一种建筑物风洞型风力发电机

摘要

本发明经过对我国著名科学家钱学森于20世纪50年代提出的“风洞风车”概念的实用性开发，制造出了一种建筑物风洞型风力发电机。这种建筑物风洞型风力发电机以楼房、烟囱或其它建筑物为支撑构架，在单个建筑物内部、顶部、周围或两建筑物之间安装或修建集风式和/或扩散式风洞及配套发电设备，并将建筑物的墙体或其它建筑结构件作为定向性风洞装置的功能构件。除风以外还将人工排放废气用作发电介质。本发明克服了前人关于该类机型只能安装在地面的技术偏见，开发出了屋面型和烟囱型风帆式风力发电机、楼式风力发电机及塔式风力发电机多种机型，还提出了建设风力发电城的技术方案。本发明机型比商用螺旋桨式风电机的起始用风高度高出两倍，制造成本低数十倍，还具有独特的建筑物装饰功能和广告功能，是一种真正能够进村入市的普及实用型风力发电机。

说明书

(一)技术领域。

本发明涉及风洞型风力发电机技术领域。

(二)背景技术。

王鲲和王希麟2009年编著的《风能概论》一书第61页中介绍了我国著名科学家钱学森于20世纪50年代提出的“风洞风车”概念，还登出了Vortec 7型商用扩散性风力机的照片，“它高17米，像一个庞大的巨兽蹲坐在山顶”。中国和世界上的许多科学家都对“集风式和扩散式风力机”做过很多的研究和实验工作，但时至今日该种风力机机型还没有产生有推广和普及意义的技术成果。导致这种现象的主要原因是该种机型庞大笨拙，因而产生了只能设置在地面、山头或自然高地上的技术偏见。

(三)发明内容。

本发明所要解决的技术问题是要克服风洞型风力发电机只能设置在地面的技术偏见，制造出适合安装在各种建筑物高端或顶部的新机型。在利用建筑物高度优势的同时，还利用建筑物的墙壁、隔层或其它主体结构件制造定向性风洞，并将人工排放废气也作为发电介质。使风洞型风力发电机成为经济适用、能够进村入市、具有循环经济性质的新机型。

本发明所采用的技术方案是安装或修建一种建筑物风洞型风力发电机。这种建筑物风洞型风力发电机，包括集风式和/或扩散式风洞、导风管、风轮机和发电机。所述的建筑物风洞型风力发电机以楼房、烟囱或其它建筑物为支撑构架，在单个建筑物内部、顶部、周围或两建筑物之间安装或修建集风式和/或扩散式风洞及配套发电设备，并将建筑物的墙体或其它建筑结构件作为定向性风洞装置的功能构件。除风以外还将人工排放废气用作发电介质。所述的建筑物风洞型风力发电机包括安装于楼房屋面上旋转集风的屋面型风帆式风力发电机、安装于烟囱或其它柱状建筑物柱体上旋转集风的烟囱型风帆式风力发电机、设置于楼房顶层单向或双向集风的楼式风力发电机及设置于塔形建筑物内部的多向集风的塔式风力发电机。所述的建筑物风洞型风力发电机还可用于建设建筑物使用功能和发电机发电功能并重、能够向外部输出电能的风力发电城。

屋面型风帆式风力发电机由台墩或建筑物、固定基座、旋转基座、旋转平台、风帆式集风口、导风管、风轮机、发电机、垂直尾翼定向舵和/或水平放置的降落伞式兜风机构组成。风帆式集风口由从前到后口径逐渐变小的多个圆形、椭圆形或多边形的撑骨圈、一个以上串联固定各个撑骨圈的龙骨、包裹或内衬撑骨圈和龙骨组成的构架的帆布或其它刚性或柔性代用材料组成。风帆式集风口的后端口与圆筒形导风管的前端口衔接。在导风管的后部设置螺旋桨式、电风扇式或其它叶轮式结构的风轮机。风轮机的中心主轴由固定在导风管后端口的轴承和支架支撑，与发电机的转子轴同轴连接或通过变速传动装置连接。旋转基座与固定基座之间以推力滑动轴承或其它轴承机构连接。导风管和发电机安设在旋转平台上。从平台向前延伸出两根辕杠，用以固定集风口的各个撑骨圈。平台尾端设两个横向延长的横杠或一个横向平台。横杠或横向平台两侧，可设置两个左右平衡对称的同型号垂直尾翼定向舵和/或水平放置的降落伞式兜风机构。旋转基座、旋转平台、风帆式集风口和垂直尾翼定向舵都可由可拆分的零件组装成形。龙骨可由能折叠的连杆机构代替。

