太阳能风力机.pdf

本发明的目的是：采用适当方法，制成既能接收太阳能，又能接收风能的机器，当可利用太阳能时收集太阳能发电，不能利用太阳能而有风能时利用风力发电，这样既解决了曲面聚焦太阳能收集器怕风刮的问题，又大部分解决了单独太阳能、风能发电间歇时间的供电问题即贮能问题，从而实现了两能互补。利用两能的机器用的是同一支架，同一发电机，同一集能器，可以大大降低成本，在有丰富太阳能和风能资源地区，使用此种机器发电的成本可以低于或相当于常规能源发电，同常规能源竞争，为大规模利用太阳能和风能开拓出现实的、具有良好效益的途径。

发明内容：本发明有三种类型，多种形式，下面分别予以叙述。

第一类，点聚焦的抛物反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机。

此种机器用点聚焦的抛物反射镜收集太阳能，可以有一个，也可以有两个或三、四个。反射镜的焦点设置太阳光接收器，内容介质（硅油，液钠等或直接以水为介质）有几个反射镜即有几个焦点，也就有几个阳光接收器，接收器与接收器之间有导管相通，以使介质互通。加热的介质通入一个共用的热交换器，如果是直接加热工作介质（如水）则高压蒸汽有一
个共同的喷口，推动着一个汽轮机带动工作机工作或发电机发电。这种太阳能风力机可以有多种形式，主要的利用风能效率较高的有以下几种：

一固定抛物反射镜-D叶轮风机互变的太阳能风力机（参见附图1）图面说明：

图a：1，2D叶片;3，4焦点锅炉（阳光接收器）5，6导管;7，8支架并导管;9跟踪机构、转轴（互变的）10安置发电机、空气压缩机处;11支架钢筒兼耐高压贮气筒;12，13固定钢索;14固定钢索兼扶梯，供人上去维修机器用;15，16反射镜;17，18，19，20旋转反射镜轴（变角度）21固定架（背后支架未反映）B图，变为风机，起动或失速时反射镜所处的情形，这时起动力矩大，适于起动或失速时调节恢复正常转速，风速低于额定风速时也用此形式，这时也带动发电机发电。图中：1，旋转轴2，3反射镜;4，5两个D叶片。

图C，在风机高速旋转时反射镜所变风机的情形，这样安置可便于风机D叶轮作高速转动，因为减少了正面迎风的面积。图中：1风机转轴，2，3反射镜所变风机叶片，4，5D叶片，7，8反射镜角度转变机构。

这里的反射镜转动角度只是示意，并非产生最大千力的角度。

这种太阳能风力机是用两个抛物反射镜来接收太阳能的，两个反射镜（15、16）有架子相连，（21，7，8，背后的未反映）用以固定反射镜和风机的D叶片，架子也是风机的翼臂，在利用太阳能时通过设在支架顶端的跟踪机构（9）实现双轴自动跟踪太阳，跟踪太阳的双轴设置在风机转轴上，也可以就用跟踪双轴的一个轴作为风机转轴，转轴的下边安置发电机和空气压缩机（10），在太阳能峰值或风机在风力超过额定风速时把多余动力传给空气压缩机，压缩空气于耐高压贮气钢筒（11）中，耐高压贮气钢筒也是支架钢筒，支架用固定拉索固定，支持整个太阳能风力机系统。

在不能用太阳能或太阳能、风能不足时由耐高压贮气钢筒喷出高压空气，推动汽轮机带动发电机发电。

反射镜的背面要尽量光滑以减小风的阻力，为此可以把固定梁部分设置在镜内，可以使梁的面与反射镜面平行，在上面贴反光材料，这样就不会减少反光面积。

在反射镜的外面设D叶片向两边叉开，这样可在不增加支架高度和宽度，不消耗很多材料的情况下，增大风机的功率。如果不设D叶片只是两个反射镜其中一个旋转180°也可变成风机，不过这种风机是阻力型的，效率较低，转速也较低，后面将单独介绍。

每一个反射镜都是单独固定的，弦面有数条拉索，中间有支轴（图中未表现）反射镜只是反射太阳光于焦点锅炉，并不与锅炉连接，反射镜转动时也不碰锅炉其它部位，反射镜是由17、18、19、20四个转轴相连，必要时可以和转轴相连固定，但这种固定在反射镜变为风机叶片时就解除，以免影响互变，这一点在图中没有表示。当变风机时，两个反射镜中的一个旋转180°成B图所示形状，这样风机起动力矩大便于起动，起动后两反射镜在转动机构（17、18、19、20）作用下转变成图C形式，这样可以减少迎风面积，减小阻力，便于风机高速运动，符合D叶轮的性质。这种风机的效率较高，一般在40%左右，且起动力矩较大，抗失速性能好，加D叶片投资较低而效能较高。

