一种垂直轴钟摆式风力（水力）发电装置的制作方法

一种垂直轴钟摆式风力(水力)发电装置
1.技术领域：本发明涉及一种可利用风能或水能发电的新技术。
2.

背景技术：
我国现有的风力发电技术全都是从欧洲引进的，而且，我国现有的风力发电机的关键零部件和关键原材料仍需从国外进口，随时都有断供的风险，而大容量风电技术仍由欧美主导，而欧美现有的风力发电技术开始于20世纪初，截止目前，现有的风力发电技术与20世纪初的技术相比，没有任何实质性创新，扩大单机容量的唯一措施仅仅是延长桨叶的长度，而这丝毫不能提高风轮的风能利用率，而风轮的风能利用率低，风力发电的成本就高，经济效益就差。此外，现有的风力发电技术仍然存在许多无法克服的缺陷。
3.现有的风力发电装置的主要功能部件是风轮，而现有的风轮主要有两种：即水平轴风轮和垂直轴风轮。垂直轴风轮主要有萨瓦里欧斯式平板型护罩型杯子式蜗轮式达里厄式美格劳斯式，甚至有磁悬浮式等等，但这些垂直轴风轮很难大型化，只在微型领域占有一席之地。其中的平板型风轮遇到强风时会给风轮造成很大的冲击力；其中的护罩型风轮就是把风轮的一半用护罩罩住，这样，护罩就限制了风轮的半径，从而限制了功率输出；其中的杯子式风轮的受风面积极小，而且无法扩展，因此其功率输出极小；其中的蜗轮式风轮的叶片相互遮风，从而使其动力面受风面积大为减小，从而使其功率输出大为减小；其中的磁悬浮式风轮主要靠永磁体的磁力把风轮悬起来，而现有的永磁体的磁能积只能达到0.5t，即使是超导永磁体的磁能积也只有1t，即使永磁体的磁能积达到1t，也不可能悬浮几十吨重的风轮，所以，磁悬浮式风轮很难大型化；其中的达里厄式风轮又分 h型和φ型，而达里厄式风轮与其它垂直轴风轮一样具有共同的缺陷，即左右叶片同时受力，转矩系数远小于1，风轮半径太短，实度太小，无法扩大规模。
4.现有的水平轴桨叶式风轮具有以下所述的缺陷：机构复杂，技术要求高，叶片无法回收再利用，工程造价过高，维护成本高，扩大规模受到技术或材料的限制，实度小，风能利用率低，无法利用低风速风能，无法利用强风的风能，无法利用更高空的风能。
5.现有的陆上水力发电技术，主要是由水力涡轮机利用水的落差发电。陆上水力发电需筑坝蓄水，投资巨大，对环境影响大。而现有的海上水力发电技术尚处于探索阶段，现有的海上水力发电机效率低，功率输出小，轴承的防水密封问题无法根除。
6.综上所述，现有的水平轴风轮和现有的垂直轴风轮都各有优缺点，现就现有的这两种不同结构的风轮的优缺点分析如下。
7.一、现有的水平轴桨叶式风力发电机的优缺点：
8.(1)现有的水平轴桨叶式风轮的升力系数不仅与桨叶的攻角及表面的流线型及表面的粗糙度有关，而且与风的流动状态有关，这不仅对桨叶制造有很高的技术和工艺的要求，而且对偏航机构和变桨矩机构的响应能力也有很高的要求。
9.(2)现有的水平轴桨叶式风轮的扫掠面始终与风向垂直，桨叶相互之间不遮风，这是现有的水平轴桨叶式风轮的优点之一。
10.(3)现有的水平轴桨叶式风轮的所有桨叶全都是动力臂，没有阻力臂，风轮的转矩等于所有桨叶的力矩之和，这是现有的水平轴桨叶式风轮的优点之二。
11.(4)现有的水平轴桨叶式风轮的桨叶属于升阻复合型机翼型叶片，而变桨距机构
又能随时调节桨距角即攻角，从而随时调节该桨叶的动力矩，从而随时调节风轮的功率输出和转速，这是水平轴桨叶式风轮的优点之三。
12.(5)现有的水平轴桨叶式风轮的桨叶长度较长，当受风面积一定时，桨叶的长度越长，动力矩就越大，功率输出也越大，充分发挥了杠杆的倍增作用，这是水平轴桨叶式风轮的优点之四。
13.(6)现有的水平轴桨叶式风轮的实度很小，而桨叶的悬臂式结构又限制了桨叶的宽度，桨叶无法等宽地延长，而延长桨叶只会使实度更低，由于桨叶的根部很宽，再增加桨叶的数量已无可能，所以，水平轴桨叶式风轮的有效受风面积很小，因此导致其实际风能利用率小于0.4，而且无法利用低风速风能。
14.(7)现有的水平轴桨叶式风轮不能没有轮毂和机箱，而轮毂的旋转或整个机箱的转动都需要配巨型轴承，该巨型轴承至今仍需进口，此外，轮毂及桨叶的根部以及桨叶的叶尖都将形成涡流效应，而这些涡流效应无疑会降低桨叶的升力系数。
15.(8)现有的水平轴桨叶式风轮的结构属于悬臂式，桨叶末梢是悬空的，风轮轴只有单点支承，这不仅使桨叶在风力作用下发生振颤，而且当风轮转速加快时形成更大的不平衡振动，所以，水平轴桨叶式风轮遇到强风时必须限速或停车，否则，将有飞车的危险。可是，一旦限速或停车，风轮就无法利用强风的风能，这是水平轴桨叶式风轮的一大缺点。
16.(9)现有的水平轴桨叶式风轮的悬臂式结构还限制了桨叶的长度，也限制了桨叶的受风面积，这种悬臂式结构还决定了桨叶的根部必须较宽，这样才能支撑整个桨叶的重量，而这无疑增大了轮毂处的尾流损失且限制了桨叶的数量。
17.(10)现有的水平轴桨叶式风轮必须配备轮毂，而轮毂的体积限制了桨叶的数量，从而限制了风轮的受风面积。
18.(11)现有的水平轴桨叶式风轮必须配备偏航机构和变桨距机构，才能保持风轮的扫掠面始终与风向垂直，才能调节桨叶的桨距角，使水平轴桨叶式风轮的工作效率保持最大，而自然界的风变化无常，这无疑增大了水平轴风轮的成本及发生故障的风险。
