水平轴一轴多级风车和扇门式自动回位型立轴风水车技术简介

　　一、水平轴一轴多级风车简介—
　　技术原理及背景：
　　本实用新型专利——水平轴一轴多级风车，是在传统的一轴单级风车的基础上改进设计而成的。主要克服传统的单级水平轴风车的三大缺点：风轮直径和所占空间面积大而风能利用率低；因风轮机抗拒大风能力差，而不能利用较高速风能；单纯从增加风轮直径即增加叶片长度来提高风轮机的功率，是片面的、不完美的技术方案，并且造成了生产和应用上的技术难题, 使投资建设和经济效益矛盾突出。其次，在结构设计上，本专利提出了多种设计方案，涵盖了水平轴一轴多级结构的全部优越类型，克服了传统的单级水平轴风车“一轴一级”的单一结构，开辟了水平轴风车结构多样性的新技术空间，为风车生产和应用的多样化、系列化、多用途设计提供了理论基础。
　　以上只是简单从表现形式上认识水平轴多级风车对于传统的单级风车的优越性和特殊性。要真正认识水平轴多级风车的优越性和特殊性，还必须从技术原理和理论本质上去认识。扼要表述如下：
　　（本人农民身份，学识浅陋，人微言轻，不敢妄谈理论问题，但为了说明问题，表明本意，不得不把个人的理解和认识献丑于众，错误之处，请专家明示）任何表现形式的能量，都是存在于一定的空间内的。风能也不例外，风能存在于风流所经过的空间内。大海量的风能存在于强大的风流所经过的广大空间，并且在这些广大空间的每一处即每一个小的空间内都存在着风能。我们安装的风电机组和风电场，就是采收其所处空间内的风能。传统的水平轴单级风车，是不能充分合理的采收其所处空间内的风能的，他所采收的只是其所处空间的一维界面的风能（界面是我提出的一个术语，意即风机把风能转化成机械能的发生面，如风和风机叶片的接触作用面，也指风轮的扫风面），而其所处大部分空间的风能是没有被采收的，这种传统的水平轴单级风车的采风方式，我称之为“界面采风”。要提高水平轴单级风车的采风功率，就只是一个法的加长风机叶片，扩大扫风面积，而实际上是对空间的更大浪费。另一方面，在理论概念上，我们现在所使用的计算风机采风功率的计算公式p=1/2* ρ*π*r2*v3，只能用在水平轴单级风车的计算上，而不能直接简单地用在水平轴一轴多级风车的计算上。p=1/2*ρ*π*r2*v3在风机上的应用概念是这样的：1. 这一公式没有完整的空间概念（公式中的空气密度和风速的3次方v3也只具有单位空间概念），只有界面概念，即风流所影响的作用面。因此，运用这一公式的计算数据，可以鉴定风机叶片采风性能的优劣，但不能计算整台风机的采风功率和采风效率。2. 如1 所述 ，因这一公式没有完整的空间概念，只有界面概念，所以用这一公式计算风机的运行数据，只能表示风机界面的工作性能和标准，不能表示风机在其所处空间内的风能利用效率和功率。因为风能利用效率应以风机所占全部空间为基本单位，计算风机的功率，对于水平轴多级风车来说，应该是整架风车多级功率的总和，而不能以一个采风界面的功率为标准。但是，在传统的观念里，人们把这一公式用作风机采风功率和采风效率的计算，虽然用这种算法是错误的，但对水平轴单级风车来说，似乎也接近正确。因为水平轴单级风车只有迎风面的一级风轮，没有明显的轴向扩展的空间采风结构，空间采风的概念和表现很不明显，从而明显突出了界面采风的形式，一台风电机组的采风功率、采风效率和叶片的采风性能等多种数据概念都集中通过唯一的一级风轮的运行数据表现出来，这样，就把本来应该区别的不同数据概念变得混为一谈，从而，又局限和掩盖了我们对于空间概念的思维。事实上，一台水平轴单级风车所占具的不仅是风轮直径的 扫风界面，还有以风轮直径为准的360°的风能存在空间。3. 因此，我们要突破传统的水平轴单级风车技术和理论观念给我们带来的 认识局限，建立“空间-界面”采风的风机设计理念，克服传统单级风车不能合理利用空间风能的缺陷，设计出效率更好功率更大的风机来。