专利名称：水平式多功能风车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电用风车，尤其涉及一种风力发电用的水平式多功能风车。
背景技术：
目前的风力发电的原理是利用风力带动传统直立式风车风叶旋转，再透过增速机的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的传统直立式风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度，便可以开始发电，并产生风速在每秒十三至十五公尺时速的输出力道。近年来受到美国加州能源危机的影响及各家电力公司开始推动长期购买以风力发电为目的传统直立式风车有增加的趋势。目前风力发电只要风力利用系数足够，估算发电成本每1KW约0.7港圆，已进入实用化的阶段，风力发电正在世界上形成一股热潮，根据估计，2000年世界风力发电容量将可达到一千二百万千瓦。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生幅射或二氧化碳等公害。再加上先进国家在国际公约上，为防止地球温室效应，已达成抑制二氧化碳排放量目标的共识，因此，风力发电便成为先进国家寻找替代电源的最佳选择。
风力发电为作一种环保能源开始被广泛的认识。但到普及应用在广泛的生活中仍是有一定的困难，因为风力发电对环境的要求较高，占用很大的土地面积，在人口密集的城市成本效益很低。另外对风向的适应技术，及产品成本都是很大的问题。
发明内容本发明的目的就是为了解决现有风车对环境要求高、安装复杂、不易于密集放置和不易于广泛普及的问题，提供一种水平式多功能风车。
为实现上述目的，本发明提出一种水平式多功能风车，包括一片或多片风叶的风叶组和叶轴，所述的风叶组为以水平方式旋转的风叶组。
由于采用了以上的方案，水平式多功能风车装置安装方便，而且根据需要可很容易的在水平方向和竖直方向上对风叶组的数量进行扩展，因为它结构简单，安装方便。所以此种水平式多功能风车可广泛应用于各个领域。另外，由于风叶采用轴对称结构，其不受风向的限制，只要是有沿垂直于旋转轴的方向上吹动的风流或风流分力都可以使风叶转动。
图1是本发明水平式多功能风车第一种实施例迎风叶装置的立体图；图2a是本发明水平式多功能风车第二种实施例风车的应用立体示意图2b是本发明水平式多功能风车第二种实施例中排气孔截面图；图3是本发明水平式多功能风车第三种实施例塔式结构叶轴立体图；图4是本发明水平式多功能风车第三种实施传动装置塔式结构截面图；图5是本发明水平式多功能风车第五种实施例定向风力水平式多功能风车立体示意图；图6是本发明水平式多功能风车受风力作用旋转原理示意图；图7是本发明在水平式多功能风车第四种实施例水平阵列排列示意图；图8是本发明水平式多功能风车应用于房屋设施示意图；图9是本发明水平式多功能风车应用于汽车上示意图；图10是本发明水平式多功能风车应用于轮船上风流作用平面示意图；图11是本发明水平式多功能风车应用于轮船上风流作用平面示意图；图12是本发明水平式多功能风车应用于轮船上风流作用立面示意图；图13是本发明水平式多功能风车应用于快艇上风流作用立面示意图；图14是本发明水平式多功能风车应用于飞机上风流作用示意图；图15是本发明水平式多功能风车应用于火车上风流作用示意图；图16是本发明水平式多功能风车应用于隧道中和地铁上的风流作用示意图；图17是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图17a是本发明水平式多功能风车具体实施例A局部放大图；图17b是本发明水平式多功能风车具体实施例B局部放大图；图18是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图18a是本发明水平式多功能风车具体实施例C局部放大图；图18b是本发明水平式多功能风车具体实施例D局部放大图；图19是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图20a是