浮力型风力机风轮或叶片和形成所述风轮或叶片的方法与流程

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：

从发改委、能源局网站获悉，两部委联合下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，其中指出，重点开展10mw级及以上风电机组，以及100米级及以上风电叶片等方面研发与攻关。2020年目标。形成200~300米高空风力发电成套技术。掌握自主知识产权的10mw级以下大型风电机组及关键部件的设计制造技术，形成国际竞争力;突破近海风电场设计和建设成套关键技术，形成海上风电工程技术标准。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了开发10mw级及以上风电机组，以及100米级及以上风电叶片，形成200~300米高空风力发电成套技术，以及特别适用于海上风力发电的关键技术。

本发明的目的是为了提供一种浮力型风力机风轮或叶片，当所述风轮或叶片，旋转到上半圈时位置时，轮或叶片与轴之间的距离增长；当所述风轮或叶片，旋转到下半圈时位置时，使风轮或叶片与轴之间的距离缩短；这样就可以使得在利用高空200-300米风能资源时，塔杆不用增高，还可以提高效率。

风力机通常包括具有至少一个转子叶片和联轴器的转子以及机舱，所述联轴器在水平轴风力机中也叫做轮毂；在垂直轴风机中也可以叶片通过连杆直接和轴相连。

本发明提供了一种浮力型风力机风轮或叶片，所述浮力型风力机风轮或叶片，包括风轮或叶片壳体，其特征是，在所述风轮或叶片壳体的内部或外部，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稀薄气体；所述稀薄气体，是用真空泵抽出一部分空气，是密度小于空气的空气；在所述风轮或叶片的内部或外部，安装有滑动连杆；所述滑动连杆与轴或联轴器相连接；所述密闭空间装置产生向上的浮力；所述浮力大于风轮或叶片和滑动连杆及密闭空间装置的总重量以及叶片旋转到下半圈时所产生的离心力之和，当所述风轮或叶片，旋转到下半圈时位置时，风轮或叶片在浮力的作用下，通过滑动连杆向上位移，使风轮或叶片与轴之间的距离自动缩短或叶片长度自动缩短；当所述风轮或叶片，旋转到上半圈时位置时，风轮或叶片在浮力的作用下，通过滑动连杆向上位移，使风轮或叶片与轴之间的距离自动增长或叶片长度自动增长。

优选的，所述滑动连杆可以是一根连杆，可以与轴或联轴器产生相对位移。在所述滑动连杆与轴或联轴器之间，安装有控制位移装置，当叶片增长或收缩到设计位置时，可以自动固定。

优选的，所述滑动连杆可以分为两部分，采用套筒式结构，下部分固定在轴或联轴器上，上部分可以与下部分自由伸缩；上部分与叶片相连；在两部分连杆内，安装有控制位移装置，当叶片增长或收缩到设计位置时，可以自动固定。

本发明中，当风轮或叶片转动到低于轴的位置，为下半圈位置；当风轮或叶片转动到高于轴的位置，为上半圈位置。

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。

所述风轮或叶片壳体可以采用任意材料，包括柔性材料或硬质材料。

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。

在风轮或叶片的外部使用密闭空间装置时，所述密闭空间装置可以使用双层结构，壳体使用硬质材料，内层使用软性材料。

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。也在本发明保护范围之内。当然，这种方法存在一定的缺陷，不是最好的选择。所述密闭空间装置就是密封后气体不再外泄。

由于所述风轮或叶片采用了密闭空间装置和滑动连杆，所受浮力大于总重量，只有在密闭空间装置体积十分巨大时才有实际意义，因此，所述风轮或叶片的长度与横截面积，越大越好，尤其适用于100米以上长度的风机叶片和/或风轮或叶片的横截面积大于100平方米以上的升力型垂直轴叶片，及10兆瓦以上大型机组使用，由于总重量很轻，因此，也尤其适用于开发200-300米以上风能资源以及海上风力发电。

