新型风机风轮或叶片及利用此风轮或叶片的风力发电机的制作方法

本发明属于风能利用技术领域，尤其是适用于风力机械及风力发电技术领域。

背景技术：

目前水平轴螺旋桨式风力机的技术现在已经十分成熟，积累了大量的经验，研究得十分细致。世界上并不是每一种东西都是越大越好，但是风力发电机却是个例外，风力发电机单机功率越大，其单位发电的成本就越低，因此，世界上许多著名的风机企业，都在不遗余力的进行大型机或超大型机的研制与开发，据互联网资料显示，目前，v164维斯塔斯是世界上最大和最强大的风力涡轮发电机。高131米，直径177米，可以产生产生8兆瓦的电力。这台风力发电机将用于近海，它的每个叶片的翼展为80米，比波音747还长。然而，随着风轮叶片尺寸、重量的不断增大，其给风机设计及工程上带来极大的难度，如果在大型叶片设计和生产时不考虑减重问题，那么所带来的原材料消耗和生产周期的增加将是难以接受的。而且重型叶片在安装后也会给风机轴承部件带来巨大的负重压力。更重要的是，增加的重量还会在风机运转中提升设备的疲劳度，缩短叶片寿命，增加风机塔筒的扭曲力矩。降低叶片重量的方法之一是在复合材料铺层中采用更多的碳纤维，但这样会导致材料成本大幅增加。以目前的技术和方法，如果没有新的技术或方法的突破，风力发电的大型化，正在非常接近发展的极限。因此，找到一种新的能有效降低风轮或叶片重量的技术或方法，是十分迫切的需求。

所述风机风轮或叶片，是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电的装置。一般的风机叶片，主要包括壳体以及内部支撑体，在叶片的内部，还有肋板以及轻木或泡沫材料填充物作为支撑体。如图13所示。

水平轴风叶的连接部是其根部，根部通过金属接头用螺栓与轮毂相连，与其它风叶一起组成风轮。

公知的水平轴风力发电机，其风轮一般由2-3个叶片组成。垂直轴风机则不同，其风轮可以是由几个叶片组合而成，也可以是独立的圆筒状或椭球状或锥筒状或半椭球状等各种形状单独构成风轮；叶片可以有阻力型或升力型等不同形状，其叶片与其他部件连接的连接部可以在叶片的上下两端或中部。

本发明中，我们将叶片与其他部件连接的连接部称为连接部。连接部也可以是壳体的一部分。

本发明中，我们将由叶片组成的风轮或圆筒状或椭球状或锥筒状或半椭球状或半球状等各种风轮的外部结构统称为风轮壳体。将风轮与其他部件连接的连接部位称为连接部。连接部也可以是壳体的一部分。

本发明中，我们可以把风轮或叶片理解为同一装置，凡是将风的动能转换为机械能并带动发电机发电的装置统称为风轮或叶片。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种新型风机风轮或叶片及技术方案，可以有效地降低风轮或叶片的向下的重力或重量，甚至可以使重量或重力为零或为负，也即风轮可以产生向上的升力。目的是为了设计并制造出10-100兆瓦及以上的超大型风力发电机。

本发明的目的和作用之一是，提供一种很轻甚至为零或为负的风轮或叶片。

本发明的另一目的和作用是，提供一种风轮或叶片的内部支撑体，可以有效地降低内部支撑体的重力或重量，甚至可以替代现有的支撑体。

本发明的目的和作用还有，可以使风轮或叶片在运转的过程中，降低其自身的颤动或震动，减少能量损失，提高设备的使用寿命。

本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种利用本发明所述风机风轮或叶片及技术方案的风力发电机。

一种新型风机风轮或叶片，包括风轮或叶片的壳体，其特征是，在所述风轮或叶片上或在所述风轮或叶片的内部，安装或设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是真空状态。

