CN102278276A - 串接式双向驱动的风能动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种串接式双向驱动的风能动力系统，其包括：分别连接在做功装置的传动轴）两端的两个卷扬机；两个用于在高空收集风能，将风能转换为机械能并分别通过做功绳输出机械能的伞型风力装置，做功绳以相同缠绕方向分别缠绕连接在两个卷扬机的卷筒；连接并控制两个伞型风力装置和两个卷扬机的中央控制装置，由中央控制装置控制伞型风力装置在每个工作周期内不同时停止处于下降阶段而停止输出机械能。本发明串接式双向驱动的风能动力系统与单个的伞型风力动力系统相比，在高空风力动力系统能量输出的连续性和稳定性能上有了很大的提高。

Description

串接式双向驱动的风能动力系统

技术领域

本发明涉及一种风能转换系统，尤其是涉及一种可实现连续提供能量的串接式双向驱动的风能动力系统。

背景技术

环境和气候科学家Cristina Archer和Ken Caldeira的研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。风能是一种清洁的可再生能源，将高空风充分能利用起来为人类所用，是科学研究工作者一直关注的热点话题，高空风能的诸多优势使其越来越受到世界各国的重视。

高空风及高空风能的特点是：风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断。高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。

高空风能的采集和利用是全世界范围内的新兴研究领域，高空风能作为一种蕴藏丰富的清洁能源，高空风能的采集和控制的难度高，导致很多普通的高空风力动力系统产生的电能小而且不稳定。

间歇性的高空风能发电技术已经能提供较大功率的发电量，但是由于做功伞下行期间有一段时间没有发电，造成了该段时间内资源的浪费。

发明内容

本发明提出一种串接式双向驱动的风能动力系统，能够提供连续的动力，具有风能转换效率高的特点。

本发明采用如下技术方案实现：一种串接式双向驱动的风能动力系统，其包括：

分别连接在做功装置的传动轴两端的两个卷扬机；

两个用于在高空收集风能，将风能转换为机械能并分别通过做功绳输出机械能的伞型风力装置，两个做功绳以相同缠绕方向分别缠绕连接在两个卷扬机的卷筒；

连接并控制两个伞型风力装置和两个卷扬机的中央控制装置；

其中，在每个工作周期内，中央控制装置以时间差Tx分别向两个伞型风力装置发出第一控制信号，分别控制两个伞型风力装置，伞型风力装置从工作下限位置经过时间T1上升至工作上限位置，输出机械能并带动两个卷筒正向转动；于发出第一控制信号后经过时间T1，中央控制装置以时间差Tx分别向两个伞型风力装置发出第二控制信号控制两个伞型风力装置停止上升，且于两个伞型风力装置收到第二控制信号时，中央控制装置控制两个卷扬机的卷筒反转，分别带动两个伞型风力装置从工作上限位置经过时间T2下降至工作上限位置；且， T1>Tx> T2。

在一个优选实施例中，伞型风力装置还包括：

从下至上依次连接在做功绳上的控制箱、滑筒、做功伞和平衡装置，且控制箱固定做功绳上且无线连接中央控制装置；

连接在做功伞的伞形边缘与滑筒之间的若干细绳；

连接在控制箱与滑筒之间，且由控制箱控制其伸长量变化的伞控制绳；

其中，做功绳与地面成一角度设置；

控制箱收到中央控制装置发出的第一控制信号时，控制将伞控制绳的长度缩短并保持为一个较短的固定长度；控制箱收到中央控制装置发出的第二控制信号时，控制将伞控制绳的长度变长。

在一个优选实施例中，控制箱包括：用于控制伞控制绳的伸长量变化的小卷扬机，小卷扬机通过伞控制绳连接滑筒；

用于在检测到控制箱到达工作下限位置时，发出第一提示信号以触发中央控制装置发出第一控制信号，且在检测到控制箱到达工作上限位置时，发出第二提示信号以触发中央控制装置发出第二控制信号的位置检测器。

在一个优选实施例中，所述伞型风力装置还包括：固定连接在做功绳上的挡块，挡块位于做功伞与平衡装置之间。

在一个优选实施例中，在控制箱到达工作上限位置时，做功伞的伞形顶部的位置低于挡块。

在一个优选实施例中，平衡装置包括：固定连接在做功绳的顶部末端的升力导引体；固定连接在做功绳上的平衡伞。

其中，每个卷扬机和做功装置之间连接有单向离合器，单向离合器的中心轴承的其中一端通过一个联轴器与卷扬机的转轴连接，另一端通过另一个联轴器与做功装置的传动轴连接。

其中，卷扬机包括：连接做功绳的卷筒；电磁离合器；减速齿轮箱；由中央控制装置控制转动的电动机；其中，电磁离合器的中心转轴通过减速齿轮箱连接卷筒的转轴，且电磁离合器与电动机耦接。