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图20b是本发明水平式多功能风车具体实施例E局部放大图；图21a是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图21b是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图21c是本发明水平式多功能风车具体实施例截面示意图；图22是本发明水平式多功能风车风具体实施例风叶式风室与叶壳式风室演变示意图；图23是本发明水平式多功能风车风实施例风叶式风室与叶壳和风叶式风室演变示意图24是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图25是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图26是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图27是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图28是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图29是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图30是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图31是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图32是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图33是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图34a是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图34b是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图34c是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图34d是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图35a是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图35b是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图35c是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图35d是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图36是本发明水平式多功能风车用于水力发电示意图；图37是本发明水平式多功能风车用于水力发电示意立体图；图38a是本发明水平式多功能风车应用于路灯上的第七种实施例示意立体图；图38b是本发明水平式多功能风车应用于路灯上的第七种实施例示意主视图；图39是本发明水平式多功能风车应用于广告牌上的第七种实施例示意立体图；图40a是本发明移动水平式多功能风车发电机具体实施例示意图；图40b是本发明移动水平式多功能风车发电机具体实施例变化状态示意图；图41是本发明水平式多功能风车实施例截面示意图；图42是本发明水平式多功能风车实施例A局部放大图；图43是本发明水平式多功能风车叶槽另一种实施例放大图；图44是本发明水平式多功能风车总体框图；图45是本发明水平式多功能风车实施例七电路框图；具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一如图1所示，一种水平式多功能风车包括风叶组、叶轴2和由叶壳3围成的风室，风叶组包括四片风叶1，它也可为一个或多个，风叶1呈弧形，其切面与叶轴2平行。