19.(12)现有的水平轴桨叶式风轮在工作时，其扫掠面必须保持与风向垂直，超长的桨叶在强风作用下将对塔筒形成很大的横向推力，一旦桨叶的变桨矩机构失灵或误操作就会发生折翼或倒塔事故。
20.(13)现有的水平轴桨叶式风力发电机的塔筒直径远大于叶片的宽度，这使塔筒具有塔影效应，即当桨叶运转到塔筒位置时，该桨叶所受风速就会迅速下降，该桨叶的动力矩也会大幅降低，从而使风轮形成不平衡力，造成风轮周期性振动。塔筒的直径越大，塔影效应也越强，这样，塔影效应就会限制塔筒的直径，而塔筒的直径又会限制其高度，而塔筒的高度又会限制风轮吸收更高空的风能。此外，塔筒的直径还限制了轮毂的体积和重量，从而限制桨叶的宽度和长度，从而限制桨叶的受风面积，从而限制了风轮的功率输出。此外，塔筒的直径还限制了发电机的体积和重量，从而限制了发电机的功率输出。
21.(14)现有的水平轴桨叶式风轮的悬臂式结构，使桨叶受到的自重力及风力全部集中在其根部，而其根部的宽度又不能无限制地扩宽。
22.(15)现有的水平轴桨叶式风力发电机的几乎全部设备都设置在塔筒顶端，塔筒顶端的负载有几百吨，不仅是安装及维护的费用高，而且在强风条件下有倒塔的风险。
23.(16)现有的水平轴桨叶式风轮的叶尖能发生尖声躁音，风速越大，躁音越大，对鸟
类的危坏也大。
24.(17)现有的水平轴桨叶式风力发电机的叶片需由巴沙木作龙骨材料，这种木材只有南美洲才有，而叶片的蒙皮材料是玻璃纤维或炭纤维，发电机需稀土永磁材料，再加上偏航机构需巨型轴承(该轴承目前仍需进口)，变桨矩机构需巨型齿轮，轮毂及机箱的体积巨大，这些无疑都会增加巨大的成本。
25.(18)现有的水平轴桨叶式风力发电机的度电成本是煤电的2-3倍。陆上风电的工程造价为 6-8000元/度电，而海上风电的工程造价高达12000-14000元/度电，海上风电的成本电价为0.56元/度电，海上风电上网电价高达0.8元/度电。可见，现有的风力发电机投资成本高，上网电价高，单机容量小，经济效益差。
26.二现有的垂直轴风力发电机的主要优缺点：
27.(1)现有的垂直轴阻力型风轮的受风面是其侧立面，风轮的受风面以轴为中心分成左右两侧受风面，而风轮左右两侧的力矩的方向正好相反，从而使风轮的转矩等于左右叶片的力矩之差，转矩系数小于1。
28.(2)现有的垂直轴风轮的主轴是垂直设置的，左右叶片同时受力，只要设计合理，垂直轴风轮天然具有陀螺效应，即转速越快越稳定。
29.(3)现有的垂直轴升力型风轮(如h型风轮)的结构设计不合理，叶片互相遮风，这使风轮的有效受风面积更小，使其风能利用率更小。
30.(4)现有的某些垂直轴风轮(如h型或φ型或槽式风轮)，纵向较高，而半径较短，因此导致其力矩较小。
31.(5)现有的所有垂直轴风轮都没有变桨矩机构或泄压调节机构，当遇到强风时，风轮轴将承受强大的横向推力。
32.(6)现有的垂直轴风轮无需偏航机构(护罩型除外)，可利用任意方向来风。
33.(7)现有的垂直轴风轮无需变桨距机构，叶片旋转至不同位置时，可自动变换迎风面，因此机构简单，故障少，成本低。
34.(8)现有的垂直轴风轮的所有叶片都在塔筒之上，塔筒没有塔影效应，塔筒的直径和高度不受风轮的限制，塔筒的直径可以很大，高度可以很高，这样，既避免了塔筒的倒塔事故，风轮又可以利用更高空或超高空的风能。
35.综上所述，现有的水平轴桨叶式风轮和现有的垂直轴风轮各有优缺点，但总的来说，现有的各种风轮的风能利用率太低，而风能利用率对于风轮来说是至关重要的，因为风轮的风能利用率低，该风轮可利用的风能只是很小一部分，而自然界大部分风能被浪费掉了，所以，提高风轮的风能利用率是很有必要的。本发明认为现有的风能理论限制了人们对风轮结构的设计思路，也限制了风能利用率的提升，只有打破传统理论，采用全新的风轮结构，才能大幅提升其风能利用率。
36.事实表明，现有的风力(水力)发电技术已经落后，其根本性的缺陷已无法通过改进而根除。本发明认为，造成现有的风力(水力)发电技术落后的主要原因是由于现有的风力(水力)发电技术建立在错误的风能理论之上，这些错误的理论至少包括贝茨极限理论尤其是贝茨理论至今仍然禁固着人类的创新思路。
37.所谓贝茨极限理论是德国的贝茨于1926年只针对水平轴风轮而建立的，该理论假设：风轮没有轮毂，风轮有无限多的叶片，穿过风轮的气流没有阻力，该气流是均匀的且风
向始终与轴向平行，那么，当切出风速等于切入风速的三分之一时，该风轮的最大风能利用率约等于0.593。
38.本发明认为，贝茨假设严重脱离现实，贝茨假设前后矛盾：1.如果风轮有无限多的叶片，风就不可能穿过风轮，那么，切出风速等于零，那么，风能利用率等于零；2.如果风轮没有轮毂，风轮就无法旋转，风轮就是静止的圆盘，而静止不动的风轮是无法吸收或利用风能的，所以，风能利用率为零；3.如果风轮有无限多的叶片，那就不可能有单只叶片的受风面，也就没有叶片的动力矩，也就没有风轮的轴功率，所以，风能利用率为零；4. 如果穿过风轮的气流没有阻力，切出风速就会等于切入风速，风速差等于零，所以，风能利用率为零。所以，仅由切出风速与切入风速之差值计算出的风能利用率是极其错误的。所以，贝茨理论是错误的。