所述的屋面型风帆式风力发电机可制作成不同的结构型。在导风管后边直接对接一个口径和受风面积都大于前置集风口的散风口，可取消垂直尾翼定向舵和/或水平放置的降落伞式兜风机构及横杠或横向平台，形成集风口——散风口式风帆式风力发电机。如果再取消前置集风口，就形成散风口型风帆式风力发电机。所述屋面型风帆式风力发电机还可设置成多帆型风帆式风力发电机。在旋转平台上设置两个或两个以上集风口和导风管，从前往后，集风口的口径和受风面积及导风管的直径逐个变大，设于固定基座后面的集风口要比设于固定基座前面的集风口个数多且受风面积大。各个集风口可用拉索或拉杆相互连接或直接与牵引环连接。各个导风管的中心在一条直线上，在该直线位置设共用传动轴，在各个导风管上设置以共用传动轴为中心主轴的同向旋转的风轮机，在最后一个导风管上设置与共用传动轴同轴连接或通过变速传动装置连接的发电机。

烟囱型风帆式风力发电机包括共用一个传动轴和发电机的一个烟囱口型和一个或多个环烟囱型风帆式风力发电机。其固定基座固定在烟囱口外壁上，是一个外径下大上小、外带环形轨道的圆台形套筒。旋转基座通过轴承、转轮或其它转动系统支撑在固定基座上。集风口和/或散风口由轻质刚性材料组成，直接固定在导风管的端口上，由旋转基座或旋转平台支撑。烟囱口型风帆式风力发电机，导风管的底侧面直接与旋转基座或旋转平台的顶端面刚接。在导风管和旋转平台下部留有内径大于烟囱口外径的开孔，与旋转基座的顶端开口相吻合。烟囱口以下的环烟囱型风帆式风力发电机设置环烟囱的分导风管和总导风管。将烟囱口型和其下的各个环烟囱型风帆式风力发电机用连杆或结构架固定连接起来，使风轮机都设置在靠近共用传动轴的总导风管内，使共用传动轴与发电机传动连接，便形成一个完整的烟囱型风帆式风力发电机。

楼式风力发电机的风洞装置由带导风管的单向或双向集风口组成，设置在楼房电梯设备间装饰层内、凹字形楼房的底盘上或临空连体结构上。正向集风口朝向当地年平均风频和风速最大的方向。在楼房电梯设备间装饰层内，这样的楼式风力发电机可以沿楼层设置多个，可通过共用传动轴共用一个发电机。在设计和建造时要使楼房的迎风墙壁面在设计高度以上部位与集风口的下檐口呈斜坡面衔接，并在斜坡面的两侧设置装饰性挡风墙，形成下部扩展型集风口。在凹字形楼房的底盘上或临空连体结构上设置楼式风力发电机的楼房，在设计和建造时要使两高层楼的迎风墙壁面呈90-150°的夹角，两墙壁面与楼式风力发电机集风口的两侧檐口连接，形成侧面扩展型集风口。楼式风力发电机的定向集风口可外接固定的或可旋转的偏口风帆，形成上部扩展型集风口或偏风补偿机构。楼式风力发电机可用建筑装饰构架、格栅或其它通透性装饰构件加以装饰和隐形。

楼式风力发电机的偏风补偿机构是在定向集风口的檐口安装一个可旋转的环形轨道。环形轨道上安装一个偏口风帆。，环形轨道通过固定在定向集风口上的定止旋挡块和安装在环形轨道上的动止旋挡块，使偏口风帆限制在上半圆周内偏转和定位。

塔式风力发电机设置于楼顶对电梯设备间的塔形装饰结构或其它塔形建筑物内，以塔身的檐口、窗口、各层隔板或其它主体结构件作为塔式风力发电机的功能结构件。塔的每个边设一个从外向内口径逐渐变小的集风口，使得每个塔层都具有多方向的集风口。每个塔层中心核部为一圆柱形的导风腔。通过各个导风腔的顶底板中央设置一个共用旋转轴和一个共用传动轴。共用传动轴内置于共用旋转轴的中心，与后者的内壁以滚动轴承连接。每个塔层的风轮机以共用旋转轴为支架并随其转动，与共用传动轴以变向齿轮传动机构连接。共用传动轴与共用发电机的转子轴传动连接。在风轮机的相反方向设置一个兜风定向机构与共用旋转轴固定连接。