“空间-界面”的风机采风理念，是同风能存在于空间的事实规律相一致的，离开了空间和界面，就不能形成采风机制（水平轴单级风车的界面采风，其实也离不开空间，如弦长、叶片长、和倾角就构成了采风空间，只是其没有充分利用空间）。风能转化成机械能必须满足两个条件：一是风能转化成机械能是在风机所具有的特定空间内完成的；二是特定的风机空间内设置了特定的风能转化界面（如叶片、风板等），风能转化成机械能是通过风机内的特定界面完成的。运用“空间-界面”的设计理念，在空间概念上，我们要把握风机在空间结构设计上的合理性，充分利用风机所占空间；在界面概念上，要着重研究风流作用于风机叶片上的规律和效应，在这样的理念指导下，我们就可比较容易地设计出性能优越于传统的水平轴单级风车风机来。退一步说，就是设计制造水平轴单级风车，只要合理运用“空间-界面”的设计原理，突破界面概念，引入空间概念，也能使风机在扫风面积上的采风效率超过59％的标准。
　　综上所述，水平轴一轴多级风车就是在这样的原理及背景下设计而成的，其技术特点和贡献就是突出了在风机设计上被人们忽视和麻痹了的空间采风的概念。
　　技术的创造性构成方案与先进性：
　　1.  本实用新型风车是在同一水平旋转轴上，安装至少二级以上的风轮组合。
　　2.  每一级所安装的风叶数至少是3个风叶以上，每一级的 风叶数可以是相等的，也可以设计成从上风向的第一级3个风叶组合起，至下风向各级风叶组合数逐渐递增的结构形式。
　　3.  本实用新型风车，可以是上风向结构或下风向结构，也可以 是上风向和下风向混合结构。
　　4.  本实用新型风车，可以是圆柱形结构，也可以从上风向开始，至下风向各级风轮的直径逐渐递增的圆梯度结构。
　　5.  本实用新型风车，在设计安装上，可以是顺时针旋转，也可以 是 逆时针旋转。
根据本实用新型风车以上所包含的技术措施，本实用新型风车具有五项优越功能：
　　1.  同传统的单级风车相比，以单机（一台风车）的功效进行考评，在 风轮采风面积相等的条件下，本实用新型风车，可以大量提高单机风车的采风功率。
　　2.  因此，本实用新型风车能产生多项优越的经济指标。如在空间面积相等的条件下，同单级风车相比，可以提高采风功率，产生多的经济效益；在获得相等采风功率的条件下，同单级风车相比，可以节约空间面积和投资成本；在相同投资成本的条件下，同单级风车相比，可以得到大的采风功率，并显著节约空间面积。
　　3.  本实用新型风车因其一轴多级，在采风运行中，有功率大、运行平稳的优势。
　　4.  传统的水平轴单级风车，提高单机功率的主要途径，只能是增大风轮直径，给生产和技术上带来难题，使单机大功率开发受到限制。本实用新型风车从多级结构上解决了这一问题。
　　5.  传统的水平轴单级风车，由于风轮直径大、风叶长，因此抗拒大风能力差，常有大风停机现象。风速利用范围窄，尤其是不能利用较高速风能，是一大缺陷。本实用新型风车可以相对改善这些缺陷。
　　技术的市场及产业化前景：
　　该专利项目在技术进步、经济效益、社会价值、市场及产业化前景、专利权保护管理等方面，都具有十分突出的优势。对此，简要介绍如下：
　　1.技术进步的优势。本专利水平轴一轴多级风车，是在一个风车的水平轴上，安装至少两级以上的风轮组合。原来人们公认的在风轮扫风面积上的风机采风效率最高能达到59%，而传统的一轴单级风车在风轮扫风面积上的采风效率都在59%以下。一轴多级风车，在相同的风轮扫风面积和采风空间里，随着风轮级数的增加，采风效率就会相应提高，以至可以达到一轴单级风车的10倍左右。为什么一轴单级风车和一轴多级风车在采风效率上会有这么大差距呢？因为一轴单级风车采收的是没有轴向伸展空间的近似于平面的风能，我称之为“界面采风”。而一轴多级风车采收的是沿轴向伸展的所处空间内的风能，我称之为“空间——界面”采风。虽然一轴单级和一轴多级采风的界面是相等的（即风轮扫风面积是相等的），但一轴多级由于轴向结构的扩展，充分利用了所处空间内的风能，形成了空间采收风能的优势。总之，水平轴一轴多级风车是决定风能开发事业成败的关键技术，一轴多级取代一轴单级风车是风能开发历史的必然趋势。