39.本发明认为，如果贝茨理论是对的，那么，风轮的输出功率就与风轮的结构，叶片数量(受风面积)，转矩系数及半径没有直接关系，那么，对风轮的结构创新就毫无意义，那么，认为现有的水平轴桨叶式风力发电技术已经很成熟，再也没必要创新的观念就是对的，那么，时至今日，风力发电技术尚未出现颠覆性创新技术就是情有可原的。由此可见，不是现有的风电技术不需要创新，而是贝茨理论禁固了人们的大脑。
40.本发明认为，风轮利用的风能与切出风速无直接关系，而与风轮的结构有关，风轮的结构决定了风轮的性能，风轮利用风能的唯一方式是旋转，即风轮的轴功率输出等于该风轮利用风的动能形成的旋转动量矩，而风轮的旋转动量矩等于该风轮的转矩和转速的乘积，而该风轮的转矩等于风轮的动力矩与转矩系数之乘积，风轮的动力矩来自于叶片的动力矩的杠杆作用，叶片的长度就是动力臂长度，而风轮的轮毂的半径就是阻力臂长度，根据杠杆原理，延长叶片的长度，风轮的动力矩一定会成倍地增大，现有的水平轴桨叶式风轮就是主要靠延长桨叶的长度来成倍地增大其动力矩的。但是，单纯只延长桨叶的长度，必然扩大风轮的扫掠面积，必然增大扫掠面上的总风能，这样就会必然降低风能利用率，这也就是现有的水平轴桨叶式风轮的桨叶越来越长，而其风能利用率越来越低的主要原因。所以，增大叶片动力矩的正确的办法应该是延长桨叶长度的同时增大其受风面积。当桨叶的长度一定时，风轮的扫掠面积就是一定的，其扫掠面上的总风能就是一定的，这时，成倍地增大桨叶的受风面积同样会有杠杆作用，同样会成倍地增大桨叶的动力矩，同样会使风轮的转矩成倍地增大，同样会使风轮的旋转动量矩成倍地增大，同样会使风轮的轴功率输出成倍地增大。因为风轮的风能利用率就是风轮的轴功率输出占该风轮扫掠面上的总风能之比率，所以，同样会使风轮的风能利用率成倍地增大。而贝茨理论假设风轮是静止的圆盘，那么，风轮就没有旋转动量矩，因此没有杠杆作用，因此，风轮的轴功率输出不可能成倍地增大，因此，风轮的风能利用率不可能大于0.593。
41.以现有的在役的水平轴桨叶式风力发电机为例，该机额定功率1500kw，桨叶长度37.5 米，额定风速12m/s，桨叶根部最大宽度2.8米。桨叶末梢宽度仅0.5米，单只桨叶的受风面积仅有32.5m2，三只桨叶的总受风面积只有97.5m2，而该风轮的扫掠面积为4415.6m 2
，该风轮的实度仅有0.02，该风轮的扫掠面上的总风能为4578094w，而该风轮的额定功率只有1570kw，所以，该风轮的风能利用率只有0.34。假设把桨叶的受风面积扩大1 倍，而桨叶长度不变，扫掠面上的总风能不变，而风轮的输出功率照样可以增大一倍，风能利用率也将增加1倍至0.68，这样就会突破贝茨极限，所以，贝茨理论是错误的。
42.假设有一面风帆，该风帆只有平动而没有转动，即没有杠杆作用，该风帆的动能与风速的平方成正比，而风帆扫掠面积上的总风能与风速的三次方成正比，而该风帆的扫掠面积等于其受风面积，所以，该风帆的风能利用率肯定小于1。贝茨理论假设风轮是静止的，这就等于剥夺了风轮的杠杆作用，那么，风轮的风能利用率就象风帆一样小于1。而实际上，风轮与风帆不同，风轮有杠杆的倍增作用，所以，风轮的轴功率输出有可能大于其扫掠面积上的总风能，即风轮或其它型式的风能利用装置的风能利用率有可能远大于1，所以贝茨理论是错误的。
43.假设有这样一种风能利用装置，该装置不旋转而只摆动，那么，该装置的受风面积完全有可能大于其扫掠面积，再加上该装置的长度上的杠杆倍增作用，那么，该装置的风能利用率完全有可能远超贝茨极限。
44.本发明推翻了传统理论即贝茨极限理论，提出了全新的风能理论，即风能利用率无极限理论。如上所述，本发明首次提出风能利用率无极限理论，即：风轮的风能利用率与其受风面积半径和转矩系数之乘积成正比关系，即：c
p
∝a·cm
·
r。当风轮的转矩系数和半径一定时，该风轮的风能利用率与其受风面积成正比，即只要风轮的受风面积足够大，其风能利用率就足够大，再者，风轮是旋转体，风轮的半径就是动力臂的长度，而风轮轮毂的半径就是阻力臂的长度，所以，只要风轮半径足够长，受风面积足够大，风轮的动力矩就足够大，风轮的功率输出就足够大，其风能利用率就足够大，所以，风轮的风能利用率没有极限。
45.本发明根据新理论设计了一套全新的垂直轴升力型钟摆式风力发电技术方案和水力发电技术方案，完全抛弃了传统的风轮(或水轮)结构，目的是以更低的成本，更高的风能(水能)利用率，更安全更可靠地利用更大范围内的风能(水能)，在更长的工作时间内输出更大更稳定的电能。
46.

技术实现要素：
一：说明书附图1给出了根据本发明提出的新理论设计的一种垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的装配图，如该图所示，在一座巨型塔筒(1)的顶端平台上，设置齿轮箱(2)和齿轮箱(10)，在齿轮箱(2)中设置垂直轴(20)和中间轴(17)，该垂直轴(20) 的上端通过联轴器(5)联结桅杆(7)，机翼型叶片(6)的头部与桅杆(7)纵向联结，机翼型叶片(6)的尾部与桅杆(7)的顶端由斜拉杆(8)联结。
