【影響世界的專利】風能

風能

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風能是空氣相對於地球表面的流動能。現代風力發電歷史沿革可追溯到風車，風車是人類最早發明的動力機之一。據史書記載最早談到的風車由波斯工匠創作，並在公元644年在波斯應用。據《中國大百科全書》（簡明版）第3卷，第1375頁記載，“中國利用風車的歷史至少不晚於13世紀中葉，曾建造了各種形式的簡易風車用於碾米磨面，提水灌溉和制鹽”。風車也由中東傳入歐洲，14世紀法國出現了塔頂裝風葉的塔式磨房﹔15世紀荷蘭、比利時利用風車通過傳動裝置傳動帶動勺形輪將水提到高處﹔其后又相繼發明了風車制動器，風葉尾舵裝置，風葉受風面積調節裝置，風磨速度調節裝置等﹔18世紀出現了螺旋形風葉﹔1854年美國D•哈拉戴發明了風泵。后來，由於內燃機和電力的發明和推廣，風磨被淘汰，而代之以風力發電的發展。

風力發電真正大規模發展是近50年以來的事，隨著集成電路、計算機、控制技術的不斷發展，風力發電從風電場分散開發和風電就地應用，到通過增強電網調峰能力，實現風電並網，使風電大規模被電網接納成為可能。從整個系統看包括三大方面技術：一是風力原動機及其控制，二是發電機及其控制，三是風力電能的儲存、並網。下文主要所涉及的是風力原動機。

風力原動機是指將自然界的風能轉變成有用的機械能的裝置，例如它可以帶動軸轉動而驅動發電機。它們或者是其旋轉軸線與風向相一致的，或者是其旋轉軸線與風向相垂直的。它們或者是多個轉子，或者還帶有風道導向，例如1998年11月12日公開的德國專利申請DE19719114揭示了一種雙風力原動機，兩個垂直的風力原動機關聯在一個巨大的類似H型起導風作用的遮擋裝置中。螺旋槳型風力原動機為兩葉或三葉的風力葉輪機。除此之外，還有其他形式的，如風帆式風車輪，勺狀風葉，往復式等。例如，美國1997年9月23日公布的US5669758專利公開了一種具有可偏轉的中心錐形物和圍著它的套罩構成的風力原動機。套罩和錐形物相配合引導氣流流向置於套罩和錐形物之間的最狹隙的渦輪機葉片上導致渦輪機旋轉﹔有的發明把風力原動機集成設置成為一個風電場，例如 1998年1月13日公布的瑞士專利CH668623，將很多風力原動機設置在一個類似樹干結構的6層支架結構件上﹔又有的發明是有關特殊用途風力原動機的﹔例如：1998年4月30日公開的德國專利說明書DE19708624公開了一種置於機動車頂部的風力原動機﹔再有的發明涉及靜止集風裝置通過管道輸送氣流推動蝸輪發電機的，例如1998年1月20日公布的美國專利US5709419公開了一種收集風能的方法和裝置，它是建立一列多個機翼面形立柱，該柱類似飛機機翼流線型，分為前緣和尖形尾緣，在前、尾緣之間的寬度最大處設置一系列風口，根據伯努利效應，收集高速氣流。

進入21世紀以來，海上風電漸成風電發展的熱點領域，據報道我國第一個海上風電項目，上海東海大橋風電項目10萬千瓦、華銳風電公司的國產機組現已全面安裝和並網發電。2009年，全世界風電總裝機量達1.5億千瓦左右﹔當年新增裝機約為3000萬千瓦，而我國以超過1000萬千瓦佔新增裝機排名之首。

人們常看到設於50米甚至更高柱子上的風力葉輪機。這裡存在問題是如何方便躲避風暴和維護、維修，為此日本發名人阿布稔於1980年4月7日向日本專利局提出了一個專利申請，此后也以該申請為優先權向美國專利和商標局提出專利申請，並都被授予了專利權，該專利發明被列入了由美國紐約大學出版社和巴恩斯諾布爾出版社聯合於2007年出版的《20世紀影響世界的100個發明》之中，該專利日本公開號為昭56-143369，美國專利號為US4311434，專利名稱為螺旋槳原動機。

該發明提供一種帶有自由升降台架和與其相配套的艙室的塔架，該艙室固定裝有多旋轉葉的螺旋型風葉輪，必要時可將該艙室從塔頂轉移到升降台架上，再降到地面上，從而較好地解決上述問題。為進一步說明該發明，結合附件對其進一步加以說明。

