CN102003343B - 一种高空风力发电场系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空风力发电场系统及其实现方法，该系统包括：一电场基础结构，是由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构；一浮升气球，设置在所述内部环形结构梁内；多套单机风电机组，均布设置在所述外部环形结构梁上；一风电设备升降装置，连接所述电场基础结构，对所述电场基础结构进行升降控制；一输变电装置，连接所述风电机组，将所述风电机组提供的电能输送到地面。

Description

一种高空风力发电场系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电设备，特别涉及一种高空风力发电场系统设备。

背景技术

能源危机和环境保护要求采用清洁的再生能源，风力发电得到世界各国的重视。现有的风力发电设备一般都是利用高度在百米左右的低空风能。这一高度区域的风功率密度一般都在百瓦/平方米级别范围内，风力资源有限。据有关报道资料，在高度1000米以上，特别是在6000米到12000米的高空，风功率密度可高达10千瓦/平方米以上。利用这一区域的风力资源，应成为风电技术领域的迫切任务，以满足全世界人类对清洁的再生能源的需求。但是目前尚无现实的技术方案及应用实践去利用这一超高风功率密度区域的风力资源。为利用这一超高风功率密度区域的风力资源，本发明提供高空风力发电场系统设备，以期满足全世界人类对清洁的再生能源的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高空风力发电场系统及其实现方法，实现大功率大型风力发电场，提高风力发电的效率。

为达到上述目的，本发明提供的高空风力发电场系统，其特征在于，包括：

一电场基础结构，是由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构；

一浮升气球，设置在所述内部环形结构梁内；

多套单机风电机组，均布设置在所述外部环形结构梁上；

一风电设备升降装置，连接所述电场基础结构，对所述电场基础结构进行升降控制；

一输变电装置，连接所述风电机组，将所述风电机组提供的电能输送到地面。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述多套单机风电机组在所述外部环形结构梁上采用上下对称均布设置。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述浮升气球的上下端部分别设置有与该浮升气球相吻合的球冠壳，所述上、下球冠壳的周缘均布设置的多条浮升气球固定绳，该些固定绳的另一端固定连接在所述外部环形结构梁上，通过所述球冠壳及浮升球固定绳固定所述浮升气球在所述外部环形结构梁上。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述浮升气球采用分仓结构，该浮升气球的外层由高强度有机绳索编织的网罩，所述网罩内是高强度织物套，所述织物套内设置多个密封弹性气球。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述风电设备升降装置包括：

多根吊挂绳，其一端均布设置在所述外部环形结构梁的周缘；

一系留升降绳，其一端卷绕连接设置于地面的升降卷扬设备，另一端固定连接所述吊挂绳；

一升降卷扬设备，设置于对应高空风力发电设备的地面，用于通过所述系留升降绳控制高空风力发电设备的升降。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，还包括一高空风电设备定位装置，用于和所述风电设备升降装置协同运行，将高空风电设备固定在既定的垂直中心线上；该高空风电设备定位装置包括：

多个定位卷扬设备，以所述升降卷扬设备为中心，均布设置于升降卷扬设备周边的地面上；

多根系留纤绳，每根系留纤绳的一端固定连接在所述外部环形结构梁上，另一端卷绕连接地面上相应的定位卷扬设备。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，还包括一地面支架平台，用于空中风电设备的安装、维修及规避飓风。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述单机风电机组，包括：

一桶形外壳；

一依次连接的收缩导流进气管、直线导流进气管、扩散导流排气管构成的内部薄壳结构；

所述桶形外壳和所述内部薄壳结构通过悬吊辐条结构连接成轻体的整体结构；

一涡轮式风力发电设备，设置于所述直线导流进气管内。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述单机风电机组还包括：

一尾翼，通过一尾翼支架固定在所述桶形外壳上；

一回转装置，安装在一连接上、下两个对称布置的单机风电机组的垂直连接梁的端部，并连接所述单机风电机组。

上述高空风力发电场系统，其特征在于，所述涡轮式风力发电设备进一步包括依次安装在涡轮轴上的涡轮、液力耦合器、发电机，其中所述涡轮上固定装有多个涡轮叶片，所述液力耦合器连接所述涡轮和发电机；所述发电机连接所述液力耦合器和输变电设备。

本发明还提供了一种实现上述高空风力发电场系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构作为一电场基础结构；

