CN101265875A - 球状浮空垂直轴风力机 - Google Patents

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Abstract

球状浮空垂直轴风力机，是一种垂直轴、阻力型风力机，球体状，球体内充的氦气可以保证风力机浮在空中，同时利用特殊的结构保证能随风转动获取风能，不需要塔架，只要系留绳固定即可，无需迎风机构，风力机的下部可以安装电机和变速箱，产生的电力可以通过系留绳传到地面，地面控制系统可以根据系留绳控制风力机的高度，受力可以通过调节风力机内部的气体量来实现，能抗击风对风力机的破坏，也可随时恢复风力机工作。可以把两个风力机的轴上下连在一起，组成一个共轴系统，两个风力机分别向不同的方向旋转，这样就可以相互抵消风力机发电时的返向钮距。本风力机适宜制造大、中、小型风力机，从家庭用到风电场用都适宜。结构简单合理，工艺简单，能适应易发生风灾风力资源充分的地区。

Description

球状浮空垂直轴风力机
技术领域
本发明是一种垂直轴、阻力型风力机，球体形状，不须用塔架，只需要用系留绳拴住，让其漂浮在空中，浮空高度可调。用于风力发电设备技术领域。
技术背景
在面临2020年以后化石燃料(石油、天然气、煤炭等)的资源减少、成本增加和在2030年后大部分也被开发完毕的水能资源的状况下，风电将具备市场竞争能力，得到快速发展。
在过去的20多年中，风力发电在世界各国得到很大发展。风能作为一种很少有污染的可再生能源引起人们越来越大的重视，美国、丹麦、德国等国在风力发电上取得了很大的成效。现在的风力发电机均修建在地面，其输出容量受地面风能密度限制，而地表面的风能密度相当低，可利用的平均风能密度一般为0.2kW/m2-0.5kW/m2，因此要在地面建造兆瓦级以上的大型风力发电机比较困难，大直径的风轮将带来桨叶材料、振动、噪声等一系列问题。此外，地表风的不稳定性也使得风能难以成为一种可靠的能源，风力发电站典型的容量系数仅为30％左右。设置在地面的风力发电装置还受地表扰动的影响，由此引起的疲劳效应会减少设备的使用寿命。人们对靠近地面的风能系统已作了详细的研究，但却忽略了在远离地面的高空中使用风力机进行发电的可能性。事实上空中的风能密度远比地表面大。和地表的气候不同，在3万英尺的高空中，长年有着超过海平面20倍的强风，可以说是良好的风力发电的场所。如果是想办法将风力发电机升入高空，就能够送回来源源不断的电能。在某些区域，空中发电机的效率可高达90％，比地面发电机高出3倍。研究表明，在海拔2000-8000m空中的风远远比在地表面的强且稳定。在赤道两侧靠近纬度30°的区域内，年均风能密度可高达2.0kW/m2
风电设备通常分为四个主要板块：电机、变速箱、控制系统、风力机。其中风力机(也就是风力机)是风电机组的重要部件。占了风电机组的很大一部分成本。
发明内容
现在世界范围内垂直轴风力机的设计专利有上百种，有使用附加翼面的，也有使用连杆、凸轮等机械装置的，都相当复杂，难以经济有效地实现。球状浮空风力机实现了将风力发电机升入高空，提供了经济有效获取各个高度风力能量资源的技术方案。球体内充的氦气可以保证风力机浮在空中，同时利用特殊的结构保证能随风转动获取风能。由于是垂直轴风力机，所以不存在风向改变的问题，无需迎风机构。风力机的下部可以安装电机和变速箱，产生的电力可以通过系留绳传到地面。地面控制系统可以根据系留绳控制风力机的高度，受力可以通过调节风力机内部的气体量来实现。可以把两个风力机的轴上下连在一起，组成一个共轴系统，两个风力机分别向不同的方向旋转，这样就可以相互抵消风力机发电时的返向钮距。同样可以把许多风力机平行连在一起组成一个巨阵，建立风电场。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是风力机模型的前视图。
图2是风力机模型的水平剖面图。
图3、图4、图5、图6是以风力机水平剖面图的转动来说明原理的原理图。
图中1球体的硬蒙皮部分2球体的软蒙皮部分3风力机轴4球体支撑骨架5球体内部的气仓6风力充气仓7支撑骨架的垂直影射线→风力机的受力方向
风力机的模型如图1和2所示，是一个规则的圆球体，球体的从上看被支撑球体的骨架分成平均6份。蒙皮有两层，外层的是硬蒙皮，期中有硬质的骨架支撑保证不能随风吹变形，但只覆盖了风力机的一半表皮，硬蒙皮在风力机上按中间隔1份的规则覆盖了风力机表面积的一半，也就是3份，  硬蒙皮与支撑球体的6根骨架紧密连接。球体的硬蒙皮下面还有一层软蒙皮，软蒙皮完整覆盖了风力机的所有面积包裹着内部的气仓。软蒙皮按照中间隔一根骨架的规则，只与3根骨架紧密连接。所以软蒙皮在内部气仓不饱和的情况下可以随风吹变形，被风吹瘪而产生如6所示的充气仓。内部气仓如果充的是比空气轻的气体(如氢气或氦气)，就可以使风力机飘浮在空中，下部用系留绳调节浮空高度。
为了说明原理方便，把水平剖面图按支撑骨架的垂直影射分成了6等份，每份都编了号，如图3所示。首先要向风力机内部的气仓充气，但不能充满，只充到2/3体积就可以了。
风力机运行时的受力如图3所示，在风的作用下，风力机顺风面的软蒙皮因为风的压力向球内凹陷，同时另外的两个软蒙皮受到球内压力向外鼓起。风力机会获得力巨沿顺时针风向转动。当转到图4所示位置时风力机的第5部分的软蒙皮同样受到风的作用产生向球内的压力，但由于第6和1部分软蒙皮向球内的压力大于4部分，所以第4部分的软蒙皮没有向球内凹陷，保持着原形状。风力机继续沿顺时针风向转动。当转到图5所示位置时风力机的第4部分的软蒙皮同样受到风的作用产生向球内的压力逐渐加大，而第6和1部分软蒙皮向球内的压力逐渐减小，由于各出受力状况不同，所以第6和1部分软蒙皮开始向外鼓起，第4部分的软蒙皮也开始向球内凹陷，风力机仍继续沿顺时针风向转动。当转到图6所示位置时风力机的第4部分的软蒙皮同样受到风的作用产生向球内的压力大大超过了第6和1部分软蒙皮向球内的压力，所以第6和1部分软蒙皮全部向外鼓起，第4和5部分的软蒙皮也全部球内凹陷，形成了和图3一样的受力状况，由次再开始循环这样就会使风力机旋转下去。