所述密度小于空气的气体，是指所有相对分子量小于29的气体的密度,都小于空气的密度，例如,氢气、氦气、氖气、氮气、一氧化碳、甲烷,氟化氢、乙炔等。

优选的，所述密闭空间装置内盛有氢气或氦气或氖气或氮气或所述气体的任意比例混合体。

最优选的是使用氦气。但为了降低成本，也可以使用氢气和氮气或氢气和氦气的混合气体，这样既可以克服单独使用氢气容易引爆的缺点，还可以降低成本，也可以达到我们的使用目的。

所述密闭空间装置可以采用任意材料，包括软性材料或硬质材料。

当所述密闭空间装置采用软性材料时，例如，采用橡胶类膜材料或塑料类膜材料时，须在其内部充入密度小于空气的气体，例如氦气或氢气与氮气的混合体；橡胶类膜材料或塑料类膜材料体积便会膨胀，然后密封。所述密闭空间装置在空气中产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消风轮或叶片向下的重力，从而降低风轮或叶片的重量，当所述密闭空间装置体积足够大时，其所产生的浮力大于风轮或叶片向下的重力时，所述风轮或叶片的重量即为零或负值。

当所述密闭空间装置采用硬质材料时，其有两种选择，即可以采用在其内部充入密度小于空气的气体产生浮力，也可以将其内部空间内的空气抽出，形成稀薄气体，也即在其内部形成真空状态，也可以产生向上的浮力，所述浮力就会抵消或部分抵消风轮或叶片向下的重力，从而降低风轮或叶片的重量。

当所述密闭空间装置内的气体压力足够大时，其完全可以替代或部分替代风轮或叶片内部的支撑体，从而减少支撑体材料，降低风轮或叶片本身的重量。

我们通过大量的计算及模拟实验得出结论，当密闭空间装置内的气体压力大于1.5—2个大气压时，其完全可以替代或部分替代风轮或叶片内部的支撑体。

当所述密闭空间装置采用软性材料时，由于其可以和风轮或叶片的内部更紧密的贴合，当其充满压力时，可以紧密的贴合在风轮或叶片的内壁上且对内壁形成非常均匀的压力，因此，可以使风轮或叶片在运转时减小颤动或震动，可以减少能量损失，提高发电效率并同时提高设备的使用寿命。

所述密闭空间装置也可以是风轮或叶片壳体本身，在所述壳体内部，设置好一定的区域，充满密度小于空气的气体，然后密封。当然，这种方法存在一定的缺陷，不是最好的选择。

一种新型风力发电机，包括风轮或叶片、发电机系统，其特征是，在所述风轮或叶片上或在所述风轮或叶片的内部，设置有密闭空间装置；在所述密闭空间装置内盛有密度小于空气的气体，或在所述密闭空间装置内是真空状态。

本发明中，将公知风力发电机系统分为两部分，其一是风轮或叶片，另一部分统称为发电机系统，不做一一细分，其工作过程为由风轮或叶片将风的动能转换为机械能并带动发电机系统发电。

本发明的有益效果是：

本发明通过有效降低风轮或叶片的重量，可以开发出10兆瓦以上超大型风力发电机，大大的提高了风力发电的效率，降低发电成本。可以使风轮或叶片在运转的过程中，降低其自身的颤动或震动，减少能量损失，提高设备的使用寿命。

