CN101240778A - 风筝发电方法 - Google Patents

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CN101240778A CNA2007100846621A CN200710084662A CN101240778A CN 101240778 A CN101240778 A CN 101240778A CN A2007100846621 A CNA2007100846621 A CN A2007100846621A CN 200710084662 A CN200710084662 A CN 200710084662A CN 101240778 A CN101240778 A CN 101240778A
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Abstract

一种风筝发电方法，在风向转台上安装有发电/电动机、变速箱，其特征是：风筝操纵装置、绳索、风筝、卷扬机、传感器与电脑控制装置、电磁铁刹车器、防止飞机撞上风筝装置、风筝水平位置自动调整装置、弹性安全装置。风筝通过在地面上的操纵装置，改变风筝迎风角度。当风筝表面垂直于气流，风筝因风阻力产生最大拉力，风筝通过绳索，拖动发电机发电。在逆程返回期间，风筝操纵装置改变风筝迎风角度，使其风筝表面接近平行于气流而阻力最小，发电机变成电动机，由外部提供能量，通过绳索拉动风筝返回。风筝间断利用高空气流发电。

Description

风筝发电方法
【所属技术领域】：
本发明属风力发动机领域。
【背景技术】：
目前，公知的风力发电设备是由地面上的支架、风向转台、水平轴或垂直轴、桨叶、变速箱、发电机、电力储存或逆变设备等组成。风能是根风速的平方成正比，在大气对流层风速随着距离地面高度的增加而增大，距离地面越高风速越大。但是因为地面支架高度的限制，不能充分利用距离地面较高的风速。现有水平轴风力发电设备的桨叶是由三条窄而长的桨叶构成，风力在每条桨叶上均产生升力和阻力，升力用来推动风力机发电，阻力对风力机是破坏力。每条桨叶又是扭曲的，因为叶尖的扫风速度超过60米/秒，为减少扫风阻力整条桨叶的风力入角是不同的，如叶尖的风力入角为80度以上。由此不难看出；风力机叶片接触到的风能很少，接触到的风能又有很大一部分产生的是阻力。目前全国风力发电只有110万千瓦，即便2020年达到规划中的3000万千瓦。由于造价占风电总成本70％左右的发电机组绝大部分依靠进口，我国风电的成本长期居高不下。2003年之前，风电的装机成本超过1万元/千瓦，经过特许权招标和设备国产化的推进，目前的成本可控制在8000-9000元/千瓦。而按照目前的行业平均水平，每度风电的成本为0.5元-0.6元。设备造价高、风能利用率低、维护费用高是阻碍风力发电的主要原因。
申请号：98109467.9发明【柔性风力发电装置】提供了一种利用高空中的高速风的能量。不足之处：1、风筝是用构架做的，没有完全“柔性”，风筝自身重量还没有做到最轻。2、两只风筝是在距离很近的两条绳索上工作，风筝面积不可能做的太大，两个风筝要发生“碰撞”和相互缠绕。3、两个风筝的同步有待解决。
【发明内容】：
为了克服现有风力发电设备不能充分利用高空风速和风能利用率低，本发明提供一种风筝发电方法，该风筝发电方法能在地面上就可以利用高空的较大风速，而且风能利用率高，使用安全、设备简单、适用不同功率的风力发电。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在风向转台上装有发电/电动机、变速箱，其特征是：风筝操纵装置、绳索、风筝、卷扬机、传感器与电脑控制装置、电磁铁刹车器、防止飞机撞上风筝装置、风筝水平位置自动调整装置、弹性安全装置。
所述风向转台：是为了风筝和转台上面的其它装置顺着风向一边而设立。发电机的电力通过电刷与电网连接。
