特大型轨道式风力发电机

一、技术领域(风能和风力发电) 

太阳辐射造成地球表面大气层受热不均，引起大气压力分布不均。在不均的压力作用下，空气沿水平方向运动就形成风。风能是一种无污染的可再生能源。它取不尽，用之不竭，分布广泛。随着人类对环境的要求和能源的需要，风能的开发日益受到重视。 

风力发电是风能利用的主要形式，全球已有70多个国家利用风能发电。风电装机容量增长迅猛。2007年，全球风力发电累计装机容量已达9.41万兆瓦。比上年的7.42万兆瓦，增加27％。 

我国风能资源主要分布在东南沿海及附近岛屿、新疆、内蒙古和甘肃走廊，东北、西北、华北等部分地区，每年风速在3m/s以上的时间近4000小时，一些地区风速在7m/s以上。由此可见，我国的风能资源十分丰富。 

我国的风力发电发展也非常快，2007年，我国风电的装机容量为605万千瓦，提前了三年实现了2010年的规划目标，2001年到2007年的6年间，我国的风电装机容量增加了14倍，仅2007年一年间。我国的风电装机就增加了344.9万千瓦。比我国风电有史以来的累计总量还要多。到2008年底，我国风电累计装机容量突破1300万千瓦。年装机容量从2003年的9.8万千瓦，增加到2008年的719.2万千瓦。增加了72.4倍，由此可见，我国的风电事业发展十分迅猛。发展快的原因，主要是国家政策对风电支持的结果，支持的原因是：一不污染环境，二不消耗燃料。 

目前，我国风电产业的现状是，在政策的引导下，表面高速增长，但市场缺乏真实需求，景气存在泡沫。另外一点，健康的可持续的风电市场，应该是投资者获得合理的略高于煤电的回报，而长期以来，我国风电发展的成本远高于传统能源。据测算，我国风电产业的平均成本为0.551元/KWh。这个数字相等于2007年以前煤电成本的两倍多。由此可见，风电事业如果没有国家政策的支持，将不能生存。 

本发明所解决的问题，就是风电成本高的问题。 

二、背景技术(风力机和风力发电机) 

风力发电机是电风力机和发电机组成，风力机是将风能变为机械能，发电机是将机械能变为电能。风力发电机的种类和式样很多。如图1，但都区别于风力机，而发电机基本上没有什么两样，风力机大体分为两大类，水平轴式风力机和垂直轴式风力机，如图1，目前广泛应用的是水平轴式风力机用来发电，即水平轴三叶式风力发电机。如图1：A。 

目前世界上最大的风力发电机是3200KW。该风力发电机的发电量，是目前最大的风力发电机发电量的几十倍到上百倍，现在也有人提出“风电三峡”，“空中三峡”。是说建一个风电场的发电量，要相等于三峡电站的发电量。本发明提出的是生产一台风力发电机的发电量要相等于三峡电站的发电量，两者是有根本区别的。 

三、发明内容(特大型轨道式风力发电机的原理和方法) 

该风力发电机有四个特点： 

(1)垂直轴  (2)轨道式  (3)多机组  (4)大功率 

①垂直轴 

该风力发电机是垂直轴，S型风力发电机。垂直轴是风力机的风轮围绕一个垂直的轴旋转。如图2。S型是风轮风叶的结构为S型。它可以接收来自任何方向的风。当风向改变时，无需对风。也能正常旋转。 如图：3 

②多叶片 

该风力机为多叶片，具体的叶片多少要根据风轮的旋转半径而定。该风力机可大可小，大型、特大型风力机时，风轮的旋转半径大，转速就慢，风叶就要增加，旋转半径越长，转速越慢，叶片就越多。 

(2)轨道式 

①风叶的大小 

先从大海上的帆船说起，风帆在风的作用下，带动着大船在大海上航向，这也许是我们祖先对风能利用最早的先例。船越大，所需的风帆越大。反过来，风帆越大，它带动的帆船就越大。这也就是说，风帆面积越大，它所接受的风能越多，其动能越大。所转化的机械能越大，带动的船越大。如果有一只大船，它风帆的高为65m，宽为30m，我们用若干个这样的风帆，作为我们的风叶，把它搬倒安装在风力机的风轮上，在风里的作用下，风力机的风轮旋转起来。我们就把风能变成了机械能，这样，该风力机的风叶长是65m，高是30m，风轮的旋转半径最小也要100m。(以下制图，均以此数据为例) 

②风叶的形状 

风力机风叶的形状，我们不能用风帆的形状，而是参考老鹰翅膀的形状，因为在鸟类中，飞的最高，速度最快的算是老鹰了，它的翅膀的形状可以说是最符合空气动力学原理了。我们在下面看老鹰在高空中盘旋时，它翅膀的长大约为宽的2‑2.5倍，如图4。在它起飞和降落时，它的翅膀为扇形，如图5。因此，风力机的风叶长为高(宽)的2‑2.5倍。风叶的宽(高)为扇形。如图6。 

