CN102392783B - 轨道式风力动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轨道式风力动力系统，其包括：固定在地面的环型轨道；装设在环型轨道上的多个滑动机座，且相邻滑动机座之间使用牵引带连接；多个设置在环型轨道内侧耦合连接牵引带的传动装置；每个传动装置分别与一个做功装置传动连接；每个滑动机座上均通过缆绳分别连接一个位于高空的伞梯；当任意一个伞梯从逆风方向运动至顺风方向时，控制该伞梯中的做功伞打开；当任意一个伞梯从顺风方向运动至逆风方向时，控制该伞梯中的做功伞收合。本发明实现了连续的机械动力输出，风能转换效率高，且具有结构简单、安装方便、适用性广和通用性强的优点。

Description

轨道式风力动力系统

技术领域

本发明涉及一种风能转换系统，尤其是涉及一种将风能转换为机械动能的轨道式风力动力系统。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。并且，风能蕴涵量巨大，全球的风能约为2.74 x 109MW，其中可利用的风能为2 x 107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。

但由于技术的限制，目前将风能真正利用起来的只有风力发电设备，也就是公知的浆叶式发电机，这种风力发电设备存在着以下不足：

1、发电设备伫立在离地面几十米处。此位置的风速低，约为每秒5米，且风向多变，发电的功率度和稳定性都不高。在扫风方式的状态下，其风能利用率仅为风能通过量的10%——20%，难以满足各地生产与生活的用电需求。

2、风力发电设备对地形环境要求高，需要大量空旷广阔的场地，因此大都建设在偏远地区或海岸边，导致建设成本和维护费用过高。

3、占地面积大，机组分散，输变送电装置复杂，不利于大规模产业化应用。

另外，随着海拔高度的增加，风速会逐渐增加，在几千米的高空中，其风速可达到地面的十几倍甚至几十倍，且风向稳定。然而，目前真正应用在几千米高空的风能发电设备仍处于空白。

发明内容

本发明提出一种将风能转换为机械动能的轨道式风力动力系统，以解决目前风能发电设备无法应用在几千米高空导致无法利用高空风能的技术问题。

本发明采用如下技术方案实现：一种轨道式风力动力系统，其包括：固定在地面的环型轨道；装设在环型轨道上的多个滑动机座，且相邻滑动机座之间使用牵引带连接；多个设置在环型轨道内侧耦合连接牵引带的传动装置；每个传动装置分别与一个做功装置传动连接；每个滑动机座上均通过缆绳分别连接一个位于高空的伞梯；当任意一个伞梯从逆风方向运动至顺风方向时，控制该伞梯中的做功伞打开；当任意一个伞梯从顺风方向运动至逆风方向时，控制改伞梯中的做功伞收合。

其中，伞梯具体包括：依次连接在缆绳上的一个或多个做功伞和一个或多个平衡伞，且平衡伞牵引在做功伞的上方；用于控制做功伞打开或收合的开合控制器，其连接在缆绳上且位于做功伞的下方；设置在做功伞和平衡伞之间的缆绳上的挡块；做功伞的伞形边缘上连接至少3根细绳，每根细绳的另一端固定连接位于做功伞下方且套接设置在缆绳上的滑筒，且滑筒通过伞控制绳连接开合控制器。

其中，开合控制器包括：小卷扬机、位置检测器和用于与中央控制器进行通信的通信模块，小卷扬机与滑筒之间通过伞控制绳连接。

其中，当任意一个伞梯中的位置检测器检测到该伞梯从逆风方向运动至顺风方向时，由通信模块向中央处理器发出第一提示信号，中央处理器发出第一控制信号，小卷扬机根据第一控制信号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使做功伞打开。

其中，当任意一个伞梯中的位置检测器检测到该伞梯从顺风方向运动至逆风方向时，由通信模块向中央处理器发出第二提示信号，中央处理器发出第二控制信号，小卷扬机根据第二控制信号控制将伞控制绳的长度变长使做功伞收合。

