CN101230840A - 机翼风筝风电站 - Google Patents

Abstract

借鉴蜈蚣风筝由多片风筝盘串联延续到很长的结构和优良升力原理，再结合航空气动要求改成如图所示的翼盘j、机翼k组成的翼筝，把这种多片翼筝用筝绳a、筝三绳ja串联成3km长的机翼风筝，用5km的筝绳a把它放飞到5－6km高空。该风筝的最上端又接上一只同样的风筝，并在该连接点水平地拴系一只大圆锥风筒，风筒的小端出风口装有亚汽轮式的风力发电机组，发出的电通过筝三绳ja、筝绳a中包含的电缆输到地面站。风筒上有筒翼、襟翼尾舵，所以风筒能水平地悬在高空发电。以机翼k的翼轴ka为枢轴，可调节机翼k的迎角。风筒的襟翼、尾舵也由电子智能神经网络自动控制。高空设有暴雨、大雪、风沙，运作累计小时，会超过地面风电站；有可能使无风能资源的地区用到高空风力电。

Description

机翼风筝风电站

本发明属于风电领域，一种机翼风筝风电站。

现有风电技术都建在地面、山顶、浅海滩，但受风能密度、风速的限制，地球上可安装风电机组的区域很有限，然而高空的常年风能很可观，该设法向高空要风能。

1、发明目的和依据：在5-7km高空建立可长期停留、运作的风电站；根据以往的经验，从诸多风筝中筛选出最具稳定性和大升力的大蜈蚣风筝为基础，再用航空气动技术改造、创新的方案；

2、必须具备优异的经济因素和实用价值，首期应用容量＞2MW；正常运转的总小时数应该等于或大于地面风电站寿命；

3、解决长度10km，重量大于50吨的风筝钢索及回送地面的电缆悬挂方案；

4、充分利用现有先进技术，使发电系统基于模糊逻辑的智能控制技术，和控制桨距角、预测风轮气动特性的神经网络控制技术，使得高空低温环境中的发电设备有更高的效率和重量比，用数码变频发电技术，不用齿轮箱等新技术的集合运作，达到最大能量获取。

方案：图1示意图，机翼风筝k1、k2、k3它们的机翼全都同一型号，图2是其中一部分的实际结构。

图1表示机翼风筝k1是一具单独用一根很长的(例如10km)的高强度钢丝绳a1，是三具机翼风筝中放得最高，(h＞7.5km)。机翼风筝k2的筝绳a2很粗，因为它由高强度钢丝绳和三根电缆组合在一起；机翼风筝k2为承担这一很重的架空悬挂电缆和钢索的筝绳a2，，所以用了许多张机翼k来提高升力；筝绳a2在机翼k处分成三条筝三绳ja(图2)，筝三绳ja在翼盘j的圆周上分为三点固联，即一条在翼盘j的中垂线至高点，另外两条对称分布在中垂线左右、翼盘下半部。每一条筝三绳ja包含一条电缆和一条承受拉力的钢丝绳和电子智能控制用的神经网络线。这些筝三绳ja在机翼风筝k2的最高处末尾再会合成一根筝绳，连接住机翼风筝k3的筝绳a3(图1)，就在这连接点上同时用4根筝绳a5连接住风筒4，这4根筝绳a5每根都可包含拴系钢丝绳、电缆、电子智能网络线。风筒4用聚合物基复合材料中的硼/环氧复合材料，它的重量轻、强度、刚度很高，弹性模量大；并且风筒4用圆锥形的筒体，只承受张力，由于材料可承受的张力比弯曲应力强，因此风筒虽然很大，但可制成较薄较轻的筒体，再配上筒翼4a、4b都有襟翼，尾舵4c，所以只要给它一个迎风牵系力，它自己会维持水平留在空中；4d是筒身左右两侧对称布置的自动卸载风门，即在风速大到超额超载时，筒内风压会克服风门的弹簧关闭力，逐次推开风门而泄风减压，并维持筒内最高额定风压，全负荷运转风力发电机组。

风筒4的作用：a、提高能流密度(即风能密度)。b、安装风力发电机组5。因为从风能中可获取的能量与风速的三次方成正比，所以应用风筒4的聚风作用，来保证高空气流风速较低时也能使风力发电机组获得较高的风速、发挥最大功率、高效率发电的目的。

上述提到筝三绳ja，筝绳a5中都包含有输电缆，这并不意味着非用三根、四根电缆不可，只因用三根、四根绳对机翼风筝、风筒的控制牵引和受力分布均衡的目的出发；而输电电缆可根据空中、地面的综合经济因素而决定用交流或直流输电。

图1的机翼风筝k1、k3都也有很多张机翼k(图2)组成，只因画面有限，才画小、画少。图1的筝绳a4的作用是连接三具筝绳a1、a2、a3形成合力，稳住对风筒4的拴系力。

