CN102758732A - 集发电与监控于一体的航空风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于风力发电设备领域的一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统。飞艇将风力发电平台吊挂在海拔1000-4500米高空位置，卷扬机和四根钢丝缆绳维持风力发电平台的空中位置，风力发电机固定在风力发电平台上，借助高空强大风力发电；并装有空中防雷、地面监控、高空照明、信号发射、雷达扫描等设备。在地理位置偏僻、用电量较小的地区使用本航空发电设备供电，免除铺架电线的麻烦，符合智能电网分层分区、自给自足的分布式供电原则。可以对地面状况实时监控和大面积照明；安装的信号发射器和雷达，可以增强飞艇下方地面区域的手机信号及用于多种用途的探测扫描。本设备定期降下进行维护维修，确保设备安全、正常运行。

Description

集发电与监控于一体的航空风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电设备领域，特别涉及一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，具体说是使用飞艇搭建空中平台进行风力发电，并辅以空中防雷、地面监控、高空照明、信号发射、雷达扫描等功能的航空风力发电设备。 

背景技术

能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源，是整个世界发展和经济增长的最基本驱动力，是人类赖以生存的基础。随着石油、煤炭、天然气等化石能源濒临枯竭，能源危机日益临近，以太阳能、水能、核能为代表的新能源俨然成为了未来的发展趋势。然而，上述这些能源形势各有缺陷。太阳能虽然清洁环保，但生产太阳能设备的过程本身污染严重；水能若能充分利用其输出功率很大，例如三峡大坝，但建造水电站会对水路运输、农业灌溉、自然风景、沿途居民生活等其他方面产生不利影响；利用核能的风险大，若发生核泄漏其后果不堪设想，2011年日本福岛事件就给全世界人民敲响了警钟。与上述新能源相比，风能的安全性、可靠性、清洁性更胜一筹，但现有的风能利用技术也存在很多劣势。 

当前现有的、实际使用的各种类型风力发电机组的发电机及其一体化连接的旋转叶片均采用塔架固定的建设方式，实践证明，这种风力发电设备在普及的过程中存在很多的弊端。例如，建设塔架受到严格的地理环境、社会环境的限制，一次性成本高，经济效益与占地面积不匹配（性价比低），维护维修困难。最重要的一点，地面搭建的风力发电机其生产运行受到天气状况的制约，遇到无风天气时完全没有利用价值，不能实时供电（工作效率低），遇到台风天气还会对设 备造成损害。 

决定风能质量的指标是风速，而风速分布是随海拔高度升高而增加的。目前，最先进的地面风力发电站的风力密度不到1千瓦/平方米，而我国上空万米高空处的风力密度均值超过5千瓦/平方米，特别是在江苏、浙江、山东等省份上空的高空急流附近，风力密度甚至达到30千瓦/平方米，为世界之最。而且高空风几乎是全天候持续的，可以保证可靠供电。因此高空风是具有很大的利用价值。如何有效利用这些风能，是本领域人们亟待解决的问题。另外，在地面搭建发电设备所占用的空间是一个二维空间，而在空中搭建发电设备所占用的空间是一个三维空间，只要不妨碍飞机飞行，可利用的空间几乎用之不尽，因此说高空风力发电技术潜力无限。 

发明内容

本发明的目的是提供一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，使用飞艇将风力发电平台吊挂在海拔1000-4500米高空位置，利用卷扬机和四根钢丝缆绳维持风力发电平台的空中位置，风力发电机固定在风力发电平台上，借助高空强大风力发电；连接发电机和地面电气设备的发电电缆、防雷电缆和信号线分别与四根钢丝缆绳中的一根捆绑在一起；发电电缆连接涡轮式风力发电机和变压器，在飞艇上方安装避雷针，避雷针通过防雷电缆接地；风力发电平台上安装有摄像头和高空照明灯，对地面状况实时监控和大面积照明；风力发电平台上还安装有信号发射器和雷达，前者增强飞艇下方地面区域的手机信号，后者用于多种用途的探测扫描。 

所述摄像头由支架固定在平台边缘部分的下部，由风力发电机提供电源；其视频信号通过信号线连接至地面工作室，供地面人员实时监控航空风力发电设备下方及周边地区的地面治安、交通状况。 