47.说明书附图2给出了一种逆止器的工作原理图，如该图所示，上述垂直轴(20)与逆止器(4)的内套(3)联结，而该逆止器(4)的外套(1)与主齿轮(3)联结。
48.如说明书附图1所示，从齿轮(19)和主伞齿轮(18)与中间轴(17)联结，主伞齿轮 (18)与从伞齿轮(9)咬合，从伞齿轮(9)和主齿轮(11)与输入轴(12)联结，主齿轮 (11)与从齿轮(13)咬合，从齿轮(13)与输出轴(16)联结，输出轴(16)通过联轴器(15)与发电机(14)联结。
49.说明书附图3给出了机翼型叶片(6)的工作原理图，如该图所示，根据佰努利定理，当风掠过机翼型叶片的凸面时，风速会增大，压力会减小，只要风速足够大，压力就足够小，叶片就会向负压侧摆动。假设在理想状态下，即当机翼型叶片的两个凸面完全对称且静止在0
°
位置且风是均匀的，难么，该机翼型叶片的两个凸面上形成的负压就会相等，叶片就会保持静止不动。而实际上，既使机翼型叶片的两个凸面完全对称且静止在0
°
位置上，风的流速或方向却在不断变化中，这样，当风掠过机翼型叶片的两个凸面时就会形成不等的负压，只要该压力差足够大，就能驱动机翼型叶片往复摆动，而一旦机翼型叶片发生摆动，该叶片
的攻角就会发生变化。如说明书附图3所示，机翼型叶片的升力的方向与动力矩方向一致，所以，该叶片的动力矩等于升力矩。由说明书附图4可知，当叶片的中心线摆至-15
°
时，该叶片的c
l1
侧的攻角α＝15
°
，该侧的动力矩系数等于升力数即： cm＝c
l1
＝1.2，而与此同时，该叶片的c
l2
侧的α＝-15
°
，该侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝c
l2
＝-0.2，在该动力矩差的推动下，该叶片就会逆时针摆动；当叶片继续摆动至 15
°
时，该叶片c
l2
侧的攻角α＝15
°
，该侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝ c
l1
＝1.2，而与此同时，该叶片c
l1
侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝c
l2
＝-0.2，在该动力矩差的推动下，该叶片就会顺时针摆动，如此周而复始，该叶片就会象钟摆一样不断地往复摆动。
50.如说明书附图2所示，当机翼型叶片(6)顺时针摆动时，通过桅杆(7)及联轴器(5) 带动垂直轴(20)也顺时针摆动，而垂直轴(20)带动逆止器(4)的内套(3)顺时针转动，而内套(3)顺时针转动时带动半圆柱体楔块(2)楔紧，从而带动外套(1)同步转动；而当机翼型叶片(6)逆时针摆动时，通过桅杆(7)及联轴器(5)带动垂直轴(20) 也逆时针摆动，垂直轴(20)带动逆止器(4)的内套(3)逆时针转动，而内套(3)逆时针转动时就会带动半圆柱体楔块(2)松开，内套(3)就会空转，而外套(1)停止不动。这样，逆止器(4)只利用机翼型叶片(6)顺时针摆动时的动能，从而把机翼型叶片 (6)的往复摆动转换成了主齿轮(3)的顺时针转动。如说明书附图1所示，当逆止器(4) 顺时针摆动时，就会带动主齿轮(3)顺时针转动，而主齿轮(3)又会带动从齿轮(19) 转动，由于主齿轮(3)与从齿轮(19)咬合的传动比很大，所以，即使主齿轮(3)转动速度很慢，而从齿轮(19)也可以转动很快。而从齿轮(19)又带动中间轴(17)转动，而中间轴(17)又通过主伞齿轮(18)带动从伞齿轮(9)转动，而从伞齿轮(9)通过输入轴(12)带动主齿轮(11)转动，而主齿轮(11)又带动从齿轮(13)转动，从齿轮(13) 带动输出轴(16)转动，输出轴(16)通过联轴器(15)带动发电机(14)旋转，发电机 (14)把旋转的机械能转换成电能。
51.在本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置中，机翼型叶片是利用风能的关键功能部件，该部件虽然不能旋转，但是，由逆止器把叶片的偏摆转换成发电机的旋转，从而完成能量的转换，这与风轮的功能是相同的，但效率大得多。
52.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的性能参数及计算公式如下所述，即：
53.叶片的摆动力矩系数为：cm＝c
l
＝1.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
54.叶片的摆动力矩为：
55.叶片的比功率为：pn＝mn·
n/9550
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
56.叶片的比转速：n＝ω/360
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
57.叶片工作面积上的总风能为：
58.叶片的风能利用率为：c
p
＝pn÷
pzꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
59.上式中的：
60.ρ
------