其中两个卷扬机具有相同的结构。

其中，两个伞型风力装置具有相同的结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过两个相互独立的伞型风力装置收集风能，然后将风能转化为机械能，为做功机械提供能量；所述做功装置的两端分别独立接收来自两个伞型风力装置传递的机械能，当其中一个伞型风力装置的做功伞收伞下降时，另一个做功伞处在上升做功状态，两个做功伞在控制一定上升时间先后的时间差（只要避免两个做功伞同时下降收伞），就可保证两个伞型风力装置为做功装置提供连续性的机械能。因此，本发明串接式双向驱动的风能动力系统与单个的伞型风力动力系统相比，在高空风力动力系统能量输出的连续性和稳定性能上有了很大的提高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明伞型风力装置1的工作原理示意图；

图3是中央控制装置对两个控制箱、两个卷扬机进行控制的控制电路示意图。

具体实施方式

为提供风能利用效率，本发明提出一种串接式双向驱动的风能动力系统，可连续的将风能转换为机械动力输出。

如图1所示，本发明提出的串接式双向驱动的风能动力系统包括：用于在高空收集风能，将风能转换为机械能的伞型风力装置1和伞型风力装置1’，且伞型风力装置1与伞型风力装置1’具有相同的结构；连接伞型风力装置1的卷扬机2，该卷扬机2轴连接做功装置3的转轴其中一端，由卷扬机2进一步将机械能传递给做功装置3；以及连接伞型风力装置1’的卷扬机2’，该卷扬机2’轴连接做功装置3的转轴另一端，由卷扬机2’进一步将机械能传递给做功装置3；用于控制两个伞型风力装置1和1’和两个卷扬机2和2’的中央控制装置4。

其中，两个卷扬机2和2’、做功装置3和中央控制装置4都固定在地面；以该地面为参考面，两个伞型风力装置1和1’均与参考面成一个角度设置。

另外，卷扬机2和做功装置3之间连接有单向离合器5，单向离合器5的中心轴承50的其中一端通过一个联轴器6与卷扬机2的转轴200连接，另一端通过另一个联轴器6与做功装置3的传动轴30连接。同样的，卷扬机2’和做功装置3之间连接有单向离合器5’，单向离合器5’的中心轴承50’的其中一端通过一个联轴器6’与卷扬机2’的转轴200’连接，另一端通过另一个联轴器6’与做功装置3的传动轴30连接。其中，两个单向离合器5和5’的传动方向为所述做功绳10上升做功时两个卷筒20和20’的转动方向，这样，两个卷扬机2和2’分别通过两个单向离合器5和5’将机械能传递给做功装置3。

两个卷扬机2和2’具有相同的结构，且均为卧式的电动卷扬机。以卷扬机2为例来说明其结构，卷扬机2包括：卷筒20、电磁离合器21、减速齿轮箱22和电动机23。电磁离合器21的中心转轴210通过减速齿轮箱22连接卷筒20的转轴200，且电磁离合器21与电动机23耦接。电动机23连接中央控制装置4，由中央控制装置4控制电动机23工作，从而通过电磁离合器21和减速齿轮箱22驱动卷筒20正向转动或反向转动，控制做功绳10收拢做功伞11的收伞速度。

两个伞型风力装置1和1’具有相同机构，以伞型风力装置1为例来说明其结构。伞型风力装置1包括：做功绳10，该做功绳10的一末端连接卷扬机2的卷筒20、另一末端连接升力导引体16；连接在做功绳10上且彼此之间保持有一定距离的做功伞11和平衡伞17，且平衡伞17位于做功伞11的上方；设置在做功伞11和平衡伞17之间的做功绳10上的挡块12；在做功伞11的伞形边缘上连接至少3根细绳18，每根细绳18的一端系住所述做功伞11的外侧边缘，另一端固定连接位于做功伞11下方且套接设置在做功绳10上的滑筒19；在滑筒19下方的做功绳10上固定连接控制箱13，控制箱13内装有小卷扬机131和位置检测器132（仅在图3中有标号标示），小卷扬机131与滑筒19之间通过伞控制绳15连接，所述伞控制绳15在控制箱13的小卷扬机131带动下控制做功伞11的开合。

