一种具有风力发电和太阳能发电功能的蒙古包的制作方法

蒙古包是蒙族人民在长期生产实践中创造出来的一种既实用、又美观且深受蒙族人民喜爱的建筑。它具有以下优点：便于安装和拆卸、可有效的通风抗风和防沙防雨、安装无需打地基也无需特别平整地面、冬暖夏凉具有很强的承重能力、重量轻采光好可用空间大。

蒙古包的基本结构如下：1、有一个安装在蒙古包最上端的木制或金属制的环形天窗，蒙族人将其称为套脑，套脑边缘有均匀分布的盲孔，用来安装蒙古包伞架的椽子，套脑的中央有呈轮状的中空圆环，用来保证蒙古包内外空气的对流；2、沿着套脑四周，安装有用柳木棍或金属管材制作的椽子，蒙族人将其称为乌尼或乌尼杆，乌尼杆像伞骨一样以一定的角度倾斜向下分布，构成了蒙古包“屋顶”的支撑；3、乌尼杆垂下的部分和构成蒙古包围墙的栅栏顶端相连接，这些栅栏也是用柳木杆或金属管材制作，蒙族人将其称为哈納，哈納由很多柳木杆或金属管材呈平行四边形链接而成，节点用骆驼皮绳或金属铆钉固定，使得哈納可以在水平方向随意拉伸，这样就可以使蒙古包的围墙根据需要调整高矮；4、由多组哈納相连接，就构成了蒙古包的围墙栅栏，哈納与哈納之间留出较大空隙的地方就是安装蒙古包门框的地 方，传统的蒙古包是用厚厚的毡子做成门帘，现代蒙古包则多数用木门替代传统的门帘；5、把蒙古包的套脑、乌尼和哈納连接完成后，就可以在上面盖上顶棚，顶棚的上端叫领，顶棚的下面叫襟，一般顶棚由两块扇形的毡子缝合制成，顶棚顶端是一个和套脑直径相当的圆孔，以保证通风。顶棚上面有个外罩，外罩上面布满荀丽的图案，一般是深蓝色的对称鼻纹；6、在刮风、下雨、下雪或夜晚降临时，要将一个方形顶毡盖在套脑的上方，以避免雨雪或风沙从天窗中落入蒙古包内；7、沿着哈納要围一圈围毡，这就是蒙古包的围壁，围壁外面要捆绑上数条腰带，它们起着固定蒙古包的作用；8、大型蒙古包需要立柱支撑套脑，以确保蒙古包的牢固，立柱的上端固定在套脑的边缘上，下端固定在被称作火撑的木制方框上；9、古时蒙古贵族居住的蒙古包被称作斡尔朵，也叫做宫帐，这种蒙古包在套脑的上方长出一部分，被称作脖颈，这样做一方面可以省去顶毡，另一方面也使得蒙古包看上去更加壮观华丽。

由于传统能源对环境的破坏和污染日趋严重，因此太阳能和风能作为清洁能源越来越受到世界各国的重视。我国内蒙、甘肃、青藏等地，由于地广人稀，以往通过电网供电到户的成本高于采用独立风能或太阳能供电到户的成本，所以采用独立风能或太阳能给用户供电越来越受到当地居民和地方政府的青睐。目前采用独立风能发电多采用水平轴风力发电装置，而采用独立太阳能发电则多采用聚光光伏和非聚光光伏的发电设备。由于上述地区风沙大，气候条件恶劣，为保证风力发电设备和太阳能发电设备的稳固，一般都需要打造坚实的钢筋混凝 土地基，安装笨重的金属支架，在沙漠地区和高海拔地区完成这样的施工是非常困难的，往往这部分的施工成本就占去整个风能或太阳能发电设备总成本的三分之一强，成为阻碍风力发电或太阳能发电设备在上述地区安装发展的障碍之一。

