向外鼓起，第4部分的軟蒙 皮也開始向球內凹陷，風力機仍繼續沿順時針風向轉動。當轉到圖6所示位置時風力機的第4 部分的軟蒙皮同樣受到風的作用產生向球內的壓力大大超過了第6和1部分軟蒙皮向球內的 壓力，所以第6和1部分軟蒙皮全部向外鼓起，第4和5部分的軟蒙皮也全部球內凹陷，形成了 和圖3一樣的受力狀況，由次再開始循環這樣就會使風力機旋轉下去。