介质密度，单位：kg/m3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀa---
叶片工作面积，单位：m261.u1-----
叶片的上游流速，单位：m/s
ꢀꢀꢀꢀr------
叶片的弦长，单位：m
62.n
-----
叶片的比转速，单位：r/min
ꢀꢀꢀꢀ
ω
-----
叶片偏摆角速度，单位：rad/min
63.本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置设计及计算案例：
64.设计：
65.1.叶片半径等于37.5米，叶片净高5米，
66.2.叶片偏摆角速度ω＝72rad/min，
67.3.叶片的动力矩系数cm＝1.2，
68.4.发电机额定转速为1500r/min。
69.5.额定风速为u1＝12m/s。
70.6.当地的空气密度ρ＝1.2kg/m371.计算：
72.1.叶片比转速n＝ω/360＝72
×
30
°
/360
°
＝6r/min，
73.2.叶片受风面积：a＝37.5
×
5＝187.5m274.3.叶片扫掠面积：a＝74m
×
5m
×
90
°
/180
°
＝185m275.4.叶片的动力矩4.叶片的动力矩
76.5.叶片的相当轴功率：pn＝mn·
n/9550＝729000
×6×
9.8
÷
9550＝4488kw
77.6.叶片扫掠面积总风能：
78.7.叶片的风能利用率：c
p
＝pn÷
pz＝4488000/191808＝23.3
79.8.发电机的额定功率：4400kw
80.9.度电工程造价：
81.(1)叶片及轴及轴承箱估价：100万元人民币。
82.(2)塔筒及立柱估价：500万元人民币。
83.(3)发电机及控制器四套估价：100万元人民币。
84.(4)建设及安装费用：300万人民币。
85.(4)合计造价：1000万元人民币。
86.(5)度电工程造价：1000万元
÷
4400kw＝2273元/kwh
87.本发明提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置具有以下所述的特点：
88.1.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置没有轮毂，不需要巨型轴承，不需要特殊材料，没有特别高的技术或工艺要求，扩大规模不受工艺或材料的限制，度电工程造价只有2273元人民币/kw，与同等半径的现有陆上水平轴桨叶式风电机组相比仅占其三分之一。
89.2.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的风能利用率远超贝茨极限，当叶片长度为37.5米时，其风能利用率高达23.39，额定功率可达4400kw，与同等半径的现有水平轴桨叶式风力发电机相比，风能利用率是其73倍，额定功率是其 2.93倍。
90.3.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的水平受风面积很小，强风对桅杆的横向推力较小，桅杆的抗风能力较强，无需限速或停车，特别适用于海上强风区域，可利用强风的风能，而这一点是现有的所有风机都无法作到的。
91.4.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置无需变桨距机构，叶片可借助风力自动调节攻角，自动偏转，自动回位。
92.5.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置在垂直轴上设置有逆
止器，逆止器可空转，而叶片本身就是风向舵，无需偏航机构，叶片可借助风力自动对准风向。
93.6.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置没有风轮只有一只叶片，而且该叶片只偏转一定角度，完全避免了垂直轴风轮的阻力区，所以，该叶片只有动力矩而没有阻力矩。
94.7.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的动力矩系数等于1.2，比现有的所有风轮的动力矩系数都大。
95.8.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置，把发电机设置在塔筒平台上，这样，发电机的体积和重量不受限制，这就为采用大功率的电励磁同步发电机创造了有利条件，而电励磁发电机的优点是可调节励磁强度，从而可调节发电机的负载，从而可拓宽可利用风能的范围，从而提高风能利用率。此外，把发电机设置在塔筒平台上，为安装检测或维护提攻了便利条件。
96.9.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置没有塔影效应，塔筒可以建得很高，机翼型叶片可利用高空或超高空的风能。
附图说明：
97.1.说明书附图1给出了由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式风力发电装置的装配图。
98.2.说明书附图2给出了逆止器的工作原理图。
