專利名稱：一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法
一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)但力韻主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)龜方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種能量轉(zhuǎn)換的方法，具體地講是一種把人工主動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成的流 體動(dòng)能如風(fēng)能或水體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或電能的方法。
背景技術(shù)：
能源問題己經(jīng)成為當(dāng)前全球性的何題。為了解決能源和由生產(chǎn)能源造成的環(huán) 境問題，人類不斷開發(fā)利用了各種可再生能源，如風(fēng)能、水體動(dòng)能(如潮汐能 和被浪能)等。目前利用風(fēng)力發(fā)電都是把風(fēng)方機(jī)組面定于塔架上，然后等待自然形成的風(fēng)吹 過風(fēng)力機(jī)組而發(fā)電，這是一種典型的被動(dòng)式的風(fēng)能利用方式。目前利用水體動(dòng)能如潮汐、波浪發(fā)電也是把發(fā)電機(jī)組樹定于水體中，等待自 然形成的潮汐、波浪流過發(fā)龜機(jī)組而發(fā)電，這也是一種典型的被動(dòng)式的水體動(dòng) 能利用方式。顯然，在自然條件下，近地表面上形成的可利用的風(fēng)能一般流速較低，5米/ 秒到16米/秒的風(fēng)速是后前風(fēng)力機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)風(fēng)速，這樣的風(fēng)速不僅在地表分布 不多，而且由于風(fēng)速低而使單位功率的設(shè)備造價(jià)高，最終使風(fēng)電的成本較高。 同理，地表上的水體動(dòng)能也存在流速低而使單位功率韻設(shè)備造價(jià)高韻何題，最 終使水流動(dòng)能發(fā)電的成本也較高。當(dāng)把風(fēng)力機(jī)安裝在運(yùn)載體上并在流體中通過人工產(chǎn)生主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對運(yùn)動(dòng) 形成的流體動(dòng)能可以通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并可以通過發(fā)電機(jī)再轉(zhuǎn)化成電 能等人類生活所需的能量形式，從而克服了目前利用流體動(dòng)能(風(fēng)能和水體動(dòng) 能)的被動(dòng)等待的缺點(diǎn)。但人工主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對，如果以目前常規(guī)的方式進(jìn)行流體 動(dòng)能發(fā)電，則風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功的詞時(shí)會(huì)產(chǎn)生與主動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向相反韻組力。因 此，如果不能將這個(gè)膽力降低，則由于推動(dòng)運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)需要消耗能量以及風(fēng)力 機(jī)的效率不高而浪費(fèi)的流體動(dòng)能，會(huì)使投入的能量大于產(chǎn)出的有用能量，從而無法發(fā)揮主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法的優(yōu)勢。 發(fā)明內(nèi)容為了克服目前利用風(fēng)能或水體動(dòng)能所存在的被動(dòng)問題以及主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電 方法存在的組力問題，本發(fā)明提供了一種降低運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法。 本發(fā)明的目的是通過降低主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的阻力從而使主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法成為一種 實(shí)用的發(fā)電方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是把風(fēng)電機(jī)組安裝在可以運(yùn)動(dòng)的運(yùn)載體上，運(yùn)載體攜帶 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以一定的速度在流體中運(yùn)動(dòng)，流體形成相對運(yùn)動(dòng)并作用于風(fēng)力機(jī)， 使流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，其特征在于 通過以下方式降低運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)阻力-(l)對于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)方式一讓原來與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向完全相反的運(yùn)動(dòng)流體流過彎曲管道而改變方 向，使最終流向風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)流體的速度具有與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相同的分速度， 當(dāng)最終流向風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)流體的方向與運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)方向完全相同時(shí)該分速度 取得最大值該分速度作用于風(fēng)力機(jī)后將產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相同的分 力，該分力可以作為運(yùn)載體向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，等同于降低了運(yùn)載體向前運(yùn)動(dòng)的 阻力，從而起到降低運(yùn)動(dòng)阻力的作用；當(dāng)最終流向風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)流體的方向與 運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)方向完全相同時(shí)該分力取得最大值，即原來的阻力全部變成了動(dòng) 力。