风 能 领 域 技 术 重 大 革 命

CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆

（ 适合陆地、海洋风电、平台、海洋船舶发电及航行风帆动力）

焦兆平    中冶集团上海五冶有限公司    上海    邮编201901

关键词：CNJT 大功率风车 风帆 风能 垂直轴

发明名称：CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆

专利号：ZL 2012 1 0259968.7         授权公告日：2014年07月30日

 CNJT项目简介：

  科学家研究发现，能够在空中飞行的昆虫，是因为它们的翅膀奇特的性能，始终推动气流向下流动，当它们的翅膀从做功到重新做功过程瞬间，在垂直方向能够尽量将翅膀面积减小成线状，以减小阻力有效做功，实现自由飞行。

借鉴昆虫和鸟类能够在空中飞行的仿生科学原理，CNJT将不做功时叶片原截面面积缩小成线状，极大减小叶片逆风驱动阻力系数，不仅成功地解决了现有垂直轴风车叶片不产生力矩的问题，而且风能利用效率高于水平轴风车。

该专利对传统垂直轴风车的工作原理和结构进行全新改革，克服现有的垂直轴风车叶片不产生力矩，效率低，过速时的速度控制困难。创新点：

 由多只可复合运动智能叶片组成，通过减小不做功叶片面积的技术方案获得做功力矩。

 在风暴来临时，运用减少风车做功活动叶片的工作面积的原理，卸掉两侧叶片风载荷，通过智能叶片调速或停机确保风车风帆安全。

 风能利用效率高于水平轴风车。

 结构简单、可靠、高效，节省投资。

 由于CNJT的高效率及可调速运行的安全性能，特别适合海上规模风电；海洋独立采油平台、海洋岛屿（驻岛等部队）发电使用。

 无需尾翼和对风装置，适合海洋船舶发电，做为船舶风帆可以带动螺旋桨做功，节省大量的船用燃油。

二、CNJT经济效益：

◎根据测算：风能利用效率每提高一个百分点，将会带来数亿元的经济效益。

◎CNJT风机制造价格与目前市场水平轴风机价格相比较，预计低32%。

◎根据《中国风电发展路线图2050》，到2050年，我国风电装机将达到10亿千瓦，在电源结构中约占26%，国内风电开发投资将达12万亿元；如果1MW以上风机开发投资10万亿元，并大量采用CNJT风车可以降低32%的投资，将可以为国家节省风电开发投资达3.2万亿元。

三、CNJT是JT“智能大功率风车”的升级版
由于JT“智能大功率风车”实用新型专利 ZL 2008 2 0139674.X不仅使改进后的垂直轴型风车叶片能够获得高效做功力矩，而且使JT风能利用效率高于水平轴风车。国家发展和改革委员会中国经贸导刊杂志社 两次将“智能大功率风车”入选：

《国家重点高新技术项目汇编》2011年8月18日出版.

《重点高新技术项目汇编》2012年2月10日出版。

中国科学技术信息研究所对“智能大功率风车”项目进行科技查新，2012年３月７日完成并提出科技查新。报告编号：20121100100058  查新结论：经文献检索，未见有与查新点所述的这种智能大功率垂直轴风车结构特征完全相同的公开文献报道。

四、CNJT结构特点：

CNJT 风车风帆叶片由柔性逆止叶片，或由可以复合运动的活动叶片组成（可以双向向上打开近90度或侧向打开近90度，或移动、压缩、折叠、卷起、调整角度构成），风车风帆框架的窗框或窗框和叶片整体可以折叠（可以移动），风车框架上附属物（可以旋转移动、伸缩），或者承载网、线，可以沿着框架边缘移动、压缩、折叠或卷起。

五、CNJT工作原理：

将不做功时叶片原截面面积缩小成线状，极大减小叶片逆风驱动阻力系数，成功地解决了现有垂直轴风车叶片不产生力矩的问题，可以成倍增加了风车单组叶片做功的效率； 在风暴来临时，运用减少风车做功活动叶片的工作面积的原理，卸掉两侧叶片风载荷的技术方案，达到降低转速或停机确保风车安全目的。

