CN102057158A - 一种对流层风发电机螺旋桨的驱动和辅助起飞基础结构 - Google Patents

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Abstract

一种对流层风发电机基础结构，包含一个旋转基部1，至少一个定向臂2，至少一个通风机3，至少一个支撑至少一个翼7的系统4，和翼7的控制缆6的驱动系统5。

Description

一种对流层风发电机螺旋桨的驱动和辅助起飞基础结构
技术领域
本发明涉及一种对流层风发电机的螺旋桨驱动和辅助起飞的最佳结构。
背景技术
可再生能源在时间和空间上都具有减弱的问题；我们可以直接从太阳上获得平均大概每平方米20瓦的电能，而传统风塔的风场能产生大概每平方米4瓦的电能，其他各种资源像生物能，海能，地热能等都低于1瓦每平方米。为了产生更多的能量，可再生能源上收集和转换能量的机械和系统都体型庞大。如果是光电或者热力太阳能，也需要用板或者镜子占据很大面积地区，传统风能系统也需要在风场里设置尽可能互相靠近的大塔。
估算这些工作的最重要元素是制造这些系统的必要能源，即使在可行性和资金回报预算之前。即使在能源回报不足的情况下，在政府帮助下的市场变动也能有确实的资金回报。有一种情况就是，可再生能源产生的能源的目的是从这样一个繁重劳动过程开始的，从能源观点来看系统运作多年也不会有足够的回报。为了更深入的说明这个问题，有必要参考ERoEI(能源投入的能源回报)，emergy(国际生态学最新发展的能值)，exergy(有效能)的概念，特别是文学作品中描述的：不过，并不是本文件要深入解释这些事实的目的。
本申请使用了对流层风发电机的概念，已经申请并授权的意大利专利号1344401，提供了这些能最小化必要的理解和管理这个设备的能源投资的最佳元素，使设备本身能作为新效率和能源利润参考。产生生产力的一个重要参数是每年机器运作的小时数。为了预期经济和能源回报，一旦投资并机器运作起来，就需要最大化等效工作小时数。对流层风系统具有能开发更持续更强的风，而其他类型的风发电机不能达到那样的高度；然而，为了完全利用这种情形，需要螺旋桨达到运作高度，即使在地面上风力不足或没有风的情况。用该发电机的第一原型试验，绞盘作用下产生缆的张力，螺旋桨起飞到一个高度，螺旋桨要平行于地面离开发电机，并放置到能通过绞盘拉回的距离，给缆一个足够的拖曳速度，这样翼就产生一个举力来平衡自身重量并产生垂直加速度成分来起飞，并能沿着上升轨道控制驱动它直到达到运作高度。这种方法适合于试验行为，对一个稳固并以生产目的运作的已安装机器来说是不实际的。
发明内容
本发明的目的就是解决上述现有技术的问题：适宜的条件就是起飞的能力和能在任何时候自动并独立的从地面风的条件到达运行高度。
这里描述的实施类型提供了一对放在一个管中并由电发动机促动的轴流式风机的使用。厢式车能与一个具有二自由度的互锁接头定向。风扇喷射器能在起飞阶段随着螺旋桨定向和结合。系统能量出借基本设有：能计算出一个低于2度的消耗，能量接近于200千瓦足以使螺旋桨在无风时起飞超过200米。
这样的设置能从天气预报获得有用信息，为了选择起飞方向并调节起飞时吸收的能量。通过电控制能自动获得信息，启动并注意起飞操作。为了完成机器的最佳化，并设置一个适合于螺旋桨起飞的起始环境，风扇辅助并支撑螺旋桨，在起始状态，需要一个支撑翼结构来预设翼，把翼放在一个最适合于人造风流动的位置，这样才能得出与自然风源相均衡的航线。
在停留状态下，该结构必须能只支撑螺旋桨和自身。在运行状态下，当翼上的整个风力作用在控制缆上，该结构必须能弹力变形或者能很方便的通过机械接头定位，不是快速与作用力相反，因此降低翻转时停留的水平臂，并获得一个特殊的轻又经济的结构尺寸。设计本申请采用的支撑结构在保持静止状态时是直的，预设使螺旋桨能恰当捕获自然风或者人造风。在静止位置，准备起飞，为了使操作获得最大，使用双绳螺旋桨需要翼是完全展开，并适宜的放在相对于自然风或后者和风扇产生的人造风的总和的地方。为了以上目的，更进一步在塔上提供了能像圆规一样展开的两端臂，两端臂大小取决于翼的大小。