所述的彎曲管道和風(fēng)力機(jī)均安裝在具有很小風(fēng)阻系數(shù)的流線型的外殼里面， 外殼固定于運(yùn)載體上，外殼的前面開有引風(fēng)口，后面開有排風(fēng)口。為了描述的 方便，這里對下列名稱進(jìn)行定義逆流裝置指安裝在運(yùn)載體上并且其內(nèi)部有彎曲管道的流線型殼狀物，其前 面有引風(fēng)口，后面有排風(fēng)口，其作用是把來流的方向改變，從而成為含有與來 流方向相反的分速度的流體。顧流型風(fēng)力機(jī)通過主動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成的與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相反的來流直接流過 旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)，這種旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)稱為順流型風(fēng)力機(jī)，其特點(diǎn)是作功過程能形 成與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力；逆流型風(fēng)力機(jī)通過主動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成的與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相反的來流首先通過 逆流裝置改變方向而成為含有與來流方向相反的分速度的流體然后再流過旋轉(zhuǎn) 式風(fēng)力機(jī)，這種旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)稱為逆流型風(fēng)力機(jī)，逆流型風(fēng)力機(jī)安裝在逆流裝 置中，其特點(diǎn)是作功過程能形成與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相同的動(dòng)力。根據(jù)這些定義，方式一可以描述為把逆流型風(fēng)力機(jī)安裝在運(yùn)載體上的逆流 裝置中，運(yùn)載體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成的來流首先通過逆流裝置中的彎曲管道改變方向而成為含有與來流方向相反的分速度的流體，然后再流過逆流型風(fēng)力機(jī)。本方 式的實(shí)質(zhì)是在運(yùn)載體上只裝載逆流型風(fēng)力機(jī)，而沒有順流型風(fēng)力機(jī)。方式二在運(yùn)載體上同時(shí)安裝順流型風(fēng)力機(jī)和逆流型風(fēng)力機(jī)。當(dāng)流過逆流型 風(fēng)力機(jī)的流體的方向與來流完全相反時(shí)，原來的阻力全部成為運(yùn)載體前進(jìn)的動(dòng) 力，可以與順流型風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的阻力部分或全部抵消，同樣起到降低運(yùn)動(dòng)阻力 的作用。方式三在運(yùn)載體上安裝順流型風(fēng)力機(jī)和/或逆流型風(fēng)力機(jī)的同時(shí)，再在運(yùn)載 體上安裝蒸汽輪機(jī)和/或燃?xì)廨啓C(jī)。蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)在氣體作功的過程中同 樣會(huì)產(chǎn)生軸向推力，當(dāng)氣體作功時(shí)的流向與運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，其產(chǎn)生的 軸向推力與運(yùn)動(dòng)方向相同，可以抵消風(fēng)力機(jī)及逆流裝置產(chǎn)生的阻力，從而起到降低運(yùn)動(dòng)阻力的作用。(2)對于平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)在運(yùn)載體上安裝運(yùn)動(dòng)方向相反的平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)，則它 們產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)阻力會(huì)相互抵消，從而起到降低運(yùn)動(dòng)阻力的作用。另外，可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)和平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)降低阻力的原理，在運(yùn)載體上 可以同時(shí)安裝旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)和平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)，只要它們的安裝得當(dāng)，同樣可以 降低運(yùn)動(dòng)阻力。所述的風(fēng)力機(jī)泛指能把流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，形式有多種多 樣，如槳葉型、渦輪型等。所述的流體除包含自然存在的空氣、水體外，還包含其他的流體如非空氣型 氣體、非水型液體等。本發(fā)明所述的發(fā)電方法，由于采用主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的方法和能降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力 的安裝和布置方式，可以使產(chǎn)出的電力大于推動(dòng)運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)所投入的電力，是 一種可以實(shí)用的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法。附圉說明