其中，环型轨道采用单轨或双轨结构的圆形轨道或椭圆形轨道。

其中，牵引带为皮带或链条，传动装置为与牵引带相配合的皮带轮或链轮。

其中，做功装置为发电机、抽水机或搅拌机。

其中，在环型轨道上等间距设置至少3个滑动机座。比如，在环型轨道上等间距设置10个滑动机座。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、相比于传统的风力发电设备而言，由于本发明是利用高空的风能，对地面的地理形貌没有特别要求，可安装在离城市较近的地方，占地面积小，配合环型轨道的转动方式，滑动机座的转动轨迹预先固定，不仅可以提高运行的安全系数，最大限度的发挥了环型轨道的支承作用，而且有利于节约建筑材料，降低成本，节省各项供电设备资源；

2、本发明结构简单、安装方便，每组伞梯的做功伞均由独立的开合控制器实现监控和调节，保证其设备的准确性、稳定性和持续性，通过开合控制器的调控，实现做功伞的升力周期性交替，从而使缆绳产生的拉力带动滑动机座沿着环型轨道转动，把风能转化为机械能，进而通过机械能带动做功机器转动，实现发电机输出大功率，稳定性强的电能，相比传统的发电设备便宜，实际分摊到每度电上的成本更低，有利于风能技术的大规模产业化发展，广泛应用能够产生明显的社会、经济效益；

3、本发明在伞梯的转动过程中实现了开伞的一侧具有尽可能大的迎风面积，而闭伞的一侧具有尽可能小的气流阻力，做功时具有尽可能大的迎风面积，而非做功时的气流阻力尽可能小，改扫风面积为受风面积，稳定性强，因而具有理想的风能利用率，对风力发电的研究和开发具有重大和深远的现实意义。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是伞梯的结构示意图；

图3是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出的轨道式风力动力系统包括：固定在地面的环型轨道1；装设在环型轨道1的轨道上的多个滑动机座2，且相邻的两个滑动机座2之间使用牵引带3予以连接；多个设置在环型轨道1内侧耦合连接牵引带3的传动装置4；每个传动装置4与一个做功装置7传动连接；且每个滑动机座2上均通过缆绳（图1中未绘示）连接一个位于高空的伞梯（图1中未绘示）。

由于高空风能对伞梯做功，伞梯拉动缆绳进而带动滑动机座2在环型轨道1上滑行，从而通过传动装置4带动做功装置7运动，实现高空风能转换为带动做功装置7运动的机械能。

在一个优选实施例中，环型轨道1采用单轨或双轨结构的圆形轨道或椭圆形轨道，牵引带3为链条或皮带，传动装置4为与链条啮合的链轮或与皮带配合的皮带轮，做功装置7为发电机、抽水机或搅拌机。

结合图2所示，伞梯6包括：依次连接在缆绳5上的一个或多个做功伞61和一个或多个平衡伞62（图2所示为2个平衡伞62），且平衡伞62牵引在做功伞61的上方；用于控制做功伞61开合运动（打开或收合）的开合控制器63，其连接在缆绳5上且位于做功伞61的下方；设置在做功伞61和平衡伞62之间的缆绳5上的挡块64。

并且，在做功伞61的伞形边缘上连接至少3根细绳611，每根细绳611的一端系住所述做功伞61的外侧边缘，另一端固定连接位于做功伞61下方且套接设置在缆绳5上的滑筒65；在滑筒65下方的缆绳5上固定连接开合控制器63，开合控制器63内装有小卷扬机631、位置检测器632和用于与地面上的中央控制器进行通信的通信模块633，小卷扬机631与滑筒65之间通过伞控制绳（图2中未绘示）连接，所述伞控制绳在开合控制器63中小卷扬机631的带动下控制做功伞61的开合。

