专利名称：笼形风能装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种与能源有关的设备，即风能利用的设备，这里称之为风能装置。
所谓风能的利用，也就是利用风力吹在物体表面上所产生的风压，相当于气流的动压，当风力为3级，风速4米/秒时，吹在物体表面上每平方米受力约1公斤，风压大小并非与风速成比例关系。根据气象万千书中介绍，当风速达9-10米/秒的5级风力时，吹到物体表面上每平方米受力约10公斤，目前风能利用通常为旋转的叶轮或风帆，风力作用在轮叶上的压力与风的压力角和风速与轮叶的速度差也时刻变化着，叶片外周的线速度大于其内周的线速度，外周的单位面积风压就较内周小，不同类型风能利用装置，风能利用效率是不同的，就同一种类型风能利用装置，叶轮的叶片面积越大，能产生的功率也就越大。
众所周知的巨型风力发电机虽然发电能力较强，但是它仅利用风力对螺旋桨的切线方向上的分力，而且螺旋桨本身的面积与它转动过程中所形成的圆面积相比，仅为十几分之一，其风能利用率不高，由于它占用巨大的空间及需要高耸的支架，以建造于空旷地区为宜，还同时要求风向较为稳定的地区。而风速仪和转塔式风力发动机是利用物体的几何形状因素，使正面与背面所受风压有差异，在转轴左右两侧产生风压差，使其旋转起来。但是要从旋转中取得巨大能量几乎不可能。
众所周知，风向变动有不确定性，而风力大小有阵性，高度越高风力就越大。本实用新型的任务在于设计出无论风向变化如何，只要有一定风力，凡进入本实用新型风能装置的风就立刻转变成一股旋转气流，驱动叶轮旋转，输出能量。风能利用率高，结构紧凑，使用寿命长，安全可靠，制造、维护、保养都很方便，适合于城市、乡村、山区、海岛等任何地方使用。
为了解决上述任务，使原本吹向叶轮轴左右两侧相同风力的气流转变为单向旋转气流来驱动叶轮，本实用新型实现此转变方法的重要部件是由一组与半径方向有适当交角的导风板围成竖立的中空圆柱体，无论风向如何变动，只要风力相同，在中空圆柱体内产生的单向旋转气流强度也相同，仅仅只有风向进入的方位不同而已，在中空圆柱体内的可转动的叶轮是风能转换成动能的部件，整个装置外形像只笼子，故命名为笼形风能装置。
图1为笼形风能装置主要部件组合方式的构成透视图，
图1中1为一组与半径方向有适当交角的并围成中空圆柱体的竖立的导风板，2为可转动的叶轮，3为叶轮上轴承，4为叶轮下轴承，5为固定导风板和轴承的构件。
图2为
图1的横截面示图，导风板1和叶轮2的相对位置以及工作时叶轮的旋转方向以箭头所指方向来表示。
图3是仅将
图1中导风板1与半径方向有适当交角并围成中空圆柱体的状况以横截面示图来表示，此交角以α角来表示，如图3所示的导风板状况，无论何种风向，在中空圆柱体内都会转变成顺时针方向旋转的气流，如图3中箭头方向所示。
图4为导风板1与半径方向以另一方位相交，以交角-α角表示，则必然会产生逆时针方向旋转气流，仅在气流旋转方向上与图3相反，其它功能与图3相同，在以后的叙述中不以-α角来另行叙述。
本实用新型中由一组与半径方向有适当交角的导风板围成竖立的中空圆体，是将自然界的风转变成中空圆柱体内的旋转气流的重要部件，该部件中的导风板设计按装由三个重要因素值得注意，第一是导风板与半径方向的适当交角，第二是导风板的宽度，第三是相邻两导风板之间的间距，此三个因素必须结合在一起综合考虑，才能达到使自然界的风转变成中空圆柱体内的旋转气流。下面作进一步介绍使用与半径方向有一适当交角的导风板的目的是将自然界的风力经导风板后，以交角α角的方向导入中空圆柱体内，从而转变成在中空圆柱体内的单向旋转气流。但是此交角必需适当，假如导风板与半径方向交角α角为0°时。或者说导风板处于半径方向延长线的位置时，所有吹入的风经导风板间风道后都形成指向中空圆体轴心线的气流，由于相邻风道气流的干扰和气流的扩散作用，结果形成轴心线左右相同的气流，无法推动叶轮旋转。