这样能量的转化效率高。但是有某些情况下，如为了在沿叶轴2方向上产生风流，风叶1的切面也可与叶轴2不采用平行关系如产生一定的倾角。加强沿叶轴方向的通风效果，在风叶组的外圆周上连有叶壳3，叶壳3围成风室，所述叶壳3上有风口4，该风口4为八个，呈中心对称辐射状分布，它收集可产生正向旋转力矩的风流。在风室的顶部和底部有顶叶壳和底叶壳，侧叶壳、顶叶壳和底叶壳围成除风口以外的封闭式风室。根据需要也可只保留侧叶壳3，由侧叶壳3围成开放式风室。
本发明中以水平式旋转的风叶组是指风叶组的旋转轴向与驱动旋转轴转动的主风流或主风流分力相垂直。
如图1所示，迎风叶装置中的风口4带有弧形侧叶壳3。当风口4围绕旋转轴芯旋转时，有一定风流吹向该风口4，此时该定向风流只有在风口4旋转到某一小于或等于180度旋转范围内，正向旋转力矩风流方可进入风室腔中，带动风叶1转动。而逆向旋转力矩风流直接受到叶壳或风叶的阻挡，不能直接进入风室中。
为了使风室收集到正向旋转力矩的风流，叶壳需要采用特定的设计形状，如图1、图6和图7所示，当风口4正对风流时，可以收集到风流，当风口4旋转180度时，此时受叶壳的遮挡，风口4背对风流。风流受叶壳的阻挡，不能进入风口4。经过理论分析，当围成风口的叶壳或叶壳和风叶，在以旋转轴为中心的半径方向上，叶壳有重叠时，在某一角度范围内(如180度)上叶壳可遮住风口，此时逆向旋转力矩的风流受叶壳或风叶的阻挡，不能直接进入风室中。通常情况下，风口4可以选用多个，它们呈辐射状且中心对称的分布于风室外周。
经过理论分析，可以得出叶壳的形状、风叶的形状以及叶壳上风口的大小和形状及位置会影响风流能量的利用率，通常叶壳和风叶采用流线型设计。
实施例二如图2a和图2b所示，与实施例一不同之处在于还包括传动齿轮7、增速机8、发电机9、蓄电池10和可调变速器11。在所述风叶1的底部有底叶壳3，在底叶壳3上风叶1之间有多个排气孔6，该排气孔6的作用是使下面的气顺利的跑上来，并挡住上面的气流，尽量使气流不向下流动。在叶轴2上套有主动齿轮，主动齿轮传动增速机8上的从动齿轮。增速机8带动发电机发电，发电机给蓄电池10发充电或直接输入电网，在叶轴2上还连有可调变速器11，可调变速器11用于带动排气风叶12或风扇风叶正向或反向转动。该可调变速器11为现有的可调变速器，它与控制器相连，控制器用于控制可调变速器的变速比，从而控制排气风叶或风扇风叶的转速。
实施例三如图4和图3所示，与实施例一不同之处在于，所述的风叶组为两个分别为第一风叶组和第二风叶组，所述的叶轴包括大传动叶轴13和小传动叶轴14，大传动叶轴13套于小传动叶轴14之外，大传动叶轴13与小传动叶轴14之间通过滚珠或者轴承相配合。第一风叶组固定于小传动叶轴14上，第二风叶组固定于大传动叶轴13上。在大、小传动叶轴上分别有第一、第二主动齿轮15、16。在叶轴上套有主动齿轮，主动齿轮传动从动齿轮，从动齿轮为单向离合器，从动齿轮的数量与主动齿轮数量相对应，实际应用中，根据需要从动齿轮数量也可以少于或多于主动齿轮数量。从动齿轮固定于同一转轴上，在转轴上有增速机主动齿轮，用于带动增速机上的从动齿轮。该实施例中风车组所构成的结构被称作塔式结构。
上述实施例中只是给出了一个具体实施例。根据需要也可采用其它方式的设计方案。如所述叶轴2为一根或多根。当为一根时，在该叶轴2上固定有多组风叶组。为使风叶组之间不会对它们各自对应的从动齿轮造成干扰，为了减少各组风叶组在各自接受风流转动过程中，相对之间存在速度差而需要带动其它风叶组旋转，而造成能量损耗，可将风叶组通过单向离合器装于叶轴2上。或采用各自叶轴2通过单向离合器与中心轴相配合的方案。而风叶组直接固定于叶轴2上。
实施例四如图7所示，风叶组也可采用在水平面上扩展的方式进行，如图7所示，依据风流的分布情况，在同一水平面上分别设置有多组风叶组，它们可以独立工作，也可采用由多组风叶组带动同一从动轴转动的工作方式，从动轴上有一个或多个从动齿轮，从动齿轮为单向离合器或与单向离合器相连，在从动齿轮的周围啮合有一个或多个主动齿轮，该主动齿轮受叶轴2驱动。