在起飞阶段开始时，螺旋桨保持一种特殊飞翔姿势，空气动力合力主要由拖曳组成。沿着上升轨道，当高度和大气风速增加，飞翔速度和风速的矢量和产生一个相对速度，即表面风，得到由电力控制的渐进过渡到空气动力合力主要由举力组成的飞翔姿势。在起飞阶段开始时，螺旋桨是处于一种特殊平衡状态，绕着绳索一分为二线的轴的旋转是不受直接控制的一自由度，能随着风造成的循环旋转震动：因此，很重要的是，螺旋桨设置在一个借助惯性保持在一个足够的时间的方向，这样就有了最小空气动力举力，这样就能控制指引螺旋桨飞离和操作所需高度。具有端臂的塔顺风放置，如果有自然空气流，因为在起飞阶段，保证在结构和飞离的螺旋桨之间没有物理干涉；在上升阶段，与风流动的准确对齐应该进一步作为控制螺旋桨机会的潜在时间的改进。
回收螺旋桨的过程是基于绳索的快速倒回，与一个适当长度不同，为了使用一个与翼滑翔比较的操作，当螺旋桨像一个旗帜一个摆动，将失去高度。风定位系统是直接实施在一个旋转基部上，能整体承载风扇和塔。在这种情况下，塔具有一个单倾斜方向，一个单自由度能分解成一个或多个连续的铰链式关节。定向到风向是在圆规杠杆，为了全向跟随圆规设置，需要塔受约束于一个球或者一个普通的关节。这些动作和自由度必须与减速器互锁，或者简单一点，与能产生一个预设停留中性位置的弹性元件：典型的，静止的塔是直的，圆规在塔顶尖的水平面张开。
如果使用弹性元件，需要加一能减弱和吸收可能震动的减震器。另一种枢接塔实施例是类似一个由足够柔韧材料支撑的杆，或者一种类似描述的铰接、球或普通接头能达到的行为和目的的可预设柔韧性的材料。这种具有柔韧杆的例子特别适合于给单独用户或独立用户使用的功率受限的风力发电机。
如果是减速的自然风流，螺旋桨对不稳定的风力场非常灵敏，启动时动力不稳定，大幅度摆动，直到飞翔速度和升高达到适当的值。电控实时获得可能震动的各种动力数据，包括系统六自由度的加速度，速度和位置。电控是通过操纵长度和不同缆、通风塔和喷气机方向的长度。目的是稳定起飞操作直到高度和风速都达到，这样保证了足够的飞翔速度和高度。
另一种相似的例子是传输一种重要空气流，在瞬时螺旋桨位置选出时间，降低不可控时间到最小。当螺旋桨达到足够能飞的风，喷气式风机停止，将继续上升直到达到运行高度，这将以自然风源为代价。一旦达到运行高度，起飞子程序将脱离主能源生产过程的控制。生产时，塔和圆规臂都跟随绳子，表现了飞翔的螺旋桨上升产生的整个牵引力，明显的优点是该结构不需要与分解力相反的力。不同的与绳索路径相适配的结构几何，仅由弹簧或驱动的力对外负载作出反应，弹簧或驱动是用来保持塔直立，圆规张开。塔从直立位置开始倾斜，到绳索拉紧位置，降低了翻转时间，减少结构上支撑绳索分解力强度的需要。事实上，绳索力所作用的杠杆臂不再是塔高度，而是降低到接近关节处。
类似的，圆规闭合，与绳索共直线放置，与确定静止位置的弹簧或驱动反向的作用是一个受限力，按标准能预料到，这也使滑轮组尺寸，输出缆和倾斜系统，只计算到最大绳索速度，而不是最大张力，减轻了机器的结构需要。现在上述结构的系统角色能更好指出，当螺旋桨静止，绳索上没有力的作用时有效的阻碍了预设几何和位置的施加，当螺旋桨飞翔时，沿着负载方向最小化约束力和弹性反作用力设置，沿着缆绳施加由空气动力螺旋桨上升引起的整个轴向牵引力。
该风发电机是由一个机器体完成，该机器体包含从绳索上转换移动功率的驱动卷扬机，绳索积聚机和传送筒。需要注意的是在绳索积聚机和功率卷扬机之间分配任务，不过多的承载重叠的缠绕绳索层；使功率卷扬机拉出的剩下的绳索与压辊上的滑轮稳定，并且分配在发动机促动的积聚鼓上的绳索使鼓轴向和同向滑动。
从绳索驱动力或对绳索驱动力的方法是用一个卷扬机，卷扬机由具有螺旋形纹路蜗杆的开槽柱体组成。要转换成旋转滑动的机械力越大，缠绕转数越充分。这种卷扬机能与大型的由转数减速器或倍增器调解的交替发动机驱动。然而，能量效率估算需要一个最佳方法。为估算效率和功率或损耗，能方便的使许多更小型号的交替发动机并联运作。在这种情况下，交换器的拓扑结构可以组织成一个轴与鼓轴平行的星形排列，和一个皮带功率传输机。为了能使用多个具有机械减速器的交换器/发动机，比如圆外旋轮线类型的，需要有交换器的电池，插进减速器和滑轮组里，放置在绳索路径限制弯曲倒转到一个最小，为了提高绳索寿命，实现一个分段的螺旋状路径。