蒙古包是蒙族人民经过长时期生产实践创造出来的一种实用建筑形式，其最大的特点就是不怕风沙雨雪，也无需打造地基，搭建拆卸十分方便快捷，可以抗十级大风，承载数千斤重量也不会变形倒塌。鉴于蒙古包具有这么多独特的优点，我们可否将蒙古包的这些特殊结构和优点用于风力发电和太阳能发电呢？是否可以发明一种既具有风力发电和太阳能发电功能、又具有居住功能的蒙古包呢？这正是本发明要解决的核心问题。

本发明的特征是，在不改变传统蒙古包结构的基础上，增加风力发电和太阳能发电的功能，使蒙古包不仅保留其传统居住的功能，还可以利用其风力发电和太阳能发电装置给蒙古包提供电力，该电力不仅可以满足蒙古包内部照明、冷暖空调、电视冰箱等家用电器的供电，也可以满足牧场灌溉用水泵的电力供应。考虑到蒙古包的特殊结构形式，风力发电采用了垂直风力发电设备，而太阳能发电装置则采用了非晶硅和晶硅图案化太阳能电池板发电。上述风力发电装置和太阳能发电装置可以联合使用，也可以独立使用。当夜幕降临或遭遇阴雨天气时，风力不小于三级的情况下，垂直风力发电装置仍可以持续为蒙古包提供电力。

下面结合附图，详细描述本发明的特点。

附图1说明了传统蒙古包的基本形状、结构和特点，也说明了安装风力发电装置和太阳能发电装置的位置。1为套脑，呈圆环形，环形的边缘有很多盲孔，盲孔向圆心的一端是封死的，向外的一端开孔，套脑在蒙古包建筑规制中十分重要，套脑中央有中空的大孔，叫做天窗，可以使蒙古包内外形成空气对流，套脑的圆环形边缘上有二到四个垂直的盲孔，它被用来安装蒙古包的立柱8，在本发明里，它被用来安装垂直风力发电机的支柱，该支柱的形状和安装方法和传统蒙古包支柱的形状和安装方法完全一样。通过套脑1上的盲孔，呈伞状的乌尼杆2逐根向下呈一定角度倾斜，它们和下方的支架哈纳3相连接。门框4将哈纳连接呈一个闭环，最终构成蒙古包的完整框架。蒙古包的顶棚5和围毡7构成了蒙古包的外衣，太阳能电池板就安装在顶棚上和围毡上。9是大型蒙古包的颈，那里也是安装垂直风力发电机扇叶和发电机的地方。为表达清晰起见，图中没有将均匀分布的全部乌尼杆和哈納绘出。

附图2进一步说蒙古包的特点和本发明的特征。蒙古包的传统形式有两种，其一为有脖颈9的蒙古包，蒙古语叫斡尔朵，这种形式的蒙古包既可以安装垂直风力发电设备，也可以安装太阳能发电设备。其二为没有脖颈9的蒙古包，它靠一个被叫做顶毡的正方形的毡垫盖在蒙古包套脑的上方，用来调节空气和防止风沙雨雪，这样的蒙古包不宜与安装垂直风力发电设备，适于安装太阳能发电设备。哈纳3是由平行四边形构成的，其高度56可以调节，因此乌尼杆的水平倾角55也可以通过调整哈纳的高度进行调节，这样就可以根据蒙古包所处的地 理位置，调整蒙古包顶棚的倾角，使顶棚倾斜面和太阳的平均入射角相垂直，以保证安放在顶棚上的太阳能发电装置获得最大的平均日照功率。

附图3说明本发明是如何在传统蒙古包内安装垂直风力发电装置的。传统的蒙古包内有表示“天圆”的套脑1，也有表示“地方”的火撑18，套脑1和火撑18上都有安装立柱8的盲孔，本发明利用这种特殊的建筑方式，在完全不改变原结构的基础上安装风力发电设备的支柱13，支柱可以是两个也可以是四个。11是垂直风力发电机，10是安装在蒙古包脖颈9内的风力发电机的扇叶，风力发电机的输电线沿着立柱13传到地面，14是充电控制器，它将风力发电机11发出的交流电整流后变成直流电，15是储能装置，它可以将风力发电设备发出的电能储存起来，16是逆变器，它可以将低压直流电转变成满足一般电器要求的交流电，17是负载，它可以是光源、冰箱、空调、电磁炉，也可以是水泵、铡草机等农用设备。

