【影响世界的专利】风能

风能

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风能是空气相对于地球表面的流动能。现代风力发电历史沿革可追溯到风车，风车是人类最早发明的动力机之一。据史书记载最早谈到的风车由波斯工匠创作，并在公元644年在波斯应用。据《中国大百科全书》（简明版）第3卷，第1375页记载，“中国利用风车的历史至少不晚于13世纪中叶，曾建造了各种形式的简易风车用于碾米磨面，提水灌溉和制盐”。风车也由中东传入欧洲，14世纪法国出现了塔顶装风叶的塔式磨房；15世纪荷兰、比利时利用风车通过传动装置传动带动勺形轮将水提到高处；其后又相继发明了风车制动器，风叶尾舵装置，风叶受风面积调节装置，风磨速度调节装置等；18世纪出现了螺旋形风叶；1854年美国D?哈拉戴发明了风泵。后来，由于内燃机和电力的发明和推广，风磨被淘汰，而代之以风力发电的发展。

风力发电真正大规模发展是近50年以来的事，随着集成电路、计算机、控制技术的不断发展，风力发电从风电场分散开发和风电就地应用，到通过增强电网调峰能力，实现风电并网，使风电大规模被电网接纳成为可能。从整个系统看包括三大方面技术：一是风力原动机及其控制，二是发电机及其控制，三是风力电能的储存、并网。下文主要所涉及的是风力原动机。

风力原动机是指将自然界的风能转变成有用的机械能的装置，例如它可以带动轴转动而驱动发电机。它们或者是其旋转轴线与风向相一致的，或者是其旋转轴线与风向相垂直的。它们或者是多个转子，或者还带有风道导向，例如1998年11月12日公开的德国专利申请DE19719114揭示了一种双风力原动机，两个垂直的风力原动机关联在一个巨大的类似H型起导风作用的遮挡装置中。螺旋桨型风力原动机为两叶或三叶的风力叶轮机。除此之外，还有其他形式的，如风帆式风车轮，勺状风叶，往复式等。例如，美国1997年9月23日公布的US5669758专利公开了一种具有可偏转的中心锥形物和围着它的套罩构成的风力原动机。套罩和锥形物相配合引导气流流向置于套罩和锥形物之间的最狭隙的涡轮机叶片上导致涡轮机旋转；有的发明把风力原动机集成设置成为一个风电场，例如 1998年1月13日公布的瑞士专利CH668623，将很多风力原动机设置在一个类似树干结构的6层支架结构件上；又有的发明是有关特殊用途风力原动机的；例如：1998年4月30日公开的德国专利说明书DE19708624公开了一种置于机动车顶部的风力原动机；再有的发明涉及静止集风装置通过管道输送气流推动蜗轮发电机的，例如1998年1月20日公布的美国专利US5709419公开了一种收集风能的方法和装置，它是建立一列多个机翼面形立柱，该柱类似飞机机翼流线型，分为前缘和尖形尾缘，在前、尾缘之间的宽度最大处设置一系列风口，根据伯努利效应，收集高速气流。

进入21世纪以来，海上风电渐成风电发展的热点领域，据报道我国第一个海上风电项目，上海东海大桥风电项目10万千瓦、华锐风电公司的国产机组现已全面安装和并网发电。2009年，全世界风电总装机量达1.5亿千瓦左右；当年新增装机约为3000万千瓦，而我国以超过1000万千瓦占新增装机排名之首。

人们常看到设于50米甚至更高柱子上的风力叶轮机。这里存在问题是如何方便躲避风暴和维护、维修，为此日本发名人阿布稔于1980年4月7日向日本专利局提出了一个专利申请，此后也以该申请为优先权向美国专利和商标局提出专利申请，并都被授予了专利权，该专利发明被列入了由美国纽约大学出版社和巴恩斯诺布尔出版社联合于2007年出版的《20世纪影响世界的100个发明》之中，该专利日本公开号为昭56-143369，美国专利号为US4311434，专利名称为螺旋桨原动机。

该发明提供一种带有自由升降台架和与其相配套的舱室的塔架，该舱室固定装有多旋转叶的螺旋型风叶轮，必要时可将该舱室从塔顶转移到升降台架上，再降到地面上，从而较好地解决上述问题。为进一步说明该发明，结合附件对其进一步加以说明。