在工作过程中，伞梯6的工作过程如下：

1、未工作状态下，做功伞61处于收拢状态。

2、当做功伞61顺风方向运动时，随着风速、风力的增加，做功伞61受风力作用开始带动上行。在一定条件下（此条件可以由用户设定），开合控制器63根据中央控制器发出的第一控制信号，控制小卷扬机631转动收拢伞控制绳，并于拢伞控制绳后锁紧（若小卷扬机631在开合控制器63收到第一控制信号之前，已经收拢伞控制绳，则小卷扬机631直接锁紧——即不做任何方向的转动），使伞控制绳处于收紧状态（连接在小卷扬机631与滑筒65之间的伞控制绳的长度较短）；做功伞61在上风过程中，通过细绳611拉动滑筒65沿着缆绳5上升，而滑筒65通过伞控制绳带动开合控制器63上升运动，且由于开合控制器63固定在缆绳5，从而由开合控制器63带动缆绳5上升运动。

3、当风速达到一定的条件时，做功伞61已完全打开，小卷扬机631锁紧。由于做功伞61打开时迎风面积很大，在风力的作用下，做功伞61继续上升使缆绳5产生很大的向上的牵引力。

4、在一定条件下（此条件可以由用户设定），开合控制器63根据中央控制器发出的第二控制信号控制小卷扬机631解锁，此时小卷扬机631可自由转动，使连接在小卷扬机631与滑筒65之间的伞控制绳的长度变长；同时，由于做功伞61保持打开状态在风的作用下继续上升，伞控制绳带动小卷扬机631转动，使开合控制器63此时却不跟随做功伞61继续上升（即使保持开合控制器63与卷筒65之间缆绳5的长度B₂）；由于在缆绳5上方设有挡块64，做功伞61的伞形顶部被挡块64阻挡停止上升，而滑筒65在惯性作用下继续上升，从而使系在滑筒65与做功伞61外侧边缘之间的细绳611不再受力，使做功伞61收合起来。

因此，开合控制器63可以在中央控制器的控制下，控制做功伞61周期交替的开发-合拢。一般而言，当做功伞61在顺风方向运动时，控制做功伞61打开做功；相反，在逆风方向运动时，控制做功伞61合拢以减小运动阻力。

结合图3所示，在一个具体实施例中，在环型轨道1的轨道上均匀分布10个滑动机座2，每个滑动机座2的转轴上缠绕一根缆绳5，由缆绳5连接一个伞梯6。

从图3可以看出，无论方向怎样，这10个伞梯6中，总是有5个伞梯6的做功伞61处于打开状态（包括未完全打开状态、完全打开状态、未完全收拢状态），而另5个伞梯6的做功伞61处于合拢状态。

因此，对于每个伞梯6而言：设定伞梯6从逆风方向转动至顺风方向的临界位置设置为第一工作位置，从顺风方向转动至逆风方向的临界位置设置为第二工作位置。

当任意一个伞梯6中位置检测器632检测到达第一工作位置时，该伞梯6中通信模块633通过无线通信方式向地面的中央处理器发出第一提示信号，由中央处理器发出第一控制信号给开合控制器63。开合控制器63根据第一控制信号控制小卷扬机631快速转动收起伞控制绳，伞控制绳收起之后小卷扬机631紧锁；同时在风力的作用下做功伞61打开进行新一轮的上升做功运动。

做功伞61上升做功时，拉动缆绳5向上运动，由缆绳5牵引滑动机座2沿着环型轨道1的轨道转动，牵引带3随着滑动机座2转动，通过传动装置4将牵引带3转动的机械能传递至做功装置7，实现带动做功装置7做功。

当任意一个伞梯6中位置检测器632检测到达第二工作位置时，此时，该伞梯6中通信模块633通过无线通信方式向地面的中央处理器发出第二提示信号，由中央处理器发出第二控制信号给开合控制器63。开合控制器63根据第二控制信号控制小卷扬机631解锁，此时小卷扬机631可自由转动，使连接在小卷扬机631与滑筒65之间的伞控制绳的长度变长；做功伞61的伞形顶部被挡块64阻挡停止上升，而滑筒65在惯性作用下继续上升，从而使系在滑筒65与做功伞61外侧边缘之间的细绳611不再受力，使做功伞61收合起来。

