CN104018993A - 高空风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高空风力发电系统，包括垂直轴风力发电机；所述垂直轴风力发电机上方设有拖拽所述垂直轴风力发电机漂浮于空中的浮力体；所述垂直轴风力发电机的输出端引出输电导线连接至设于地面的蓄电系统；所述高空风力发电系统的重心落于发电机叶片的转轴所在直线上，并处于所述垂直轴风力发电机的下半部分。该发电系统可以在十分低廉的建设成本，以及相对较小的建设场地条件下，获得强劲的发电功率。
Description
技术领域
本发明涉及发电设备领域，特别地，是涉及一种风力发电系统。
背景技术
风力发电机由于可以采集自然风能，将其转化为电能，不产生任何污染；因此，其作为清洁能源，被广泛地推广。然而，由于受制于机械制造、场地、风向、区域气候的影响，使得目前风力发电设施的实际建设受到较大的局限，对于已建设的风力发电设备而言，其发电效率也十分有限，需要配合以光伏系统，才能获得可观的电能，典型的如路灯系统。
对于风力发电机的效率问题，最关键的是风力和采风面积；而众所周知的是，高空开阔处的风速明显大于地表附近，因此，为了获得较大功率的发电能力，目前的技术手段是，将风力发电机的基塔尽量造高，且尽量增加扇叶的长度、宽度；而为了实现这种目的，自然需要花费极其昂贵的工程成本，并且需要安排巨大的发电场地。由此可见，目前的风力发电系统面临的发展限制十分突出。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高空风力发电系统，该发电系统可以在十分低廉的建设成本，以及相对较小的建设场地条件下，获得强劲的发电功率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该高空风力发电系统包括垂直轴风力发电机；所述垂直轴风力发电机上方设有拖拽所述垂直轴风力发电机漂浮于空中的浮力体；所述垂直轴风力发电机的输出端引出输电导线连接至设于地面的蓄电系统；所述高空风力发电系统的重心落于发电机叶片的转轴所在直线上，并处于所述垂直轴风力发电机的下半部分。
作为优选，所述浮力体内部充有低密度气体，如氢气或氦气。
作为优选，所述垂直轴风力发电机上用于固定所述输电导线的连接件可绕发电机叶片的旋转轴自由旋转；且所述输电导线与垂直轴风力发电机的输出端通过电刷实现滑动电性连接；以此，可使得发电机叶片在旋转时不带动输电线扭转。
作为优选，所述输电导线外周还套设有一层导电层，所述导电层延伸至地面后接地，以使输电导线获得防雷功能；进一步地，所述导电层由一根包围所述输电导线的长弹簧构成，从而抑制输电导线的扭转。
作为优选，所述垂直轴风力发电机具有如下结构：该发电机包括一个沿径向充磁的筒状中央磁环，以及一个包围所述中央磁环的筒状磁耦合环；所述磁耦合环由铁磁质构成，或由充磁方向与所述中央磁环一致的永磁体构成，使沿中央磁环的半径向外流出的磁力线继续延伸，耦合进入至磁耦合环内并得到加强；所述中央磁环、磁耦合环作为定子；而所述中央磁环、磁耦合环之间的狭窄环形通道内，设有一个由铁磁质构成的薄壁转筒，所述薄壁转筒的表面周向均布发电线圈，各所述发电线圈的线圈平面正交于线圈平面中心至薄壁转筒轴线的连线；所述薄壁转筒的端部连接至所述垂直轴风力发电机的叶片。
本发明的有益效果在于：该高空风力发电系统在工作时，由于所述浮力体的浮力作用，将使发电机漂浮至高空，从而获得高速风能，该高速风能作用在垂直轴风力发电机上后，进行大功率发电，产生的电能则通过输电导线引至地面蓄电系统；此过程中，由于不用建设高大的基塔，因此，建设成本得到了根本性地降低；并且，由于高空的空间极其广阔，不仅在面积上不受限制，还从二维分布扩展到了三维分布，即通过在地面上有限区域内布置所述输电导线，牵引高空大量的风力发电机，从而获得巨大的发电能量，也使发电量得到了根本性的提高。
附图说明
图1是本高空风力发电系统的一个实施例示意图。
图2是本高空风力发电系统中，垂直轴风力发电机的一个实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
在图1所示的实施例中，本高空风力发电系统包括垂直轴风力发电机2；所述垂直轴风力发电机2上方设有拖拽垂直轴风力发电机2漂浮于空中的浮力体1。本实施例中，浮力体1呈球形，其可以为氢气球或氦气球，如考虑到防爆安全性，则采用氦气球更佳。
所述垂直轴风力发电机2的输出端引出输电导线3连接至设于地面的蓄电系统（未图示）。
所述垂直轴风力发电机2和浮力体1构成的漂浮整体的重心落于发电机叶片21的转轴所在直线上，并处于所述垂直轴风力发电机2的下半部分；该要求是保障所述漂浮整体处于空中时，发电机叶片21的转轴可以稳定在竖直方向，亦即垂直于水平面。