机翼风筝结构(图2)：有多张同一规格的机翼k，翼盘j，用筝三绳ja连接而成，机翼k的单只翼长约1.5m，左右两只翼用三根铝合金管胶合固连在一起，中间一根管ka起枢轴作用，贯穿翼盘j的上肩部；用高强度细钢丝拉动(或松驰)两旁边的管梁kb、kc，使机翼k以ka为轴略作调整迎角变化，达到适合不同风速时的最佳升力(由电子智能网络自动控制)。

翼盘j的Φ0.6m左右，所以机翼k的总翼展3.6m左右，机翼框用聚合物基复合材料整体结构，再用模型法充填蜂窝泡沫塑料形成附合气动力学的翼型，外粘玻璃纤维复合材料蒙皮，再喷涂半导电的面膜层，能通低压电溶化高空低温冰霜(由电子智能自动控制)。左右翼组装：用上述三根ka、kb、kc管梁直接插入机翼框架孔中胶固。翼盘j的框架、蜂窝泡沫、蒙皮也按机翼一样制造，总之力求重量轻，升力大，整体结构具有较大的比强度和比刚度。

图1的筝绳a1、a2分别接入地面动座6，动座6可随机翼风筝k1、k2、k3应顺风向被牵拉而绕立轴62转动，在筝绳a2中的电缆电能，通过立管61的下端部的集流环把电能转输到相邻的变电所。以立管61为中心形成圆锥形的杆件、拉杆支撑结构的一座整体，套装在立轴62的外围，立轴62砼基加固于岩质山丘上；立管61、立轴62是管径大小相匹配的大钢管。两个导轮63是初次放飞翼筝时的导向筝绳a1、a2用的(当然另外还有多个导轮和动力卷绕机未在画面)。

优点：1、高空没有暴雨、大雪和风沙，风电机组累计使用小时很可能会超过地面风电机组的使用寿命；2、高空气温低、风速大、散热快，有利于大容量发电机满载荷长期运作；3、利用高空风能资源，有可能使无风力资源的地区用上风力电；4、远离陆地的离岛，地面有限价昂贵，利用高空风力发电更适合。

方案事实依据：上述机翼风筝升空携重、架设高空电缆的事实依据是沿用已久、古老的大蜈蚣风筝(图3)，这种蜈蚣造型彩色风筝都由成年人放飞。如今即将提前贯通的杭州湾跨海大桥(36km，6车道)的南桥岸，是慈溪市早年的平坦的盐场，抗日胜利，盐民为庆祝而放飞大蜈蚣风筝，晚上，在筝绳上挂很多盏红烛灯笼，璀璨的灯火形成长长的弧线，一直伸向黑夜的高空。当时最大的蜈蚣风筝长15丈(50m)，可挂120盏灯笼，以示祈愿苍天保佑社区百姓百年丰盛。

这种风筝放飞能适应风速变化较大的范围，原因是结构合理，全部筝盘j都一样大(图中为了显示长而高远，用透视法画，才有大小)，累积升力叠加效应，和每一筝盘j的翼缘涡流，导致飞雁列队效应，所以升力大，稳定性高，自重轻，小风时也能放飞；筝绳a、筝三绳ja都由海帆船打绳机制成，质量高牢固，所以风大时也可放飞。筝盘j用毛竹劈成的竹筋扎成圆圈，充分利用竹的张力再加上一根竹筋横担m，及其两端用公鸡毛配重形成风阻，构成自动回复平衡的力学原理。筝盘j是蒙上一种当时叫韧皮纸的纸(现在没买了)。

小蜈蚣风筝直到上世纪50年代初本人念小学中低年级时，做过多架(包括帮同学们做)。

附图说明：

图1是机翼风筝风电站的示意图。

图2是机翼风筝的部分立体图。

图3是大蜈蚣风筝立体图。

图4是大蜈蚣风筝视图平衡原理图。

Claims (3)

1.一种机翼风筝风电站，包括机翼风筝k1、k2、k3、风筒4及维持风筒水平悬于高空的筒翼、襟翼、尾舵；圆锥形风筒的小端出风口装有风力发电机组5，发出的电力通过包含在筝绳a5、a2、筝三绳ja的电缆，再经包含在低空段筝绳a2的电缆输送到地面站动座6。

2.根据权利要求1所述的机翼风筝风电站，特征是由翼盘j、左右机翼通过翼轴ka为枢轴，操纵管梁kb、kc，可控制机翼迎角。

3.根据权利要求1或2所述的机翼风筝风电站，特征是由许多片结构件用筝三绳串联而成的超长型机翼风筝，此结构件是指翼盘j，左右机翼k、翼轴ka、管梁kb、kc。

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