以下仅选其中2例说明：（详细请检索ZL 2012 1 0259968.7）

1、风车风帆叶片结构：叶片由柔性材料制成、柔性叶片设计布置由多个多边形构成仅能单向通过气流的窗口，当叶片一侧逆止气流迎风做功时，另一侧不做功叶片会在风力的作用下可以自动允许气流通过，使叶片截面面积缩小成线状，获得做功力矩（图 1）；在风暴来临时，可以卸掉两侧叶片风载荷，让柔性叶片卷起、气流会穿过框架（图 2）。

2、风车风帆叶片可以双向向上打开近90度，在正常情况下风车框架上承载网、线承载叶片做功，获得做功力矩，风另一侧不做功叶片会在风力的作用下可以向上打开近90度，自动允许气流通过，使叶片截面面积缩小成线状（图 3）；在风暴来临时，运用卸掉两侧叶片风载荷的技术方案，风车框架上承载网、线可以沿着框架边缘移动、折叠或卷起，不再承载叶片做功，叶片双向向上打开近90度，气流会穿过框架，卸掉风载荷（图 4、5）。

六、CNJT的技术特点：

1、 CNJT解决了垂直轴风车不产生力矩和效率低的问题。

２、CNJT解决了垂直轴风车过速时的速度控制困难. 

３、CNJT对贝茨理论进行了补充：

“贝茨理论提供了获取风能的有效途径，即提高风速，加大叶片扫掠面积。”《风力发电》化学工业出版社  68页。

CNJT对贝茨理论进行了补充：提高叶片做功有效截面积和叶片风能利用效率将是获取风能的最重要、最有效途径。

同时也符合风能功率定律：

  根据：单位时间内垂直流过截面Ｆ的空气，拥有的做功的能力称为风能的功率（Ｗ）：

Ｗ＝1/2pＦv³

其中：空气密度为p、速度为v、截面积为Ｆ，

风能E＝1/2pＦtv³

表示在时间t内流过截面Ｆ的风能。

风能功率的大小与风速的立方成正比，也与流动空气的密度和垂直流过面积成正比。

4、CNJT无需尾翼和对风装置，任何方向来风都可以使风车做功，做为船用动力可以发电，做为船舶风帆可以带动螺旋桨做功，节省大量的船用燃油。

5、CNJT塔架设计简单，发电机和变速箱能安装在地上，易于维护和维修。从而综合降低制造成本32%。

七、◎ CNJT风能利用效率、结构、性能及制造成本优于美国桑迪亚国家实验室正在开发研究“竖轴风力发电机”：

根据2012-11-14 OFweek 风电网,《海微风发电：竖轴风机是技术关键》文。(可搜索)

 美能源部的支持下，桑迪亚国家实验室目前在为美国近海风能发电机系统开发先进的转子技术，此项为期5年、投资达410万美元的研究始于2012年1月。

桑迪亚国家实验室研究项目的第一阶段为期2年，其包括开发几种概念设计。在这个阶段，研究人员将分析各种类型的气动弹性转子设计。然而，早期中意的转子类型是达里厄（图 9、10、11）设计。难题：

1、大型近海竖轴风力发电机的叶片（达里厄型）长度超过300米后，叶片的制造成本将超过陆基风力发电机叶片的制造成本。  2、竖轴风力发电机的叶片（达里厄型）具有十分复杂的弧形表面，其生产难度高。   3、另一个挑战则是制动系统。

结论：

1、风能利用效率： CNJT的风能利用效率大幅度高于美国桑迪亚国家实验室——达里厄型（升力型）竖轴风力发电机。同时在风暴来临时， CNJT有良好制动系统可以确保风车风帆安全。 

2、结构简单、可靠、高效，节省投资：CNJT由于叶片不具有十分复杂的弧形表面，其生产难度不高；同时也可以采用柔性叶片，因此叶片的制造成本低于美国桑迪亚国家实验室——竖轴风力发电机叶片（达里厄型）制造成本，具有更高的经济效益。

3、在美国、南非等国家还未发现类似CNJT结构特征的风车。

4、CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆不仅将是世界上风能利用效率领先，而且是可调速运行最安全的风车风帆。

说明： 可以在电脑上搜索：“CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆”详细资料