所述风筝操纵装置：是控制风筝迎风角度之用，当风筝表面垂直于气流，风筝因风阻力产生最大拉力，风筝通过绳索拉动风筝操纵装置，通过变速箱、拖动发电机发电。在逆程返回期间，风筝操纵装置改变风筝迎风角度，使其减小阻力，发电机变成电动机，由外部提供能量，通过绳索拉动风筝返回并且产生升力，使风筝爬升。其特点是：发电机是间断输出电力，逆程返回期间要靠外部能量恢复，在工作与逆程返回时交替改变风筝的迎风夹角，能够产生最大的牵引力和最大升力使风筝爬升的目的。风筝操纵装置还有一个重要的作用，是能控制风筝的拉力。当风速过大时，减小风筝迎风角度(面积)，避免损坏并网发电的发电机。
所述绳索和风筝：采用超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)制造，是继碳纤维、芳纶之后的第三代高性能特种纤维。它不仅是目前高性能纤维中比模量、比强度最高的纤维(比强度是钢铁的8-15倍，比芳纶高40％)，而且具有质轻、柔软、耐低温、耐紫外线、耐冲击、耐海水腐蚀、耐磨、耐化学性、不吸水，是唯一能够浮在水面上的高性能纤维。
所述风筝：形状示滑翔伞的柔性风筝。为了增加风筝的面积，若干个风筝串连在一起，形状像梯子。
所述卷扬机：是接受风筝动力的主要设备，风筝工作时，通过绳索拉动卷扬机，卷扬机通过变速箱拖动发动机发电，风筝逆程返回时，电动机通过变速箱拖动卷扬机拉回风筝。在修理风筝或有飞机向着风筝方向飞来时，卷扬机收回风筝。
所述传感器与电脑控制装置：传感器以脉冲形式输出给电脑，电脑计算出绳索的长度，控制风筝的迎风角度。
所述电磁铁刹车器：是在风筝操纵装置在变换迎风角度时，辅助风筝操纵装置切换方式，和风筝停止工作长时间刹住卷扬机。
所述防止飞机撞上风筝装置：因为风筝要飞很高，大型风筝可以飞到对流层顶部，正是民航飞机的高度，为保证民航飞机安全，设置防止飞机撞上风筝装置。
所述风筝水平位置自动调整装置：少于三根绳索的风筝容易倾覆，为防止风筝倾覆，设置风筝水平位置自动调整装置，安装在风筝与主绳索之间。
所述弹性安全装置：自然界的风是十分不稳定的气流，为了安全，设置弹性安全装置，串接绳索中间，是拉伸弹簧结构。
本发明的有益效果是，不用架设高空支架就可以利用风速较大的高空气流，风能利用率高，并网发电容易控制，结构简单，造价低，维护费用低。
【附图说明】：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的原理图。
图2是风筝发电方法第一个实施例的构造图。
图3是风筝发电方法第二个实施例的构造图。
图4是风筝发电方法第三个实施例的构造图。
图5、图6、图7、图8是风筝发电方法第四个实施例的构造图。
图9是风筝发电方法第五个实施例的构造图。
图10、图11是风筝发电方法第六个实施例的构造图。
图12是风筝发电方法第七个实施例的构造图。
在原理图1中，风向转台(1)上装有发电/电动机(2)、变速箱(3)、绳索(5)、弹性安全装置(6)、风筝(7)、风筝操纵装置(4)：包括卷扬机(8)、传感器与电脑控制装置(9)、电磁铁刹车器(0)。当风筝(7)在位置(a)风筝迎风面积最大，风筝(7)到位置(b)迎风面积最小。风筝通过在地面上的操纵装置，改变风筝迎风角度。当风筝垂直于气流，风筝因风阻力产生最大拉力，风筝通过绳索，拖动(发电/电动机)发电机发电。在逆程返回期间，风筝操纵装置改变风筝迎风角度，使其风筝平面接近平行于气流而阻力最小，发电机/电动机(2)为电动机，由外部提供能量，通过绳索拉动风筝返回。风筝间断利用高空气流发电。箭头所指示是风筝运动方向。
【具体实施方式】：
