集风式房屋建筑群及旷野结构群风力枢纽发电站、动力站

特别是高层、超高层房屋建筑群建设。 

背景技术：能源状态——世界能源危机及环境污染已达到迫在眉睫的程度，我国著名遗传学专家谈家桢院士在“基因财富”一书中撰文：“世界原油紧缺导致了原油价格的持续上涨，人类在400年内，几乎耗尽了地球25亿年积累的石化型能源——石油、煤、天然气。据统计，这三种能源可供开采的年限分别只有40年、50年和240年，人类必须寻找新的能源”。《参考消息》07年11月20日转载新加坡《联合早报》11月11日报道，杨正宁教授：“我是个非常幸运的人...现在看来中美关系在二三十年内不会出大问题，...可是四五十年后就不敢预料了，主要是人类面临很多复杂问题，尤其是资源问题，能源问题、污染问题，到那时因为中美两国对世界影响太大了，冲突会存在这两个国家的倾向”。 

风力发电装置现状：现有风力发电机都是以自然风速直接推动叶轮，其最佳风速概率大约为6～8m/sec，由我国王长贵等人2003年编写出版的“新能源发电技术”一书阐述：“目前主流风力发电机组的功率，已上升到600～700KW，MW级的机组也已生产，目前2MW级机组已在生产，它们大部分为三叶水平轴。”我国2008年风电累计装机容 量已达1200万KW，年增长率2007年达120％以上。由美国Tony Burton等著的《风能技术》的1.2节“现代风力机”中阐述到一台1.5MW的风力机需要直径大于60m的叶轮(指三叶水平轴风机)。现在，一些国家利用风速随高度增加而增大的原理在风场中使用非常高的塔架(60～80m)，根据上述王长贵所编写书中阐述：“经测量，在离地面20m处风速为2m/sec，而在离地面300m处变为7～8m/sec，根据高度与风速变化式计算，得知当80m高处的风速约比20m高处的风速增加一倍左右。 

有关上述三叶式1.5MW发电机及增速装置目前国内的设计参数大体为：低速轴(风叶)的转速为30r.p.m，高速轴的转速为1800r.p.m，增速比为60左右，由此得知低速轴的扭矩约为48750kg-m，这样的力矩一般需通过2级NGW增速型行星传动来实现，其单级增速比为8左右，以过去通常最大的内齿圈加工机床为2m直径计算(现已发展到3～4m)，当齿数为142时，模数m约14mm时，齿宽B＝300mm，则单独齿面的圆周力Ft约为16250Kg，齿形基本弯曲应力 此应力已接近通常材料的许可值，而上述齿形参数已是少数重机厂才具备的y51200插齿机才能满足要求，由上得知，目前水平轴三叶式风机，就行星增速机的加工能力而言，2m内径插齿机超过 2000KW功率以上就很难适应了，而火电机组单机容量已达60万KW，作为电网调峰用的燃气轮机的单机容量已达12万KW，但后两者的能源快枯竭了，以上不难看出，以传统风力发电装置取代火电及燃气轮机发电装置，人们必须超越很多传统的理念，有所发现，有所前进！苏东坡在前赤壁赋中写道：“...唯江上之清风，与山间之明月...取之不尽，用之不竭，是造物者之无尽藏也，而吾与子云所共适...，”本发明也可以说得苏子之言，使之升华，由然而生的。 

有关风速及风压规范、地震及地震设防，当今我国房屋建筑行业有了很大发展，在我们的住地南京更是如此，高楼林立随处可见，它们姿态各样，各有其造型之美，所缺者是所有的房屋均无本发明人所述的集风效应，并使之发电的文化内涵，纵观海内外亦皆如此，但它们已发展到几个共同特点：其一是作为超高层建筑，它们的外墙大都是封闭的玻璃墙壁，采用集中的中央空调，其二是它们大都是在六层房裙之上而高耸入云的。我国房屋设计特别是高层及超高层建筑设计已经很成熟，在风载荷方面的规范亦有明确规定，如“建筑结构载荷规范GBJG-8”中全国风压分布图就明确规定了各地区的基本风压Wo数值，其中：我国台南、台北为1.2KN/m²；汕头、吉林、厦门为0.75KN/m²；佳木斯、深圳、湛江、海口为0.7KN/m²；上海为0.55KN/m²；南京 为0.35KN/m²等等，其基本风速V_O≈24～44m/sec，据知我国西北地区的铁路桥梁之设计基本风速V_O≈70m/sec。 

