CN103133254B - 一种高空风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高空风力发电装置，其包括地面发电装置和高空风筝，地面发电装置包括第一操作台和可移动的第二操作台，其中在第一操作台上设有同轴连接的第一卷扬机和第一发电机，在第二操作台上设有第二传输装置，在第二传输装置和第一卷扬机之间设有传送线缆，高空风筝通过牵引线缆同传送线缆上的一点固定连接。本发明发电装置的结构简单、工艺成本低，同时能够保证连续做功成本低从而有效地提高风能利用率。

Description

一种高空风力发电装置
技术领域
本发明属于风能利用技术领域，涉及一种发电装置，具体涉及一种高空风力发电装置。
背景技术
高空风能是人类迄今基本上没有开发利用的新能源，这是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源。有研究指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。其中，高空的风能与风速的立方成正比，一般来说风速增加1倍，风能增加8倍，因此高空风能可高出地面上的数倍、十数倍、数十倍乃至成百上千倍。在高空位置达到较为理想的情况下，高空风电的理论发电时间可以超过全年时间的95%，年发电时间可高达8200小时以上。因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。
当前高空风能发电主要有以下几种方式：一是制作大型风筝携带螺旋桨、发电机升入高空并使用电缆将发电机产生的电能输送到地面。在这种方法中，风筝需要拖曳大量的电缆和发电机、螺旋桨等设备，因而具有负重较大、升空高度有限、能量转化效率低的缺陷，而且发电设备在高空不利于维护；二是将发电机置于地面，使用高空风筝的线缆带动发电机的转子发电，并且在地面安装卷扬机用于在高空风筝下降时回收线缆，但是这种方法只能在风筝上升阶段产生电能，并且需要消耗能源驱动卷扬机回收风筝，因此风能利用率较低；此外，国外研究人员还提出利用多组连接在支架上的风筝拉动地面上的圆盘转动，通过电动卷扬机来控制风筝拉线的收放，实现空中风筝发电，但是这种方式结构复杂、工艺成本高，而且多组风筝一起放飞并不容易控制进而产生缠绕现象。
发明内容
本发明的目的是设计一种高空风力发电装置，其特点是结构简单、工艺成本低、连续做功成本低、有效提高风能利用率，解决背景技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：提供了一种高空风力发电装置，其包括地面发电装置和高空风筝，地面发电装置包括第一操作台和可移动的第二操作台，其中在第一操作台上设有同轴连接的第一卷扬机和第一发电机，在第二操作台上设有第二传输装置，在第二传输装置和第一卷扬机之间设有传送线缆，高空风筝通过牵引线缆同传送线缆上的一点固定连接。
优选的是，传送线缆在第一操作台和第二操作台之间形成两条平行直线的布置。
优选的是，传送线缆在第一操作台和第二操作台之间通过牵引线缆的牵拉形成三角形的布置。
优选的是，在牵引线缆与传送线缆的连接处下方通过第二牵引线缆连接一个第一滑动装置，传送线缆经过该滑动装置与第二传输装置和第一卷扬机相连。
优选的是，提供一个与第二操作台相连的牵引车，牵引车对第二操作台的位置进行调整。
可选的是，还提供一个第三操作台，在该第三操作台上设有第三传输装置，传送线缆设置在第二操作台的第二传输装置与第三操作台的第三传输装置之间并通过第一操作台上的第一卷扬机。
优选的是，第一操作台随着风向的改变是可以绕自身轴心旋转的。
可选的是，在牵引线缆与传送线缆的连接处下方通过第二牵引线缆连接一个第一滑动装置，通过第三牵引线缆连接一个第二滑动装置，传送线缆经过第一滑动装置与第二传输装置和第一卷扬机相连，然后再通过第二滑动装置与第三传输装置相连。
可选的是，第二传输装置和第三传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机。
可选的是，第二传输装置和第三传输装置为一个定滑轮。
可选的是，还提供多个操作台，在各个操作台上设有传输装置，传送线缆通过各传输装置将所有操作台串联，中间操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机，两端操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机或是定滑轮。
优选的是，各个操作台上的卷扬机与发电机之间设有正反转控制器。
优选的是，还设有飞行姿态控制装置，由高空电控装置和地面控制装置组成，所述高空电控装置安装在高空风筝上，高空风筝的控制线连接在高空电控装置上，高空电控装置接收地面控制装置的控制信号，对高空风筝的飞行姿态进行调整。