在图2所示第一个实施例中，所述风筝操纵装置：在风向转台(1)上安装有发电/电动机(2)、变速箱(3)、绳索(5)、弹性安全装置(6)、风筝(7)；风筝操纵装置：由2～4个卷扬机(8)、传感器与电脑控制装置(9)、电磁铁刹车器(0)连接构成。风筝操纵装置工作原理：电脑控制装置通过传感器(9)采集数据，分别控制每个电磁铁刹车器(0)和卷扬机(8)工作。当风筝(7)位置在(a)电脑控制卷扬机(8)，让风筝(7)的迎风面积最大，风筝(7)提供拉力最大。风筝(7)通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、开始拉动卷扬机(8)做正功，通过变速箱(3)、拖动发电/电动机(2)发电。当绳索放完，风筝(7)在位置(b)风筝操纵装置控制电磁铁刹车器(0)和卷扬机(8)反转，同时改变风筝(7)的迎风角度(减小迎风面积)，使其升力大，阻力小。卷扬机(8)、通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、拉回风筝(7)。这时发电/电动机(2)为电动机，需要外部能量推动卷扬机反转，这个期间风筝(7)做负功，风筝(7)产生升力，维持风筝(7)必要的高度。当风筝(7)返回到位置(a)风筝操纵装置控制电磁铁刹车器(0)和卷扬机(8)让风筝(7)的迎风面积最大，重复风筝(7)位置在(a)的运动。箭头所指示是风筝运动方向。发电机间断输出电力。
在图3所示的第二个实施例中，所述风筝操纵装置(4)：在风向转台(1)上安装有发电/电动机(2)、变速箱(3)、风筝操纵装置(4)、绳索(5)、弹性安全装置(6)、风筝(7)。风筝操纵装置(4)：由卷扬机(8)、传感器(9)、电磁铁刹车器(0)、绳索张紧装置连接构成。绳索张紧装置：由滑轮(20)、摇臂(21)和电脑控制装置(22)连接构成。其工作原理：两个绳索卷扬机滚筒连接在同一个轴上同步转动。当风筝(7)位置在(a)电脑通过传感器(9)采集数据，控制绳索张紧机构的摇臂(21)摆动角度，让风筝(7)迎风面积最大，提供最大的拉力，风筝(7)、通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、开始拉动卷扬机(8)正转做功，通过变速箱(3)、拖动发电/电动机(2)发电。当绳索放完，风筝(7)在位置(b)传感器与电脑控制装置(9)采集数据，控制电磁铁刹车器(0)和卷扬机(8)反转，同时改变绳索张紧机构的摇臂(21)摆动角度，使其改变风筝(7)的迎风角度，减小迎风面积，使其阻力小，升力大。风筝(7)通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、卷扬机(8)、拉回风筝(7)，这时发电/电动机(2)为电动机，需要外部能量推动卷扬机(8)反转，以上期间风筝(7)做负功，产生升力，维持风筝(7)必要的高度。当风筝(7)返回到位置(a)电脑控制电磁铁刹车器(0)和绳索张紧机构的摇臂(21)摆动角度，让风筝(7)迎风面积最大，卷扬机(8)正转，重复风筝(7)位置在(a)的运动。箭头所指示是风筝运动方向。发电机间断输出电力。
在图4所示的第三个实施例中，所述风筝操纵装置：在风向转台(1)上安装有发电/电动机(2)、变速箱(3)、  绳索(5)、弹性安全装置(6)、风筝(7)；风筝操纵装置：由传感器与电脑控制装置(9)、上绳索卷扬机(10)、离合器(11)、下绳索卷扬机(12)、电磁铁刹车器(0)连接构成。其工作原理：两个卷扬机(10)、(12)，通过离合器(11)连接在同一个轴上同步转动。当风筝(7)位置在(a)风筝操纵装置的电脑通过传感器(9)采集数据，控制风筝(7)的迎风面积最大，电磁铁刹车器(0)放开，离合器(11)结合，上绳索卷扬机(10)与下绳索卷扬机(12)同步转动。风筝(7)提供的拉力，通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、开始拖动卷扬机(8)作正功，通过变速箱(3)、拖动发电/电动机(2)发电。当绳索放完，风筝(7)在位置(b)离合器(11)分离，使下绳索卷扬机(12)自由转动，下绳索卷扬机在风筝(7)的牵引下放松绳索，改变风筝(7)的迎风角度(减小迎风面积)，使其阻力小，升力大。然后离合器(11)结合，风筝操纵装置的传感器与电脑控制装置(9)控制卷扬机(10)、(12)反转，风筝(7)通过绳索(5)、弹性安全装置(6)、拉回风筝(7)，这时发电/电动机(2)为电动机，需要外部能量推动卷扬机反转，这期间风筝(7)作负功，产生升力，维持风筝(7)必要的高度。当风筝(7)达到位置(a)离合器(11)分离，电磁铁刹车器(0)刹住下绳索卷扬机(12)，上绳索卷扬机(10)改变运转方向为正转，当风筝(7)的迎风面积最大时，电磁铁刹车器(0)放开，离合器(11)结合，重复风筝(7)位置在(a)的动作，箭头所指示是风筝运动方向。发电机间断输出电力。