有关建筑物的防地震问题，我国高层建筑规定在6～9度内设防，我国是个多地震的国家，特别是在云南经四川、陕西、山西至河北唐山一线的地震带地区更是地震频发，我国的古典建筑有着良好的防震结构，像天安门城墙和城楼、天坛祭年亭等，它们都历经数百年不毁，近十年来全国大中城市建成了很多高楼大厦，但它们的共同特点是多半为矩形截面，而且其短边长度往往只有30米，甚至更小，因此它抗弯、抗扭的惯性半径较小，对于抗地震是很不利的。例如：以一座底面积为24×90＝2200的实心体为例，将其分解为互为120°的三星型建筑物，每个小矩形为12×62，令其各自的短边与12米直径园相外接，并使其在建筑上构成一整体，则前者之侧面抗弯断面模数约为8640m³，而后者则达68000m³，增加了7.8倍，大大地增强了抗击水平冲击波的抗震强度。 

我国的沙尘化南移的现象是严重且令人担忧的，本发明人五十年代初曾在北京工作数年，那时每年只有几天像今天的南京这样偶尔见到汽车壳上留下沙痕(当时是在衣服上)，前年四月份我们在北京见到的沙尘据说还不算大的状况，但在那个时期从未曾见到过。 

我国城市农村每年不乏内涝之灾，同时又存在干旱之苦，而浩浩长江乃以每秒1万立方米左右水注入大海计，则每年即有3000亿吨水白付东流，如将其提升50米扬程送往北京约需500万千瓦，相当本发明旷野式30～50个动力站即可，水之解决不能调动自如者盖缺乏能源、水运行渠道及其运行机制也，如令此一年之江水以风力拉升西注戈壁何悲沙漠化南移耳，而迄今为止的南水北调也只是停留在自然坡度的流淌方式。故本发明之动力站如装以超大功率水泵则并不难解决此事，人不能胜天，令天胜天若何？ 

本发明内容：一种房屋建筑群(以下简称建筑群)集风式风力枢纽发电站动力站及旷野结构群(以下简称结构群)集风式风力枢纽发电站、动力站，是利用风力发电机的功率与风速的三次方成正比的关系，利用本发明集风结构及其传动方式原理，可将概率在80％以上的3～8m/sec左右的自然风速增至50～70m/sec，则叶片单位面积的功率将增加100～340倍左右，一座6万m²左右的高层建筑群若其集风后风速为50m/sec时可以提供装机容量2～5万kw风电机组，而一座旷野结构式风力枢纽发电站的装机总容量若设定风速为70m/sec时可达到5～15万kw及相应功率风力驱动动力站，本发明的广泛实施将给人类带来清洁、持久、廉价的能源，摆脱因争夺能源而引发战争之灾 难，且其成本与现有技术大大降低。 