　　2.经济效益的优势。一轴多级风车和一轴单击风车相比，在经济效益上具有很多明显优势，主要的是：1.建设相同规模的风电场，可大量节约土地面积，减少开支；2.在相同土地面积上建厂发电，可以得到多倍的产品产出量，显著提高经济效益；3.对于风电设备制造商来说，一轴多级取代一轴单级，在保证风机发电功率不减的情况下，可以显著减少叶片长度，降低生产技术难度，降低生产成本，同时给运输、安装、维修等都带来了便利。
　　3.社会价值的优势。本专利技术所实现的价值目标是从根本上解决困扰人类生存和进步的能源危机，为人类提供安全、环保、清洁、无污染、无残留的自然能源，符合绿色、循环、可持续发展的自然生存和发展规律。追求天人合一，使人类世世代代的生存、生活和进步，融合于美好的自然之道，是人类社会永恒的价值理念。这些，正是本专利所达到的社会效果。
　　4.市场前景及产业化发展的优势。由于本专利具有前面所说的技术进步、经济效益和社会价值三个方面的优势，所以本专利极具世界性的推广价值。并且，对能源的需求是人类普遍的、每天都需要的基本需求，不管是任何国家、任何地区都需要能源，都需要本专利的技术支持。因此，本专利技术市场前景广阔，极具世界性的推广价值，极具产业持久稳定、做大做强的发展前提。
　　5.专利权保护管理的优势。在知识产权和专利权的保护管理上，经常有仿造侵权的事情，并且防不胜防，如在音像制品和医药制品等许多行业领域的仿制品，在知识产权和在专利权的保护上，是非常麻烦和困难的。而本专利技术的产品制作，需要大型复杂的设备，投资成本很大，并且，产品个体庞大，产品的作业也是在光天之下的野外作业，如果未经专利权人允许，随便偷偷仿造本专利产品是不可能的，并且一定被发现的。因此，本专利技术在专利权保护上没有大的麻烦。
扇门式自动回位型立轴风水车简介—
   　 技术原理及背景：
   　 扇门式自动回位型立轴风水车，是新能源开发领域中有效利用风能和水能的新发明机械。本发明是针对水平轴风车和各种立轴风车存在的缺陷设计而成的。传统的水平轴单级风车采收所占空间的风能效率很低，就是本人发明的效率很高的水平轴多级风车，也存在着水平轴风车不可克服的属性缺陷，如风机制造和安装工程的精度高、难度大；动力输出点不固定，并且在高高的水平轴上，除发电外，很难将动力直接用于多种生产和生活需要等。现有的立轴风车花样很多，但都存在重要缺陷，有的需风标，有的需要附加装置，总体风能利用效率都很低，生产和应用的推广价值不大。本人发明的扇门式自动回位型立轴风水车，可以有效改善和弥补上述各种机型的重大缺陷。其基本工作原理是:
　　以扇门水平宽度二分之一的垂直中心线为准，把扇门自转轴设置在少于扇门水平宽度二分之一的外径垂直线上，使扇门形成相对于中心转动立轴180°范围向内为关，向外为开的机制，扇门式自动回位型立轴风水车就具备了作业功能。根据需要，如果要风车顺时针旋转，就把扇门自转轴设在风车左半周少于扇门水平宽度二分之一的外径垂直线上，风车即顺时针旋转;反之，把扇门自转轴设置在风车右半周少于扇门水平宽度二分之一的外径垂直线上，风车即逆时针旋转。当任意方向的风流作用于风车上时，如果风车是顺时针旋转的设计，风车左边180°工作区的扇门全部自动关闭，处于迎风做功状态, 推动风车运转;风车右边180°非工作区内的扇门全部自动打开，处于避风非做工状态，减小运行阻力。随着风车的运转，左边工作区的扇门转入右边非工作区，不断自动打开，并自动调节最佳角度，由做功状态进入不做功状态；同时，右边非工作区的扇门转入左边工作区，不断自动关闭,由不做功状态进入做功状态。如此，在风力的推动下，周而复始，不停运转，实现做功功能。逆时针旋转的风车和顺时针旋转的原理和过程是一样的，因此不再重述。