交换器电池的优点包括解决模块性和滑轮的专用性，以及当拉力加大时滑轮与绳索的功率交换；事实上，在螺旋桨上，绳索牵引力最大，而在积聚鼓这边，张力是最小。因此，为了与所提供的摩擦力相配，滑轮组可以具有不同的尺寸，减速器和交换器可以具有渐进的直径或功率。这种类型的卷扬机的结构可以是2+2交换器-减速器-滑轮对照系统，或者3+3或4+4等更多。该系统都在平面上设置镜面，每个平面的系统都失去径向共面或者改变绳索连接到滑行面的滑轮组的轴的正常状态。
以上和将在以下描述中出现的本发明其他目的和优点都能在权利要求1描述的对流层风发电机基础机构得到。本发明的较佳实施例和非微不足道的改进都是从属权利要求的主题。
附图说明
本发明以上和其他特点将从以下一个较佳实施例的描述中清楚的显现，作为一个不限制的例子，参考一下附图：
图1是本发明的风力发电机在运转阶段的立体图；
图2是本发明的风力发电机在运转阶段的立体图；
图3是本发明改进方案的风力发电机的部分立体图；
图4是图1部分立体图；
图5是本发明的风力发电机的部分立体图；
图6是本发明改进方案的风力放电机的部分立体图。
具体实施方式
参考图1，本发明的风力放电机的基本结构有五个主要部件，分别是一旋转基部1，一定位臂2，一喷气式通风机3，一支撑翼7的可变几何系统4，和一控制缆6的驱动系统5。
在本实施例中，缆驱动系统5，是由一滑轮组，滚轴和导缆器组成，放置在定向臂2外部。滑轮组能很方便的插进邻近定位臂2的铰接处，该发电机还包含其他用于电飞翔控制，机械能转化成电能，配电到电源的子系统和装置，图中没有表示出来，可以安装在旋转基部内部或外部。
通风机3由一对喷气式风扇组成，用具有两个旋转自由度的接头锚挂到定向臂2上。
定向臂2在静止位置，也就是在翼7起飞之前的准备阶段，通常是竖直的。
本实施例中，参考图2，涉及到翼飞翔阶段，定位臂2，由可弯曲和稳定的材料制成，并设计成能获得预设变形的标准，获得一种内折的位置是由依据空气动力作用在翼7上运行控制缆6上的张力获得的，为了降低翻转时间强度。
图3所示的一种改进方案，定向臂2由许多用通用接头9互相连接的部件8组成。
特别的，该通用接头9具有一个外置到叉的爪子来允许把缆驱动系统5插进定向臂2和定向臂2基部的部件8的中空部件里。
基部1和单独部件8之间是由一个复杂的柔性系统调节的，为简便通过图中的弹簧10表示，由于作用在控制缆6的牵引力，结构上有一个预设的变形。
一种改进方案，这里没有表示出来，通过伺服机构控制定向臂2的变形。
一种改进方案，这里没有表示出来，风扇定位到基部上。
参考图4表示了在闭合位置，具有圆规状开口，支撑翼7的可变几何系统4和它的小臂10，对应翼7飞翔阶段时作用在控制缆6的牵引力足以与扭转弹簧11作用相反，反而当作用在缆上的牵引力受翼7自身重量限制时保持小臂10开启。
一种改进方案，这里没有表示出来，小臂的位置受伺服机构控制。
参考图5，表示驱动和聚集控制缆6的系统的一部分，由一组发动机13促动的滑轮12组成来消除控制缆6上反弯曲的疲劳影响。
根据图6所示的一种改进方案，为了方便组装并降低总体尺寸，发动机驱动的滑轮组12都是在相似的模块14中有序的运行。
本发明的基础结构并且用隔离设备(没有显示出来)隔离缆6，防止缆6相互缠绕。
更进一步，使用本发明的较佳形式，缆6可以由一个可变部分和一个可变组合制成的。

Claims (25)

1.一种对流层风发电机基础结构，其特征在于其包含：
一旋转基部(1)，至少一个定向臂(2)，至少一个支撑至少一个翼(7)的系统(4)，和翼(7)的控制缆(6)的驱动系统(5)。
2.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：还包含至少一个通风机(3)，所述通风机(3)用于当没有大气风时，产生使翼(7)起飞所需的大量人造风，或者用于当有大气风时，产生使翼(7)起飞所需的一小部分人造风。
3.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：翼(7)是通过缆(6)依靠具有至少一自由度的定向臂(2)悬挂在一个适于操纵起飞的位置。