支持整个太阳能风力机的钢筒支架由三个钢索固定，其中一个可做成扶梯供人上去维修机器用，在支架的底部设控制和贮        用以操纵机器和贮存电能。

风机在过大风速时的停机可调反射镜的角度控制。

反射镜、太阳能发电系统和风机叶片等同一般抛物反射镜：太阳能利用系统和一般风机。在由风机变为太阳能接收机时，反射镜转回固定，然后变
竖轴转动为双轴自动跟踪太阳，接收太阳能，这时D叶片随同反射镜一起运动。由于D叶片本身并不十分重，不会跟踪带来困难。D叶片是活动的，固定于架子上。

第二种，固定抛物反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机。

这种机器可以有两个反射镜，也可以有三个。反射镜之间有导管相通，介质可以是硅油，液钠，加热介质后再通过换热器传给水等工作介质。也可以直接加热水等介质，推动汽轮机发电或工作机工作。跟踪太阳时几个反射镜是整体跟踪的，附图2反映了这种机器的工作原理。

图A是两反射镜相同方向接收太阳能时的示意图，图B是变为风机时的示意图。变为风机时一个反射镜转动180°形成两反射镜方向相反，利用凸面和凹面迎风时的阻力差产生的转矩来使风机转动，带动发电机发电。此太阳能风力机的其它系统同第一种太阳能风力机。这种机器的效率一般为20左右。

附图2的图面说明：A图，1、2焦点阳光接收器;3、4导管;5、6反射镜;7、8、9、10支架;11跟踪双轴和风机转轴;12发电机，空气压缩机;13、14旋转机构（带动反射镜）15支撑杆;16支架钢筒兼耐高压贮气钢筒;17固定钢索兼扶梯;18、19固定拉索;20反射镜拉索;21卡住机构（用以固定反射镜）22卡住机构，作用同21。B图标记同A图。

其它形式的点聚焦抛物反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机有三个固定反射镜的，这种机器和两个反射镜的不同只在于每一个反射镜是以翼臂为轴转动180°形成立轴式风机。其它和两个反射镜的太阳能风力机大致相同。还有把一个反射镜分为两半外加D叶片的太阳能风力机。这种太阳能风力机同两固定反射镜-D叶轮风机互变的太阳能风力机原理基本相同，故不详述。

固定抛物反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机的反射镜应是近半圆型的，否则其效率将会降低。

第二类：抛物柱型反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机，这一类分为三种。

第一种，（总第三种）抛物柱型反射镜-立轴式风机互变的太阳能风力机。

参见附图3，附图3图面说明：图A，1，风机转轴;2，3是两个抛物柱型反射镜;4、5是焦点处的阳光接收器;6、7是连接焦点接收器的两个导管;8、9、10、11支架12、13固定拉索;14固定拉索兼扶梯;15支架底座也可设控制贮电室。

图B是反射镜旋转一定角度形成风机时叶片形式示意图。图中：1，转轴;2、3反射镜。

这种太阳能风力机设两个抛物柱型反射镜图中2、3，当利用太阳能时两反射镜方向相同，通过跟踪旋转轴（1）实现双轴跟踪太阳接收太阳能，反射镜的焦点设置接收器（4、5）接收器可是太阳电池（直接聚光发电）也可以里面容介质进行热发电。通过导管（6、7）将介质导入热交换器或直接推动工作机（图中未表示）这是热发电，如果是太阳电池直接发电，电池里面导管就可以输入水（电池包着导管）用以冷却，也可以加热低温介质发电。其它部分同前面第一类第一种太阳能风力机，这里就不必重述了。

这种机器的反射镜曲面应大一些，否则，风机效率将很低，这种机器的效率相当于S型风机。

如果要让风机转的快一些，效率高一些，可以把两反射镜旋转一定角度如B图，这样可加大速比提高效率。不过这样机构就复杂一点。实现这种转变的机构是简单易行的，这里不必详述。总之，B图表示的这种机器形式同A图可视为一种，差别只是反射镜安放的角度不同。

第二种（总第四种）抛物柱型反射镜-（H型）D叶轮风机互变的太阳能风力机（参见附图4）

附图4图面说明：1，跟踪旋转轴;2、3反射镜;4、5反射镜盖（固定的，里面盖着焦点的收集器）6、7、8、9是反射镜开闭旋转机构;10、11、12、13卡住机构，起固定反射镜片的作用，当变风机为反射镜时松开，在旋转机构作用下反射镜回复原位，也有卡舌固定（图中未反映）14，旋转轴，由反射镜变为风机时此轴转180°成两反射镜相反方向，然后两反射镜闭合成D叶片。由风机变反射镜时再转回180°固定即可。15、16导管;17发电机，空气压缩机;18、19、20固定拉索;21支架钢筒，22支座（也可以是控制和储电室）;23、24、25、26支架。

这种太阳能风力机的抛物柱型反射镜分为相等的两半中间设轴（6、7、8、9），两半反射镜绕轴可以开合，接收太阳能时两个反射镜同向，在跟踪机构的作用下双轴跟踪太阳。反射镜的焦点安装太阳能接收器。由于此种反射镜聚光度较小故不能做高温热发电，只能做中、低温发电和聚光太阳电池发电，以太阳电池发电为好。如做太阳电池发电，可把接收器制成金属圆筒，外包太阳电池里面是管道，用泵打入传热介质水以降低温度。同时，加热的水可做日常生活用水，也可加热低温介质用来发电或提供动力。