实施例五如图5所示，一种定向风力水平式多功能风车，包括叶轴2、风叶组、风室、导风通道5、风口4、传动轴17、增速机8、制动器18和发电机9，叶轴2套于轴芯上，轴芯传动增速机，增速机供给发电机9发电，制动器18用于调节传动轴17的转动速度，制动器18为电制动器，如磁阻力器等。在叶轴2上连有四片风叶1，该四片风叶构成风叶组，当然风叶组也可以是由一个以上的风叶组成。在风叶1外围有由两个近似圆柱体侧叶壳3围成的风室，在风室的两近似圆柱体相接处有两个导风通道5，该两个导风通道5的其中一通道壁与圆柱体相切，此时，导风通道5正对风叶1。导风通道5的端部为风口4。如图19所示，还可包括风口盖4a，所述风口盖4a配置于风口处，其作用是通过人手控制或遥控方式调整风口盖4a的朝向，从而控制进入导风通道5的风流数量。为了安全或其它需要也可在风叶1的两侧加装侧叶壳3，在侧叶壳3上开有排气孔6，即围成带排气孔6的风室。
实施例六如图41和图42所示，给出了另一种迎风叶装置实施例示意图；所述的叶壳可以轻微转动。如图42所示，在叶壳的端部有转动轴，其套于轴套上。当风流或水流冲击叶壳时，叶壳可以相对转动使风口张大或变小。当然它也可以采用手动式、摇控机械式摆动方式，控制风口的大小。如图43所示，所述的叶槽也可采此种可轻微转动的形式。
如图17至图35d所示，给出各种不同的水平式多功能风车的截面示意图，风车中风叶和叶壳形状和数量可以根据需要进行选择和设计。如图17a、图18a和图20b所示，根据需要，叶壳可以部分或全部与风叶相连，也可以与风叶完全分离。当叶壳和风叶完全分离的情况下，可以固定叶壳使风叶在叶壳中单独旋转，其工作模式和实施例五相同均为风叶单独旋转。如图1、图22和图23所示，此时部分或全部叶壳与风叶完全融为一体，它一方面起到构成风室的作用，另一方面起到迎接风流，带动风叶和叶轴一起旋动。
如图17b所示，为叶壳侧壁放大图。图18b和如图21c所示，为了增加叶壳表面的阻力，在叶壳表面分布有毛茸状的叶槽19。
对于叶壳及风室的形状并没有特殊要求，它的纵向和横向剖面可以是基本呈圆形、椭圆形、方形、多边形或不规则形状。风室是指为呈一定形状，用于收集可产生单向旋转力矩的风流，由叶壳3围成的结构体。如图8至图16所示，给出了不同的风室结构。增加导风通道5是为了引导风流流入风室腔中，且使流入风流吹向风叶1，当导风通道5正对风叶1时，风能的利用率高，风车旋转输出能量大。详细可参见实施例五。
如图6所示，为水平式多功能风车的工作原理，当风迎面吹向水平式多功能风车时，风流由风口4进入水平式多功能风车的风室腔中，吹向风叶1。由于各呈辐射状轴对称分布于外围上的风口4的开口方向，在沿轴芯的直线分割成的两侧，其中一侧面向风流，在另一侧背向风流，因此可以使定向风流从一侧进入近似圆柱体的风室腔中的偏心一侧，产生偏心力推动风叶1转动。风在风室中流动，再通过旋转的离心力经风口4流出。风室的其中一个作用是可以挡住迎面吹来的一侧风流，而将另一侧风流引导至风室腔中。从而产生偏心力带动风叶1转动。
由于本发明水平式多功能风车的安装及适应性强，使它的应用多样化。其中具体实施如下实施例七如图38a、图38b和图39、图44和图45所示，是本发明在不同情况下的应用。水平式多功能风车包括迎风叶装置、发电装置和嵌入式应用装置，所述的迎风叶装置包括多片风叶1的风叶组和叶轴2；发电装置包括传动轴17、增速机8、制动器18和发电机9。以上迎风叶装置和发电装置的工作原理详细可见实施例一至实施例五。如图45所示，当发电装置发电后经电力输出切换开关20判断后切换方向。即当电力输出切换开关20判断蓄电池10(它包括多组蓄电池)的电压在某设定值以下时，即切换于蓄电池为其充电，当蓄电池10的电压在某设定值以上时，即切换至电力转换器22，使发电电力与电网电源相匹配后输入电网，同时当应用电器如路灯和广告牌等要使用电力时，由电源切换开关23判断后切换方向，即当蓄电池10电压在设定值以上即切换至蓄电池。如当蓄电池10电压在设定值以下即切换至电网。并通过变压器24使应用电器工作。