圖1為逆流型風(fēng)力機(jī)組的側(cè)視圖，其中1逆流裝置，2渦輪式逆流型風(fēng)力機(jī) 組，3運(yùn)載體，4引風(fēng)口， 5彎曲管道，6出風(fēng)口， 7支架，8路面 圖2為平動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組的側(cè)視3為平動(dòng)式風(fēng)電機(jī)組的正視圖，其中9滑桿，IO向下運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼，11向 上運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼，12運(yùn)載體，13軌道，14向下運(yùn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，15向上運(yùn)動(dòng)的發(fā) 電機(jī)。
具體實(shí)施方式
F面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)萌做進(jìn)一步的說明。 實(shí)施例如圖1所示，把逆流裝置(1)通過支架(7)固定在運(yùn)載體(3)上，運(yùn)載 體(3)在路面(8)上以速度v前進(jìn)，通過逆流裝置的引風(fēng)口 (4)把相對運(yùn)動(dòng) 形成的風(fēng)引入逆流裝置中，再通過彎曲管道(5)改變方向，最后以與運(yùn)載體(3) 運(yùn)動(dòng)方向相同的方向吹向渦輪式逆流型風(fēng)力機(jī)組(2)，空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能， 作功后的空氣從出風(fēng)口 (6)排出。本例中風(fēng)力機(jī)作功時(shí)產(chǎn)生的軸向推力全部由 順流型風(fēng)力機(jī)時(shí)的阻力變成運(yùn)載體(3)前進(jìn)的動(dòng)力，從而大大降低了運(yùn)載體(3) 的前進(jìn)駔力。 實(shí)施例2如圖2和圖3所示，把滑桿(9)面定在運(yùn)載體U2)上，滑桿上有機(jī)翼滑 行的滑軌和發(fā)電機(jī)滑行的滑軌(該滑軌為齒輪型，與發(fā)電機(jī)的齒輪相齒合，用 于把機(jī)翼的直線運(yùn)動(dòng)變成發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))；把四個(gè)完全相同的按飛機(jī)翼型設(shè) 計(jì)的風(fēng)力機(jī)的機(jī)翼按方向相反的原則分兩組安裝在滑桿上，即向下運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼 (10)和向上運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼(11)，向下運(yùn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)(14)與向下運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼周 定，向上運(yùn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)(15)與向上運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼固定。運(yùn)載體(12)攜帶上述 設(shè)備在軌道(13)上以速度V前進(jìn)，則相對運(yùn)動(dòng)形成的風(fēng)流過機(jī)翼，使向下運(yùn) 動(dòng)的機(jī)翼拖動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)而發(fā)電，同對向上運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼拖動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)的 發(fā)電機(jī)而發(fā)電。由于逆向運(yùn)動(dòng)的風(fēng)電機(jī)組在作功的過程中施加在滑桿垂直方向 上韻力大小基本相等，但方向相反，基本相互抵消，即風(fēng)電機(jī)組作功過程中基 本沒有產(chǎn)生運(yùn)載體(12)運(yùn)動(dòng)的阻力，顯然大大降低了運(yùn)載體(12)運(yùn)動(dòng)的阻 力。下面對本實(shí)施例的產(chǎn)出投入做詳細(xì)的計(jì)算。運(yùn)載體(12)加上滑桿的重量為10噸，風(fēng)力機(jī)的機(jī)翼按NACA23012翼型制 作，面積為20平方米，重量為500Kg (由于速度比飛機(jī)的低得多，結(jié)構(gòu)材料從 省以降低重量)，從其極曲線圖中查得，其光潔型機(jī)翼最大升阻比對應(yīng)的升力系數(shù)d為1.1，阻力系數(shù)C2為O.OOS。電機(jī)的重量為50Kg。運(yùn)載體〈12)的前進(jìn)速度為40m/s,則每組機(jī)翼(含兩個(gè)機(jī)翼)的升力F廣2X0.5p Av Cf2X0.5X1.225X20X40X40Xl.l-43120 (N〉阻力F2=2X0.5 p Av2C2=2X0.5X 1.225 X 20X40 X 40X0.008=314 (N)風(fēng)電機(jī)組上下滑行的加速度取相同值，并且同時(shí)從垂直靜止?fàn)顟B(tài)開始加速滑行， 假設(shè)產(chǎn)生加速度的合力為升力的0.1倍，則加速度為a=0.1X43120+ (2X500+50) =4.1m/S2向上運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼用于作功的力為f,=43120— (2X500+50) X9.8 —0.1 X43120=28518 (N) 向下運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼用于作功的力為f2=43120+ (2X500+50) X9.8 —0.1 X43120=49098 (N) 由于6>&,通過滑桿產(chǎn)生的垂直作用于運(yùn)載體的力為 f3=f2—6=49098—28518=20580 (N)運(yùn)載體(12)在軌道上運(yùn)行的基本阻力按目前火車基本阻力的公式 w' =2.25+0.019v+0.00032V2 (N/KN)計(jì)算，艮卩=2.25+0.019v+0.00032v2=2.25+0.019 X 40+0.00032 X 40 X 40=3.52(N/KN) 則基本阻力為f4=Nw' =10X9.8X3.52+20580 + 1000X3.52=417 (N)機(jī)翼要達(dá)到恒速上下運(yùn)動(dòng)的條件是垂直面上受到的風(fēng)阻等于產(chǎn)生加速度的力 (合力為零)，此時(shí)機(jī)翼恒速垂直運(yùn)動(dòng)的速度V!