③风叶的结构特点 

老鹰的翅膀是由肌肉、骨骼、羽毛等组成，我们不可能用。我们参考飞机的翅膀‑机翼。机翼的表面光滑。而背面由许多小方格组成，其作用是增加强度。我们风力机的风叶，可以由金属或塑料组成，也由许多小方块组成来增加强度，除此以外，还有两个作用，其一是防止气流横行流动，以增加推力。其二，这也是不同于任何一家风力机的最大特点，就是风叶上的每一个小方格，就像是一个小盒。这个小盒的底部是活动的。当风从正面(小盒的上面)吹入时，小盒的底部是闭合的，如图7：b，当风从反面(小盒的下面)吹入时，小盒的底部被吹开。如图7：c。 

该风力机的风叶，可以说是有许多小方格组成，如图7。当风叶迎风时(风从正面吹入时)小盒底部是闭合的，阻力(推力)很大。当风叶旋转近180°时，即风叶背风时(风从反面吹入时)小盒的底部被吹开，这时，整个风叶像是一个没有玻璃的大窗户，阻力很小(反推力很小)，风叶就可以更快的旋转，产生更大的机械能，因此，该风力机的风能转化率高于任何一家风力机。 

(4)风轮的旋转(轨道式) 

前面讲了，如果我们风力机的风叶高为30m，长为65m(长为宽的2.5倍左右)。如此大的风叶，一端可以固定在轴上，而另一端拿什么支撑呢？在地面上，跑得最快，载重量最大的是火车了，我们就把火车的车轮和铁轨作为支撑，把铁轨做成个大圆环，把车轮装在风力机底盘的骨架上，让车轮在这个大圆环上旋转。这样，无论风力机的风叶有多大，有多少个，有多重，风轮在风力的作用下，风轮骨架下的车轮在铁轨上都能轻松的旋转，如图7a，风轮旋转起来，我们就将风能变成了机械能。 

(5)传动方式和发电 

该风力机传动方式，是参考钟表的齿轮传动和自行车的链条齿轮传动，就是在风力机底盘的骨架上，装上两个具有若干个小节的大圆环。外环和内环，外环的旋转半径等同于风轮旋转半径，内环的旋转半径为风轮旋转半径的三分之一或二分之一。只要风力机的风轮旋转，固定在底盘骨架上的两个大圆环也就同时旋转，圆环上的每一个小节，就像自行车的链条传动齿轮一样，大圆环(也是主动轮)的小节带动大齿轮(即被动轮)。大齿轮通过齿轮箱进行增速，带动发电机进行发电，如图8。 

(三)多机组 

从传动方式可以看出，传动一台发电机，只需要一个点，一台发电机的发电，叫做一个机组，该风力机的内环和外环可以由很多个点，传动多台发电机同时进行发电，所以叫作做多机组。 

(四)特大型、大功率可与三峡比高低 

由于该风力机的风轮在轨道上旋转，没有“偏转与安全极限应力限制”。可随意做大。也就是说，该风力机的风轮的旋转半径，可以是100m、200m，也可以是500m、1000m……。其风叶的高度和长度也可以按一定比例加大。这样，该风力机产生的机械能非常大，作为主动轮的传动环，不仅有内环和外环，其中间还可以增加二环、三环、四环……。它可以同时传动几十台、几百台、几千台发电机，同时进行发电。它的发电量非常大，可以说能做一台与三峡电站同等发电量的风力发电机。(就这还不是最大)。 

不仅如此，由于该风力发电机结构简单、造价低、效率高、对场地要求不严、也不存在移民问题。因此，做一台与三峡电站同等发电量的风力发电机其所需资金，用不了三峡电站投资的二分之一。这就是说，该风力发电机的发电成本，要比三峡电站发电成本的二分之一还要低，因此可以说，该风力发电机的发电方法，优于世界上目前所有的风力、火力、水力、核电等发电设备的发电方法。 

还有一个特点，是三峡电站所不能比的，就是三峡电站条件独特，全世界只有这么一座，今后到永远也不会有第二座。而该风力发电机对场地要求不严。在沙漠、草原、海岛、甚至在海上都可以安装。一旦定型，就可以成批生产。没有数量限制，这是三峡电站所不能比的。 

我国风能资源丰富，该风力发电机如能得到应用和推广。对发展国民经济，提高人民生活水平，有极大的促进作用。 

图1各种式样的风力发电机 

A、B、C水平轴风力发电机 

D、E、F垂直轴风力发电机 

图2垂直轴S型风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转 

图3无论任何方向的风、风轮都是顺一个方向旋转 

图4老鹰在高空盘旋时，它翅膀的长是宽的2‑2.5倍 

图5老鹰在降落时，它的翅膀为扇形 

图6风叶的长为宽的2‑2.5倍，风叶的宽为扇形 

图7(a)风力机风轮底盘骨架下的车轮，在铁轨上能轻松地旋转 

(b)风从正面吹入时，小盒的底部是闭合的 

(c)风从反面吹入时，小盒的底部被吹开 

图8风力机的传动方式和发电 

该特大型，轨道式风力发电机，只是方法发明，只介绍了该风力发电机的原理和方法，没有详细的生产图纸，距离投产和发电还有一段不小的距离，如果要投产发电，用于生产、生活还需做到以下几点： 

一、要请教有关专家，解决所有的理论问题。 

二、要请教铁道设计院，解决风力发电机的地基的处理，铁轨、车轮的设计，生产和安装。 

三、要请教工程设计院，设计出详细的生产图纸。 

四、要有足够的资金支持，由小到大先进行试制，在试制过程中不断进行改进，试制成功后，才能投产，发电、用于生产、生活。