所述信号发射器和雷达通过信号线连接至地面工作室内，便于地面工作室随时监控飞艇及风力发电机运行状况。 

所述飞艇为非硬式升降飞艇，由内、外两个气囊组成；外气囊中充入氦气来维持飞艇的外形，内气囊内充入氢气来提供飞艇所需的浮力；使用压缩系统压缩飞艇内囊中的氢气，改变飞艇气囊排开空气体积的大小，即改变飞艇所受空气浮力的大小，飞艇的体积由风力发电机的重量决定；如果使用直径10-20米，长100—150米的飞艇，最大载重为100，000kg—200,000kg； 

所述风力发电平台以采用矩形或园形设计，选用高强度轻金属材料制造。 

所述高强度轻金属材料为航空铝合金或钛合金。 

所述风力发电机采用涡轮式风力发电机。 

所述利用卷扬机和四根钢丝缆绳维持风力发电平台的空中位置是在飞艇下方陆地位置装设四个卷扬机，分别卷动一根钢丝缆绳，利用钢丝缆绳的收缩、拉伸实现飞艇的升降或平衡；钢丝缆绳的长度为飞艇最大升空高度的1.1倍作为安全备用。 

所述避雷针安装在飞艇的气囊上方，金属线绑定在飞艇气囊侧部并与防雷电缆相连，防雷电缆下部与一个金属片相连，金属片埋入地下来释放电荷；金属线与飞艇气囊接触部分采用绝缘材料，防雷电缆与平台接触部分采用绝缘材料，以保护整套设备的安全。 

所述信号发射器安装在风力发电平台上，由风力发电机提供电源。向周围区域辐射电磁波，增强航空发电平台下方区域的手机信号。 

所述高空照明灯安装在风力发电平台下部，由风力发电机提供电源；工作室中的工作人员可以控制照明灯的亮度、照明方式和照明时间，控制信号通过信号线传输至风力发电平台上。 

所述雷达安装在风力发电平台上，由风力发电机提供电源，雷达的发射机及其天线、接收机及其天线和抗干扰辅助设备安装在平台上，处理部分和显示器布置在地面工作室内；根据用户的不同需求，安装不同种类、形式、功能的雷达。 

本发明的有益效果是集发电与监控于一体的航空风力发电设备，在海岛、灯塔、山区、边疆、高原等地理位置偏僻、用电量较小的地区使用本航空发电设备供电，免除铺架电线的麻烦，符合智能电网分层分区、自给自足的分布式供电原则。如果某地方发生地震、海啸、山火等强烈自然灾害，电力设备受损，也可使用本航空发电设备作为应急救灾使用以解燃眉之急。还可实施灾后地形地貌精确扫描，快速形成电子地图，为灾后重建提供准确的国土资源数据。 随着机械、电气技术的逐步成熟完善，本发明将来还可作为常规发电机组使用。在飞艇上安装避雷针，可以在一定程度上保护飞艇下方及周围地区居民避免遭受雷电袭击。警察、治安人员、边防战士、消防队或其他人员可以使用监控设备实时、全天候监测地面状况。遇到灾情时可以监控疫情和水源污染等情况。雷达可用于国防事业。另外，本航空风力发电设备还加装信号发射器发射电磁波，可以增强周围地区的无线通信信号，覆盖面积大（可达数万平方公里），工作效率远远高于普通的信号发射铁塔，对于偏远地区大有裨益。在海湾、海岛地区，照明灯可以代替灯塔的作用，作为一种固定的航标，引导船舶航行，指示危险区域。 

航空发电设备定期降下进行维护维修，确保设备安全、正常运行。 

附图说明

图1为航空风力发电系统示意图。 

图中1—1号钢丝缆绳，2—2号钢丝缆绳，3—3号钢丝缆绳，4—4号钢丝缆绳，5—避雷针，6—金属线，7—飞艇，8—摄像头，9—风力发电平台，10—风力发电机，11—卷扬机，12—工作室，13—三相变压器，14—信号线，15—防雷 电缆，16—发电电缆，17—信号发射器，18—雷达。 