99.3.说明书附图3给出了机翼型叶片的工作原理图。
100.4.说明书附图4给出了机翼型叶片的升力系数及阻力系数随攻角变化的曲线图。
101.5.说明书附图5给出了由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的装配图。
102.具体实施方式：如说明书附图1和2及3所示，首先建造一座巨型塔筒(1)，该塔筒(1)的顶部设置一个平台，该平台上设置齿轮箱(2)和齿轮箱(10)，齿轮箱(2)内分别设置有垂直轴(20)和中间轴(17)，垂直轴(20)通过联轴器(5)联结桅杆(7)，桅杆(7)与机翼型叶片(6)的头部联结，垂直轴(20)上设置有逆止器(4)，逆止器(4)的内套(3)与垂直轴(20)联结，该逆止器(4)的外套(1)与主齿轮(3)联结。机翼型叶片的两个侧面是完全对称的凸面，而该叶片本身就是一个方向舵，无需变桨距机构，仅靠风力就能自动调节攻角，无需偏航机构，仅靠风力就能自动对准风向，这样，当风力驱动机翼型叶片(6)摆动时，就会改变其攻角，进而改变其两个凸面上形成的升力矩(也即动力矩)，而该力矩差就会推动该叶片往复摆动。当机翼型叶片(6)顺时针摆动时，就会带动桅杆(7) 及垂直轴(20)也跟着顺时针摆动，而垂直轴(20)又带动逆止器(4)的内套(3)顺时针转动，而逆止器(4)的内套(3)顺时针转动又推动半圆柱体楔块(2)楔紧，从而带动其外套(1)及主齿轮(3)也顺时针转动；而当风力驱动机翼型叶片(6)逆时针回摆时，带动逆止器(4)的内套(3)及半圆柱体楔块(2)也逆时针转动，而半圆柱体楔块(2)逆时针转动就会松开，逆止器(4)就会空转，其外套(1)就会停止转动，主齿轮(3)也会停止转动，直至当风力再次驱动机翼型叶片(6)重新顺时针摆动时，又会带动主齿轮(3)继续顺时针转动，这样周而复始，主齿轮(3)的转动就会形成整圈转动，而主齿轮(3)又与从齿轮(19) 咬合，只要主齿轮(3)与从齿轮(19)的传动比足够大，那么，从齿轮
(19)的转速就足够大。从齿轮(19)带动中间轴(17)转动，而中间轴(17)又带动主伞齿轮(18)转动，而主伞齿轮(18)又带动从伞齿轮(9)转动，从伞齿轮(9)又带动输入轴(12)转动，输入轴(12)又带动主齿轮(11)转动，主齿轮(11)又带动从齿轮(13)转动，从齿轮(13) 又带动输出轴(16)转动，输出轴(16)又通过联轴器(15)带动发电机(14)转动，发电机(14)把机械能转换成电能。
103.发明内容二：说明书附图5给出了由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的装配图，如该图所示，首先在水面上设置一个平台(8)，该平台(8)由多根立柱(1) 固定，在该平台(8)上设置有齿轮箱(10)和齿轮箱(14)，在齿轮箱(10)的中央设置有垂直轴(9)和中间轴(21)，垂直轴(9)穿过平台(8)，垂直轴(9)与平台(8)的底板之间由轴套(6)联结，垂直轴(9)与竖轴(3)之间由联轴器(5)联结，竖轴(3)上固定着机翼型叶片(2)，机翼型叶片(2)与竖轴(3)之间由斜拉杆(4)联结。垂直轴(9) 的上段联结着逆止器(12)的内套(1)，而逆止器(12)的外套(3)与主齿轮(11)联结，主齿轮(11)与从齿轮(23)咬合，从齿轮(23)和主伞齿轮(22)与中间轴(21)联结，主伞齿轮(22)与从伞齿轮(13)咬合，从伞齿轮(13)和主齿轮(15)与输入轴(16)联结，主齿轮(15)与从齿轮(17)咬合，从齿轮(17)与输出轴(20)联结，输出轴(20) 通过联轴器(19)与发电机(18)联结。
104.如上述说明书附图3所示，根据佰努利定理，当水流掠过机翼型叶片的凸面时，流速会增大，压力会减小，只要流速足够大，压力就足够小，机翼型叶片就会向负压侧摆动。假设在理想状态下，即当机翼型叶片的两个凸面完全对称且静止在0
°
位置且水流均匀时，该机翼型两个凸面上形成的负压就会相等，叶片就会保持静止不动。而实际上，既使叶片的两个凸面完全对称且静止在0
°
位置上，水流的流速或方向却在不断变化，这样，当水流掠过机翼型叶片的两个凸面时就会形成不等的负压，只要该压力差足够大，就能驱动叶片往复摆动，而一旦叶片发生摆动，该叶片的攻角就会发生变化，如该图所示，机翼型叶片的升力的方向与动力矩方向一致，所以，该叶片的动力矩等于升力矩。由上述说明书附图4可知，当叶片的中心线摆至-15
°
时，该叶片的c
l1
侧的攻角α＝15
°
，该侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝c
l1
＝1.2，而与此同时，该叶片的c
l2
侧的α＝15
°
，该侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝c
l2
＝-0.2，在该动力矩差的推动下，该叶片就会逆时针摆动；当叶片继续摆动至 15
°
时，该叶片c
l2
侧的攻角α＝15
°
，该侧的动力矩系数等于升力系数即：cm＝c
l1
＝1.2，而与此同时，该叶片c
l1