圖1 是在本發明風力葉輪機工作狀態下的透視圖

圖2 是圖1的所示設於風力葉輪機塔架頂部上艙室的轉動控制機構的部分剖視圖

圖3 是圖1所示的用於風力葉輪機的艙室垂直轉動機構的背視圖

圖4 是將其艙室降至地面時，本發明風力葉輪機的透視圖

如圖1所示，塔架（1）的上端設有安裝在其上艙室（2）的座（3）。在座（3）上，通過轉移基礎部件（9）安裝艙室（2）。該艙室（2）具有，有旋轉頭（4）和多個附著在旋轉頭（4）上的旋轉葉片（5）構成的螺旋槳型風力輪，和一個設在其中的與上述螺旋型風力輪相連的發電機（未示出）。將艙室（2）支撐在從支撐部件（6）側面伸出的平行臂（7）的前端之間，並能由旋轉機構使其自由地圍繞水平軸（8）轉動，而固定在所要的角度。另外，艙室（2）的支撐部件（6）附著在基礎部件（9）上，以便它們能自由的圍繞垂直軸（10）轉動，而固定在所需的角度。基礎部件（9）與塔架（1）頂部座（3）上設置的軌道（11）相結合，以便它需要時能在座上沿著軌道（11）移動。通常，基礎部件（9）由地面遙控的結合裝置固定在塔架（1）上。

上述塔架（1）在其一個側面設有可自由上下的台架，該台架（12）適用於借助於由電動機操作的繞在卷揚機（13）上的繩索（14）沿著塔架（1）上設置的導軌（1a）上升或下降。該台架（12）類似於塔架（1）上的座（3），其上表面設置了座（15）連接的軌道（16）。當台架（12）垂直上升到其上部端頭時，允許塔架（1）頂上的艙室（2）通過與其連接的基礎部件（9）沿著相互連接的軌道（11）（16）側向移動。這樣艙室工可從座（3）上移到座（15）上。

當風力輪旋轉時，隨著風吹的方向艙室的支撐部件（6）圍繞著基礎部件（9）的垂直軸（10）自由轉動，當艙室（2）需要維護和檢查時，例如，有必要將支撐部件（6）牢固連到基礎部件（9）上，那麼圖2就展示了一種可使用的一種典型機構。軸（10）固定在基礎部件（9）上，並且支撐部件（6）通過止推軸承（17）設置在基礎部件（9）上。支撐部件（6）在其中心設有通孔，以便軸（10 ）穿過。從支撐部件（6）伸出的軸（10）上固定由一個蝸輪（19）。該蝸輪（19）通過離合器（18）的操作使其與軸（10）結合或分離。該蝸輪（19）安裝在固定於支撐部件（6）上並與電動機（21）的驅動軸上蝸杆（20）嚙合。當離合器（18）使軸（10）和蝸輪（19）分離時，允許支撐部件（6）在基礎部件（9）自由轉動﹔當離合器（18）使軸（10）和蝸輪（19）結合時，支撐部件（6）不直接緊固在基礎部件（9）上，而是通過電動機（21）的轉動使支撐部件（6）與基礎部件之間形成所需的角度。

當艙室（2）置於台架（12）的座（15）上並且沿塔架下降時，風力輪轉向向上並艙室（2）保持垂直位置。圖3所示是一種可以使艙室（2）從水平位置變到垂直位置的典型機構。蝸輪（23）置於支撐艙室（2）的水平軸（8）上。該蝸輪（22）與裝在設於支撐部（6）的電動機（24）驅動軸上的蝸杆（23）相嚙合。因此，當電動機（24）轉動時，軸（8）慢慢地轉動，使艙室（2）樹起來，反過來電動機（24）反轉也可使垂直的艙室（2）返回到水平位置。當艙室大時，加在軸（8）上的負載也會變大，如需要的話，出於安全考慮可以在支撐部件（6）的前端設置艙室承載部件（25），使艙室（2）穩定地保持水平位置。

當風力葉輪機正常運行時，艙室（2）通過基礎部件（9）作為媒介置於塔架（1）頂部的座（3）位置上，風驅使風力葉輪工作。當為了避免台風之類的風暴或換葉片或維護、檢修、修理艙室裡的設備等，可將台架（12）升起來，將其上表面座（15）與塔架（1）頂的座（3）持平銜接，前述軌道（11）（16）例如各自設置齒條，與設在基礎部件（9）上電動機帶動的齒輪嚙合使支撐部件（6）支撐的艙室（2）（此時艙室已處於垂直狀態）側向移動倒台架（12）上。這時轉動電機（24）已調節螺旋槳型旋轉葉片到向上的位置並要確保葉片（5）不與塔架相接觸，並且用安裝在艙室（2）內平面軸上的剎車機構固定住艙室（2）。如圖4所示，用卷揚機（13）和繩索（14）機構將台架（12）下降，從而使艙室（2）降下來。台架（12）可放置在塔架（1）的底端或甚至從塔架（1）上拆下。