房屋建筑群集风式及旷野结构群集风式风力枢纽发电站、动力站其特征为：建筑群或结构群的中心部位设置一幢高层、超高层贯穿整个楼层高度的空心圆柱形的中心塔楼28，塔楼28的每个楼层均由内径为D的中空的圆柱体及与其垂直的上下楼地板7组成的叶轮壳体8，中心塔楼28的中心O点有一根贯穿于整个塔楼28高度的并垂直于地面中心轴线1及与中心轴线1同轴并贯穿于每层塔楼28的集中传动轴组合件2，藉此将每层塔楼28中的叶轮的风力扭矩传递至设于集中传动轴组合件2下端(或上端)再传递至增速机、发电机或动力传动装置，当采用垂直轴式叶轮时，每层塔楼中的集中传动轴组合件2上安设一节高度h略小于塔楼楼层净空高度H的叶轮3，其叶片数为2及2以上；当采用水平轴式叶轮时，塔楼28的每层设置一台及一台以上的水平轴式叶轮部件，该部件的叶轮轴21的前端安设的叶片22的层数为一层及一层以上，叶轮轴21的后端以锥形齿轮19与集中传动轴2上的锥形齿轮20相啮合；作为建筑群集风式风力枢纽发电站是以中心塔楼28中心O点为原点，径向地设置二幢及二幢以上子建筑构成二瓣及多瓣子建筑群，其外墙与中心塔楼28外墙相联结并与地板29、顶棚盖13、顶棚盖支撑桁架14形成增速型风洞；作为旷野结构群集 风式风力枢纽发电站、动力站是以中心塔楼28的中心O点为原点径向地伸开设置二座及二座以上的结构塔，结构塔二侧面全部覆盖面板31并与中心塔楼28相联结，并与地板29、顶棚盖13、顶棚盖支撑桁架14形成增速型风洞，上述两类集风式风力枢纽发电站、动力站的每层中心塔楼28在两个子建筑物或两个结构塔汇交处的每层中心塔楼28的空心圆柱体上开设一个进口风门6，构成的建筑群集风式风力枢纽发电站、动力站；旷野结构集风式风力枢纽发电站、动力站及其房屋建筑群。 

顶棚盖支撑桁架14的结构包括：多相(两座子建筑之间的外墙空间或两座旷野结构群桁架之间的外墙空间为一相)固定式；单相可旋转式——可围绕O轴线1旋转向自然风来风方向并支撑在上部圆形轨道33及其支撑桁架34上，其驱动方式包括：中心轴驱动式及依靠行走轮26单独电动减速机驱动式。 

安设在集中传动轴2上的增速机、发电机安置方式包括：一台及一台以上的串联、并联、串联兼并联，上述增速机、发电机、动力驱动装置的位置设置地点包括：集中传动轴2的下端、上端。 

当采用旋转型顶棚盖13时每个集风式枢纽发电站、动力站只需安设单相并使其定位于来风方向。 

子建筑的俯视图外形包括：圆弧流线型A，矩形B，阶梯矩形C。 

设于每层中心塔楼28上的用以使发电机恒速的可调式进口风门6的开闭方式包括：手工式、单层自动开闭式、整幢联动开闭式。 

水平轴式叶轮叶片形状包括：双叶片式、多叶片式、上风向式、下风向式、帆翼式；垂直轴式叶轮的型式包括；S型、板翼遮蔽式、杯形、 型、△型、板翼直叶片式、涡轮式、S型 型组合式，水平式叶轮壳体24以走行轮26支撑在固定于楼层地板7上的环形轨道上。 

增速机11的型式包括：平行轴、同轴NGW型、同轴少齿差型，发电机16的型式包括：立式、卧式；锥形齿轮19、20的齿形包括：渐开线、圆弧、螺旋型；增速机11的齿形包括渐开线、圆弧、少齿差型；发电机型式包括：同轴型、平行轴型。 

由集中传动轴2的上下端设置的动力驱动负荷包括：带动水泵、农业深加工机械、工业性加工机械的齿轮、皮带轮、链轮传动系统、热泵系统装置。 

发电机输出电源供建筑物或结构物自身使用、并网供电、提供建筑物自身需要的供热系统的输变电装置及其电站、动力站。 

本发明采用进口风门6面积的周向可调性以及顶棚盖13的径向及周向覆盖面的可调性(较大的自然风源式进行部分或全部卸载)，用以 调整进入塔楼的风速，使发电机恒速运转的装置。 