优选的是，控制线为四根，前端两根控制线穿过高空电控装置实现联动；后端两根控制线也通过该高空电控装置，所述高空电控装置可以伸长或缩紧该后端控制线。
优选的是，所述高空电控装置为伺服电机，也可以是步进电机、普通电机或是锁机。
优选的是，与地面控制装置连接有雷达装置，该雷达装置配置地用于测定以地面为基准面垂直向上每5米高度的实时风速，并将测定的风速信息传输给地面控制装置。
优选的是，雷达装置是多普勒宽频雷达或者激光雷达。
优选的是，在地面控制装置中设有计算单元，该计算单元配置地用于将距地面5000米以内的高度根据不同的气候条件或者地理条件划分为若干风层，然后该计算单元根据雷达装置测定的风速计算出每个风层内的平均风速。
优选的是，将以地面为基准面在垂直向上每100米分为一层。
优选的是，计算单元还配置地用于根据每个风层的风速状况，将所划分出的各风层判定为适宜飞行区域和不适宜飞行区域。
优选的是，若某风层平均风速在大于等于3米/秒且小于20米/秒的范围内时，则计算单元判定该风层为适宜飞行区域；若某风层风速小于3米/秒或者大于等于20米/秒时，则计算单元判定该风层为不适宜飞行区域。
优选的是，地面控制装置中还设有显示单元，该显示单元配置地用于显示以地面为基准垂直向上每5米高度的风速信息以及所划分每个风层的平均风速信息。
优选的是，在高空风筝上设有定位传感器，其中定位传感器配置地用于获取高空风筝在空中的位置信息，并将该位置信息传输给地面控制装置，然后通过地面控制装置中计算单元的计算而得到相应的位置坐标并通过显示单元显示出来。
优选的是，定位传感器上带有GPS装置。
优选的是，地面控制装置中的计算单元根据高空风筝所在的位置信息和当前空中每个风层的风速状况进行以下判断：当高空风筝所在位置位于适宜飞行区域时，则地面控制装置通过高空电控装置控制高空风筝在适宜飞行区域所在的风层内运动；当高空风筝所在位置位于不适宜飞行区域时，地面控制装置中的计算单元以高空风筝所在位置为基点，垂直向上或者垂直向下寻找与高空风筝距离最近的且被判定为适宜飞行区域的风层，并通过牵引线缆使高空风筝进入到最邻近的适宜飞行区域内飞行。
优选的是，显示单元是LED屏幕或者可触摸屏幕。
优选的是，雷达装置对风速的测定是实时进行的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：发电装置的结构简单、工艺成本低，同时能够保证连续做功成本低从而有效地提高风能利用率。
附图说明
为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。
图1为根据本发明具体实施例1的高空风力发电装置的结构示意图；
图2为根据本发明具体实施例2的高空风力发电装置的结构示意图；
图3为根据本发明具体实施例3的高空风力发电装置的结构示意图；
图4为根据本发明具体实施例4的高空风力发电装置的结构示意图；
图5为高空风筝飞行姿态控制装置中高空电控装置的结构示意图。
图6为高空风筝飞行姿态控制装置中地面控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，在本实施例中，地面发电装置包括第一操作台101，第一操作台上安装有同轴连接的第一卷扬机102和第一发电机103，还包括可移动的第二操作台201，第二操作台201通过一牵引车401牵引。当风向发生变化时，首先由牵引车401对第二操作台201的位置进行调整，带动第二操作台201以第一操作台101为轴转动，同时第一操作台101绕自身轴心旋转，使得两个操作台之间的连线尽可能同风向垂直；当风向（见图1中直线箭头所示）保持不变时，第二操作台201可以固定在当前位置。在本实施例中，设置在第二操作台201上的第二传输装置为同轴连接的第二卷扬机202和第二发电机203。在第一卷扬机102和第二卷扬机202之间设有传送线缆402，该传送线缆402在两个操作台之间布置为两条接近的平行直线，从而可以按一定方向进行转动。高空风筝7通过牵引线缆6同传送线缆402上的一点固定连接，高空风筝7在风的横向作用力及飞行姿态控制装置的控制下在两个操作台之间往复运动，并且同时带动传送线缆402向某一方向转动。这样当高空风筝运动时，通过牵引线缆6的牵拉可以改变高空风筝在不同位置的气动布局，使高空风筝在运动时所受空气动力发生改变，从而改变高空风筝的飞行姿态，并因此带动传送线缆402按照一定方向转动，通过卷扬机和发电机之间设置的正反转控制器保证发电机的转子始终固定地向一个方向转动，从而实现发电功能。
实施例2：