因此，任意一个伞梯6在运动到顺风方向时，做功伞61打开开始做功，将风能转换为机械能；任意一个伞梯6在运动到逆风方向时，做功伞61合拢停止做功，且使做功伞61在逆风方向运动时收到的阻力较小。

综上，本发明多个伞梯6通过缆绳5与滑动机座2连接，通过控制伞梯6中做功伞61的升力周期性交替，从而使缆绳5产生不同方向的拉力，带动滑动机座2沿着环型轨道1的轨道转动，由滑动机座2带动调节平衡状态的拉动牵引带3的转动，将风能转化为机械能，进而通过传动装置4带动做功装置7转动。另外，本发明可根据需求，在牵引带3上集成多个滑动机座2和伞梯6，伞梯6的做功伞61可以在任何风速下工作，不需要其他辅助设备，集成化程度高，具有巨大的风能转换能力。

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)

1.一种轨道式风力动力系统，其特征在于，所述系统包括：

固定在地面的环型轨道；

装设在环型轨道上的多个滑动机座，且相邻滑动机座之间使用牵引带连接；

多个设置在环型轨道内侧耦合连接牵引带的传动装置；

每个传动装置分别与一个做功装置传动连接；

每个滑动机座上均通过缆绳分别连接一个位于高空的伞梯；

当任意一个伞梯从逆风方向运动至顺风方向时，控制该伞梯中的做功伞打开；

当任意一个伞梯从顺风方向运动至逆风方向时，控制该伞梯中的做功伞收合。

2.根据权利要求1所述轨道式风力动力系统，其特征在于，伞梯具体包括：

依次连接在缆绳上的一个或多个做功伞和一个或多个平衡伞，且平衡伞牵引在做功伞的上方；

用于控制做功伞打开或收合的开合控制器，其连接在缆绳上且位于做功伞的下方；

设置在做功伞和平衡伞之间的缆绳上的挡块；

做功伞的伞形边缘上连接至少3根细绳，每根细绳的另一端固定连接位于做功伞下方且套接设置在缆绳上的滑筒，且滑筒通过伞控制绳连接开合控制器。

3.根据权利要求2所述轨道式风力动力系统，其特征在于，开合控制器包括：小卷扬机、位置检测器和用于与中央控制器进行通信的通信模块，小卷扬机与滑筒之间通过伞控制绳连接。

4.根据权利要求3所述轨道式风力动力系统，其特征在于，当任意一个伞梯中的位置检测器检测到该伞梯从逆风方向运动至顺风方向时，由通信模块向中央处理器发出第一提示信号，中央处理器发出第一控制信号，小卷扬机根据第一控制信号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使做功伞打开。

5.根据权利要求3所述轨道式风力动力系统，其特征在于，当任意一个伞梯中的位置检测器检测到该伞梯从顺风方向运动至逆风方向时，由通信模块向中央处理器发出第二提示信号，中央处理器发出第二控制信号，小卷扬机根据第二控制信号控制将伞控制绳的长度变长使做功伞收合。

6.根据权利要求1所述轨道式风力动力系统，其特征在于，环型轨道采用单轨或双轨结构的圆形轨道或椭圆形轨道。

7.根据权利要求1所述轨道式风力动力系统，其特征在于，牵引带为皮带或链条，传动装置为与牵引带相配合的皮带轮或链轮。

8.根据权利要求1所述轨道式风力动力系统，其特征在于，做功装置为发电机、抽水机或搅拌机。

9.根据权利要求1所述轨道式风力动力系统，其特征在于，在环型轨道上等间距设置至少3个滑动机座。

10.根据权利要求9所述轨道式风力动力系统，其特征在于，在环型轨道上等间距设置10个滑动机座。

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