在α角较小时，如α角小于15°时，气流方向偏离轴心线距离不大，能驱动叶轮的力矩很小，也难以在中空圆柱体内形成明显的单向旋转气流。但是当α角接近或达到90°时，进入中空圆柱体内的气流会明显减少。由于导风板在水平方向围成一周，相邻两导风板之间形成的风道的指向在360°方向上各个方向都不同的，当任何风向的风吹到导风板一侧时，迎风方向有半侧导风板形成的风道与风向一致或基本一致，也就是这部份导风板方向与风向所形成的交角较小，风就能在这些导风所形成的风道中直接进入或稍受导风板阻挡后进入，其风力和风压损失较少，风以与半径交α角的方向进入中空圆柱体内，形成旋转气流，就迎风方向另半侧导风板而言，吹入的风向与导风板的夹角等于或大于α角，有的甚至大于90°角，当吹入风向与导风板夹角小于90°角部份导风板间所形成的风道可以有风进入，但夹角越大，导风板对风的进入阻力就越大，这些风也是以与半径交α角的方向进入中空圆柱体内，会形成旋转气流。对于吹入风向与导风板夹角大于90°角的一些风道而言，风不但不能进入，反而从里面排出，因此，使风力能进入中空圆柱体内的所占圆周弧度小于180°，它与交角α角大小相关，α角可以在15°到90°范围内选择。随着α角度数的逐渐增加，各风道的最小有效截面会逐渐缩小。由导风板围成一周所形成的各风道中，除了进风风道外，其余皆为排风风道。对于具体某一风道而言，是进风还是排风，要视风向而定。就各进风风道而言，每一风道的风力和风量各不相同的。为使导风板能将自然风按α角有效地导入中空圆柱体内，导风板必需要有足够的宽度，不仅能在改变风向时形成稳定的气流按α导入中空圆柱体内，而且可以阻止沿着其它方向吹来的风进入中空圆柱体内，导风板致少有一个最狭宽度，对某一具体笼形风能装置来说，相邻两导风板内侧处在中空圆柱体的圆周上，而外侧在相邻导风板内侧的半径方向延长线上，可以避免其它方向风力吹入而干扰α角方向进入的气流，(如图3所示，)当然导风板可适当加宽些，能吸纳较多的风量，但占用空间和耗用材料就较多些。导风板在改变自然风的过程中会产生风与导风板之间的摩擦阻力及风内部的内摩擦，以致产生涡流，在导风板的间距较小时，风内部的内摩擦会降低，但是对于某一具体的风能装置来说，必然会有较多的导风板数量，势必增加总的导风板与风的摩擦阻力，同时导风板本身都具有一定厚度，就会减少总的进风量，导风板的间距过大，不仅会增加风的内摩擦及涡流，还会降低导风板的导向功能，因而导风板的间距也要适当。实际上间距大小与导风板宽度和导风板与半径方向交角α角三者必须综合考虑，首先保证能在中空圆体内产生单向旋转气流，其次是尽可能减少对风形成的阻力，再次为尽可能节省材料和保证结构的强度和刚度。除风力作用需要导风板有一定的强度和刚度外，如结合建筑物同时作为承重或抗剪切力等构件，这些导风板可以是砖砌、钢筋混凝土或金属材料做成，其余的仍用常用材料，如玻璃、塑料、木板或金属材料均可。由于某些原因会造成导风板间距和宽度不同以及α角也有差异。如果某些地区偶尔有强风等会损坏叶轮的天气，则需考虑部份导风板间风道能予以关闭。至于导风板围成的中空圆柱体顶部圆周和底部圆周可以相同，也可以不同。中空圆柱体两端可以是封闭的，能避免外界气流从端部来干扰旋转气流，但也可以是不封闭。笼形风能装置可以单独安装使用，也可以多个叠加在一起，装在塔形建筑内。至于导风板外周形状，一般为圆柱形，但是如果建造在别的建筑物上，为协调其外形，则外周可以是方形、长方形、椭圆形或其它形状。导风板本身的形状可以平面或曲面或平面与曲面的结合，比较理想的是横截面做成流线形，既可减少风阻，也可减少噪声，但造价稍贵，要由设计者决定。
在风能利用设备中普遍地采用叶轮，在不同类型的设备中，叶轮的结构和形状有所不同，本实用新型中的叶轮也类似其它风机中的叶轮，叶轮由轮轴和叶片两个主要部件组成，叶轮的基本形状和结构如