　　另外，扇门式自动回位型立轴风水车采收风能的相对效率基本上是稳定的，因设计技术上的影响变化很小，不像水平轴风车那样，受设计和技术条件的影响很大，除了机械摩擦对其采风功率的影响外，其获取风能的相对效率遵循如下公式定律：
              风流速度3—扇门公转速度3
获能相对效率= ————————————
                      风流速度3
　　这一定律公式有着重要的理论和实用价值。
　　技术的创造性构成方案与先进性:
　　扇门式自动回位型立轴风水车是我个人完成的原创发明专利，在风能开发的历史中，是世界首创的风能开发机械，其开发风能的效果，处于垂直轴风车领先的地位。该发明技术所提供的是一个完整独立的机械装置，是一个完整的系统技术，就是说，该技术装置是一个不同于任何其他技术装置又不依赖类似技术装置而能独立运行工作的另类技术装置。其基本技术构成如下：
　　1. 扇门式自动回位型立轴风水车的每一层级均为4个扇门框架，分别按90°角位排列，安装在中心转动立轴立轴四周，形成“十字对称”形状，采风的扇门即安装在框架内。
　　2. 按照同样的结构和原理，根据实用的需要，一个独立的扇门式自动回位型立轴风水车，可以设计成一层级，也可设计成一轴多层级。
　　3. 按照同样的结构和原理，根据实用的需要，每一个框架内的采风扇门，可以设计安装一个扇门，也可设计安装多个扇门。
　　4. 总结上述方案，按照同样的结构和原理，扇门式自动回位型立轴风水车的设计和制造共有四种形式：（1）.一层级一扇门；（2）.一层级多扇门；（3）.一轴多层级一扇门；（4）.一轴多层级多扇门。
　　技术的成熟度及存在问题：
　　本专利技术已达到可设计、制造、安装的生产应用程度。理论设计上没有问题，工艺制造上要在实践中不断改进。该专利技术属于机械技术，虽构思巧妙但制造安装并不复杂，基本技术方案已如专利说明书所述，部分细节上的相关技术，待确立合作关系后传授对方。
　　技术的应用范围和应用价值：
　　1.本专利技术构思巧妙，是一种独立的机械模型，不需要任何附加装置，便具备在风流和水流中自动运转的功能。因此，制造简单，成本低廉，使用方便。
　　2.本专利技术可设计成一轴多层级结构，因此，空间利用率好（空间利用率总是接近50％），空间利用的随意性大，能在场地面积不变的条件下，增加空间高度，达到节约场地面积，提高功率的目的。这是水平轴风车无法做到的。
　　3.由于本专利技术是垂直轴结构，动力输出点具有对地的固定性，所以，在方便使用上优于水平轴风车，除了发电以外，还能满足生产和生活的多方面需要，并且可以多风车组合联用，满足大功率作业需要。
　　4.本专利技术如作为风用，应建立在风力资源较丰富的地区，用于发电和带动其他机械作业。如需要，可建立在楼房、住宅、街市之上，也可用于有特殊用途的车、船和玩具等。本专利技术如作为水用，在落差较小的水流中也能正常作业，可建立在适当的河道中、大桥边。在沿海，通过场地改造，可利用潮汐能。在水力发电站的下游，可进行一次发电后的再次利用。
　　技术的市场及产业化前景：
　　扇门式自动回位型立轴风水车和水平轴一轴多级风车，都是风能开发中最优越的风能开发机械。虽然二者同属一个领域，担负着相同职能，但是并不矛盾，二者各以不同的方式存在着，各有所长，各有所短，可以长短互补，为社会的不同需要提供了灵活选择的条件。扇门式自动回位型立轴风水车同水平轴一轴多级风车一样，技术的社会价值和经济价值重大，社会对能源的需求持久稳定，因此，该技术的市场及产业化前景广阔远大，产业可做大做强。具体说来，如同前面水平轴一轴多级风车所论述的那样，这里不再重述。