四、附图说明：

图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；

图2是本发明所述水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；

图3是本发明所述水平轴风机风轮结构原理左视图示意图；

图4是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理主视图示意图；

图5是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理主视图示意图；

图6是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理俯视图示意图；

图7是本发明所述垂直轴风机升力型叶片结构原理主视图示意图；

图8是本发明所述垂直轴风机升力型叶片结构原理俯视图示意图；

图9是本发明所述垂直轴风力发电机结构原理示意图；

图10是本发明所述垂直轴风力发电机另一结构原理示意图；

图11是本发明所述垂直轴风力发电机再一结构原理示意图；

图12是本发明所述垂直轴风力发电机再一结构原理示意图；

图13是本发明所述水平轴风机叶片内部结构原理剖视图示意图；

图14是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理左视图示意图；

附图标志

1风机叶片2密闭空间装置3风机叶片4风机叶片5发电机系统6风机叶片7支撑系统8风机叶片9内部填充物10桶状风轮外壳11椭球状风轮外壳12肋板

五、具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一：

如图1所示，图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；叶片壳体1内部安装有一个或多个密闭空间装置2，所述密闭空间装置2是充满氦气的橡胶密封袋2或塑料密封袋2，其可以替代或部分替代原有的内部填充物如轻木或泡沫材料或肋板。当叶片运转时，橡胶密封袋2或塑料密封袋2在叶片壳体1内产生向上的浮力，托举住叶片壳体1内壁，可以抵消一部分叶片的重力，降低叶片的总体重量，降低运动中产生的震动，提高发电效率。

实施例二：

如图2、图3所示，图2是本发明所述水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；图3是本发明所述水平轴风机风轮结构原理左视图示意图；所述风轮是由2个或3个叶片连接构成，所述叶片可以是普通叶片，也可以是本发明所述叶片；在叶片的连接部位或风机的整流罩外部，设置一半球形或半椭球形密闭空间装置2；所述密闭空间装置2是由外层使用玻璃钢材料或合金材料，内层使用充满氦气或氢气与氦气混合气体的橡胶密封袋2或塑料密封袋2。当风轮运转时，密闭空间装置2产生向上的浮力，托举住风轮，可以抵消全部或一部分风轮的重力，降低叶片的总体重量，降低运动中产生的震动，提高发电效率。

实施例三：

如图4所示，图4是本发明所述水平轴风机风轮另一结构原理主视图示意图；所述风轮是由3个或多个叶片连接构成，所述叶片可以是普通叶片，也可以使本发明所述叶片；在3个叶片之间，设置一环状密闭空间装置2，所述密闭空间装置2是由外层使用玻璃钢材料或合金材料，内层使用充满氦气的橡胶密封袋2或塑料密封袋2。当风轮运转时，密闭空间装置2产生向上的浮力，托举住风轮，可以抵消全部或一部分风轮的重力，降低叶片的总体重量，由于环状密闭空间装置2产生的浮力可以托举住叶片的中部，因此，可以降低运动中叶片本身产生的震动，提高发电效率。

上述三个实施例是本发明用在水平轴风力发电机上的作用，由于水平轴风力发电机存在的天然缺点是发电机系统必须设置在塔架顶部，而塔架难于无限提高，因此，风轮难于无限增大，即使使用上本发明，也只能提高一部分整体效能，若发展超大型风力发电机，还需进一步解决这一问题。而本发明用在垂直轴风力发电机上，与用在水平轴风力发电机上有着本质的区别，可以产生巨大的优势；由于垂直轴风力发电机可以将发电机系统安装在地面或底部，甚至可以不使用塔架，而通过使用本发明，由于风轮或叶片的重量可以很轻，甚至是零或负重量，因此，理论上垂直轴风力发电机风轮或叶片可以无限向上延伸，而且，体积越大，密闭空间装置2向上产生的浮力也越大，效果越好。因此当体积足够大时，发展10兆瓦或100兆瓦甚至更大机型的风力发电机是非常可行的，而单机功率越大，单位发电成本就会更低，甚至可以使度电成本降至0.1元以下。