其中，伞型风力装置1中做功绳10缠绕在卷扬机2的卷筒20上的缠绕方向，与伞型风力装置1’中做功绳10’缠绕在卷扬机2’的卷筒20’上的缠绕方向相同。

结合图2和图3所示，中央控制装置4统一控制小卷扬机131和131’，以及卷扬机2和2’的工作。以伞型风力装置1和卷扬机2为例来说明：由中央控制装置4控制伞型风力装置1中的控制箱13中小卷扬机131控制伞控制绳15的伸长量变化，且控制卷扬机2的工作：当控制箱13到达相对参考面的工作下限位置H1时，控制箱13中的位置检测器132发出第一提示信号，触发中央控制装置4向控制箱13发出的第一控制信号，由控制箱13控制小卷扬机131将伞控制绳15的长度缩短并保持为一个较短的固定长度；在风力作用下使做功伞11打开并拉动做功绳10上升，当控制箱13到达相对参考面的工作上限位置H2时，控制箱13中的位置检测器132发出第二提示信号，触发中央控制装置4向控制箱13发出的第二控制信号，由控制箱13控制小卷扬机131将伞控制绳15的长度变长（释放伞控制绳15），且当小卷扬机131释放伞控制绳15完毕后，发出放绳完毕信号，由中央控制装置4根据放绳完毕信号控制卷扬机2转动以牵引做功绳10下降。

在一个优选实施例中，位置检测器132包括GPS信号接收器和控制器，GPS信号接收器从卫星接收GPS信号，由控制器分析GPS信号获取控制箱13的位置信息，并根据控制箱13的位置信息是否达到工作上限位置H1或工作上限位置H2时，分别发出第一提示信号或第二提示信号。当然，本领域的技术人员可以获知，控制器将GPS信号转发给中央控制装置4，由中央控制装置4判断控制箱13的位置信息，并根据控制箱13的位置信息发出第一或第二控制信号。

以伞型风力装置1为例进一步说明本发明提出的串接式双向驱动的风能动力系统的工作原理如下：

卷扬机2、做功装置3和中央控制装置4固定在地面上，做功绳10穿过并系住升力导引体16；升力导引体16和平衡伞17在风力的作用下上升，在上升时和之后工作状态，升力导引体16和平衡伞17始终保持打开，保持空中部分的平衡和稳定。升力导引体16和平衡伞17上升带动做功伞11开始上升。

由于控制箱13固定连接在做功绳10上的某个位置，控制箱13与卷扬机2的卷筒20之间做功绳10的长度B；以卷扬机2、做功装置3和中央控制装置4固定的地面为参考面，在工作过程中，固定在做功绳10上的控制箱13在相对参考面的工作下限高度H1和工作上限高度H2，下限位置H1和上限位置H2之间的做功绳10的长度A。

1、未工作状态下，做功伞11处于收拢状态；在自身重力作用下，做功伞11和控制箱13相对参考面均位于工作下限高度H1的下方。

2、随着风速、风力的增加，做功伞11受风力作用开始带动上行，在控制箱13还没有到达工作下限高度H1时，控制箱13根据中央控制装置4发出的第一控制信号，控制小卷扬机131转动收拢伞控制绳15，并于拢伞控制绳15后锁紧（若小卷扬机131在控制箱13收到第一控制信号之前，已经收拢伞控制绳15，则小卷扬机131直接锁紧——即不做任何方向的转动），使伞控制绳15处于收紧状态（连接在小卷扬机131与滑筒19之间的伞控制绳15的长度较短）；做功伞11在上升过程中，通过细绳18拉动滑筒19沿着做功绳10上升，而滑筒19通过伞控制绳15带动控制箱13上升运动，且由于控制箱13固定在做功绳10，从而由控制箱13带动做功绳10上升运动。

3、当风速达到一定的条件时，做功伞11已完全打开，此时，控制箱13上升至工作下限位置H1，控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度B1。由于做功伞11打开时迎风面积很大，在风力的作用下，做功伞11继续上升使做功绳10产生很大的向上的牵引力，带动卷扬机2的卷筒20转动很大的机械能。