Claims (2)

1. 球状浮空垂直轴风力机，其特征是：垂直轴、阻力型风力机，球体状，球体内充的氦气可以保证风力机浮在空中，同时利用特殊的结构保证能随风转动获取风能，不需要塔架，只要系留绳固定即可，无需迎风机构，风力机的下部可以安装电机和变速箱，产生的电力可以通过系留绳传到地面，地面控制系统可以根据系留绳控制风力机的高度，受力可以通过调节风力机内部的气体量来实现，可以把两个风力机的轴上下连在一起，组成一个共轴系统，两个风力机分别向不同的方向旋转，这样就可以相互抵消风力机发电时的返向钮距。
2. 根据权利要求1所述，球状浮空垂直轴风力机结构特征是：一个规则的圆球体，球体的从上面府看，被支撑球体的骨架分成平均6份。蒙皮有两层，外层的是硬蒙皮，期中有硬质的骨架支撑保证不能随风吹变形，但只覆盖了风力机的一半表皮，硬蒙皮在风力机上按中间隔1份的规则覆盖了风力机表面积的一半，也就是3份，硬蒙皮与支撑球体的6根骨架紧密连接。球体的硬蒙皮下面还有一层软蒙皮，软蒙皮完整覆盖了风力机的所有面积包裹着内部的气仓。软蒙皮按照中间隔一根骨架的规则，只与3根骨架紧密连接。所以软蒙皮在内部气仓不饱和的情况下可以随风吹变形，被风吹瘪凹陷加上外层的硬蒙皮能产生一个阻力比较大的冲气仓。
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PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080917