可從下式求得0.1 X43120-2X0.5 P Av^C^XO.SX 1.225X20Xv^X 1.1即Vfl2.6m/s，顯然該速度與運(yùn)載體(12)運(yùn)動(dòng)的速度40m/s相比小得多，而 且上下風(fēng)電機(jī)組的垂直阻力相等但方向相反，故相互抵消而對運(yùn)載體(12)的 運(yùn)動(dòng)無影響。達(dá)到的Vi時(shí)間為t，由下式求得即t-v!/a-12.6/4.卜3.1 (s)以IO秒作為計(jì)算的時(shí)間范圍，則每組風(fēng)電機(jī)組的垂直運(yùn)動(dòng)距離為St-0.5X4.1 X3.1 X3.1 + 12,6X (10 — 3*1) =106.6 (m)而運(yùn)載體(12)的運(yùn)動(dòng)路程為S2=40XI0=400 (m)運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)阻力為F=F2+f4=314+417=731 (N)故運(yùn)載體(12)自主運(yùn)動(dòng)克服阻力所做的功為W，=FS2=73 IX 400=292400 U)兩組風(fēng)電機(jī)組做的功為W2= (f一f2)(28518+49098〉 X 106,6=8273866 (J)...W2/W，-8273866/292400-28,3 (倍)人輸出的功大大于投入的功。因此，可以這樣安排當(dāng)用初始的能量投入使運(yùn)載體(12)達(dá)到40米/秒的 勻速運(yùn)動(dòng)后，可以把輸出的功直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)載體(12)運(yùn)行，此后不需任何投入， 卻可以得到下面的輸出電功率P= n i II 2 (W2—Wi) +t =0.95X0.95X (8273866 — 292400) +10=720 (KW)式中ili為機(jī)械效率，1]2為發(fā)電機(jī)效率，兩者取值均為0.95。 上述實(shí)施例的計(jì)算結(jié)果表明，本發(fā)明的方法是可行的。
權(quán)利要求
1. 一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法，是把風(fēng)電機(jī)組安裝在可以運(yùn)動(dòng)的運(yùn)載體上，運(yùn)載體攜帶風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以一定的速度在流體中運(yùn)動(dòng)，流體形成相對運(yùn)動(dòng)并作用于風(fēng)力機(jī)，使流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，其特征在于通過以下方式降低運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)阻力(1)對于旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)方式一把逆流型風(fēng)力機(jī)安裝在運(yùn)載體上的逆流裝置中，運(yùn)載體主動(dòng)運(yùn)動(dòng)形成的來流首先通過逆流裝置中的彎曲管道改變方向而成為含有與來流方向相反的分速度的流體，然后再流過逆流型風(fēng)力機(jī)；方式二在運(yùn)載體上同時(shí)安裝順流型風(fēng)力機(jī)和逆流型風(fēng)力機(jī)；方式三在運(yùn)載體上安裝順流型風(fēng)力機(jī)和/或逆流型風(fēng)力機(jī)的同時(shí)，再在運(yùn)載體上安裝蒸汽輪機(jī)和/或燃?xì)廨啓C(jī)；(2)對于平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)在運(yùn)載體上安裝運(yùn)動(dòng)方向相反的平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法，其 特征在于在運(yùn)載體上可以同時(shí)安裝旋轉(zhuǎn)式風(fēng)力機(jī)和平動(dòng)式風(fēng)力機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法，其 特征在于所述的風(fēng)力機(jī)泛指能把流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法，其 特征在于所述的流體除包含自然存在的空氣、水體外，還包含其他非空氣型 氣體和非水型液體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低運(yùn)載體運(yùn)動(dòng)阻力的主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法。把風(fēng)電機(jī)組安裝在可以運(yùn)動(dòng)的運(yùn)載體上，運(yùn)載體攜帶風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以一定的速度在流體中運(yùn)動(dòng)，流體形成相對運(yùn)動(dòng)并作用于風(fēng)力機(jī)，使流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，其特征在于通過一系列方式降低運(yùn)載體的運(yùn)動(dòng)阻力，從而使主動(dòng)式風(fēng)力發(fā)電方法成為一種實(shí)用的發(fā)電方法。
文檔編號(hào)F03D9/00GK101275539SQ20081002802
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者陳培豪 申請人:陳培豪