CN102352816B - 一种高空发电的地面风力发电机组 - Google Patents

Abstract

一种高空发电的地面发电机组，属于高空风力发电技术领域。包括发电机及对称设置在发电机两侧的联轴器、增速箱、制动器、滚筒、离合器、及电动机，所述发电机的转子轴两端分别通过联轴器连接有增速箱，滚筒两端分别连接有制动器，所述增速箱和滚筒一端的制动器连接，滚筒另一端的制动器和电动机通过离合器分别连接，发电机发电时，所述两滚筒分别通过缆绳与空中做功伞连接，两离合器分别与外部控制部分连接，通过控制两离合器交替工作，实现发电机持续发电，提高发电机的发电量。本发明能够实现空中机械能量到地面的传递；通过增速箱对滚筒传动过来的转速增速后，使输出轴一端转速达到发电机所要求的额定转速。

Description

一种高空发电的地面风力发电机组

技术领域

本发明属于高空风力发电技术领域，特别是涉及一种更易于将风能转化为电能的高空发电的地面风力发电机组。

背景技术

我国是风能资源大国，但是很少有人注意到，我国还是高空风能大国。目前的风能利用仅限于几十米至百米的低空。而在几千米至1万米的高空，不仅风速更大，且风力稳定，一年中不刮风的时间不足5%。专家普遍认为，高空风能要比地面风能多出数百倍，可考虑建设空中风电厂。据了解，目前，最先进的地面风力发电站的风力密度低于1千瓦/平方米。中国陆地上空万米高空处大部分地区的风力密度均值超过5千瓦/平方米，而江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。中国拥有世界上最好的高空风能资源。同传统风电相比，高空风电投资成本约为低空风电的1/3-1/2，发电成本约为低空风电的1/3，而占地面积仅为1/30，并且无噪音，对环境影响较小。整个中国的上空都有很好的高空风能的分布，不像现在，常规风电只能在甘肃、宁夏、新疆，其他地方大部分都不能建。从高空风能的角度来说全国到处都能建。面对高空风能的诱人前景，其实早在20世纪70年代爆发能源危机时，各类高空风电的设计就不断涌现。美国、荷兰、意大利等国都多次进行过高空风能发电的试验。

专利号为200810065873.5的一种高空风力发电装置,包括具有浮力的气囊,固定气囊的绳索以及位于地面上的发电机、卷扬机以及运行控制系统。固定气囊的绳索一端固定在气囊的几何中心点上,另一端绕在发电机的转子上,或与转子相连接的传动设备上。气囊呈扁平状,其迎风角度可以调节。高空发电机的工作过程如下:运行控制系统调整气囊的迎风角度,使其正面迎风,在风力作用下,气囊从初始位置开始沿风向运动,并通过绳索,拉动转子旋转发电。此为发电阶段。气囊运动一段距离之后,必须收回到初始位置。运行控制系统调整气囊的迎风角度,使其侧面迎风,启动地面的卷扬机,沿逆风方向把气囊牵引回初始位置。此为回收阶段。两个阶段不断交替循环进行。此结构的问题在于传动链设计在气囊上，这无疑使气囊重量增加，加大了空中的安全隐患，而且此结构的发电效率比较低，达不到发电量的要求，不仅浪费了大量的风力资源，而且从经济利润角度来看也造成了浪费。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种高空发电的地面风力发电机组。它是直接建立在地面，将高空中的动能转化为电能，使发电机发电的设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明包括发电机及对称设置在发电机两侧的联轴器、增速箱、制动器、滚筒、离合器、及电动机，所述发电机的转子轴两端分别通过联轴器连接有增速箱，滚筒两端分别连接有制动器，所述增速箱和滚筒一端的制动器连接，滚筒另一端的制动器和电动机通过离合器分别连接，发电机发电时，所述两滚筒分别通过缆绳与空中做功伞连接，两离合器分别与外部控制部分连接，通过控制两离合器交替工作，实现发电机持续发电；在发电时，第一单向轴承固定锁死，使滚筒带动滚筒转轴旋转，第二单向轴承旋转方向不受影响；收绳时，第一单向轴承旋转，第二单向轴承旋转方向固定锁死，使滚筒外壳单独旋转收绳，滚筒转轴不受影响。