附图4是本发明风力发电系统的原理框图。11、10、13表示垂直风力发电系统的发电机、扇叶和支撑该风力发电设备的支柱。14、15、16和17分别表示电压控制整流器、电能储存设备、逆变电源和各种负载。

附图5说明了本发明是如何在不改变传统蒙古包结构和形式的基础上增加太阳能发电装置的。传统蒙古包的顶棚上有个外罩20，外罩上有以深蓝色为主色调的对称鼻纹图案30，它的面积较大，颜色和太阳能电池板的颜色接近，将薄膜太阳能电池或非薄膜太阳能发电装 置电池做成传统蒙古包外罩的图案式样，按照一个直径五米的蒙古包计算，它可以发出大约1100W以上的电力。21是蒙古族人民喜爱的盘长图案，它也是深蓝色基调，通常装饰在蒙古包毡门的两侧，象征着吉祥如意和幸福长久之意，将薄膜太阳能电池或非薄膜太阳能电池做成如图所示的盘长图案，按照一个直径五米的蒙古包和四个盘长图案的太阳能电池计算，它们也可以发出不少于1100W的电力。22是蒙古包顶棚下沿部分，通常镶有花边，花边有的是鼻纹图案，也有云纹图案，它们环绕蒙古包一周，颜色也是深蓝色的。按照22的样式制作薄膜太阳能电池或非薄膜太阳能电池，按照一个直径五米的蒙古包计算，可以发出300W电力。这样将三部分的太阳能发电装置连接起来，可以发出平均2500W的电力。当然，如果增加了太阳能电池板的光电转换效率和面积，发电量还可以增加。

附图6说明本发明太阳能发电部分的原理框图。20，21和22是按照蒙古族传统蒙古包图案形式制作的太阳能发电装置，它们可以是薄膜太阳能电池，也可以是非薄膜太阳能电池。20、21和22连接到太阳能充电控制器14上，15是电能储能装置，14将从太阳能电池板20、21和22上获得的电力向电能储能装置15内部充电，16是逆变器，它将电池的直流电能转换为一般家电使用的交流电能，17是负载，可以使照明光源，也可以是冰箱、空调、电磁炉、水泵或铡草机等。

附图7是图案化太阳能电池板的结构图。35是由矩形单元太阳能电池板拼接而成的盘长图案的正面，36是由矩形单元太阳能电池板拼接而成的盘长图案的背面。这些太阳能电池板按照所需要的直流电压 和输出功率串联和并联。37是具有盘长图案的太阳能电池板的输出电压接口。附图8是描述了顶棚下方花边形状的太阳能电池板的单元结构和拼接结构。38是单元花边形图案太阳能电池板的正面，39是单元花边形图案太阳能电池板的背面。40是这些太阳能电池板的输出电源接口。这些太阳能电池板同样根据所需要的直流电压和输出功率进行串联和并联。41是拼接到一起的花边型太阳能电池板，它们可以是薄膜电池，也可以是非薄膜电池。

附图9说明了蒙古包顶棚外套上的图案化太阳能电池板的单元结构和拼接后的形状。25是鼻纹图案太阳能电池板的单元结构的正面，26是鼻纹图案太阳能电池板单元结构的背面，24为鼻纹图案太阳能电池板的输出电源接口。27是另一种鼻纹图案太阳能电池板的单元结构的正面，28是另一种鼻纹图案太阳能电池板单元结构的背面。29是将上述两个对称鼻纹图案的太阳能电池板拼接到一起后的形状。30是将相互对称的八个鼻纹图案太阳能电池板拼接到一起的形状。将这组拼接好的太阳能电池板安放在蒙古包的顶棚之上，作为蒙古包的外罩，一方面其形状和颜色完全符合传统蒙古包文化和民俗的特征，另一方面，它还具备了太阳能发电的功能。

