一种简易高效的风车系统

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　　摘 要：一种简易高效的风车系统，这一款风车的设计理念来源于翻盖式垃圾箱和悉尼歌剧院，这款风车系统，结构简单、对支架要求低、向风性能优良、安全可靠、安装维修简便、风能利用率高。风车系统包括风轮、风轮壳、尾翼、垂直轴、支架和发电设备;风轮外包风轮壳，风能或水能直接在风叶面上产生正压力，使风叶带动垂直轴水平旋转，带动发电设备产生电能。此款风车有风能资源利用充分、设计简单便于实施、制造成本低、应用领域广泛，市场前景广阔的优点。
　　关键词：风车系统;风轮壳;垂直轴;简易高效
　　一种简易高效的风车系统，包括风轮、风轮壳、尾翼、垂直轴、支架和发电设备;风轮为贝壳型水平设置，外包风轮壳，风能或水能直接在风叶面上产生正压力，使风叶带动垂直轴水平旋转，带动发电设备产生电能;风轮壳为双贝壳型，风轮壳后安装尾翼，通过灵敏地捕捉风源来调节风轮壳对风轮的包裹范围，使风轮的风叶总是正对风向，逆风风叶总在风轮壳中。这款风车系统，结构简单、对支架要求低、向风性能优良、安全可靠、安装维修简便、风能利用率高。
　　在公共场所大多都有一种垃圾箱，上盖能翻转的，如果有风的情况下垃圾箱的上盖在风中会飞快的转了起来，让人们先想到的是这样是否安全，再想它为什么会这样转呢？分析上盖翻转的原理可能是这样的，因为为了使用方便和美观，翻盖一般设计为弧形，当风吹来时使翻盖上下出现压差，就像飞机翼一样，翻盖一端抬起，另一端在箱内，这样风就会直吹翻盖上端对翻盖上端产生正压力，另一端在箱内不受风力影响，翻盖就必然转动起来。这样的转动会不会还有更大的用处呢？如果把这种设计应用于风力发电场的风车设计是否可行呢？一般风力发电场的建设投入比较大，如果把这种设计应用于风力发电会不会节约大量的成本呢？
　　当前的风力发电的主流风力设施，与有着几百年历史的荷兰风车相比尽管渗透了很多的高科技但其本质上并没有多大变化，复杂的安装，笨拙的转向，尤其是如果想提高发电功率就得增大风叶翼展，就得长高风塔高度，就得提高风塔质量和制造成本。而这种装置用于产生推动力或产生风（如：飞机、直升飞机的螺旋桨、船只的后尾螺旋桨、电风扇等）是适宜的，用来发电会浪费很大一部分能量，就不要再说日后的维护了。而一些垂直轴风力机由于技术难度高、结构复杂、风能利用率低、发电量小，也影响了垂直轴风力机的发展。
　　这一款风车的设计理念来源于这种垃圾箱和悉尼歌剧院，风车有三个或四个翼就必然有翼在箱（相当于风轮壳）外，那么风轮的起动就很容易了，把箱体设计成流线形（贝壳式）箱体对风的抗阻就很小了，对其支撑塔架的要求就低了成本就小了，风在翼上产生的能量只转化成电能，很少有其他能耗也就是没有其他抗阻，风叶设计成贝壳式是为了增大风叶的强度，便于受风，有点像悉尼歌剧院的穹顶，如果把这种装置建的和悉尼歌剧院的规模相仿，这种装置会产生多少电能呢？通过制作简易模型试验效果很好。
　　这种简易高效的风车系统，克服了现有技术中寻风变向困难，迎风力大，对支架技术要求高，风能利用率低的缺陷。并能大幅度降低各项成本。
　　风车系统包括风轮、风轮壳、尾翼、垂直轴、支架和发电设备;风轮主要为水平设置，外包风轮壳，风能或水能直接在风叶面上产生正压力，使风叶带动垂直轴水平旋转，带动发电设备产生电能;风轮壳后安装尾翼，通过灵敏地捕捉风源来调节风轮壳对风轮的包裹范围，使风轮的风叶总是正对风向，逆风风叶总在风轮壳中。风轮大小可因地制宜，支架高度可调节，适宜风电向大型、巨型化、集中化方向发展。
　　这款风车对技术要求不高，由于垂直轴两端采用圆锥轴承所以运转时无噪声，既节约了源材料又对风电区的环境影响小，风能利用率高。可实现一支架装多风车、一风车带多电机，并可在同一地点高密度安装，便于风能集中开发。
　　就此款风车的发展前景来看有以下优点：
　　（1）风能资源利用充分。无论何种形式的水平轴发电机，其推动风轮旋转的只是风的一个分力，而另一个分力仍然具有很大的能量，是造成提高风电塔强度的重要因素，其它垂直轴原理相仿。这款风车的设计利用的是风的正压力，也就是风作用于风叶上的全部力量，而这一能量通过垂直地轴完全传递给了发电机，对风电塔的作用力很小。
　　（2）设计简单便于实施。由于其应用原理简单所以其设计及结构简单，便于实施，由于其设计为贝壳式无抗阻设计，所以在整机有效利用风能的前提下，又巧妙地使整机避开了风的力量，这样就避免了普通风电场选址技术难度大，风机间互相影响大的缺点，便于风能的集中开发。其灵活的风轮壳的自然的寻风变向设计使得现代的水平轴风机的高科技寻风变向技术可以不值一提了。普通的水平轴风机的电机在发电机的顶部，无论是电机的设计、安装、维护都是极具高技术水平的事情，而且要想提高装机容量就得加长风叶，就得升高风塔高度，这些都是具有高技术含量的工作。而这款设计的风轮在发电机顶部，根据设计几乎可以是免维护的，电机在下方接收垂直轴传递的能量，这样可以給电机设计者以巨大的设计空间，如：变向、调速、控制等设备，甚至可以使这一设计变成全天候风力发电装置。
　　（3）制造成本低。现代的水平轴有着极其复杂的设计，这款设计避免了这些，并且垂直轴设计将电机放在了下方、贝壳式无抗阻设计都使建造成本大大下降，结构强度大大提高，能量的利用率大大提高了。
　　（4）应用领域广泛，市场前景广阔。除具备普通风力发电机的功用外，由于其结构简单、成本低、风能利用率高，很多边缘山区、沙漠地带、沿海地区的电力供应很有可能依靠这种装置解决。由于其无抗阻设计可以使城市的楼顶充分利用起来，变成一个个小发电厂，而对楼体毫无影响。还有一些小型的风力发电设备也可以应用这一设计。而这一设计并不只应用于风力还可以应用于水流，比如：临时的水力发电的应用;如果要建设海洋水下基地完全可以用这种装置利用洋流为其提供能源。所以该设计具有极大的市场潜力，也正符合当前的新能源开发。
　　作者简介：韩振海（1967-），男，中小学一级教师，河北省黄骅市南排河镇歧口小学科学课教师。
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