所述滚筒包括滚筒外壳和滚筒转轴，在滚筒外壳内两端和滚筒转轴间分别设置有第一单向轴承，在滚筒外壳外的滚筒转轴两端与制动器间分别通过第二单向轴承连接，所述第一、第二单向轴承转动方向相反。

所述发电机包括内壳、外壳、定子、永磁转子、转子轴及端盖，转子轴伸出两端盖，并与两端盖间通过轴承连接，在内、外壳间设置有筋板，形成冷却水路，在外壳上分别开有进、出水口。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用对称设置在发电机两侧的减速箱及滚筒装置，使整个装置串联，滚筒通过缆绳与空中做功伞连接，实现空中机械能量到地面的传递；通过增速箱对滚筒传动过来的转速增速后，使输出轴一端转速达到发电机所要求的额定转速。通过外部控制部分控制两离合器交替工作，每个循环左右对称，使得发电机一端做功伞开始收伞到再次做功之前这段时间另外一端的做功伞正在做功，保持发电机始终在工作状态，从而提高发电机的发电量。

2.本发明在滚筒内外的转轴上分别设置转动方向相反的第一、第二单向轴承。由于此结构中滚筒所承受的扭矩非常大，很难找到合适离合器来实现分离工作，所以选用两种轴承配合，达到分离工作的要求。

3.本发明中的发电机转子轴伸出两端盖，分别与两端滚筒装置的离合器连接，实现两端交替工作，使发电机持续工作，提高发电量。在发电机内、外壳间设置有筋板，形成冷却水路，以冷却发电机。

4.本发明中与滚筒连接的做功伞可置于高空中，高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍，配合高空的机械设备，地面机械设备将高空的动能转化为电能，实现恒功率输出。500-1000米的高空风速大、平均能量密度高（是地表风能的100多倍）、地域分布广、稳定性高、常年不断，这为单机功率10兆瓦-50兆瓦机型开发做准备。

5.本发明高空风能发电时间长（年发电时间6570小时以上）、输出稳定、功率大，地面的机械工作配合高空机械，两者结合，完成发电的整个过程。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中滚筒的结构示意图。

图3为图1中发电机的结构示意图。

图中：1、1’.电动机，2、2’.滚筒,21.滚筒外壳，22.滚筒转轴，31-34.制动器，4、4’.离合器，5、5’.增速箱，6、6’.联轴器，7.发电机，701.外壳，702.内壳，703.定子，704.永磁转子，705.进（出）水口，706.筋板，707.水路，708.内风扇，709.端盖，710.轴承内盖，711.轴承，712.轴承外盖，713.外油档，714.转子轴；8.第一单向轴承，9.第二单向轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例：如图1所示，本发明包括发电机1及对称设置在发电机1两侧的联轴器6、6’、增速箱5、5’、制动器、滚筒2、2’、离合器4、4’及电动机1、1’，所述发电机7的转子轴714两端分别通过联轴器6、6’连接有增速箱,滚筒4、4’两端分别连接有制动器，所述增速箱5、5’和滚筒2、2’一端的制动器31、32分别连接，滚筒2、2’另一端的制动器33、34和电动机1、1’通过离合器4、4’分别连接，发电机7发电时，所述两滚筒2、2’分别通过缆绳与空中做功伞连接，两离合器4、4’分别与外部控制部分连接，通过外部控制两离合器4、4’交替工作，实现发电机7两侧的装置交替工作，使发电机7持续发电。

所述滚筒2、2’包括滚筒外壳21和滚筒转轴22，在滚筒外壳21内两端和滚筒转轴22间分别设置有第一单向轴承8，在滚筒外壳21外的滚筒转轴22两端与制动器间分别通过第二单向轴承9连接，所述第一、第二单向轴承8、9转动方向相反。在发电时，第一单向轴承8固定锁死，使滚筒2、2’带动滚筒转轴22旋转，第二单向轴承9旋转方向不受影响；收绳时，第一单向轴承8旋转，第二单向轴承9旋转方向固定锁死，使滚筒外壳21单独旋转收绳，滚筒转轴22不受影响。