每座结构塔的俯视图外形可以是梯形、等腰三角形、等腰内外圆弧形，顶棚盖13、面板31的材料可以是刚体；也可以是柔性体，材质可以是透明体、不透明体。 

本发明的原理：众所周知，在单位时间内垂直流过叶片截面F的功率W与风速V的三次方成正比，即 (式中ρ为空气密度)，在现有传统的风力发电机中均采用自然风速，而本发明是利用上述公式之原理，使自然风经由建筑群外壁或结构桁架外缘面板31、顶盖13、增速风洞地板29形成整体的增速空间，自然风经由增速型风洞进口面及其弦长36向中心塔楼进风门6流去时不断增速，如增速型风洞进口面弦长36的长度为100米，中心塔楼进风门6的弦长为10米，则风速之增速比为100∶10即增加了10倍(忽略局部阻力不计)，如果自然风速为5m/sec，则可以作用于中心塔楼叶轮叶片上的风速为50m/sec，与相同叶片面积的自然风相比其功率增加了10³＝1000倍。本发明可以利用风洞出口面积的周向可调性以及顶盖13的径向及周向覆盖面的可调性(较大的自然风源式进行部分或全部卸载)，用以调整进入塔楼的风速，使发电机恒速运转。 

本发明的优点： 

1、扩大了传统的风能资源范围；由于本发明的增速效应，可以使传统中采用的6～8m/sec的风源降低到了3m/sec左右，使广大地区成为有用风源。 

2、使自然风发电机之转速不可调性，转变为可调型的恒速风电机组。 

3、由于创造了恒速风机为并网创造了有力条件，克服了传统风电的并网困难。 

4、缩短了用户距离大大降低输电设备之成本。 

5、可以直接向本发明建筑物内的居住、办公、工、商业及周边建筑物供电源、热源、冷源、动力源。 

6、由于提高了透平转速从传统自然风机的30r.p.m提高到200～300r.p.m，使传动力矩降低5～10倍，传动装置的成本降低5～10倍，并大大降低了大型风站传动装置的加工难度。 

7、由于采用了集中传动，大大节省了用地面积和管理费用。 

8、使单台机组由现在的2千KW左右提升至2万KW乃至5～10万KW/座。 

9、使石油、煤、天然气枯竭后可以使本发明取而代之成为可能。 

以07年北京供电为例：以人均0.84KW供电容量计(北京07年 11月30日电台报道总供电容量为837万KW，以1000万人计则人均得0.84KW容量)，并以人均20m²建筑计则60000m²的电站房屋建筑可提供约3000人而相应自供容量只需：3000×0.84＝2520KW，其余可以外供，如以20000KW每年正常运转6000小时计则全年的发电量为1.2亿度，以0.5元/度计则全年毛创利约6000万元。而一台旷野式风电站，其自然风速为8m/sec，增速比为9，则其出口速度约为70m/sec左右，当其转子直径为16m；单层高为4m，则单层功率可达5000KW左右，以30层计(总有效高度为120m)则其总装机容量可达15万KW，故本发明(在近10～20年内)对房屋建筑群而言其出口风速以50为宜，而对于旷野式风电站而言则以出口风速70m/sec为宜，这又和列车提速一样，随着技术进步其速度可以逐步提高。 

本发明在不必太多打破现有建筑设计规范的前提下，对房屋建筑群式风电站的风速可由3m/sec轻风增速至50m/sec(增速比为16，内陆型)，而旷野式集风电站则可选择和风级(8m/sec)自然风源增速至70m/sec风速，由于风机的发电功率与风速的3次方成正比(同上书P178页)，与现有三叶轮式水平轴叶轮自然风速发电站(理想的自然风速为清风级8～10m/sec占全年概率20％左右)对比，以在相同的10m/sec自然风为例，本发明的单位叶片迎风面积的发电功率分别增加 125倍及343倍，而当塔楼高度大致相同时(100m左右)则本发明当叶片直径为18m时可以获得～800m²迎风面积，而现有技术的2000KW装置叶片直径为60m，仅能获得100m²左右的迎风面积，故本发明的房屋建筑群风电站装置1～5KW为宜而旷野式枢纽机组最多可达5～15万KW。 

本发明的房屋建筑群风力发电站的顶棚盖13及旷野式风力发电站的顶棚盖13也可以采用局部径向或周向开启式结构，以单独传动系统通过钢绳开闭以达到卸载之目的，并可以关闭或调节梯形立体空间的进口风门6用以关闭或调整风机之速度。 

