一種簡易高效的風車系統(tǒng)

摘?要：一種簡易高效的風車系統(tǒng)，這一款風車的設計理念來源于翻蓋式垃圾箱和悉尼歌劇院，這款風車系統(tǒng)，結構簡單、對支架要求低、向風性能優(yōu)良、安全可靠、安裝維修簡便、風能利用率高。風車系統(tǒng)包括風輪、風輪殼、尾翼、垂直軸、支架和發(fā)電設備;風輪外包風輪殼，風能或水能直接在風葉面上產生正壓力，使風葉帶動垂直軸水平旋轉，帶動發(fā)電設備產生電能。此款風車有風能資源利用充分、設計簡單便于實施、制造成本低、應用領域廣泛，市場前景廣闊的優(yōu)點。

關鍵詞：風車系統(tǒng);風輪殼;垂直軸;簡易高效

一種簡易高效的風車系統(tǒng)，包括風輪、風輪殼、尾翼、垂直軸、支架和發(fā)電設備;風輪為貝殼型水平設置，外包風輪殼，風能或水能直接在風葉面上產生正壓力，使風葉帶動垂直軸水平旋轉，帶動發(fā)電設備產生電能;風輪殼為雙貝殼型，風輪殼后安裝尾翼，通過靈敏地捕捉風源來調節(jié)風輪殼對風輪的包裹范圍，使風輪的風葉總是正對風向，逆風風葉總在風輪殼中。這款風車系統(tǒng)，結構簡單、對支架要求低、向風性能優(yōu)良、安全可靠、安裝維修簡便、風能利用率高。

在公共場所大多都有一種垃圾箱，上蓋能翻轉的，如果有風的情況下垃圾箱的上蓋在風中會飛快的轉了起來，讓人們先想到的是這樣是否安全，再想它為什么會這樣轉呢？分析上蓋翻轉的原理可能是這樣的，因為為了使用方便和美觀，翻蓋一般設計為弧形，當風吹來時使翻蓋上下出現(xiàn)壓差，就像飛機翼一樣，翻蓋一端抬起，另一端在箱內，這樣風就會直吹翻蓋上端對翻蓋上端產生正壓力，另一端在箱內不受風力影響，翻蓋就必然轉動起來。這樣的轉動會不會還有更大的用處呢？如果把這種設計應用于風力發(fā)電場的風車設計是否可行呢？一般風力發(fā)電場的建設投入比較大，如果把這種設計應用于風力發(fā)電會不會節(jié)約大量的成本呢？

當前的風力發(fā)電的主流風力設施，與有著幾百年歷史的荷蘭風車相比盡管滲透了很多的高科技但其本質上并沒有多大變化，復雜的安裝，笨拙的轉向，尤其是如果想提高發(fā)電功率就得增大風葉翼展，就得長高風塔高度，就得提高風塔質量和制造成本。而這種裝置用于產生推動力或產生風（如：飛機、直升飛機的螺旋槳、船只的后尾螺旋槳、電風扇等）是適宜的，用來發(fā)電會浪費很大一部分能量，就不要再說日后的維護了。而一些垂直軸風力機由于技術難度高、結構復雜、風能利用率低、發(fā)電量小，也影響了垂直軸風力機的發(fā)展。

這一款風車的設計理念來源于這種垃圾箱和悉尼歌劇院，風車有三個或四個翼就必然有翼在箱（相當于風輪殼）外，那么風輪的起動就很容易了，把箱體設計成流線形（貝殼式）箱體對風的抗阻就很小了，對其支撐塔架的要求就低了成本就小了，風在翼上產生的能量只轉化成電能，很少有其他能耗也就是沒有其他抗阻，風葉設計成貝殼式是為了增大風葉的強度，便于受風，有點像悉尼歌劇院的穹頂，如果把這種裝置建的和悉尼歌劇院的規(guī)模相仿，這種裝置會產生多少電能呢？通過制作簡易模型試驗效果很好。