4.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：基部(1)能沿着一个垂直轴旋转。
5.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：支撑翼(7)的系统(4)在起飞位置是可变几何状。
6.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：支撑翼(7)的系统(4)在起飞位置是由至少两个圆规状开口的小臂(10)组成。
7.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：定向臂(2)的定向和形变是由翼(7)的控制缆(6)上的牵引力施加的，在飞翔阶段可以计算在设定阶段最小化翻转时间。
8.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机(3)由至少一个轴流式风机组成。
9.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3由至少一个离心式风机组成。
10.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3由至少一个螺旋桨组成。
11.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3是停留或者锚挂到地面上。
12.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3是停留或者锚挂到基部1上。
13.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：缆6是由一个可变分节和一个可变复合制成的。
14.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3具有至少一旋转自由或一平移自由度。
15.根据权利要求2所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：通风机3是锚挂到定向臂2上的。
16.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：定向臂2是由可弯曲材料制成的。
17.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：定向臂2是由一个格子状结构或者管状结构构成的。
18.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：该对流层风发电机具有缆6的隔离设备，用于防止缆6相互缠绕。
19.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：定向臂2是由许多枢接分节8组成的。
20.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5放置在定向臂2的外部。
21.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5放置在定向臂2的内部。
22.根据权利要求1所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5使用发动机促动的滑轮12来降低缆6的摩擦和循环疲劳效应。
23.根据权利要求22所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5中，单发动机1的力矩是由一个电力系统单独调节的。
24.根据权利要求22所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5中，缆6沿着同一方向弯曲并顺着一个轨道。
25.根据权利要求22所述的对流层风发电机基础结构，其特征在于：驱动缆6的系统5中，发动机促动的滑轮组12是以连续的互相链接的模块14形式组织的。
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