均布设置多套单机风电机组在所述电场基础结构的外部环形结构梁上；

提供一浮升气球将包括电场基础结构和多套单机风电机组的风电设备浮升至高空；

提供一风电设备升降装置对风电设备进行升降控制；

提供一输变电装置，将所述风电机组提供的电能输送到地面。

与现有技术相比，本发明提供的高空风力发电场系统，空中风电设备的高度可以根据需要随时调整，使空中风电设备到达最佳高度，能够捕捉到随机的高风功率密度风能；高转速涡轮可直接驱动发电机，缩小设备尺寸，提高制造、安装和维护的工艺性；提高风力发电效率；悬吊辐条薄壳的轻体结构；简化设备，降低造价；能应对飓风；增加单机风电机组的发电能力，实现大功率大型风力发电场，为利用高空超高风功率密度区域的风力资源作一个新的尝试。

附图说明

图1为本发明高空风力发电场系统布局的主示图；

图2为本发明所示高空风力发电场系统布局的俯视图；

图3为图2中I部局部放大图；

图4为图1中II部局部放大图；

图5为图1中III部局部放大图；

图6为图3中P-P截面图；

图7为图6中IV部局部放大图；

图8为图4中V部局部放大图；

图9为实现本发明高空风力发电场系统的方法流程图。

其中，附图标记为：

1a-处于高空发电状态的空中风电设备

1b--处于地面待避状态的空中风电设备

2-系留升降绳

3-输电缆

4-系留纤绳

5-系留纤绳卷扬设备

6-地面支架平台

7-外部环型结构梁

8-内部环型结构梁

9-单机风电机组

10-水平机翼

12-尾翼

13-浮升气球

14-球冠壳

15-浮升气球固定绳

16-升降卷扬设备

17-电缆卷筒

18-系留纤绳导向轮

19-系留纤绳卷扬机房

20-系留纤绳卷扬机导绳器

21-系留纤绳卷扬机

22-空中风电设备吊挂绳

23-连接辐条

24-收缩导流进气管

25-内部导流体

26-机前气流导向板

27-直线导流管

28-圆桶形外壳

29-涡轮

30-液力耦合器

31-发电机

32-机后气流导向板

33-回转装置

34-辐条结构

35-扩散导流排气管

36-尾翼支架

37-系留升降绳卷扬机房

38-系留升降绳卷扬机

39-系留升降绳卷扬机导绳器

40-系留升降绳导向轮。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，以详细描述本发明的目的、方案及功效，但所提供附图与实施例并不作为对本发明的限定。

本发明提供一种高空风力发电场系统，包括：一电场基础结构，浮升该电场基础结构至高空的浮升气球，均布设置于电场基础结构上的多套单机风电组，对电场基础结构进行升降控制的风电设备升降装置，将风电机组提供的电能输送到地面的输变电装置。

下面参考附图详细说明本发明的具体实施方案：

图1和图2分别为本发明高空风力发电场系统布局的主视图和俯视图；示出了本发明高空风力发电场的系统布局，采用绳索系留巨型浮升气球13将包括多套单机风电机组的空中风电设备1a悬挂到高空，充分利用超高风功率密度区域的风力资源。空中风电设备1a的安装和维修均可在其地面支架平台6上进行，简化了吊装程序和设备。空中风电设备1a也可在这一地面支架平台6上规避飓风的侵扰破坏。图中1b示出了处于地面待避状态的空中风电设备。

图3为图2中I部的局部放大图，图4和图5分别为图1中II部和III部的局部放大图，图6为图3中P-P截面图。参考图3～6，本发明中的电场基础结构是由一内部环形结构梁8和一外部环形结构梁7通过连接辐条23结成的整体刚性结构，该结构作为安装空中风电设备的整体基础构架，多套单机风电机组9均布设置在外部环型结构梁7上。

浮升气球13设置在内部环型结构梁8内，内部环型结构梁8限定浮升气球13的垂直中心线位置，但允许浮升气球13上下错动。浮升气球的13上下端部设置有与其吻合的球冠壳14，上、下球冠壳14的周缘均布设置有多条浮升气球固定绳15，浮升气球固定绳15的另一端固定连接在外部环形结构梁7上，通过球冠壳14、及连接在球冠壳和外部环形结构梁上的多条均布的浮升气球固定绳，将浮升气球13固定在外部环型结构梁7上。该浮升气球13的外层是由高强度有机绳索编织的网罩，网罩内是高强度织物套。织物套内设置多个密封弹性气球，凭靠弹性气球的形状可塑性，充气后充满整个浮升气球的内部空间。这种分仓结构保证个别气球漏气后，整体浮升气球可继续工作。