在图5、图6、图7、图8所示的第四个实施例中，所述风筝操纵装置：单风筝结构如图5所示：风向转台(1)、发电/电动机(2)、变速箱(3)、绳索(5)、风筝(7)、曲轴(14)、轴承座(15)、风筝操纵装置：由2～4个曲柄互成90度的曲轴、2-5条绳索、1-4个风筝连接构成。
在图5、图6所示，单风筝结构如图5所示。两个曲柄互成90度的曲轴(14)。工作原理见图6：曲轴(14)在曲柄中立位置(A)时风筝不做功，需要外部能量推动曲轴(14)顺时针方向旋转，通过绳索(5)开始拉动风筝(7)做负功。曲柄位置旋转过(B)、(C)、(D)、(E)以上期间风筝作负功，风筝(7)产生升力，维持风筝必要的高度。当曲柄位置旋转过(E)、(F)、(G)、(H)回到(A)风筝(7)产生拉力。通过绳索(5)开始拉动曲轴(14)作正功，通过变速箱(3)拖动发电/电动机(2)发电。到曲柄位置(A)风筝又不做功，需要外部能量推动曲轴(14)顺时针方向转动，重复曲柄中立位置(A)动作。曲柄在位置(G)提供的拉力最大，位置(C)拉力最小，箭头所指示是风向和风筝运动方向。发电机间断输出电力。
在图7、图8所示，为了解决单个风筝(7)间断发电，设置不间断动力输出装置：由四个曲柄互成90度的曲轴(14)、五条绳索(5)、四个风筝(7)连接构成。其运动原理见图7和图8：工作原理同图5、图6只是将曲轴的曲柄由2个换成4个风筝由1个换成4个绳索增加为5条。箭头所指示是风向，曲柄标记m点处接两条绳索(a)(e)其它曲柄接一条绳索，曲轴(14)顺时针方向转动。当风吹动风筝(7)通过绳索(5)拉动曲轴(14)做功，每个风筝动作向下传播A、B、C、D、E、F、G、H返回到A往复运动。当曲轴(14)位置在A绳索c、d做正功，绳索a、b、e做负功。当曲轴(14)位置在B绳索d做正功，绳索a、c、e不做功，绳索b做负功。当曲轴(14)位置在C绳索a、d、e做正功，绳索b、c做负功。当曲轴(14)位置在D绳索a、e做正功，绳索b、d不做功，绳索c做负功。当曲轴(14)位置在E绳索a、b、e做正功，绳索c、d做负功。当曲轴(14)位置在F绳索b做正功，绳索a、c、e不做功，绳索d做负功。当曲轴(14)位置在G绳索b、c做正功，绳索a、d、e做负功。当曲轴(14)位置在H绳索c做正功，绳索b、d不做功，绳索a、e做负功。箭头所指示是风方向。类似两冲程四气缸内燃机，如果有足够的风力曲轴就可自动启动旋转。
在图9所示的第五个实施例中，所述绳索和风筝：用超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)制造；若干个串连在一起的滑翔伞形状风筝(7)，风筝前后用绳索(32)连接，前后距离是4～15倍的风筝(7)宽度，每个风筝(7)宽/长比是1比2～40。绳索(5)与风筝(7)之间设置滑轮组(31)与分支绳索(32)，在风筝(7)变换迎风角度时，自动均衡风筝(7)的局部应力过大。风筝(7)背后有气球，气球(33)是风筝(7)落地后有一小部分风筝(7)保持悬空，有利于再次自动启动风筝(7)。上图位置A是风筝(7)迎风角度平行于风向时的风筝(7)状态。位置B是风筝(7)迎风角度45度角时的风筝(7)状态。上图位置C是风筝(7)迎风角度垂直于风向时的风筝(7)状态。箭头所指示是风向。
所述防止飞机撞上风筝装置：包括风筝上放置反射雷达信号的金属薄片、闪光灯、红灯、微型风力发电机、地面雷达、卷扬机、航空无线对讲机。当飞机向着风筝方向飞来时，用卷扬机收回风筝，为了晚上提醒航空器驾驶员注意，风筝装有闪光灯和红灯。国际海事频道和气象频道航空无线对讲机，向方圆50公里的范围高空发射信息，报出风筝高度、经度、纬度，晚上点亮风筝上的闪光灯和红灯，提醒航空器驾驶员的注意。电力由风筝上的微型风力发电机自己提供。
