专利名称：导风板型风能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种与能源有关的设备，即风能利用的设备，这里称之为风能装置。
所谓风能的利用，也就是利用风力吹在物体表面上所产生的风压，根据气象万千书中介绍，当风速达9-10米/秒的5级风力时，吹到物体表面上每平方米受力约10公斤，目前风能利用通常为旋转的叶轮或风帆，风力作用在轮叶上的压力与风的压力角和风速与轮叶的速度差也时刻变化着，叶片外周的线速度大于其内周的线速度，外周的单位面积风压就较内周小，不同类型风能利用装置，风能利用效率是不同的，就同一种类型风能利用装置，叶轮的叶片面积越大，能产生的功率也就越大。
众所周知的巨型风力发电机虽然发电能力较强，但是它仅利用风力对螺旋桨的切线方向上的分力，而且螺旋桨本身的面积与它转动过程中所形成的圆面积相比，仅为十几分之一，其风能利用率不高，由于它占用巨大的空间及需要高耸的支架，以建造于空旷地区为宜，还同时要求风向较为稳定的地区。而风速仪和转塔式风力发动机是利用物体的几何形状因素，使正面与背面所受风压有差异，在转轴左右两侧产生风压差，使其旋转起来。但是要从旋转中取得巨大能量几乎不可能。有一种利用导风板和叶轮组合的笼形风能装置(申请号200410093118.X)，是由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成的中空圆柱体将一竖立的可以旋转的叶轮围在中间，虽然结构紧凑，风能利用率高，但仅提出导风板的一种较为理想的排列方式，尚有多种其它方式均未提及。
众所周知，风向变动有不确定性，而风力大小有阵性，高度越高风力就越大。本发明的任务在于设计出利用导风板的多种排列方式与叶轮相配合，无论风向变化如何，只要有一定风力，凡进入本发明风能装置的风就立刻转变成一股旋转气流，驱动叶轮旋转，输出能量。风能利用率高，结构紧凑，使用寿命长，安全可靠，制造、维护、保养都很方便，适合于城市、乡村、山区、海岛等任何地方使用。
为了解决上述任务，使原本吹向叶轮轴左右两侧相同风力的气流转变为单向旋转气流来驱动叶轮，本发明实现此转变方法的重要部件是由一组与半径方向有适当交角的导风板围成竖立的中空多边形柱体，无论风向如何变动，只要有风力，在中空多边形柱体内都会产生的单向旋转气流，仅仅只有风向进入的方位不同而已，导风板能够使本发明装置吸纳比原吹向叶轮时更多的风能，在中空多边形柱体内的可转动的叶轮是风能转换成动能的部件。导风板是本发明将外界自然风转变成中空多边形柱体内旋转气流的重要部件，故称为导风板型风能装置。同时另有一类仅在旋转叶轮的受风那侧设置导风板。
导风板与半径方向的交角可在15°至90°之间选择，这里将对俯视下的交角在半径逆时针方向展开的定为α角，而交角在半径顺时针方向展开的定为-α角，导风板与半径方向以α角相交时必在中空多边形柱体内形成顺时针方向旋转气流，若交角为-α则必形成逆时针方向旋转气流，两者仅在气流旋转方向上有所差别，其它基本相同，在以后的叙述里以α角为主，而-α可类推，不再提及。而叶轮的转动全靠旋转气流的推动，同时叶轮总是做圆周运动，当然导风板所组成的中空多边形柱体上的每一结点即为导风板在中空多边形柱体内的端点，如果所有的端点都与叶轮的运动圆周具有相同的距离，那就使中空多边形柱体的多边形处在与叶轮运动圆周的一个同心圆的圆周上，有种种原因，使多边形各结点不能处在一个圆周上，如加工和安装误差会造成各结点不能处在一个圆周上。另外如因设计原因，使各结点不能处在一个圆周上如在导风板的间距设计上，由于两导风板之间间距外周大于内周，而导风板的导向功能又以间距较小为宜，同时导风板本身都具有一定厚度，占有一定空间，而内周的空间最狭窄，若在外周设有较多的导风板，使导风板间有较小的间距以满足有良好的风的导向功能，同时在中空多边形柱体中有一部分导风板的端点比另一部分导风板端点更远离叶轮运动圆周一些，当然也可以有第三或第三以上部分导风板安排成与叶轮运动圆周不同距离的导风板端点，一部分导风板与另一部分导风板在叶轮周围排列上是相间隔的，此相间隔可以是一片与一片相间隔，也可以是一片与二片相间隔或一片与几片相间隔或几片与几片相间隔，要视设计者而定，总的目的是为了使导风板既要导风性能好，又要少占用近叶轮运动附近的空间，不同位置的导风板端点与叶轮运动圆周的一个同心圆的圆周距离不一致，也就是有一部分导风板在完成对风导向功能后就不再去占用导风板最内周的空间，可以减少导风板内周的空气阻力，此时导风板在近叶轮一端的端点就分布叶轮运动圆周到附近的一个区间上，此区间是两个多边形所组成的区间内。