图7为图6中IV部局部放大图，参考图3、图4及图7，示出了多套单机风电机组9上下对称布置的具体方案，多套单机风电机组中每两套，通过一固定于外部环形结构梁7上的一垂直梁，上下对称布置于外部环形结构梁7上，且分别位于垂直梁的上下两端，在该垂直梁的上下两端还分别设置有一回转装置33，单机风电机组9还具有一尾翼12，单机风电机组通过回转装置33和3尾翼12可以随风向调整方位，获得迎风最佳利用风能效果。多套单机风电机组9采取上下对称布置的方案，不仅改善了外部环型结构梁7的受力状态，也成倍增加了单机风电机组9的数量。其中回转装置33包括回转导轨、回转轮及回转轮支座，其中回转轮导轨为环状导轨，回转轮通过回转轮支座和单机风电机组连接，回转轮随风可在回转导轨上运转。

再请参考图7，其中单机风电机组9，包括：一桶形外壳28；一依次连接的收缩导流进气管24、直线导流进气管27、扩散导流排气管35构成的内部薄壳结构，桶形外壳28和上述内部薄壳结构通过悬吊辐条结构34连接成轻体的整体结构，在该整体结构的桶形外壳28的尾端通过一尾翼支架36连接尾翼12；连接上下对称布置的两套单机发电机组的垂直梁通过设置在桶形外壳28上的一孔洞伸入桶形外壳28内，将回转装置33接近单机发电机组9的水平中心线，以期减少回转装置33承受的倾覆力矩载荷。该单机风电机组还设置水平机翼10，用以协助浮升气球13稳定姿态和增加辅助升力。

本发明采用多叶片涡轮式风力发电设备，涡轮式风力发电设备设置于直线导流进气管27内。涡轮式风力发电设备进一步包括：依次安装在涡轮轴上的涡轮29、液力耦合器30及发电机31，涡轮29上固定有多个涡轮叶片，采用液力耦合器30连接涡轮29和发电机31以改善涡轮发电设备的启动性能。本发明采用多叶片涡轮结构的风动机，涡轮29在高风速推动下具有较高的旋转速度，使本风力发电设备可能避开一般风力发电设备难以避免的复杂的增速和调速装置，直接驱动发电机31，从而大大简化了风力发电设备，并极大地缩小了风力发电设备的尺寸，提高了设备的制造、安装和维修工艺性。

本发明的风力涡轮式发电设备还包括内部导流体25、机前气流导向板26、机后气流导向板32。其中，内部导流体25其由涡轮轴连接的头、尾两部分构成，涡轮29装设于导流体的头部和尾部之间，液力耦合器30及发电机31装设于导流体25尾部之内；机前气流导向板26设置在直线导流管27的前端，可以兼作为导流体25头部的支座，用于将气流从轴向引导为涡轮29转动的圆周切向，以较理想的角度吹向涡轮叶片，推动涡轮29转动，获得最佳利用风能的效果，提高风力发电效率；机后气流导向板32设置与直线导流管27的后端，位于机前气流导向板26之后，可兼作导流体25尾部的支座，该机后气流导向板32和扩散导流排气管35改善气流空气动力特性，以便提高涡轮发电设备的效率。

再参考图4、图6及图8，本发明中，空中风电设备通过风电设备升降装置进行升降控制。空中风电设备1a的高度可以根据需要随时调整，使空中风电设备1a到达最佳高度，能够捕捉到随机的高风功率密度风能。其中，风电设备升降装置包括多根吊挂绳22、一系留升降绳2及一升降卷扬设备16，其中，多根吊挂绳22的一端均布固定连接外部环形结构梁7，另一端和系留升降绳2连接，系留升降绳2的一端连接多根吊挂绳，另一端卷绕连接升降卷扬设备16。该升降卷扬设备16进一步包括：升降卷扬机38、卷扬机导绳器39、系留升降绳导向轮40，系留升降绳2依次经系留升降绳导向轮40，卷扬机导绳器39卷绕连接至升降卷扬机38，还可设置于一系留升降绳卷扬机房37，以减少气候变化对操作的影响。

为保证高空风电设备在高空的定位，本发明还包括一高空风电设备定位装置，采用沿外部环形结构梁7周边布置的多根系留纤绳4通过多个具有恒定输出扭矩的定位卷扬设备5使空中风电设备1a固定在既定的垂直中心线上，不产生飘动，且保证多个定位卷扬设备5与升降卷扬设备16的协同运行。其中，多个定位卷扬设备5以升降卷扬设备16为中心布置于升降卷扬设备16周边地面。参考图5，根系留纤绳4的一端固定连接在外部环形结构梁7上，另一端