在图10、图11所示的第六个实施例中，所述风筝水平位置自动调整装置：图10所示安装位置三视图，风筝水平位置自动调整装置：由绳索(5)、风筝(7)、调整绳索(41)、绞盘(42)、减速机(43)、径向叶片风轮(44)、刚性杆(45)、风挡板(46)、重垂(47)、挡板牵引绳索(48)连接构成。图11所示工作原理简图，调整绳索(41)在绞盘(42)上缠绕几圈。其工作原理：当风筝(7)向左倾斜，见图中A位置，风挡板(46)将风轮(44)的右半部分暴露出来，风吹动风轮(44)向右转。风轮(44)通过减速机带动绞盘，调整风筝(7)的上(下)部两个角，迫使风筝(7)扭转一定的角度，使风筝旋转，达到风筝(7)自动保持在水平位置的目的。图B位置，风筝(7)保持在水平位置，挡板(46)在风轮(44)的中间，风吹左、右对称的风轮(44)不转。当风筝(7)向右倾斜，见图中C位置，挡板(46)将风轮(44)的左半部分暴露出来，风吹动风轮(44)向左转。风轮(44)通过减速机带动绞盘，调整风筝(7)的上(下)部两个角，迫使风筝(7)扭转一定的角度，使风筝旋转，达到风筝(7)自动保持在水平位置的目的。牵引绳索(48)是为了风挡板(46)自由活动不能碰到风轮而设置。
图12所示的第七个实施例中，所述弹性安全装置：串接在绳索中间的弹性安全装置(6)，是拉伸弹簧结构，弹簧拉伸长度小于等于风筝宽度，两端连接绳索(5)。正常风速下不被拉长，在瞬间超大风速时，弹性器件能被拉长足以使风筝平行于气流，减小迎风面积，保证风筝安全。

Claims (9)

1. 一种风筝发电方法，在风向转台上装有发电/电动机、变速箱，其特征是：风筝操纵装置、绳索、风筝、卷扬机、传感器与电脑控制装置、电磁铁刹车器、防止飞机撞上风筝装置、风筝水平位置自动调整装置、弹性安全装置。
2. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述风筝操纵装置，由2～4个卷扬机、传感器与电脑控制装置、电磁铁刹车器连接构成。
3. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述风筝操纵装置，由卷扬机、传感器、电磁铁刹车器、绳索张紧装置连接构成。
4. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述风筝操纵装置，由传感器与电脑控制装置、上绳索卷扬机、离合器、下绳索卷扬机、电磁铁刹车器连接构成。
5. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述风筝操纵装置，由2～4个曲柄互成90度的曲轴、2-5条绳索、1-4个风筝连接构成。
6. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述绳索和风筝，用超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)制造；若干个串连在一起的滑翔伞形状风筝，风筝前后用绳索连接，前后距离是4～15倍的风筝宽度，每个风筝宽/长比是1比2～40；绳索与风筝之间设置滑轮组与分支绳索；风筝背后有气球。
7. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述防止飞机撞上风筝装置，包括风筝上放置金属薄片、闪光灯、红灯、微型风力发电机、地面雷达、卷扬机、航空无线对讲机。
8. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述风筝水平位置自动调整装置，由绳索、风筝、调整绳索、绞盘、减速机、径向叶片风轮、刚性杆、风挡板、重垂、挡板牵引绳索连接构成。
9. 根据权利要求1所述风筝发电方法，其特征是：所述弹性安全装置，是拉伸弹簧结构，弹簧拉伸长度小于等于风筝宽度，两端连接绳索。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080813