侧的动力矩系数等于升力系数，即：cm＝c
l2
＝-0.2，在该动力矩差的推动下，该叶片就会顺时摆动，如此周而复始，该叶片就会象钟摆一样不断地往复摆动。
105.如说明书附图2和3所示，当机翼型叶片(2)顺时针摆动时，通过竖轴(3)及联轴器(5)带动垂直轴(9)也顺时针摆动，垂直轴(9)又带动逆止器(12)的内套(3) 顺时针转动，而该内套(3)顺时针转动时带动半圆柱体楔块(2)楔紧，从而带动外套(1) 同步转动；而当机翼型叶片(2)逆时针摆动时，通过竖轴(3)及联轴器(5)带动垂直轴(9)也逆时针摆动，而垂直轴(9)又带动逆止器(12)的内套(3)逆时针转动，而内套(3)逆时针转动时就会带动半圆柱体楔块(2)松开，内套(3)就会空转，而外套 (1)停止不动。这样，逆止器(12)只利用机翼型叶片(2)顺时针摆动时的动能，这样，逆止器(12)就把机翼型叶片(2)的往复摆动转换成了主齿轮(11)的顺时针转动。当逆止器(12)顺时针摆动时，就会带动主齿轮(11)顺时针转动，而主齿轮(11)又会带动从齿轮(23)转动，由于主齿轮(11)与从齿轮(23)咬合的传动比很大，所以，即使主齿轮(11)转动速度很慢，而从齿轮(23)也可以转动很快。从齿轮(23)又
带动中间轴(21)转动，而中间轴(21)又通过主伞齿轮(22)带动从伞齿轮(13)转动，而从伞齿轮(13)通过输入轴(16)带动主齿轮(15)转动，而主齿轮(15)又带动从齿轮(17) 转动，从齿轮(17)带动输出轴(20)转动，输出轴(20)通过联轴器(19)带动发电机 (18)旋转，发电机(18)把旋转的机械能转换成电能。
106.如上所述，机翼型叶片(2)只作往复摆动，该叶片始终只在动力区工作，只提供动力矩而没有阻力矩，最大动力矩系数cm＝1.2，这比现有的所有型式的风轮的动力矩系数都大，动力矩系数大，工作效率肯定高。此外，由于机翼型叶片(2)只在一定角度范围内作往复摆动，扫掠面积小于工作面积，这会使水能利用率大于1。此外，由于机翼型叶片(2) 只在一定角度范围内往复摆动，叶片竖轴的迎风面积较小，所受到的横向推力较小。此外，凡是在水中的部件都无需轴承，没有密封难题。此外，机翼型叶片(2)本身就是方向舵，无需偏航机构，可自动对准水流方向。此外，机翼型叶片(2)靠水力往复摆动的过程也是不断调节攻角的过程，所以，机翼型叶片(2)无需变桨矩机构。基于以上所述的特点，由本发明提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置特别适用于利用海洋的潮汐能或海峡或海沟的海流能发电。此外，本发明提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置无需筑坝，不影响水流，结构简单，投资小，而且水能利用率高，所以，特别适用于江河渠的水力发电。
107.在本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置中，机翼型叶片是利用水能的关键功能部件，该部件虽然不能旋转，但是，由逆止器把叶片的偏摆转换成发电机的旋转，从而完成能量的转换，这与水轮机的功能是一样的，但效率比水轮机大得多。
108.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的性能参数及计算公式：
109.叶片的摆动力矩系数为：cm＝c
l
＝1.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
110.叶片的摆动力矩为：
111.叶片的比功率为：pn＝mn·
n/9550
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
112.叶片的比转速：n＝ω/360
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
113.叶片扫掠面积上的总水能为：
114.叶片的水能利用率为：c
p
＝pn÷
pzꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
115.上式中的：
116.ρ
------
水的密度，单位：kg/m3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀa---
叶片工作面积，单位：m2117.u1-----
叶片的上游流速，单位：m/s
ꢀꢀꢀr------
叶片的弦长，单位：m
118.n
-----
叶片的比转速，单位：r/min
ꢀꢀꢀꢀ
ω
-----
叶片偏摆角速度，单位：rad/min
119.而由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置设计及计算案例：
120.设计：
121.1.叶片半径r＝10m，叶片净高5m，
122.2.叶片偏摆角速度ω＝72rad/min，
123.3.叶片的动力矩系数cm＝1.2，
124.4.发电机额定转速为1500r/min。
125.5.额定流速为u1＝2m/s。