在实施例1中，当牵引线缆6与传送线缆402的连接点运行至靠近第二操作台201时（图1中实线标注），首先需要通过飞行姿态控制装置调节高空风筝7的转向（如图1中弧线箭头所示）至虚线标注的位置，然后再带动传送线缆402向反方向运动做功。从实线位置到虚线位置的这一较长的行程中，传送线缆402并不是立刻受拉力从而带动发电机转子做功发电的。在改进的本实施例中，传送线缆402在第一操作台101和第二操作台102之间通过牵引线缆6的牵拉形成三角形的布置。具体运行方式如实施例1所述，当牵引线缆6与传送线缆402的连接点运行至靠近第二操作台201时，此时传送线缆402与第二操作台201的一端形成三角形布置的短边，同时与第一操作台101的一端形成三角形布置的长边，此时通过飞行姿态控制装置调节高空风筝7的转向，当高空风筝7刚刚调转方向向第一操作台101运动时，短边的传送线缆即立刻收到牵引线缆的牵拉，这样的布置相当于变相缩短了牵引线缆的长度从而在高空风筝经过一个较短的行程之后即可实现连续发电，进而提升了风能的利用率。
实施例3：
在实施例1和实施例2中，连接第一操作台101和第二操作台201之间的传送线缆始终有一边是接近地面的，由于地面发电装置均需要安装在很大面积的地面上，对地点和环境的要求较高，为脱离地点的限制则需要布置在山坡、峡谷甚至是高层建筑顶部等复杂地形上。在改进的本实施例中，在牵引线缆与传送线缆的连接处下方通过第二牵引线缆601连接一个第一滑动装置602，该滑动装置可以是滑轮也可以是轨道等其它滑动装置。传送线缆经过该滑动装置与第一卷扬机102和第二卷扬机202相连。如图3所示，当高空风筝运动时，第二牵引线缆601带动第一滑动装置602上升，从而将整个传送线缆提升至空中，从而消除了对安装地点的限制。具体运行方式同实施例1和实施例2的描述完全相同。
实施例4：
如图4所示，在实施例3的基础上，该改进的实施例中还提供一个第三操作台301，设置在该第三操作台上的第三传输装置为同轴连接的第三卷扬机302和第三发电机303，传送线缆402设置在第二操作台201的第二卷扬机202与第三操作台301的第三卷扬机302之间并通过第一操作台101上的第一卷扬机102。在牵引线缆6与传送线缆402的连接处下方通过第二牵引线缆601连接一个第一滑动装置602，还通过第三牵引线缆603连接一个第二滑动装置604，第一和第二滑动装置可以是滑轮也可以是轨道等其它滑动装置。传送线缆经过第一滑动装置602与第一卷扬机102和第二卷扬机202相连，并通过第二滑动装置604与第三卷扬机302相连。当高空风筝运动时，第二牵引线缆601带动第一滑动装置602上升，第三牵引线缆603带动第二滑动装置604上升，从而将整个传送线缆提升至空中，从而消除了对安装地点的限制。具体运行方式同前述实施例描述相同。
需要说明的是，在上述各实施例中在实际操作中第一操作台和第三操作台上的传输装置也可以单独为一定滑轮，为方便起见没有另行提供传输装置为定滑轮的图示。在这种情况下，整个高空风力发电装置依靠设置于第一操作台的第一发电机发电。此外，除实施例3可以增加第三操作台进行改进以外，实施例1也可以采用类似改进方案即传送线缆设置在第二、三操作台之间并通过第一操作台上的第一卷扬机形成两条平行直线的布置；类似地，在实施例2中加入第三操作台，传送线缆设置在第二、三操作台之间并通过第一操作台上的第一卷扬机，然后通过牵引线缆的牵拉形成三角形的布置。更进一步地，还可以提供多个操作台，在各个操作台上设有传输装置，传送线缆通过各传输装置将所有操作台串联，中间操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机，两端操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机或是定滑轮。这样的设计可以扩展整个高空风力发电装置。
高空风筝的飞行姿态控制装置工作流程如下：在上述实施例中，如图5所示，高空风筝上连有四根控制线，分别为前端控制线1、2和后端控制线3、4。这四根控制线穿过高空电控装置5，该高空电控装置可以是伺服电机，也可以是步进电机、普通电机或是锁机，高空电控装置外部与牵引线缆6相连。上述控制线接入高空电控装置，前端控制线1、2通过高空电控装置实现联动，即其中一根控制线伸长的同时另一根缩紧。后端控制线3、4也接入高空电控装置中，控制线3、4在高空电控装置的控制下既可以实现同步运动，即同时伸长或同时缩紧；也可以实现联动，即类似前端控制线1、2一样一根控制线伸长的同时另一根缩紧。高空电控装置中有信号接收设备，可以接收地面控制装置的控制信号，根据控制信号调节控制线的状态。例如：伸长控制线1同时缩紧控制线2，使得风筝飞行方向向右偏转；反之向左偏转。同时伸长控制线3和4，使得风筝飞行的垂直角增大；反之风筝飞行的垂直角减小。利用上述飞行姿态控制装置，可以使得高空风筝7在两个操作台之间反复运动。
如图6所示，与地面控制装置8还连接有雷达装置9，雷达装置9配置地用于测定以地面为基准面垂直向上每5米高度的风速，其中雷达装置可以是多普勒宽频雷达或者激光雷达。