具体实施方式

本发明提供了一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统。下面结合附图予以进一步说明。 

在图1中，由直径15米，长145米的飞艇7（非硬式升降飞艇）将风力发电平台9吊装在3500米左右的高空位置，由四台卷扬机11卷动1-4号四根钢丝缆绳维持平台的平衡位置。发电电缆16与3号钢丝缆绳捆绑在一起，防雷电缆15与1号钢丝缆绳捆绑在一起，信号线14与2号钢丝缆绳捆绑在一起。风力发电机10安装在风力发电平台上，生产出的电能通过发电电缆16输送至地面上的三相变压器13，以供给电力负荷。摄像头8由支架固定在风力发电平台边缘部分的下部，由风力发电机10提供电源，其视频信号通过信号线14连接至地面工作室12，供地面人员实时监控航空发电平台9下方及周边地区的地面治安、交通状况。避雷针5安装在飞艇的气囊上方，金属线6绑定在飞艇气囊侧部，上部与避雷针5相连，下部与防雷电缆15相连。金属线6与飞艇气囊接触部分采用绝缘材料，防雷电缆15与风力发电平台接触部分采用绝缘材料。防雷电缆15下方与埋入地下的金属板相连。信号发射器17安装在风力发电平台上，由风力发电机10提供电源。高空照明灯18安装在风力发电平台下部，由风力发电机10提供电源，通过信号线14中传输的控制信号改变照明方式。雷达18安装在风力发电平台上，由风力发电机10提供电源；雷达的发射机及其天线、接收机及其天线和抗干扰辅助设备安装在风力发电平台上，处理部分和显示器布置在地面工作室12内；根据用户的不同需求，安装不同种类、形式、功能的雷达。 

Claims (10)

1.一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，使用飞艇将风力发电平台吊挂在海拔1000-4500米高空位置，利用卷扬机和四根钢丝缆绳维持风力发电平台的空中位置，风力发电机固定在风力发电平台上，借助高空强大风力发电；连接发电机和地面电气设备的发电电缆、防雷电缆和信号线分别与四根钢丝缆绳中的一根捆绑在一起；发电电缆连接涡轮式风力发电机和变压器，在飞艇上方安装避雷针，避雷针通过防雷电缆接地；风力发电平台上安装有摄像头和高空照明灯，对地面状况实时监控和大面积照明；风力发电平台上还安装有信号发射器和雷达，并通过信号线连接至地面工作室；前者增强飞艇下方地面区域的手机信号，后者用于多种用途的探测扫描。

2.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述飞艇为非硬式升降飞艇，由内、外两个气囊组成；外气囊中充入氦气来维持飞艇的外形，内气囊内充入氢气来提供飞艇所需的浮力；使用压缩系统压缩飞艇内囊中的氢气，改变飞艇气囊排开空气体积的大小，即改变飞艇所受空气浮力的大小，飞艇的体积由风力发电机的重量决定；如果使用直径10-20米，长100—150米的飞艇，最大载重为100，000kg—200,000kg。

3.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述摄像头由支架固定在平台边缘部分的下部，由风力发电机提供电源；其视频信号通过信号线连接至地面工作室，供地面人员实时监控航空风力发电设备下方及周边地区的地面治安、交通状况。

4.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述信号发射器安装在风力发电平台上，由风力发电机提供电源，向周围区域辐射电磁波，增强航空发电平台下方区域的手机信号；所述雷达安装在风 力发电平台上，由风力发电机提供电源，雷达的发射机及其天线、接收机及其天线和抗干扰辅助设备安装在风力发电平台上，处理部分和显示器布置在地面工作室内；根据用户的不同需求，安装不同种类、形式、功能的雷达；所述信号发射器和雷达通过信号线连接至地面工作室内，便于地面工作室随时监控飞艇及风力发电机运行状况。

5.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述风力发电平台以采用矩形或园形设计，选用高强度轻金属材料制造。

6.根据权利要求5所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述高强度轻金属材料为航空铝合金或钛合金。

7.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述风力发电机采用涡轮式风力发电机。

8.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述利用卷扬机和四根钢丝缆绳维持风力发电平台的空中位置是在飞艇下方陆地位置装设四个卷扬机，分别卷动一根钢丝缆绳，利用钢丝缆绳的收缩、拉伸实现飞艇的升降或平衡；钢丝缆绳的长度为飞艇最大升空高度的1.1倍作为安全备用。

9.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述避雷针安装在飞艇的气囊上方，金属线绑定在飞艇气囊侧部并与防雷电缆相连，防雷电缆下部与一个金属片相连，金属片埋入地下来释放电荷；金属线与飞艇气囊接触部分采用绝缘材料，防雷电缆与平台接触部分采用绝缘材料，以保护整套设备的安全。

10.根据权利要求1所述一种集发电与监控于一体的航空风力发电系统，其特征在于，所述高空照明灯安装在风力发电平台下部，由风力发电机提供电源；工 作室中的工作人员可以控制照明灯的亮度、照明方式和照明时间，控制信号通过信号线传输至风力发电平台上。 

Images