本发明的有益效果在于：第一，本发明提供了多种适于安装在建筑物高端的风洞型风力发电机，克服了前人关于该类机型只能安装在地面的技术偏见，为该类机型从概念走向实用取得突破性进展。第二，与一身钢铁的Vortec 7型商用风力发电机相比，风帆式风力发电机用轻便易拆装的撑骨圈和龙骨组成构架，用帆布做成集风口，且有多帆型等多种结构型，使该种机型即可在豪华高楼顶部作为装饰造型或广告载体使用，也可在农家小楼上一家一户的安装，成为一个可以进村入市的实用和普及型机型。第三，烟囱一般是一个建筑群中最高的建筑物，其排放的烟气流本身就具有风力发电机的切入速度。烟囱型风帆式风力发电机，以烟囱为支撑构架，以烟气流与自然空气流作为推动风轮机转动的混合介质，即利用了烟囱的高空优势，又使排放的烟气得到最后的循环再利用，具有循环经济的技术效果。此外，烟囱型风帆式风力发电机还具有很好的广告和观赏效应。如果将烟囱口型风帆式风力发电机做成喷气式战机的造型，孤柱长烟的废气排放形象就会变成鹰击长空的视觉享受。第四，楼房的电梯设备间突兀于楼面之上，不装饰影响楼房的整体观赏效果，装饰需要增加许多费用也不一定能取得理想的效果。楼式风力发电机将电梯设备间隐形与集风口和/或散风口结构之间，然后再通过广告或造型装饰或直接用通透性装饰材料把集风口和/或散风口结构进行装饰性隐形，可以取得装饰和发电一举两得的效果。楼式风力发电机利用楼房的外墙壁面做成下部或侧部扩展型集风口，并可利用上部刚接偏口风帆或檐口轨接偏风补偿机构使集风口的集风面积取得明显扩展。第五，塔式风力发电机利用对电梯设备间的塔形装饰性建筑物，使多向集风装置几乎完全是利用塔的檐、梁、柱、层及其它原有建筑结构制造而成，形成外有玲珑宝塔式的装饰造型，内有多向多层次集风的风力发电功能的特征性建筑，真正做到了建筑物和风洞的完美结合。第六，以1500KW商用螺旋桨式风电机为对比标准，建筑物风洞型风力发电机具有明显的技术优势和经济效益。首先是采风高度，新建现代楼房大多数都高达二、三十层或更高，高度达到60——90米或以上，烟囱常可高达一、二百米，完全达到或超过螺旋桨式风电机65米或80米标准塔架的高度，而起始用风高度却比后者的26.5米高出两倍以上。其次是用风面积，带有下部、侧部亦或顶部扩展性集风口的楼式风力发电机完全可以达到或超过螺旋桨式风电机4654平方米扫掠面积的标准。再次是功能，建筑物风洞型风力发电机的装饰、广告及就地使用功能是螺旋桨式风电机所不具备的。最后是成本，螺旋桨式风电机高达80米的圆柱型塔架、直径达77米需要扭转和变截面的复杂叶片、大型轮毂和造价不菲的偏航装置再加上长距离输变电设备，使得同等发电能力的螺旋桨式风电机的建设成本要比花钱很少的风洞型风力发电机高出数十倍乃至百倍以上。在内蒙那样环境优美风力条件又好的地区建设一个风洞型风力发电城要比单纯建一个螺旋桨式风力发电场的综合效益不知要高出多少倍。

(四)附图说明。

图1、屋面型风帆式风力发电机的侧视图。1——固定基座，2——旋转基座，3——旋转平台，4——横杠，5——降落伞式兜风机构，6——导风管，7——发电机，8——轴承和支架，9——轮机，10——撑骨圈，11—风帆式集风口，12——垂直尾翼定向舵，13——骨。

图2、多帆型风帆式风力发电机的侧视图。14——共用传动轴，15——拉索。

图3、烟囱口型风帆式风力发电机的侧视图。16——烟囱，17——连杆或构架，18——环形轨道，19—固定基座，20——支架，21——旋转基座，22——共用传动轴，23——集风口，24—导风管，25——散风口，26——拉杆。

图4、金鱼状环烟囱型风帆式风力发电机的顶视图。27——金鱼头式集风口，28——连杆或构架，29——烟囱，30——环状分导风管，31——总导风管，32——共用传动轴，33——金鱼尾式散风口。

图5、下部扩展型集风口楼式风力发电机的顶视图。34——装饰性挡风墙，35——斜坡面，36——装饰构架，37——正向集风口，38——反向集风口或散风口，39——电梯设备间，40——共用传动轴，41——传动装置。