在使用上述高空风力发电装置时，雷达装置9测定以地面为基准面垂直向上每5米高度的实时风速，然后雷达装置9将测定的风速信息传输给地面控制装置8。在地面控制装置8中设有计算单元801，该计算单元801将距地面5000米以内的高度根据不同的气候条件或者地理条件等分为若干风层，例如可以将以地面为基准面在垂直向上每100米分为一层，然后该计算单元根据雷达装置9测定的风速计算出每个风层内的平均风速。
进一步，计算单元801还根据每个风层的风速状况，将所划分的各风层判定为适宜飞行区域和不适宜飞行区域，其中优选的是若某风层平均风速在大于等于3米/秒且小于20米/秒的范围内时，则计算单元判定该风层为适宜飞行区域，若某层风速小于3米/秒或者大于等于20米/秒时，则判定该风层为不适宜飞行区域。
此外，地面控制装置8中还设有显示单元802，该显示单元802可显示上述以地面为基准垂直向上每5米的风速信息以及所划分每个风层的平均风速信息，其中，显示单元802优选的可以是LED屏幕或者可触摸屏幕。
在高空风筝7上设有定位传感器701，其中定位传感器701用于获取高空风筝7在空中的位置信息，并将该位置信息传输给地面控制装置8，然后通过地面控制装置8中计算单元801的计算而得到相应的位置坐标并通过显示单元802显示出来，特别地，定位传感器701上带有GPS装置。
地面控制装置8中的计算单元801根据高空风筝7所在的位置信息和当前高空的中每个风层的风速状况进行判断：
当高空风筝7所在位置位于适宜飞行区域时，则地面控制装置8通过高空电控装置6控制高空风筝7在适宜飞行区域所在的风层内运动；当高空风筝7所在位置位于不适宜飞行区域时，地面控制装置8中的计算单元802以高空风筝7所在位置为基点，向上或者向下寻找与高空风筝7距离最近的且被判定为适宜飞行区域的风层，并通过牵引线缆6使高空风筝7进入到最邻近的适宜飞行区域内飞行。
需要说明的是，本发明所举实施例只是为了更清楚地表达本发明方法，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (32)

1.一种高空风力发电装置，其包括地面发电装置和高空风筝，地面发电装置包括第一操作台和可移动的第二操作台，其特征在于：在第一操作台上设有同轴连接的第一卷扬机和第一发电机，在第二操作台上设有第二传输装置，在第二传输装置和第一卷扬机之间设有传送线缆，高空风筝通过牵引线缆同传送线缆上的一点固定连接，所述传送线缆为循环的传送线缆。
2.如权利要求1所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述传送线缆在所述第一操作台和所述第二操作台之间形成两条平行直线的布置。
3.如权利要求1所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述传送线缆在所述第一操作台和所述第二操作台之间通过牵引线缆的牵拉形成三角形的布置。
4.如权利要求1所述的高空风力发电装置，其特征在于：在牵引线缆与传送线缆的连接处下方通过第二牵引线缆连接一个第一滑动装置，传送线缆经过该滑动装置与所述第二传输装置和所述第一卷扬机相连。
5.如权利要求1－4任一项所述的高空风力发电装置，其特征在于：提供一个与所述第二操作台相连的牵引车，牵引车对第二操作台的位置进行调整。
6.如权利要求1－4任一项所述的高空风力发电装置，其特征在于：还提供一个第三操作台，在该第三操作台上设有第三传输装置，传送线缆设置在第二操作台的第二传输装置与第三操作台的第三传输装置之间并通过第一操作台上的第一卷扬机。
7.如权利要求6所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述第一操作台随着风向的改变是可绕自身轴心旋转的。
8.如权利要求6所述的高空风力发电装置，其特征在于：在牵引线缆与传送线缆的连接处下方通过第二牵引线缆连接一个第一滑动装置，通过第三牵引线缆连接一个第二滑动装置，传送线缆经过第一滑动装置与第二传输装置和第一卷扬机相连，然后再通过第二滑动装置与第三传输装置相连。
9.如权利要求6所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述第二传输装置和所述第三传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机。
10.如权利要求6所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述第二传输装置和第三传输装置为一个定滑轮。
11.如权利要求6所述的高空风力发电装置，其特征在于：还提供多个操作台，在各个操作台上设有传输装置，传送线缆通过各传输装置将所有操作台串联，中间操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机，两端操作台上的传输装置为同轴连接的卷扬机和发电机或是定滑轮。