如图38a、图38b和图39所示，即为嵌入式应用装置。由于它们对发电装置的需求密切，所以把它门装在风车中，视它们为风车的一部分。
上述蓄电池也可以从发电机中取出，进行单独供电或单独从蓄电池取电。
对于水平式多功能风车，也可直接由其带动如水车或其它装置转动，直接将风能转化成其它能量。
如图40a和图40b所示，给出了一种移动式水平式风力风车作流动的发电机应用示意图。其包括实施例一、二、六和七已叙述的迎风叶装置和发电装置之外还配备了伸缩臂25、固定架26、底座28和轮子27，所述叶轴2传动发电装置，轮子27装于底座上，所述伸缩臂25和固定架26与底座相连。其作用是该水平式多功风车按需要，可以经其它运输工具运载和拉动至所需要具有更大风力的区域或一些临时具有风力的区域工作。在移动时可将风车进行折叠。减少运输空间。
本发明把传统直立方式旋转的风叶1改成水平方式旋转的风叶1。运用风力定向导入推动迎风叶1旋转，利用旋转的离心力使风流流出，再运用风力定向导入进入循环运动的原理。而由风力导入方式提出了风室的概念。风室腔是风流流动的空间，风室和风叶组是各自分离的两个物体，即称作“分离式风室”。为了适应更灵活的风力导入方式，我们提出了风室与风叶组相连的模式，这里称之为“结合式风室”。此时风室可以随风叶1自由旋转，接收不定向风。叶壳3的轴对称性使“风室”更容易从四面八方导入风力使其旋转。以使适合不同环境的需要。按功能来说，分离式风室模式即“定向风力水平式多功能风车”适合定向风较多的环境。如包括车辆、火车或某些定向活动的物体。而“结合式风室”即“多向风力水平式多功能风车”适合各种不规则风向的环境，气压气温骤变的环境，例如屋顶或大厦间的峡谷效应和隧道等地点，另外风车组多个单元沿轴芯方向叠合的塔式结构，大小任意并包括风叶组的风叶1数量不限，风叶1多可使旋转更流畅，风叶1少而小可起到微风也可起澜的效应。更为适合不同大小风力的要求。由此可见水平式多功能风车的优势很大程度上解决了传统直立式风车对环境的要求高，占地面积大，在城市成本效益低，占用大量的土地，不能密集放置的难题，所以水平式多功能风车也适合在人口密集，成本效益要求高的城市中使用。另外利用水平式多功能风车附带的通风和降温的功能，两者相辅相承，在发电的同时又可流通封闭的室内空气，垂直式的设计不会影响建筑立面上的美观，在建筑物内与外的温差造成的空气流动也能辅助风叶1旋转发电，因此将会使水平式多功能风车和我们的日常生活结合的更紧密。
为了适应不定向风的环境，风室上也可连有传感器和转动装置，由传感器感应风流的风向，从而反馈控制信号控制风室旋转使风口4正对风流。提高风流的利用率。
此种水平式多功能风车可广泛应用于各个领域，其具体应列举如下如在房屋设施中，如图8所示，由于室内与室外存在温差，风流因温差的影响会从室内流内室外或从室外流向室内。此时可在房屋顶部安装一部水平式多功能风车，即利用风力发电，以供家用。这样既不会造成污染也可以充分利用能源。
再如如图9所示，应用于小汽车中，小汽车在行驶中，由于相对运动，会产生气压差，而产生气流，此时可在车的顶部或车头部位开一风口4，由车头盖围成一风室，而将风叶组等置于风室内，这样就可以利用行驶中的风力进行发电及为发动机散热，或做它用。以达到充分利用能源的目的。
再如如图10和图11所示，在快艇上安装定向风力水平式多功能风车装置。用以利用高速行驶中的风力。
再如如图12和图13所示，在轮船上安装有二种模式包括定向风力水平式多功能风车组和多向风力水平式多功能风车组，这些水平式多功能风车组可利用海风和行进中的风流转动，从而发电或它用。
再如如图14所示，在飞机的表面安装有定向风力水平式多功能风车。
再如如图15所示，在火车上安装定向风力水平式多功能风车组，即在在火车顶部安装有导风通道5，导风通道5端部有开口，火车行进过程中，风流流入导风通道5，进入风室，并带动风叶组旋转。
如图16所示，在地铁通道的顶部或侧壁同样也可以安装多向风力水平式多功能风车组。同时在地铁列车的顶部装有导风通道5在列车内安装有定向风力水平式多功能风车组进行发电。
上述主要描述了水平式多功能风车在风力发电中的应用，同样它也可以在水力发电中得到应用。