图6、侧部扩展型集风口楼式风力发电机的顶视图。42——高层楼房，43——连体底盘楼，44——支架，45——集风口。

图7、偏风补偿机构侧视图。46——动止旋挡块，47——环形轨道，48——定止旋挡块，49——定向集风口，50——偏口风帆，51——撑骨圈，52——龙骨。

图8、塔式风力发电机的侧视图。53——塔楼，54——电梯设备间，55——导风腔，56——风轮机，57——共用旋转轴，58——变向齿轮传动机构，59——窗型集风口，60——共用传动轴，61——兜风定向机构，62——发电机。

(五)具体实施方式。

实施例一，屋面型风帆式风力发电机的安装。安装过程分五步进行：(1)安装旋转和支撑装置。在楼房顶部，修建一个水泥台墩，在台墩顶面预装一个带环状螺栓组的固定环。将作为推力轴承的固定基座1用螺母固定在预留的环状螺栓组上，使作为推力轴承空心端面轴颈的旋转基座2与固定基座1呈油封摩擦接触。(2)安装旋转平台。在旋转基座2顶面固定旋转平台3的支撑钢架，前端预留出延长辕杠，后端预留出横杠4。(3)安装导风管和电机。在导风管6内安装好风轮机9、轴承和支架8，前口安装法兰盘。然后将导风管6的地脚用螺栓固定在旋转平台3上，并使风轮机9主轴与发电机7的转子轴通过传动装置连接。(4)安装水平放置的降落伞式兜风机构。在横杠4两端的对称位置，焊接两个向两侧水平延展的型钢支架，然后将预作好的广告板固定在支架的后平面上，即完成了降落伞式兜风机构5的安装。(5)安装风帆式集风口。在工厂加工时，将圆形撑骨圈10分成一个半圆和两个四分之一圆的弧段。龙骨13制作三根，按设计尺寸分段加工，每两个撑骨圈10之间加工一段。风帆布按照设计形状和尺寸整体加工，外装容纳撑骨圈10和龙骨13的布套，并在撑骨圈10断头衔接处和与辕杠固定处留有断口，在风帆后端口处装好与导风管6内径一致的末级撑骨圈10，并放置在预留法兰盘后面特设的凹槽内。组装前先将带最末节龙骨圈10的法兰盘与导风管6前端的法兰盘连接好。接下来的每个组装步骤，都从前边最大的撑骨圈10开始。第一个步骤是先将各半圆形撑骨圈10套入预留的布套，并按照预设位置用专用备件固定在辕杠上；第二个步骤是用三接头插接件将第一个撑骨圈10的各个断头连同第一段龙骨13插接好，完成第一个龙骨圈的组装；第三步是用四接头插件将第一段龙骨13、第二个撑骨圈10的断头连同第二段龙骨13插接好，以此类推，直至完成倒数第二个龙骨圈10和倒数第一根龙骨13的插接完成以后，带有上、左、右三根龙骨13的风帆式集风口11及整个风帆式风力发电机即组装完成。接好发电机的输电线路和用电设备，即可进行发电工作。遇有可能损坏设备的超强风时，需拆掉或放倒风帆，拆卸或放倒的顺序需从后向前进行。

实施例二，烟囱型风帆式风力发电机的安装。(一)设计方案：为正在使用的烟囱安装一个烟囱口型和一个环烟囱型风帆式风力发电机。前者采用贝壳造型，为集风口加导风管结构，后者采用海螺壳造型，为导风管加散风口结构。散风口的受风面积比集风口大出三分之一。两机之间用海景广告画板连接，合用一个发电机。(二)环烟囱型风力发电机组件的加工：固定基座19加工成空心圆台，沿柱面分成两半，留有连接的结构件。每个环形轨道18分上下两部分，下部为环形推力轴承，留有与固定基座19连接的结构件，上部为环形空心端面轴颈，留有与旋转基座21连接的结构件。每个固定基座19加工两条与圆台外径相吻合的环形轨道18。旋转基座21也呈空心圆台形，也分成两半加工，留有相互连接及与支架20和长方形旋转平台3连接的结构件。导风管由环状分导风管30和总导风管31组成，留有与旋转平台3、海螺口形散风口33及海螺锥形集风口27相连接的结构件。总导风管内设有风轮机9、发电机7及共用传动轴32的支撑和连接构件。(三)环烟囱型风力发电机的组装：先将两半片空心圆台形固定基座19固定在烟囱29外壁上并将两半片固定基座连接好。从烟囱口先吊装下部大直径的环形轨道18，使其与固定基座19的外壁固定好，再吊装上部小直径的环形轨道18并固定。将两半片旋转基座21与环形轨道18的环形空心端面轴颈的固定件固定好，再将两半片固定好。将环形分导管30、总导管31、风轮机、发电机、海螺锥形集风口27及海螺口形散风口33都固定在长方形旋转平台3上并相互连接固定好，然后从烟囱口整体吊装就位，用连接结构件将旋转基座21和旋转平台3固定好，并将支架20和散风口连接好。(四)烟囱口型风力发电机的组装：固定基座19和旋转基座21的结构和安装方法同环烟囱型风力发电机，只是导风管24和旋转平台3下部要预留一个内径比烟囱口外径稍大的开孔。将旋转平台3及导风管(24)对好烟囱孔眼固定在旋转平台3上，前端与贝壳状集风口23固定连接好，后端加装风轮机9和公用传动轴22，然后整体吊装至旋转基座21上并用连接和固定结构件连接固定好。(五)两机间海景广告画板的安装：在长方形旋转平台3两侧留有固定画板的支撑构架的结构件，把画板及其支撑构架整体安装在两机的旋转平台3两侧，连接好共用传动轴和电机即完成整机的安装。从烟囱口型风力发电机的贝壳状集风口23收集起来的风，在烟囱口处与排放的烟气混合，冲击风轮机9转动后排出，风轮机带动共用传动轴转动。环烟囱型风力发电机通过海螺壳状散风口33的负压作用排出流动空气。由于海螺壳的受风面积比贝壳大许多，二者又通过广告画板连接起来，所以海螺壳起到兜风定向装置作用，使整个装置变得结构简单、美观实用。