另外一种设计是为了加工安装方便等因素，将环围叶轮一周的导风板内周做成多边形，可以是等边多边形，也可以是不等边多边形，也能使外界的自然风转变成与半径有一交角的气流来驱动叶轮旋转，此类排列的导风板宽度可以全部从外周到内周，也可以像上述那样不同宽度的导风板相间隔配置。在导风板型风能装置设计时，有时导风板和叶轮的总占地面积受到限制，如建造在高楼的顶部，导风板在达到将自然界的风转变成旋转气流前提下，仅可能有较大的叶轮直径，而在空旷地区，在考虑叶轮直径后，导风板的宽度可以适当宽些，不仅有利于稳定导入的气流，也有利于吸纳更多风量。
在少数地区，其风向有的常年一个风向，有的只有两个风向，如海陆风，那时导风板也可以用来提高风能利用效率，但不一定将叶轮环绕一周，只要在受风侧配置即可，此时各导风板的形状和宽度可以不必相同，若常年只有一个风向，只要在受风一侧配置，若常年只有两个风向，只要在两个受风方向配置。下列为几个类型的导风板与叶轮配置实施例。
图1为一组与半径有适当交角的并有不同宽度相间隔的所围成的中空多边形柱体的竖立的导风板，2为可转动的叶轮，3为叶轮上轴承，4为叶轮下轴承，5为固定导风板和轴承的构件。图中仅为两部分导风板的内侧端点与叶轮运动圆周有不同距离相间配置所组成的一种方式，而实际上可由一部分一片导风板与另一部分二片或二片以上相间配置，也可混合配置，也可三部分或三部分以上的导风板的内侧端点与叶轮运动圆周有不同距离相配置，或混合配置，不一一作图并说明。
图2为图1的横截面示图，导风板1和叶轮2的相对位置以及工作时叶轮的旋转方向以箭头所指方向来表示。
图3为一组与半径有适当交角的所围成的中空多边形柱体的竖立的导风板和叶轮的横截面示图，1为导风板，2为叶轮，图中箭头方向为叶轮旋转方向。图中所示的为八边形，可以是等边八边形或不等边八边形，而实际上可以是可以做不同边数的等边或不等边多边形，也不一一作图并说明。
图4为只有一个风向地区上，导风板设置在旋转叶轮的一个受风侧面，1为导风板，2为叶轮，图中箭头为叶轮的旋转方向。
图5为具有二个相反风向地区上，导风板可以设置在旋转叶轮左右轮流受风的左右两个受风侧面，1为导风板，2为叶轮，图中箭头为叶轮的旋转方向。
本发明中由一组与半径方向有适当交角的导风板围成竖立的中空多边形柱体，是将自然界的风转变成中空圆柱体内的旋转气流的重要部件，该部件中的导风板设计安装由三个重要因素值得注意，第一是导风板与半径方向的适当交角，第二是导风板的宽度，第三是相邻两导风板之间的间距，此三个因素必须结合在一起综合考虑，才能达到使自然界的风转变成中空多边形柱体内的旋转气流。导风板需要有足够的宽度，不仅能在改变风向时形成稳定的气流按交角导入中空多边形柱体内，而且可以阻止沿着其它方向吹来的风进入中空多边形柱体内，导风板致少有一个最狭宽度，相邻两导风板内侧处在中空多边形柱体，而外侧在相邻导风板内侧的半径方向延长线上，可以避免其它方向风力吹入而干扰交角方向进入的气流，当然导风板可适当加宽些，能吸纳较多的风量，不过会占用较多的空间和耗用较多的材料，有时也能考虑。导风板在改变自然风的过程中会产生风与导风板之间的摩擦阻力及风内部的内摩擦，以致产生涡流，在导风板的间距较小时，风内部的内摩擦会降低，但是对于某一具体的风能装置来说，必然会有较多的导风板数量，势必增加总的导风板与风的摩擦阻力，同时导风板本身都具有一定厚度，就会减少总的进风量，导风板的间距过大，不仅会增加风的内摩擦及涡流，还会降低导风板的导向功能，因而导风板的间距要适当外，也可以像图1那种导风板配置方式。