如图36和图37所示，将水平式多功能风车也可应用于长期有水流速度的应用范围例如海岸的潮水或一些有高度落差水流湍急的江河，其工作原理和空中旋转的方式有相似之处，由叶壳3形成的风口4导入位于轴芯一侧的水流进入风室腔内使叶轴2旋转。由于海岸江河的环境复杂、深浅不一，而这些恶劣的环境反而更适合水平式多功能风车的应用。如针对海岸的潮水特点，叶壳可采用沿叶轴方向扁而平的形状。针对江河的特点可采用一些截面积大的形状与之匹配。当然也可用塔式的结构(见实施例三)。其中叶轴可以是固定长度或是可伸缩性的，方法是采用大叶轴套于小叶轴上，当调整到所需的长度用横栓穿过锁定的原理。这样就可按需要调节叶壳伸入水中的深度，更有效的利用水力使其具有更大的适应性。同时叶壳的轴对称使潮涨水流从前方进入风室腔，使叶壳朝一侧方向旋转，潮退水流从后方进入风室腔使叶壳继续朝同一侧方向旋转，从而大辐度减少水力动能的损耗。另外水平式多功能风车阵列方式也最大限度地利用了水流的切面利用率(原理参风实施例四)。
由此可见，以上的广泛应用将会改变人们长久以来认为风力发电不能在生活中广泛应用的观念。
权利要求
1.一种水平式多功能风车，包括一片或多片风叶(1)的风叶组和叶轴(2)，其特征是所述的风叶组为以水平方式旋转的风叶组。
2.如权利要求1所述的水平式多功能风车，其特征是所述风叶(1)的切面与叶轴(2)平行。
3.如权利要求1所述的水平式多功能风车，其特征是还包括叶壳(3)，叶壳(3)或叶壳(3)与风叶(1)围成风室，在所述风室上有由叶壳(3)或叶壳(3)与风叶(1)所围成的风口，风室可收集可产生旋转力矩的风流。
4.如权利要求1、2或3所述的水平式多功能风车，其特征是所述的风口(4)呈轴对称分布，所述风口在沿旋转轴心的直线被分割成两侧，其中一侧面向定向风流，另一侧则背向定向风流。
5.如权利要求3所述的水平式多功能风车，其特征是所述的风室还包括导风通道(5)，导风通道(5)与风口(4)相连。
6.如权利要求5所述的水平式多功能风车，其特征是所述的部分或全部叶壳(3)与风叶(1)相连。
7.如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的水平式多功能风车，其特征是所述的风叶组为多组，它们沿旋转轴轴芯方向依次叠放。
8.如权利要求3所述的水平式多功能风车，其特征是在所述的叶壳(3)上有排气孔(6)。
9.如权利要求3所述的水平式多功能风车，其特征是在所述的叶壳(3)表面有叶槽(19)。
10.如权利要求1、2或3所述的水平式多功能风车，其特征是还包括发电装置、蓄电池(10)、电力输出切换开关(20)和电源切换开关(23)，所述叶轴(2)传动发电装置发电，发电装置输出端与电力输出切换开关(20)相连，所述电力输出切换开关(20)包括至少两个输出端，其中一个输出端与蓄电池(10)相连，电源切换开关(23)一端用于与应用电器相连，电源切换开关(23)包括至少两个输出端，其中一个切换输出端与蓄电池(10)相连。
11.如权利要求1、2或3所述的水平式多功能风车，其特征是还包括发电装置、伸缩臂(25)、固定架(26)、底座(28)和轮子(27)，所述叶轴(2)传动发电装置，轮子(27)装于底座上，所述伸缩臂(25)和固定架(26)与底座相连。
全文摘要
本发明公开一种水平式多功能风车，包括一片或多片风叶的风叶组和叶轴，所述的风叶组为以水平方式旋转的风叶组。由于水平式多功能风车装置安装方便，而且根据需要可很容易的在水平方向和竖直方向上对风叶组的数量进行扩展，因为它结构简单，安装方便。所以此种水平式多功能风车可广泛应用于各个领域。另外，由于风叶采用轴对称结构，其不受风向的限制，只要是有沿垂直于旋转轴的方向上吹动的风流或风流分力都可以使风叶转动，从而发电或作它用。
文档编号F03D3/00GK1560468SQ20041002189
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月17日 优先权日2004年2月17日
发明者浩 温, 温浩 申请人:浩 温, 温浩