当反射镜变为风机时通过旋转机构（14）使一面反射镜旋转180°两反射镜成相反方向，然后固定反射镜（图中未表示这一机构）在旋转机构作用下两反射镜闭合成D叶片，此时固定机构固定住两片反射镜，这就变成了风机，此时由双轴跟踪太阳变为绕竖轴转动带动发电机和工作机。当由风机变为反射镜接收太阳能时再转变回去即成。

并不是所有柱型抛物反射镜都可以合起来成为高效的D叶片。要想制的合起来符合D叶片叶型的反射镜必须先经过计算，选择适当焦距和宽度的反射镜。

实际上这种机器在其中一个反射镜旋转180°时就已经成为一种风机了，这种风机就是前一种固定抛物柱型反射镜-立轴式风机。如果风速较低达不到D叶轮起动速度而能使固定抛物柱型反射镜-立轴式风机转动的话，反射镜就不合起来，就这样使用了，因为这样可利用低速风能，当风大时反射镜再合上。如果合起来起动困难可先起动后闭合，风机失速时反射镜还可张开。

反射镜在闭合时恰好同预先设置的盖子合严，封住两头防止尘砂进入打击反射镜的反光材料和焦点的接收器，因此这种机器特别适合于大风沙地区使用。

第三种（总第五种）抛物柱型反射镜-D叶轮（外加D叶片简称a型）风机互变的太阳能风力机（参见附图5）。

附图5图面说明：A图是左右两半反射镜同向接收太阳能时的情形，1，跟踪双轴，转轴;2右边反射镜;3左边反射镜;4焦点接收器;5、6闭合轴;7、8左边反射镜变角度轴;9、10、11、12固定机构（互变时开启）;13焦点接收器;14，连通导管，接收器是相对固定不动的。

B图变为风机时反射镜所处情形示意图。图中：左半反射镜转了一定角度，右半反射镜成D叶片形状，这样两面反射镜都产生了推动风机旋转的力。

这种太阳能风力机同H型的区别在于反射镜的两端外加D叶片。反射镜分为两半，当变风机时右半反射镜通过中间的转轴合起来成D叶片形状，左边反射镜在旋转机构作用下旋转一定角度成B图形状，这样既可使两反
射镜都对叶轮旋转产生推力或升力。当然反射镜转动一定角度后要设机构固定，在起动和调速时可调节左边反射镜的角度。

第三类，水平轴旋翼式太阳能风力机

这种太阳能风力机的太阳能接收器是抛物柱型的，反射镜的具体形式可参见附图6。附图6示出了三个抛物柱型反射镜的太阳能风力机的原理。当接收太阳能时三个反射镜口面方向相同，且在一个平面内。变为风机是靠设在风机旋转轴上的三个轴（图中的1、2、3）旋转反射镜到一定角度（三个角度相同）然后变跟踪太阳为水平轴转动实现的。这种风机一般叶片数应在2至8之间（也是反射镜数），叶片采用线型渐变来使角度扭转，（扭转翼型效率高）可通过转轴的适当安置来获得，但只能接近螺旋桨式叶片，因此效率稍低一些。不过这种机器的互变是比较简单的，变成风机时可变上风向的，也可变为下风向的，这要根据设计要求而定。这种太阳能风力机适于制成中、小型的，太阳能发电方式以中温热发电或太阳电池聚光发电为宜，（聚光太阳电池发电也可以同时加热低温介质用于发电。）

以上是太阳能风力机的几种形式。

制造以上各种太阳能风力机并无什么技术上的困难，现有的制造技术即可解决。因此，本说明书不必叙述这些问题。太阳能风力机所要解决的一个共同问题是既能跟踪太阳（双轴跟踪）又能绕竖轴或水平轴转动，而实现这一变化也是容易的，且机构也较简单，普通机械设计人员都能解决，这里就不必详细叙述了。

值得说明的是太阳能风力机使用的发电机应采用经向多极磁化的锰铝磁铁转子发电机（日本专利《日本特许公报》昭-59～86    69）因为这种发电机不必配备变速机构。

本发明与现有技术相比所具有的优点和积极效果是：在太阳能和风能资源都较为丰富的地区使用太阳能风力机，一机用两能，实现了两能互补，大
部分解决了单独太阳能或风能发电的贮能问题，提高了单独太阳能发电或风能发电的产能力，大大降低了发电成本。从而使太阳能，风力发电同常规能源发电竞争，为解决偏远地区的生产和生活用能，节约常规能源开辟出一条现实可行的途径。

关于实现发明的最好方式，以上几种太阳能风力机性能各异，可以根据需要选择适用的机种，其中旋转抛物面适于做高温发电，而柱型抛物反射镜适合于中温发电或聚光太阳电池发电。前面所述的实现发明方式以第一类第一种和第二类第三种最好，由于前面均已详细叙述了，这里就不必重述了。

第二类第一、二种太阳能风力机所变形式的风机适于制成单一风机形式为海船航行提供动力。