126.6.水的密度ρ＝1000kg/m3127.计算：
128.1.叶片比转速n＝ω/360＝72
×
30/360＝6r/min，
129.2.叶片工作面积：a＝10
×
5＝50m2130.3.叶片扫掠面积：a＝20m
×
5m
×
0.5＝50m2131.4.叶片的动力矩4.叶片的动力矩
132.5.叶片的比功率：pn＝mn·
n/9550＝1200000
×6×
9.8
÷
9550＝7388kw
133.6.叶片扫掠面积总水能：
134.7.叶片的水能利用率：c
p
＝pn÷
pz＝7388000/200000＝36.94
135.8.发电机的额定功率：7300kw
136.9.度电工程造价：
137.(1)叶片及轴及轴承箱估价：800万元人民币。
138.(2)平台及立柱估价：1500万元人民币。
139.(3)发电机及控制器电缆估价：700万元人民币。
140.(4)建设及安装费用：1000万人民币。
141.(4)合计造价：4000万元人民币。
142.(5)度电工程造价：4000万元
÷
7300kw＝5479元/kwh
143.本发明提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置具有以下所述的特点：
144.1.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置没有轮毂，不需要轴承，没有密封难题，不需要特殊材料，没有特别高的技术或工艺要求，扩大规模不受工艺或材料的限制，度电工程造价只有5479元人民币/kw。
145.2.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的水能利用率远超贝茨极限，当叶片长度为10米时，其水能利用率高达36.94，额定功率可达7300kw。
146.3.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的水平受力面积很小，水力对叶片竖轴的横向推力较小。
147.4.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置无需变桨距机构，叶片可借助水力自动调节攻角，自动偏摆，自动回位。
148.5.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置在垂直轴上设置有逆止器，逆止器可空转，而叶片本身就是方向舵，无需偏航机构，叶片可借助水力自动对准流向。
149.6.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置没有水轮只有一只叶片，而且该叶片只偏转一定角度，完全避免了阻力区，所以，该叶片只有动力矩而没有阻力矩。
150.7.由本发明首次提出的垂直轴升力型钟摆式水力发电装置的动力矩系数等于1.2，比现有的所有水轮机的动力矩系数都大。
151.具体实施方式：如说明书附图2和3及5所示，首先建造一座巨型平台(8)，该平台 (8)可以建在海上，以利用海洋的潮汐能发电；该平台也可以建在海峡或海沟，以利用海流的动能发电；还可以建在江河渠上，无需筑坝，不影响水流，投资少，效率高。在该平台(8)上设置齿轮箱(10)和齿轮箱(14)，在齿轮箱(10)内分别设置有垂直轴(9)和中间轴(21)，垂直
轴(9)通过联轴器(5)与竖轴(3)联结，竖轴(3)上固定着机翼型叶片(2)，垂直轴(9)上设置有逆止器(12)。机翼型叶片的两个侧面是完全对称的凸面，而该叶片本身就是一个方向舵，无需变桨距机构，仅靠风力就能自动调节攻角，无需偏航机构，仅靠风力就能自动对准风向，这样，当水力驱动机翼型叶片(6)摆动时，就会改变其攻角，进而改变其两个凸面上形成的升力矩(也即动力矩)，而该力矩差就会推动该叶片往复摆动。当机翼型叶片(2)顺时针摆动时，就会带动竖轴(3)及垂直轴(9)也跟着顺时针转动，而垂直轴(9)又带动逆止器(12)的内套(3)顺时针转动，而逆止器(12) 的内套(3)顺时针转动又推动半圆柱体楔块(2)楔紧，从而带动其外套(1)及主齿轮(4) 也顺时针转动。而当机翼型叶片(2)逆时针回摆时，带动逆止器(12)的内套(3)及半圆柱体楔块(2)也逆时针转动，而半圆柱体楔块(2)逆时针转动就会松开，逆止器(12) 就会空转，其外套(1)就停止转动，主齿轮(11)也会停止转动，直至机翼型叶片(2) 重新顺时针摆动时，又会继续顺时针转动，这样周而复始，主齿轮(11)的转动就会形成整圈转动。主齿轮(11)与从齿轮(23)咬合，只要主齿轮(11)与从齿轮(23)的传动比足够大，那么，从齿轮(23)的转速就足够大。从齿轮(23)带动中间轴(21)转动，而中间轴(21)又带动主伞齿轮(22)转动，而主伞齿轮(22)又带动从伞齿轮(13)转动，从伞齿轮(13)又带动输入轴(16)转动，输入轴(16)又带动主齿轮(15)转动，主齿轮(15)又带动从齿轮(17)转动，从齿轮(17)又带动输出轴(20)转动，输出轴 (20)又通过联轴器(19)带动发电机(18)转动，发电机(18)把机械能转换成电能。