這種簡易高效的風車系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有技術中尋風變向困難，迎風力大，對支架技術要求高，風能利用率低的缺陷。并能大幅度降低各項成本。

風車系統(tǒng)包括風輪、風輪殼、尾翼、垂直軸、支架和發(fā)電設備;風輪主要為水平設置，外包風輪殼，風能或水能直接在風葉面上產生正壓力，使風葉帶動垂直軸水平旋轉，帶動發(fā)電設備產生電能;風輪殼后安裝尾翼，通過靈敏地捕捉風源來調節(jié)風輪殼對風輪的包裹范圍，使風輪的風葉總是正對風向，逆風風葉總在風輪殼中。風輪大小可因地制宜，支架高度可調節(jié)，適宜風電向大型、巨型化、集中化方向發(fā)展。

這款風車對技術要求不高，由于垂直軸兩端采用圓錐軸承所以運轉時無噪聲，既節(jié)約了源材料又對風電區(qū)的環(huán)境影響小，風能利用率高。可實現(xiàn)一支架裝多風車、一風車帶多電機，并可在同一地點高密度安裝，便于風能集中開發(fā)。

就此款風車的發(fā)展前景來看有以下優(yōu)點：

（1）風能資源利用充分。無論何種形式的水平軸發(fā)電機，其推動風輪旋轉的只是風的一個分力，而另一個分力仍然具有很大的能量，是造成提高風電塔強度的重要因素，其它垂直軸原理相仿。這款風車的設計利用的是風的正壓力，也就是風作用于風葉上的全部力量，而這一能量通過垂直地軸完全傳遞給了發(fā)電機，對風電塔的作用力很小。

（2）設計簡單便于實施。由于其應用原理簡單所以其設計及結構簡單，便于實施，由于其設計為貝殼式無抗阻設計，所以在整機有效利用風能的前提下，又巧妙地使整機避開了風的力量，這樣就避免了普通風電場選址技術難度大，風機間互相影響大的缺點，便于風能的集中開發(fā)。其靈活的風輪殼的自然的尋風變向設計使得現(xiàn)代的水平軸風機的高科技尋風變向技術可以不值一提了。普通的水平軸風機的電機在發(fā)電機的頂部，無論是電機的設計、安裝、維護都是極具高技術水平的事情，而且要想提高裝機容量就得加長風葉，就得升高風塔高度，這些都是具有高技術含量的工作。而這款設計的風輪在發(fā)電機頂部，根據設計幾乎可以是免維護的，電機在下方接收垂直軸傳遞的能量，這樣可以給電機設計者以巨大的設計空間，如：變向、調速、控制等設備，甚至可以使這一設計變成全天候風力發(fā)電裝置。

（3）制造成本低。現(xiàn)代的水平軸有著極其復雜的設計，這款設計避免了這些，并且垂直軸設計將電機放在了下方、貝殼式無抗阻設計都使建造成本大大下降，結構強度大大提高，能量的利用率大大提高了。

（4）應用領域廣泛，市場前景廣闊。除具備普通風力發(fā)電機的功用外，由于其結構簡單、成本低、風能利用率高，很多邊緣山區(qū)、沙漠地帶、沿海地區(qū)的電力供應很有可能依靠這種裝置解決。由于其無抗阻設計可以使城市的樓頂充分利用起來，變成一個個小發(fā)電廠，而對樓體毫無影響。還有一些小型的風力發(fā)電設備也可以應用這一設計。而這一設計并不只應用于風力還可以應用于水流，比如：臨時的水力發(fā)電的應用;如果要建設海洋水下基地完全可以用這種裝置利用洋流為其提供能源。所以該設計具有極大的市場潛力，也正符合當前的新能源開發(fā)。

作者簡介：韓振海（1967-），男，中小學一級教師，河北省黃驊市南排河鎮(zhèn)歧口小學科學課教師。