实施例四：

如图5、图6、图14所示，图5是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理主视图示意图；图6是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理俯视图示意图；图14是本发明所述垂直轴风机风轮结构原理左视图示意图；所述风轮由桶状风轮外壳10、在桶状风轮外壳10的外缘安装有阻力型叶片外壳1、3组成，外壳使用玻璃钢材料或合金材料；其内部安装有一个或多个密闭空间装置2，所述密闭空间装置2是充满氦气或氢气与氦气混合体的橡胶密封袋2或塑料密封袋2，替代或部分替代部分原有的内部填充物如轻木或泡沫材料或肋板。当风轮运转时，橡胶密封袋2或塑料密封袋2在风轮或叶片壳体内产生向上的浮力，托举住壳体内壁，可以抵消或部分抵消风轮或叶片的重力，降低叶片的总体重量，降低运动中产生的震动，提高发电效率。

经大量的模拟实验及理论计算，若使用玻璃钢材料或吕合金材料，当风轮或叶片的横截面积大于100平方米时，其产生的浮力，就可以完全抵消其自身的重力，因此，就可以达到零重量或负重量风轮或叶片。

本发明所述述密闭空间装置2其作用可以替代风轮内部的支撑装置，但在许多情况下，只是部分替代，在风轮或叶片的内部，也还需要用到普通的支撑装置的。

实施例五：

如图11所示，本实施例与实施例四主体相同，其不同之处只是将实施例四中桶状风轮外壳10替换为椭球状风轮外壳11，其他完全相同。风轮10或风轮外壳11可以采用任意材料，可以使玻璃钢、铝合金材料，也可以采用橡胶、塑料或热气球用的纺织纤维材料。

实施例六：

如图7、图8、图9所示，图7是本发明所述垂直轴风机升力型叶片结构原理主视图示意图；图8是本发明所述垂直轴风机升力型叶片结构原理俯视图示意图；图9是本发明所述垂直轴风力发电机结构原理示意图；叶片壳体1、3内部安装有一个或多个密闭空间装置2，所述密闭空间装置2是充满氦气或氢气与氮气或氢气与氦气的混合体的橡胶密封袋2或塑料密封袋2，替代或部分替代原有的内部填充物如轻木或泡沫材料或肋板。当叶片运转时，橡胶密封袋2或塑料密封袋2在叶片壳体1、3内产生向上的浮力，托举住叶片壳体1、3内壁，可以抵消一部分叶片的重力，降低叶片的总体重量，降低运动中产生的震动，带动发电机发电，提高发电效率。

实施例七：

如图10、图12所示，图10是本发明所述垂直轴风力发电机另一结构原理示意图；图12是本发明所述垂直轴风力发电机再一结构原理示意图；

本实施例为组合型垂直轴风力发电机，风轮分为上、下两部分，下面风轮采用实施例四或实施例五所述的阻力型垂直轴风力发电机系统，所述风轮由桶状风轮外壳10或椭球状风轮外壳11、在桶状风轮外壳10或椭球状风轮外壳11的外缘安装有阻力型叶片外壳1、3组成，

通过支撑系统7连接实施例六所述升力型风轮，达到组合的目的。其目的之一是，下面的风轮可以替代塔架的作用，可以省去了塔架，大大降低了投资成本；另外，当风力小时，阻力型风轮启动效果远高于升力型，而升力型发电效率在正常风速区间，远高于阻力型；因此，由阻力型负责启动；当风力过大时，由于阻力型风轮边缘最高线速度不大于风速，因此，阻力型风轮又可以起到刹车的作用，因此，只要升力型和阻力型风轮大小设计合理，就可以使输出功率在一个很稳定的区间，即使超强台风也不用停机。

在所述支撑系统7上或内部，也可以安装有密闭空间装置2。所述支撑系统7也可以是阻力型或升力型风机叶片。

为了最有效的降低成本，本实施例的组合型风轮还可以采用上面的升力型风轮叶片采用普通公知升力型风轮叶片；下面的阻力型风轮叶片采用本发明所述安装有密闭空间装置的风轮或叶片；如此组合的优势是，上面的风轮体积小、灵活性高，下面的风轮体积大，产生的浮力足以抵消包括上面风轮的全部重量。

所述密闭空间装置就是密封后气体不再外泄。