优选的，所述风轮或叶片，壳体采用硬质材料。例如玻璃钢或合金材料。所述密闭空间装置采用软性材料。例如橡胶类膜材料或塑料类膜材料。

一种形成浮力型风力机风轮或叶片的方法，包括风轮或叶片壳体，其特征是，在所述风轮或叶片壳体的内部或外部，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稀薄气体；所述稀薄气体，是用真空泵抽出一部分空气，是密度小于空气的空气；在所述风轮或叶片的内部或外部，安装有滑动连杆；所述滑动连杆与轴或联轴器相连接；所述密闭空间装置产生向上的浮力；所述浮力大于风轮或叶片和滑动连杆及密闭空间装置的总重量以及叶片旋转到下半圈时所产生的离心力之和，当所述风轮或叶片，旋转到下半圈时位置时，风轮或叶片在浮力的作用下，通过滑动连杆向上位移，使风轮或叶片与轴之间的距离自动缩短或叶片长度自动缩短；当所述风轮或叶片，旋转到上半圈时位置时，风轮或叶片在浮力的作用下，通过滑动连杆向上位移，使风轮或叶片与轴之间的距离自动增长或叶片长度自动增长。

所述风轮或叶片的壳体采用硬质材料，所述密闭空间装置采用软性材料。

本发明的有益效果是：

本发明通过有效利用风轮或叶片浮力大于风轮或叶片及滑动连杆的总重量的特性，使得当风轮或叶片旋转到上半圈时位置时，风轮或叶片与轴之间的距离自动增长；旋转到下半圈时位置时，使风轮或叶片与轴之间的距离自动缩短；这样就可以使得在利用高空200-300米风能资源时，塔杆不用增高，还可以提高效率。

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是本发明所述另一水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；

图3是本发明所述垂直轴风机风轮水平安装结构原理左视图示意图；

图4是本发明所述垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；

图5是本发明所述另一垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；

图6是本发明所述垂直轴风机风轮倾斜安装结构原理正视图示意图；

图7是本发明所述滑动连杆上部与滑动连杆下部内部结构示意图

图8是本发明所述再一垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；

附图标志

1风机叶片2密闭空间装置3滑动连杆上部4滑动连杆下部5风力机塔杆

6风轮轴7单滑动连杆8发电机系统9支撑塔座10定位块11对风装置12正向风13逆向风14垂直轴方向15斜轴与垂直轴方向的夹角

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图2所示，图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；图2是本发明所述另一水平轴风机风轮结构原理主视图示意图；在叶片壳体1的根部外面安装有一个或多个密闭空间装置2，所述密闭空间装置2是充满氦气与氢气或氮气与氢气混合体的密闭装置，在叶片壳体1的根部，安装有滑动连杆上部3，滑动连杆上部3与滑动连杆下部4连接，滑动连杆上部3与滑动连杆下部4为套筒式结构，滑动连杆上部3可以在滑动连杆下部4内自由伸缩；如图2所示，当叶片旋转到下半圈位置时，由于密闭空间装置2产生的浮力大于叶片与连杆及密闭空间装置2的总重量以及叶片向下的离心力之和，且浮力的方向总是向上的，因此，可以产生沿滑动连杆方向向上或倾斜向上的分力，因此，可以推动连杆3向上移动，收缩到连杆4内部，使整个风叶的长度缩短；当叶片旋转到上半圈位置时，由于密闭空间装置2产生的浮力大于叶片与连杆及密闭空间装置2的总重量之和，且浮力的方向总是向上的，因此，可以产生沿滑动连杆方向一个向上或倾斜向上的分力，因此，可以带动连杆3向上移动，连杆3可以从连杆4内部自动伸出，使整个风叶的长度增长；由于高度越高，风能密度越大，因此，本发明可以在不加长风机塔杆的情况下，更多的利用高空风能，提高发电效率。

实施例二：

如图3、图4所示，图3是本发明所述垂直轴风机风轮或叶片水平安装结构原理左视图示意图；图3所示是将垂直轴风机的风轮或叶片以及轴及发电机系统水平安装使用；图3为5个叶片垂直轴风机示意图；图4是本发明所述垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；为了作图简单清楚，在图4中，将叶片简化为2个叶片，原理与5个叶片风机相同；由于俯视图为公知常识，省略。