图1 是在本发明风力叶轮机工作状态下的透视图

图2 是图1的所示设于风力叶轮机塔架顶部上舱室的转动控制机构的部分剖视图

图3 是图1所示的用于风力叶轮机的舱室垂直转动机构的背视图

图4 是将其舱室降至地面时，本发明风力叶轮机的透视图

如图1所示，塔架（1）的上端设有安装在其上舱室（2）的座（3）。在座（3）上，通过转移基础部件（9）安装舱室（2）。该舱室（2）具有，有旋转头（4）和多个附着在旋转头（4）上的旋转叶片（5）构成的螺旋桨型风力轮，和一个设在其中的与上述螺旋型风力轮相连的发电机（未示出）。将舱室（2）支撑在从支撑部件（6）侧面伸出的平行臂（7）的前端之间，并能由旋转机构使其自由地围绕水平轴（8）转动，而固定在所要的角度。另外，舱室（2）的支撑部件（6）附着在基础部件（9）上，以便它们能自由的围绕垂直轴（10）转动，而固定在所需的角度。基础部件（9）与塔架（1）顶部座（3）上设置的轨道（11）相结合，以便它需要时能在座上沿着轨道（11）移动。通常，基础部件（9）由地面遥控的结合装置固定在塔架（1）上。

上述塔架（1）在其一个侧面设有可自由上下的台架，该台架（12）适用于借助于由电动机操作的绕在卷扬机（13）上的绳索（14）沿着塔架（1）上设置的导轨（1a）上升或下降。该台架（12）类似于塔架（1）上的座（3），其上表面设置了座（15）连接的轨道（16）。当台架（12）垂直上升到其上部端头时，允许塔架（1）顶上的舱室（2）通过与其连接的基础部件（9）沿着相互连接的轨道（11）（16）侧向移动。这样舱室工可从座（3）上移到座（15）上。

当风力轮旋转时，随着风吹的方向舱室的支撑部件（6）围绕着基础部件（9）的垂直轴（10）自由转动，当舱室（2）需要维护和检查时，例如，有必要将支撑部件（6）牢固连到基础部件（9）上，那么图2就展示了一种可使用的一种典型机构。轴（10）固定在基础部件（9）上，并且支撑部件（6）通过止推轴承（17）设置在基础部件（9）上。支撑部件（6）在其中心设有通孔，以便轴（10 ）穿过。从支撑部件（6）伸出的轴（10）上固定由一个蜗轮（19）。该蜗轮（19）通过离合器（18）的操作使其与轴（10）结合或分离。该蜗轮（19）安装在固定于支撑部件（6）上并与电动机（21）的驱动轴上蜗杆（20）啮合。当离合器（18）使轴（10）和蜗轮（19）分离时，允许支撑部件（6）在基础部件（9）自由转动；当离合器（18）使轴（10）和蜗轮（19）结合时，支撑部件（6）不直接紧固在基础部件（9）上，而是通过电动机（21）的转动使支撑部件（6）与基础部件之间形成所需的角度。

当舱室（2）置于台架（12）的座（15）上并且沿塔架下降时，风力轮转向向上并舱室（2）保持垂直位置。图3所示是一种可以使舱室（2）从水平位置变到垂直位置的典型机构。蜗轮（23）置于支撑舱室（2）的水平轴（8）上。该蜗轮（22）与装在设于支撑部（6）的电动机（24）驱动轴上的蜗杆（23）相啮合。因此，当电动机（24）转动时，轴（8）慢慢地转动，使舱室（2）树起来，反过来电动机（24）反转也可使垂直的舱室（2）返回到水平位置。当舱室大时，加在轴（8）上的负载也会变大，如需要的话，出于安全考虑可以在支撑部件（6）的前端设置舱室承载部件（25），使舱室（2）稳定地保持水平位置。

当风力叶轮机正常运行时，舱室（2）通过基础部件（9）作为媒介置于塔架（1）顶部的座（3）位置上，风驱使风力叶轮工作。当为了避免台风之类的风暴或换叶片或维护、检修、修理舱室里的设备等，可将台架（12）升起来，将其上表面座（15）与塔架（1）顶的座（3）持平衔接，前述轨道（11）（16）例如各自设置齿条，与设在基础部件（9）上电动机带动的齿轮啮合使支撑部件（6）支撑的舱室（2）（此时舱室已处于垂直状态）侧向移动倒台架（12）上。这时转动电机（24）已调节螺旋桨型旋转叶片到向上的位置并要确保叶片（5）不与塔架相接触，并且用安装在舱室（2）内平面轴上的刹车机构固定住舱室（2）。如图4所示，用卷扬机（13）和绳索（14）机构将台架（12）下降，从而使舱室（2）降下来。台架（12）可放置在塔架（1）的底端或甚至从塔架（1）上拆下。