图1中2所示，叶轮轴和叶片都是竖立的，虽然叶轮处在旋转气流之中，但是叶片的形状是直片，前倾或后倾，弯片是前弯或后弯，都与风的推力和空气阻力相关，也和导风板与半径方向交角α角相关。在中空圆柱体的进风区域的旋转气流推动下，需要一定数量的叶片，但是每片叶片在旋转过程中都会受到空气阻力，因此叶片数量要适当，
图1中仅画了六片叶片，实际装置中的叶片数量要视设计而定。受风力推动的叶片面积大小决定能输出风能的大小，除叶片数量要适当外，单片叶片的面积应尽可能大些，不过当叶轮外径较大，而叶片又较宽时，叶片外周速度比内周速度大得多，因而外周速度与风速差值较小，但外周受到的风力比内周多，外周比内周作出的力矩也大得多，而内周的风力还会受至背后叶片的阻挡，因此叶片的宽度也要适当，叶轮的高度也与叶片面积大小有关，为了便于安装、维修、保养，叶片高度也要适当，单片叶片面积一般可做几个平方米，如果材料与空间允许，则可做成十几平方米或几十平方米。如有较高的受风空间，则也可做成重叠多个装置来实施。基于相邻的导风板所引成的各风道进入的风量的风压有所不同，为使叶轮输出功率稳定，使叶片面较狭，叶片量较多，叶片倾斜角度与导风板与半径方向交角α角相适应的方式，叶片的长度是整根的或分段的，也可考虑使用阶梯形叶片，或螺旋形叶片。叶片与叶轮轴有交角时，受风力和空气阻力作用，会使轮轴受到轴向附加力。同时叶片设计与导风板与半径方向的交角α角的因素也需考虑。
本实用新型笼形风能装置科学合理，结构紧凑，风能利用率高，使用寿命长，安全可靠，制造，安装，维护保养都很方便，如将发电机与叶轮轮轴相连结，以电能形式向外界输出电力，可适合多种场合使用。如做成单件在直径6米上下，高度2至4米左右几个不同规格的系列产品，可以整体搬运到目的地后即可使用，也可拆成几个部件或散件，到目的地后组装使用。
本实用新型笼形风能装置可以在偏僻地区、山区、海岛上用来发电，省却漫长的输变电设备。如在灯塔中结合塔身结构，建造本实用新型装置，可终年供给灯塔所需之能源。如果在城市高楼顶部建造本实用新型装置，可确保本楼部份电源，如果有足够的装机容量，可解决本楼全部电源，不受外界电网影响。结合巨型风力发电机建造在其塔身内，更能提高其发电总量。
权利要求1.一种笼形风能装置，有一个竖立的可以旋转的叶轮，其特征是由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成的中空圆柱体将叶轮围在中间。
2.根据权利要求1所述的笼形风能装置，其特征是导风板与半径方向的适当交角可以在15°至90°之间选择。
3.根据权利要求1所述的笼形风能装置，其特征是结合导风板与半径方向有适当交角的设计，相邻两片导风板的间距也要适当和导风板的宽度也要相应适当，使之三者综合考虑，能使任何风向的风力能直接的或经导风板导向后沿设计的交角方向进入中空圆柱体内，使之转变成单向旋转气流，而其它方向的风不能直接吹入中空圆柱体内。
4.根据权利要求1所述的笼形风能装置，其特征是由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成的中空圆柱体上端直径与下端直径可以是相同的，也可以是不同的。
专利摘要本实用新型笼形风能装置，属于一种风能利用设备，由一组与半径方向有适当交角的竖立导风板围成中空圆柱体和圆柱体内有一可转动的叶轮所组成，其特点为任何风向的风力，经导风板作用后，将原本吹向叶轮两侧等量的天然风转变成在中空圆柱体内的单向旋转气流，驱动叶轮动，输出电能，无论风向如何变化，只要风力相同，形成旋转气流的强度也相同，输出的能量也相同，并具有结构紧凑，风能利用率高，安全可靠，建造方便，维护保养方便，适合于在各种类型的地区及不同场合中建造和使用，建造于城市高楼顶部，可解决楼内部份或全部用电，不受外界电网影响，用于偏僻的山区、海岛、乡村等，省却漫长的输变电设施。
文档编号F03D11/04GK2799888SQ20052003894
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者柳和圭 申请人:柳和圭