本发明在必要时可以通过局部掀开顶棚盖13以卸载，这种卸载动作包括：手工的、单独机动、集中机动方式，其传动方式包括：由电动减速机直接传动、电动减速机经链轮、钢绳传动方式，当自然来风方向正平行于建筑物或结构塔之径向中心轴线时，在建筑物及铁塔的平面图之最外之各个尖端处配置有限位装置的揽风翼25，此揽风翼25由一根立轴由地板至顶棚盖13间的立轴和相应的折翼组成，平时折翼紧贴在侧墙面上，遇到上述风向时折翼张开一个角度以揽风，并由限位装置(如棘轮)以定位，驱动这些折翼及立轴的方式包括：钢绳传动、电机减速机单独传动、压缩空气传动、液压传动。 

附图说明：

图1是三瓣式流线型外形房屋建筑群集风风力式发电站俯视图。图中A表示外流线型墙壁建筑。 

图2是三瓣式矩形、多阶矩形、三角结构型房屋建筑群式或旷野结构式(即由铁塔构成)集风发电站俯视图。图中B表示矩形外墙建筑；C表示外阶矩形外墙建筑。 

图3是图1之GOG’剖视图。 

图4是中心塔楼28中垂直轴式叶轮系统中单层楼S型叶轮部件系统图。 

图中：H是楼层高；h是单层叶片长度；D式壳体内径；d是叶片外径。 

图5是水平轴式叶轮部件在单层塔楼中的传动系统图。 

图中d1式最大旋转直径。 

图6是带揽风翼建筑俯视图。 

图7是旷野转动铁塔式枢纽风电站之外部结构图(中心塔楼28内的设施与固定式相同)。 

其中：J-K剖面为局部剖面正视图，下图为其俯视图。 

1、中心轴线 

2、集中传动轴 

3、叶轮 

4、轴承 

5、轴承座 

6、进口风门 

7、楼层地板 

8、叶轮壳体 

9、联轴器 

10、升降人梯 

11、他电源式立式电机 

12、减速、钢绳卷筒装置 

13、顶棚盖 

14、顶棚桁架 

15、增速机 

16、发电机 

17、高压线悬臂架 

18、自然风向指示信号装置 

19、锥齿轮 

20、锥齿轮 

21、水平式叶轮轴 

22、叶片 

23、塔楼地板7上的环形导轨 

24、水平式叶轮壳体 

25、揽风翼 

26、自由走行轮、或带电动机及减速机的主动走行轮 

27、绞轴 

28、中心塔楼 

29、增速风洞地板 

30、引凤铁塔钢结构桁架 

31、面板 

32、辅助支撑桁架 

33、上部圆形轨道 

34、上部圆形轨道下设的支撑桁架 

35、地面圆形轨道 

36、增速型风洞进口面及其弦长 

具体实施方式：下面结合附图详细描述实施本发明的最佳方法：房屋建筑群集风式枢纽发电站的子建筑及旷野结构式集风枢纽发电站 的星形引风铁架均以三个互为120°左右的平面布置为佳，根据各地的风向梅花的特点，上述建筑及装置的方向定位应尽量使主导风向平行于某一子建筑或某一行星铁架的中心线，以获得最大引风效应，各地应根据本地区的基本风压以确定本发明之建筑物及构筑物的风速增速比，在近20年内房屋建筑群式集风式风力发电站的叶轮入口风速以50m/sec为宜，装机容量以2～5万千瓦左右为宜；旷野式集风发电站的叶轮入口风速以70m/sec为宜，装机容量以5～15万千瓦/站为宜。随着技术进步及时间推移上述入口风速尚有很大的增值空间，房屋建筑群式集风发电站在大中城市中以6楼以上至30～40层之间为佳；垂直轴式叶轮以S型最为简单，水平轴式叶轮以双层多叶片为佳，5万KW以上旷野式风电站应设置增压变电站为好，其铁塔兼作输配电铁塔为佳。本电站应设置有效的避雷装置、安全高空行走横杆及有效的消音装置，本发明房屋在近高速风区应是封闭式外墙以增加进风风洞的增速效应。本发明的实施除了在结构方面具有本发明特征外，在建筑方面可包容各种健康而优美的艺术造型，因而建成具有中国文化特色和现代化内涵的风力枢纽电站、风力枢纽动力站及房屋建筑群。