附图10说明了本发明中所述的在蒙古包上安装图案化的太阳能电池板是如何提高光电转换效率的。由于蒙古包50的包顶呈锥状结构，这样安装其上的太阳能电池板20的方位角和倾斜角可以保证其最大限度的接受光照46，使其处于最佳的光电转换效率范围内。我国最佳太阳能分布区域大部分在较高纬度地区(如内蒙、甘肃、青海、陕 北、藏北等地区)，这些区域也是最适合在蒙古包包顶安装太阳能电池板的，因为蒙古包乌尼杆的特殊倾角很适合太阳能电池板最大限度的采集光能。

附图11进一步说明安装在蒙古包顶棚上的太阳能电池板是如何采集光能的。为了使得安装在蒙古包顶棚外罩上的太阳能电池板20尽可能多的获得太阳能，其平面应该和太阳的光线相垂直，即太阳45发出的光线46和安装于蒙古包顶棚外罩上的太阳能电池板20要平均接近九十度夹角。这可以通过调整蒙古包围壁的高度56来实现。由于蒙古包的哈纳杆是呈平行四边形链接的，其高度可通过缩放哈纳的水平长度加以调节，在我国北方地区，将乌尼杆水平倾角调整到45度左右，其顶棚外罩上的太阳能电池板获得的平均日照强度最大。

附图12说明安装在蒙古包围壁上的盘长图案太阳能电池板是如何采集光能的。具有盘长图案的太阳能电池板61的下方有一个活动支架60，通过调整这个活动支架可以使太阳能电池板与围壁之间呈现一定的角度，当这个角度为45度左右时，在方位角合适的情况下，61和45的光线大约呈现90度的直角，太阳能电池板可以获得的光照能量最大。夜晚或阴雨天可以放下支架60，太阳能电池板将和蒙古包的围壁平行。

本发明有如下的实施例。直径五米的蒙古包通过传统蒙古包工艺制作而成。套脑、乌尼杆、哈纳杆全部为柳木制造，乌尼和哈纳之间、哈纳杆之间的节点全部以传统牛皮绳固定。蒙古包的顶棚和围壁以双层毡子做成，内毡为黄色，外毡为白色。火撑为木制，火撑上安装了两 个圆木支撑作为蒙古包套脑和脖颈的支撑，同时也作为垂直风力发电机设备的支撑，垂直风力发电机启动风力每秒1.2米，额定风力每秒14米，叶片直径80厘米，输出功率400W，输出电压50V。在蒙古包的顶棚上有四个鼻纹状薄膜太阳能电池做成的外罩，它们相互并联，输出直流电压36伏，采用非晶硅柔性薄膜太阳能电池板，输出功率1000W。在蒙古包围壁上安装有4个具有盘长图案的单晶硅太阳能电池板，它们相互串联，输出直流电压36伏，输出功率1000W。垂直风力发电设备输出的交流电经过整流设备整流后存入蓄电池中，太阳能电池板输出的直流电压经控制器直接为蓄电池充电，两种发电方式采用了风光互补控制器。蓄电池的直流电能经过逆变器后输出220伏特50赫兹的交流电供蒙古包内部家电使用，另外输出380伏特动力电供蒙古包外的水泵和铡草机等农机具使用。全部电源充电控制器、蓄电池和逆变器都安装在具有传统蒙古家具特色的被褥箱柜之中。

本实施例的蒙古包内还安装有无线WiFi上网和USB充电接口，更加方便了蒙古包的使用者。通过本发明的实施做到了将拥有悠久历史文化传统的蒙古包建筑同高科技现代化能源技术的完美结合。