通过系留纤绳导向轮18，系留纤绳导绳器20卷绕连接至系留纤绳卷扬机21。还可设置一系留纤绳卷扬机房19，以减少气候变化对操作的影响。

本发明的输变电装置采用高压“交-直-交”方式进行电力整流输变电。参考图8，提供的电能通过输电缆3送到地面，输电缆3由电缆卷筒17收放。电能的传输也可以通过微波转换装置实现。

参考图9，本发明进一步提供了一种实现上述高空风力发电场系统的方法，包括以下步骤：

步骤S901，提供一由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构作为一电场基础结构；

步骤S902，均布设置多套单机风电机组在所述电场基础结构的外部环形结构梁上；

步骤S903，提供一浮升气球将包括电场基础结构和多套单机风电机组的风电设备浮升至高空；

步骤S904，提供一风电设备升降装置对风电设备进行升降控制；

步骤S905，提供一输变电装置，将所述风电机组提供的电能输送到地面。

虽然本发明已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种高空风力发电场系统，其特征在于，包括：

一电场基础结构，是由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构；

一浮升气球，设置在所述内部环形结构梁内；

多套单机风电机组，均布设置在所述外部环形结构梁上；

一风电设备升降装置，连接所述电场基础结构，对所述电场基础结构进行升降控制；

一输变电装置，连接所述风电机组，将所述风电机组提供的电能输送到地面；

其中，所述浮升气球的上下端部分别设置有与该浮升气球相吻合的球冠壳，所述上、下球冠壳的周缘均布设置的多条浮升气球固定绳，该固定绳的另一端固定连接在所述外部环形结构梁上，通过所述球冠壳及浮升球固定绳固定所述浮升气球在所述外部环形结构梁上。

2.根据权利要求1所述的高空风力发电场系统，其特征在于，所述多套单机风电机组在所述外部环形结构梁上采用上下对称均布设置。

3.根据权利要求1所述的高空风力发电场系统，其特征在于，所述浮升气球采用分仓结构，该浮升气球的外层由高强度有机绳索编织的网罩，所述网罩内是高强度织物套，所述织物套内设置多个密封弹性气球。

4.根据权利要求1所述的高空风力发电场系统，其特征在于，所述风电设备升降装置包括：

多根吊挂绳，其一端均布设置在所述外部环形结构梁的周缘；

一系留升降绳，其一端卷绕连接设置于地面的升降卷扬设备，另一端固定连接所述吊挂绳；

一升降卷扬设备，设置于对应高空风力发电设备的地面，用于通过所述系留升降绳控制高空风力发电设备的升降。

5.根据权利要求4所述的高空风力发电场系统，其特征在于，还包括一高空风电设备定位装置，用于和所述风电设备升降装置协同运行，将高空风电设备固定在既定的垂直中心线上；该高空风电设备定位装置包括：

多个定位卷扬设备，以所述升降卷扬设备为中心，均布设置于升降卷扬设备周边的地面上；

多根系留纤绳，每根系留纤绳的一端固定连接在所述外部环形结构梁上，另一端卷绕连接地面上相应的定位卷扬设备。

6.根据权利要求1所述的高空风力发电场系统，其特征在于，还包括一地面支架平台，用于空中风电设备的安装、维修及规避飓风。

7.根据权利要求1所述的高空风力发电场系统，其特征在于，所述单机风电机组，包括：

一桶形外壳；

一依次连接的收缩导流进气管、直线导流进气管、扩散导流排气管构成的内部薄壳结构；

所述桶形外壳和所述内部薄壳结构通过悬吊辐条结构连接成轻体的整体结构；

一涡轮式风力发电设备，设置于所述直线导流进气管内。

8.根据权利要求7所述的高空风力发电场系统，其特征在于，所述单机风电机组还包括：

一尾翼，通过一尾翼支架固定在所述桶形外壳上；

一回转装置，安装在一连接上、下两个对称布置的单机风电机组的垂直连接梁的端部，并连接所述单机风电机组。

9.一种实现上述权利要求1～8中任一项所述高空风力发电场系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一由一内部环形结构梁和一外部环形结构梁通过辐条连接成的整体刚性结构作为一电场基础结构；

均布设置多套单机风电机组在所述电场基础结构的外部环形结构梁上；

提供一浮升气球将包括电场基础结构和多套单机风电机组的风电设备浮升至高空；

提供一风电设备升降装置对风电设备进行升降控制；

提供一输变电装置，将所述风电机组提供的电能输送到地面。

Images