实际上间距大小与导风板宽度和导风板与半径方向交角三者必须综合考虑，首先保证能在中空多边形柱体内产生单向旋转气流，其次是尽可能减少对风形成的阻力，再次为尽可能节省材料和保证结构的强度和刚度。由于某些原因会造成导风板间距和宽度不同以及交角也有差异。如果某些地区偶尔有强风等会损坏叶轮的天气，则需考虑部份导风板间风道能予以关闭。至于导风板围成的中空多边形柱体顶部多边形和底部多边形可以相同，也可以不同。中空多边形柱体两端可以是封闭的，能避免外界气流从端部来干扰旋转气流，但也可以是不封闭。导风板型风能装置可以单独安装使用，也可以多个叠加在一起，装在塔形建筑内。至于导风板外周形状，一般为圆柱形，但是如果建造在别的建筑物上，为协调其外形，则外周可以是方形、长方形、椭圆形或其它形状。导风板本身的形状可以平面或曲面或平面与曲面的结合，比较理想的是横截面做成流线形，既可减少风阻，也可减少噪声，但造价稍贵，要由设计者决定。
在中空多边形柱体的进风区域的旋转气流推动下，需要一定数量的叶片，但是每片叶片在旋转过程中都会受到空气阻力，因此叶片数量要适当，图中仅画了六片叶片，实际装置中的叶片数量要视设计而定。
本发明导风板型风能装置结构多样，科学合理，结构紧凑，风能利用率高，安全可靠，制造，安装，维护保养都很方便，如将发电机与叶轮轮轴相连结，以电能形式向外界输出电力，可适合多种场合使用。
本发明导风板型风能装置可以建造在偏僻地区、山区、海岛上用来发电，省却漫长的输变电设备。如在灯塔中结合塔身结构建造，可终年供给灯塔所需之能源。如果在城市高楼顶部建造，可确保本楼部份电源，如果有足够的装机容量，可解决本楼全部电源，不受外界电网影响。结合巨型风力发电机建造在其塔身内，更能提高其发电总量。
权利要求
1.一种导风板型风能装置，有一个竖立的可以旋转的叶轮，其特征在于由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成的中空多边形柱体将叶轮围在中间。
2.根据权利要求1所述的导风板型风能装置，各导风板近叶轮运动圆周端与此圆周的距离可以是不相同的。
3.根据权利要求2所述的导风板型风能装置，导风板可按照其与叶轮运动圆周端不同距离的而相间隔排列。
4.根据权利要求1所述的导风板型风能装置，结合导风板与半径方向有适当交角的设计，相邻两片导风板的间距也要适当和导风板的宽度也要相应适当，使之三者综合考虑，能使任何风向的风力能直接的或经导风板导向后沿设计的交角方向进入中空多边形柱体内，使之转变成单向旋转气流，而其它方向的风不能直接吹入中空多边形柱体内。
5.根据权利要求1所述的导风板型风能装置，其中空多边形柱体上端多边形大小与下端多边形大小可以是相同的，也可以是不同的。
6.一种导风板型风能装置，有一个竖立的可以旋转的叶轮，其特征在于由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板设置在叶轮受风那侧的侧面。
7.根据权利要求6所述的导风板型风能装置，导风板可以设置在旋转叶轮的一个受风侧面。
8.根据权利要求6所述的导风板型风能装置，导风板可以设置在旋转叶轮左右轮流受风的左右两个受风侧面。
全文摘要
本发明导风板型风能装置，属于一种风能利用设备，由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成的中空多边形柱体和多边形柱体内有一可转动的叶轮所组成，其特点为任何风向的风力，经导风板作用后，将原本吹向叶轮两侧等量的天然风转变成在中空多边形柱体内的单向旋转气流，驱动叶轮，输出电能，导风板能够吸纳比原吹向叶轮时的更多风能，并具有结构多样，风能利用率高，安全可靠，建造方便，维护保养方便，适合于在各种类型的地区及不同场合中建造和使用，建造于城市高楼顶部，可解决楼内部分或全部用电，不受外界电网影响，用于偏僻的山区、海岛、乡村等，省却漫长的输变电设施。
文档编号F03D9/00GK1815013SQ20051002379
公开日2006年8月9日 申请日期2005年2月3日 优先权日2005年2月3日
发明者柳和圭 申请人:柳和圭