所述发电机7包括内壳702、外壳701、定子703、永磁转子704、转子轴714及端盖709，转子轴714伸出两端盖，并与两端盖709间通过轴承710连接，在内、外壳702、701间设置有筋板706，形成冷却水路707，在外壳701上分别开有进、出水口705。永磁体内置在永磁转子704的铁心里，易于安装和固定。由于永磁转子704发热小，定子703是主要的热源，机座是由内、外双层机壳组成，机壳中间由筋隔开，形成水路。定子703外表面与机座的内表面接触，热量由此传递到机座。进水由水泵泵入机座，经过内、外壳702、701中间的水路707，通过热传导把热量带走，由此循环，把发电机7温升控制在安全的范围。发电机7两端采用滚动绝缘轴承711，可防止轴电流流过轴承711，对轴承711造成损坏。其中永磁转子704由风力形成的外部力矩驱动而旋转，从而使由永磁体产生的静态磁场也旋转起来，定子703绕组切割磁力线，内部感应出电势。定子703采用星型接法，在额定转速下，额定功率可达1500kW，效率97.7%。

本发明的工作原理：

空中做功伞的机械能量通过缆绳传递到地面滚筒2的转轴上，滚筒2的一端连接一个小电动机1，所述电动机1的作用是当空中做功伞达到最高点时，地面的滚筒2需要一个很小的力将做功伞收回至最低点，此时就需要电动机1来完成收伞的工作，同时，当需要整个设备停止工作并且收回空中的工作设备时，同样需要这个电动机1来完成。电动机1与滚筒2之间连接一个离合器4，此离合器在做功伞做功阶段时是分离的，当收回做功伞的时候离合器4贴合，电动机1带动滚筒外壳21做反向旋转以完成收绳工作。在滚筒2的另外一端连接的刹车制动器31，当空中做功伞从完成做功并且收回后再次做功启动之前这段时间，滚筒2需要停止工作。与制动器3的另一端是连接的就是增速箱5，增速箱5和发电机7间通过联轴器6连接，经过增速箱5对滚筒2传动过来的转速增速后，使输出轴一端转速达到发电机7所要求的额定转速，至此，完成了整个的发电过程。为了提高发电机7的发电量，本发明采用整体设备串联方式，一台电动机1到发电机7为一个整体，然后在发电机的另一端继续连接另外一个整体的增速箱5、滚筒3至电动机1’，每一个循环左右对称，为了使发电机7持续工作，并且中间没有间断，发电机7左右的滚筒2不能同时做同样的工作，通过外部控制部分控制，保证当一端做功伞开始收伞到再次做功之前这段时间另外一端的做功伞正在做功，保持发电机7始终在工作状态，从而提高发电机7的发电量。

Claims (2)

1.一种高空发电的地面发电机组，其特征在于：包括发电机及对称设置在发电机两侧的联轴器、增速箱、制动器、滚筒、离合器及电动机，所述发电机的转子轴两端分别通过联轴器连接有增速箱，滚筒两端分别连接有制动器，所述增速箱和滚筒一端的制动器连接，滚筒另一端的制动器和电动机通过离合器分别连接，发电机发电时，所述两滚筒分别通过缆绳与空中做功伞连接，两离合器分别与外部控制部分连接，通过控制两离合器交替工作，实现发电机持续发电；所述滚筒包括滚筒外壳和滚筒转轴，在滚筒外壳内两端和滚筒转轴间分别设置有第一单向轴承，在滚筒外壳外的滚筒转轴两端与制动器间分别通过第二单向轴承连接，所述第一、第二单向轴承转动方向相反；在发电时，第一单向轴承固定锁死，使滚筒带动滚筒转轴旋转，第二单向轴承旋转方向不受影响；收绳时，第一单向轴承旋转，第二单向轴承旋转方向固定锁死，使滚筒外壳单独旋转收绳，滚筒转轴不受影响。

2.根据权利要求1所述的高空发电的地面发电机组，其特征在于：所述发电机包括内壳、外壳、定子、永磁转子、转子轴及端盖，转子轴伸出两端盖，并与两端盖间通过轴承连接，在内、外壳间设置有筋板，形成冷却水路，在外壳上分别开有进、出水口。

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