在叶片壳体1的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是充满氦气与氢气或氮气与氢气混合体的密闭装置，叶片壳体1上安装有滑动连杆上部3，滑动连杆上部3与滑动连杆下部4连接，滑动连杆上部3与滑动连杆下部4为套筒式结构，滑动连杆上部3可以在滑动连杆下部4内自由伸缩；如图3所示，当叶片旋转到下半圈位置时，由于密闭空间装置2产生的浮力大于叶片与连杆及密闭空间装置2的总重量以及叶片向下的离心力之和，且浮力的方向总是向上的，因此，可以产生沿滑动连杆方向向上或倾斜向上的分力，因此，可以推动连杆3向上移动，收缩到连杆4内部，使整个滑动连杆的长度缩短；当叶片旋转到上半圈位置时，可以产生沿滑动连杆方向一个向上或倾斜向上的分力，因此，可以带动连杆3向上移动，连杆3可以从连杆4内部自动伸出，使整个滑动连杆的长度增长；所述连杆4安装在轴或联轴器上。

由于垂直轴风机没有对风装置，而当垂直轴风机水平安装使用时，需要有对风装置；所述对风装置安装在塔杆或支撑装置上；对于垂直轴风机来说，有正向风和逆向风的区别，所述正向风就是推动风轮做正功的风；所述逆向风，就是对风机发电做功起阻碍作用的风；所述对风装置，包括控制装置和支撑装置；其特征是，可以控制风轮或叶片和/或发电机系统绕以塔杆或垂直轴方向为轴心旋转，并使所述风轮的上半圈始终面对正向风，从而产生最大的功率输出；所述控制器包括风速仪、风向仪、传感器以及控制器；风速仪和风向仪接收风力的方向及大小，通过传感器将信号传递给控制器，控制器通过支撑装置控制风轮和/或发电机系统绕塔杆5旋转并固定在设定位置，如图3所示，所述设定位置是正向风12始终对准上半圈风叶的位置。如此，可以大大提高风能利用效率。

实施例三：

如图5所示，图5是本发明所述另一垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；

左视图和俯视图为公知常识，省略。本实施例中，在风轮轴6或联轴器上设置有圆孔，单滑动连杆7穿过圆孔，所述滑动连杆7的上、下两端分别安装叶片；滑动连杆7可以在圆孔内自由移动；叶片壳体1的内部安装有一个或多个密闭空间装置2，当叶片旋转到下半圈位置时，由于浮力的作用，可以产生沿滑动连杆方向向上或倾斜向上的分力，因此，可以推动连杆7向上移动，使整个滑动连杆在下半圈的长度缩短，上半圈的滑动连杆增长；同理，当上半圈的叶片再次旋转到下半圈是，由于浮力的作用，可以产生沿滑动连杆方向向上或倾斜向上的分力，因此，可以推动连杆7再次向上移动，使整个滑动连杆在下半圈的长度缩短；如此循环往复；同时，对风装置将风轮的上半圈始终面对正向风12的位置，如此，可以大大的提高发电效率。为简化作图，图5只画出了两个叶片，实际应用当中，可以利用多个叶片，均在本发明保护范围之内。

实施例四：

如图6所示，图6是本发明所述垂直轴风机风轮倾斜安装结构原理正视图示意图；左视图和俯视图为公知常识，省略。本实施例是将公知垂直轴风机倾斜安装，安装轴斜轴6与原垂直轴方向14有一夹角15，所述夹角15大于零或小于零，也就是说，夹角15不等于零；优选的，所述夹角15在30度—75度之间。倾斜安装的优势在于，既可以利用叶片浮力倾斜向上的分力，带动叶片1和连杆7向斜上方移动，又可以适当降低塔架的高度，甚至可以将发电机组安装在地面；所述对风装置也易于安装，可以大幅度降低成本。工作原理与实施例二或三相同。

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7所示，图7是本发明所述滑动连杆上部与滑动连杆下部内部结构示意图；在所述滑动连杆上部3与滑动连杆下部4之间，安装有定位块10，所述定位块10的作用是，当滑动连杆上部3与滑动连杆下部4移动到设定位置时，可以自动锁定。

实施例六：

如图8所示，图8是本发明所述再一垂直轴风机风轮水平安装结构原理正视图示意图；左视图和俯视图为公知常识，省略。本实施例中，在风机塔杆的两侧，对称水平安装两组垂直轴风轮或叶片；在塔杆5上安装有对风装置11；如此安装的优势在于对风装置所受的阻力比较平衡；工作原理与实施例二或三相同。