12.如权利要求11所述的高空风力发电装置，其特征在于：各个操作台上的卷扬机与发电机之间设有正反转控制器。
13.如权利要求1－4任一项所述的高空风力发电装置，其特征在于：还设有飞行姿态控制装置，由高空电控装置和地面控制装置组成，所述高空电控装置安装在高空风筝上，高空风筝的控制线连接在高空电控装置上，高空电控装置接收地面控制装置的控制信号，对高空风筝的飞行姿态进行调整。
14.如权利要求13所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述控制线为四根，前端两根控制线穿过高空电控装置实现联动；后端两根控制线也通过该高空电控装置，所述高空电控装置可以伸长或缩紧该后端控制线。
15.如权利要求14所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述高空电控装置为伺服电机。
16.如权利要求14所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述高空电控装置为步进电机。
17.如权利要求14所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述高空电控装置为普通电机。
18.如权利要求14所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述高空电控装置为锁机。
19.如权利要求14所述的高空风力发电装置，其特征在于：与所述地面控制装置连接有雷达装置，该雷达装置配置地用于测定以地面为基准面垂直向上每5米高度的实时风速，并将测定的风速信息传输给所述地面控制装置。
20.如权利要求19所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述雷达装置是多普勒宽频雷达。
21.如权利要求19所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述雷达装置是激光雷达。
22.如权利要求19所述的高空风力发电装置，其特征在于：在地面控制装置中设有计算单元，该计算单元配置地用于将距地面5000米以内的高度根据不同的气候条件或者地理条件划分为若干风层，然后该计算单元根据雷达装置测定的风速计算出每个风层内的平均风速。
23.如权利要求22所述的高空风力发电装置，其特征在于：将以地面为基准面在垂直向上每100米分为一层。
24.如权利要求23所述的高空风力发电装置，其特征在于：计算单元还配置地用于根据每个风层的风速状况，将所划分出的各风层判定为适宜飞行区域和不适宜飞行区域。
25.如权利要求24所述的高空风力发电装置，其特征在于：若某风层平均风速在大于等于3米/秒且小于20米/秒的范围内时，则计算单元判定该风层为适宜飞行区域；若某风层风速小于3米/秒或者大于等于20米/秒时，则计算单元判定该风层为不适宜飞行区域。
26.如权利要求25所述的高空风力发电装置，其特征在于：地面控制装置中还设有显示单元，该显示单元配置地用于显示以地面为基准垂直向上每5米高度的风速信息以及所划分每个风层的平均风速信息。
27.如权利要求26所述的高空风力发电装置，其特征在于：在高空风筝上设有定位传感器，其中定位传感器配置地用于获取高空风筝在空中的位置信息，并将该位置信息传输给地面控制装置，然后通过地面控制装置中计算单元的计算而得到相应的位置坐标并通过显示单元显示出来。
28.如权利要求27所述的高空风力发电装置，其特征在于：定位传感器上带有GPS装置。
29.如权利要求28所述的高空风力发电装置，其特征在于：地面控制装置中的计算单元根据高空风筝所在的位置信息和当前空中每个风层的风速状况进行以下判断：当高空风筝所在位置位于适宜飞行区域时，则地面控制装置通过高空电控装置控制高空风筝在适宜飞行区域所在的风层内运动；当高空风筝所在位置位于不适宜飞行区域时，地面控制装置中的计算单元以高空风筝所在位置为基点，垂直向上或者垂直向下寻找与高空风筝距离最近的且被判定为适宜飞行区域的风层，并通过牵引线缆使高空风筝进入到最邻近的适宜飞行区域内飞行。
30.如权利要求26所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述显示单元是LED屏幕。
31.如权利要求26所述的高空风力发电装置，其特征在于：所述显示单元是可触摸屏幕。
32.如权利要求19所述的高空风力发电装置，其特征在于：雷达装置对风速的测定是实时进行的。
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