4、当控制箱13上升至工作上限高度H2时，此时控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度B2（B2= B1+A）；此时，控制箱13中的位置检测器132向控制箱13发出已到达工作上限高度H2的第二提示信号，控制箱13检测到第二提示信号并反馈给中央控制装置4，由中央控制装置4向控制箱13发出的第二控制信号，控制箱13根据第二控制信号控制小卷扬机131解锁，此时小卷扬机131可自由转动，使连接在小卷扬机131与滑筒19之间的伞控制绳15的长度变长；同时，由于做功伞11保持打开状态在风的作用下继续上升，伞控制绳15带动小卷扬机131转动，使控制箱13此时却不跟随做功伞11继续上升（即使保持控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度B2）；由于在做功绳10上方设有挡块12，做功伞11的伞形顶部被挡块12阻挡停止上升，而滑筒19在惯性作用下继续上升，从而使系在滑筒19与做功伞11外侧边缘之间的细绳18不再受力，使做功伞11收合起来。

5、做功伞11收合完毕后，控制箱13中的小卷扬机131发出放绳完毕信号传递给控制箱13，控制箱13将信号无线传送反馈给地面的中央控制装置4，中央控制装置4发出电机启动信号同时控制卷扬机2中的电动机23转动，带动电磁离合器21传动，其中，电磁离合器21的传动方向与所述做功绳10上升做功时卷筒20的转动方向相反，使卷筒20反方向转动而将控制箱13与卷扬机2的卷筒20之间做功绳10收拢。

6、当控制箱13下降到重新到达工作下限高度H1时（此时控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度B1），控制箱13中的位置检测器132向控制箱13发出已到达工作下限高度H1的第一提示信号，控制箱13检测到第一提示信号并反馈给中央控制装置4，由中央控制装置4向控制箱13发出的第一控制信号，控制箱13根据第一控制信号控制小卷扬机131快速反转收起伞控制绳15，伞控制绳15收起之后小卷扬机131紧锁；同时在风力的作用下做功伞11重新打开进行新一轮的上升做功运动，周而复始。

因此，做功伞11打开后，拉动做功绳10上升的过程中，做功绳10对卷扬机2的卷筒20产向上牵引力，带动卷筒20转动，而卷筒20通过单向离合器5、联轴器6驱动做功装置3工作；而做功伞11收拢后，不再拉动做功绳10上升，做功绳10也不再对卷筒20产向上牵引力，此时是无法驱动做功装置3工作。

由于做功伞11和11’收拢后从工作上限高度H2下降到工作下限高度H1的下降时间T2，相比其上升做功时间T1（做功伞11打开后，从工作下限高度H1上升到工作上限高度H2的时间）短很多（即T1 >T2）。因此，当伞型风力装置1中的做功伞11从工作下限高度H1处开伞并上升一段时间t1（t1 <T1）后，使伞型风力装置1’的控制箱13’到达工作下限高度H1，由中央控制装置4向伞型风力装置1’中的控制箱13’发出第一控制信号，使伞型风力装置1’中的做功伞11’也开伞上升做功；当再次经过时间t2（t1 + t2=T1），伞型风力装置1中的做功伞11到达工作上限高度H2并准备收伞下降，此时伞型风力装置1’中的做功伞11’还未到达工作上限高度H2，仍然继续上升做功。因此，只要控制位于做功装置3左右两端的两个做功伞11和11’之间上升做功的时间差（两个做功伞11和11’开始输出机械能的时间差），只要避免两个做功伞11和11’同时处于下降时间（两个做功伞11和11’都停止输出机械能），就能使两个伞型风力装置1和1’对做功装置3最大限度的产生动力，同时保持连续给做功装置3输出动力。

也就是说，只要保证中央控制装置4分别给两个控制箱13和13’发出第一控制信号的时间差Tx，使两个做功伞11和11’ 分别通过两个做功绳10和10’产生牵引力带动卷筒20和20’正向转动；且中央控制装置4分别给两个控制箱13和13’发出的第二控制信号具有相同的时间差Tx，使两个动卷筒20和20’以时间差Tx启动开始反转，通过两个做功绳10和10’将两个控制箱13和13’分别拉回下降至工作下限高度H1处，且时间差Tx大于做功伞11和11’收拢后从工作上限高度H2下降到工作下限高度H1的下降时间T2（其中，在每个做功周期内，做功伞11和11’在下降时间T2内时，相应的电动机23和23’在中央控制装置4控制下工作，带动两个动卷筒20和20’以时间差Tx分别开始反转，反转的时长为下降时间T2），即可以保证两个做功伞11和11’不同时停止输出机械能，就可以达到实现两个伞型风力装置1和1’对做功装置3最大限度的连续动力输出。

在一个优选实施例中，做功装置3为发电机，两个卷扬机2和2’通过中心轴转动带动发电机转动，将机械能传递给发电机，由发电机转动产生连续的电能，实现风能-机械能-电能的转换。