实施例三，带偏风补偿机构的楼式风力发电机的安装。楼房为边长15米的方形塔楼，电梯设备间39位于屋面中央。用钢筋混凝土结构修筑一个直径10米的双向集风口(37、38)，使带风轮机9和发电机7的导风管6位于电梯设备间之上。正向集风口(37、49)安装最大撑骨圈51直径为16米的偏口风帆。在定向集风口49的内檐口固定向圆心凸出的环形推力轴承钢轨和在内圈于其吻合的空心端面轴颈——滑动环形轨道47，滑轨留有与法兰盘对接的结构件。在固定的环形钢轨与水平直径的交点安装两个定止旋挡块48。在环形滑动轨道47与屋面接近部位设置两个辕杠，留有固定撑骨圈(51)的结构件。辕杠两侧各留有一个带弹性垫的动止旋挡块46。将各撑骨圈10的底部半圆装入风帆式集风口11预留的布袋内，并集中固定在定向集风口49檐口附近的辕杠上。然后按实施例一的方法组装好偏口风帆50，将装有最末端撑骨圈(51)的法兰盘与滑动环形轨道47连接好，便完成整机安装。当偏向风吹来时，受风面积大的偏口风帆50按风向偏转，并被止旋挡块(46、48)挡在上半圆周范围内，同时将偏向风收入集风口，达到风向补偿和扩大集风面积的目的。

实施例四，塔式风力发电机的安装。在宽30米长60米的30层高楼屋面上有两个电梯设备间，给每个电梯设备间修建一个塔式风力发电机以作为装饰性建筑物。塔设计为四边形，五层，层高3米，边长20米。底层为电梯设备间，二至五层为风力发电机安装层，内含3米直径的钢架结构导风腔55。先修建底层，采用钢筋混凝土结构，把电梯设备间54包在里边。第二层的底板中心固定好共用旋转轴57的推力轴承，以轴承为圆心安装导风腔55的钢结构架底部固定件。共用传动轴60内置于共用旋转轴57的中心，与后者的内壁以滚动轴承连接。在每个塔层的中点共用传动轴60与风轮机9的中心轴以空间齿轮传动机构58传动连接，在风轮机9的相反方向固定连接兜风定向机构61的刚性连杆。将组装好的共用旋转轴57工作系统与地板上的推力轴承吻合好，然后分层组装导风腔55的钢结构架。钢结构架的横隔层中心安装滚动轴承，对共用旋转轴57形成滚动轴承支撑。组装完最顶层的钢架顶板后，将发电机62与共用传动轴60传动连接。以导风腔55钢结构架为中心，在四周修筑木石砖瓦结构的塔体。在两层屋檐檐角之间安装挡风板，形成以窗口为中心的外部窗型集风口59。从方形窗口向内部的导风腔55引申出一个口径与风轮机直径相等的圆形内集风口，整机即组装完毕。风向与一个方向的集风口朝向一致时，风从该集风口外部窗型集风口59进入，通过内集风口进入导风腔55，引起兜风定向机构61的向风转动，并带动共用旋转轴57和风轮机9向内集风口转动对准，风轮机的转动通过共用传动轴60传递给发电机62便发出电能。