当然，做功装置3也可以为抽水机或搅拌机，抽水机或搅拌机同样可以通过卷扬机2的转动传递机械能，从而带动抽水机或搅拌机做功，实现高空风能、机械能和做功装置所需能量之间的转化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.本发一种串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，包括：

分别连接在做功装置（3）的传动轴（30）两端的两个卷扬机（2、2’）；

两个用于在高空收集风能，将风能转换为机械能并分别通过做功绳（10、10’）输出机械能的伞型风力装置（1、1’），做功绳（10、10’）以相同缠绕方向分别缠绕连接在两个卷扬机（2、2’）的卷筒（20、20’）；

连接并控制两个伞型风力装置（1、1’）和两个卷扬机（2、2’）的中央控制装置（4）；

由中央控制装置（4）控制两个伞型风力装置（1、1’）在每个工作周期内不同时处于下降阶段而停止输出机械能。

2.根据权利要求1所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，在每个工作周期内：中央控制装置（4）以时间差Tx分别向两个伞型风力装置（1、1’）发出第一控制信号，分别控制两个伞型风力装置（1、1’），伞型风力装置（1、1’）在风力作用下从工作下限位置经过时间T1上升至工作上限位置，输出机械能并带动两个卷筒（20、20’）正向转动；于发出第一控制信号后经过时间T1，中央控制装置（4）以时间差Tx分别向两个伞型风力装置（1、1’）发出第二控制信号控制两个伞型风力装置（1、1’）停止上升，且于两个伞型风力装置（1、1’）收到第二控制信号时，中央控制装置（4）控制两个卷扬机（2、2’）的卷筒（20、20’）反转，分别带动两个伞型风力装置（1、1’）从工作上限位置经过时间T2下降至工作上限位置；且，T1>Tx> T2。

3.根据权利要求1所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，伞型风力装置（1）还包括：

从下至上依次连接在做功绳（10）上的控制箱（13）、滑筒（19）、做功伞（11）和平衡装置，控制箱（13）固定做功绳（10）上且无线连接中央控制装置（4）；

连接在做功伞（11）的伞形边缘与滑筒（19）之间的若干细绳（18）；

连接在控制箱（13）与滑筒（19）之间，且由控制箱（13）控制其伸长量变化的伞控制绳（15）；

其中，做功绳（10）与地面成一角度设置；

控制箱（13）收到中央控制装置（4）发出的第一控制信号时，控制将伞控制绳（15）的长度缩短并保持为一个较短的固定长度；控制箱（13）收到中央控制装置（4）发出的第二控制信号时，控制将伞控制绳（15）的长度变长。

4.根据权利要求3所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，控制箱（13）包括：

用于控制伞控制绳（15）的伸长量变化的小卷扬机（131），小卷扬机（131）通过伞控制绳（15）连接滑筒（19）；

用于在检测到控制箱（13）到达工作下限位置时，发出第一提示信号以触发中央控制装置（4）发出第一控制信号，且在检测到控制箱（13）到达工作上限位置时，发出第二提示信号以触发中央控制装置（4）发出第二控制信号的位置检测器（132）。

5.根据权利要求3所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，所述伞型风力装置还包括：固定连接在做功绳（10）上的挡块（12），挡块（12）位于做功伞（11）与平衡装置之间。

6.根据权利要求5所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，在控制箱（13）到达工作上限位置时，做功伞（11）的伞形顶部的位置低于挡块（12）。

7.根据权利要求1所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，平衡装置包括：固定连接在做功绳（10）的顶部末端的升力导引体（16）；固定连接在做功绳（10）上的平衡伞（17）。

8.根据权利要求1所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，两个卷扬机（2、2’）和做功装置（3）之间均连接有单向离合器（5、5’），两个单向离合器（5、5’）的中心轴承（50、50’）的其中一端通过一个联轴器（6、6’）分别与卷扬机（2、2’）的转轴连接，另一端通过另一个联轴器（6、6’）分别与做功装置（3）的传动轴连接。

9.根据权利要求1所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，两个卷扬机（2、2’）具有相同的结构；其中，卷扬机（2）包括：连接做功绳（10）的卷筒（20）；电磁离合器（21）；减速齿轮箱（22）；由中央控制装置（4）控制转动的电动机（23）；其中，电磁离合器（21）的中心转轴（210）通过减速齿轮箱（22）连接卷筒（20）的转轴（200），且电磁离合器（21）与电动机（23）耦接。

10.根据权利要求1-9任意一项所述串接式双向驱动的风能动力系统，其特征在于，两个伞型风力装置（1、1’）具有相同的结构。

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