上述的高空风力发电系统，发电机叶片21在水平风力作用下快速旋转时，将对整个系统产生一个联动的扭矩（尽管比较小，由磁牵引力及摩擦力形成），因此，将促使所述输电导线3旋转，而输电导线3若持续地旋转，则有可能被扭断；因此，本实施例中，所述垂直轴风力发电机2上用于固定所述输电导线3的连接件22设计为可绕发电机叶片21的旋转轴自由旋转，也即是可在发电机2的壳体上自由转动；且所述输电导线3与垂直轴风力发电机的输出端通过电刷实现滑动电性连接；此时，输电导线3受到的扭矩基本上只取决于该连接件22的滑动摩擦，其值十分微小，基本可以忽略。
另外，除本实施例外，所述输电导线3外周还可以套设有一层导电层，所述导电层延伸至地面后接地，以使输电导线获得防雷功能；并且所述导电层可由一根包围所述输电导线3的长弹簧构成，当输电导线3产生较小的扭转角度时，所述长弹簧上即可产生足够大的反抗扭矩，使输电导线3的扭转角度不再继续增大。
对于所述垂直轴风力发电机，其一个实施例的结构如图2所示意：该发电机包括一个沿径向充磁的筒状中央磁环231，以及一个包围所述中央磁环231的筒状磁耦合环232；所述磁耦合环232由铁磁质构成，或由充磁方向与所述中央磁环231一致的永磁体构成，使沿中央磁环231的半径向外流出的磁力线继续延伸，耦合进入至磁耦合环232内并得到加强；所述中央磁环231、磁耦合环232作为定子；而所述中央磁环231、磁耦合环232之间的狭窄环形通道内，设有一个由铁磁质构成的薄壁转筒24，所述薄壁转筒24的表面周向均布发电线圈25，各所述发电线圈25的线圈平面正交于线圈平面中心至薄壁转筒轴线的连线；所述薄壁转筒24的端部连接至所述垂直轴风力发电机的叶片。
该实施例放弃了传统的线圈转子的结构，在传统结构中，由于需要增强穿过线圈平面的磁通量，将发电线圈绕置在由硅钢片制成的庞大而笨重的转子基体上；该种结构在本发明中，显然是不合理的，这将使连接发电机的叶片的整体旋转部件的质量显得太大，导致风力作用下的旋转部件的惯性与其它部件的惯性相当，从而导致叶片在旋转时，其余所有部件都有较大程度地扭转；而当叶片及叶片的连接部件具有明显较小的质量时，则叶片旋转时，不与叶片固定连接的部件就可以在大惯性下保持较为稳定的位置状态。本实施例中，为了在削减线圈转子质量的同时，要保障线圈平面内的较大磁通量，首次采用了中央磁环231加磁耦合环232的结构形式，解决了此重要问题。
上述高空风力发电系统在工作时，由于所述浮力体1的浮力作用，将使发电机2漂浮至高空，从而获得高速风能，该高速风能作用在垂直轴风力发电机2上后，进行大功率发电，产生的电能则通过输电导线3引至地面蓄电系统；此过程中，由于不用建设高大的基塔，因此，建设成本得到了根本性地降低；并且，由于高空的空间极其广阔，不仅在面积上不受限制，还从二维分布扩展到了三维分布，即通过在地面上有限区域内布置所述输电导线，牵引高空大量的风力发电机，如，可在不同的高度的空中，分布N层风力发电机；从而获得巨大的发电能量，也使发电量得到了根本性的提高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高空风力发电系统，包括垂直轴风力发电机（2）；其特征在于：所述垂直轴风力发电机（2）上方设有拖拽所述垂直轴风力发电机漂浮于空中的浮力体（1）；所述垂直轴风力发电机（2）的输出端引出输电导线（3）连接至设于地面的蓄电系统；所述高空风力发电系统的重心落于发电机叶片（21）的转轴所在直线上，并处于所述垂直轴风力发电机（2）的下半部分。
2.根据权利要求1所述的高空风力发电系统，其特征在于：所述浮力体（1）内部充有氢气或氦气。
3.根据权利要求1所述的高空风力发电系统，其特征在于：所述垂直轴风力发电机（2）上用于固定所述输电导线（3）的连接件（22）可绕发电机叶片（21）的旋转轴自由旋转；且所述输电导线（3）与垂直轴风力发电机的输出端通过电刷实现滑动电性连接。
4.根据权利要求1或3所述的高空风力发电系统，其特征在于：所述输电导线（3）外周还套设有一层导电层，所述导电层延伸至地面后接地。
5.根据权利要求4所述的高空风力发电系统，其特征在于：所述导电层由一根包围所述输电导线（3）的长弹簧构成。
6.根据权利要求1或3所述的高空风力发电系统，其特征在于：所述垂直轴风力发电机具有如下结构：该发电机包括一个沿径向充磁的筒状中央磁环（231），以及一个包围所述中央磁环的筒状磁耦合环（232）；所述磁耦合环（232）由铁磁质构成，或由充磁方向与所述中央磁环（231）一致的永磁体构成，使沿中央磁环（231）的半径向外流出的磁力线继续延伸，耦合进入至磁耦合环（232）内并得到加强；所述中央磁环（231）、磁耦合环（232）作为定子；而所述中央磁环、磁耦合环之间的狭窄环形通道内，设有一个由铁磁质构成的薄壁转筒（24），所述薄壁转筒（24）的表面周向均布发电线圈（25），各所述发电线圈（25）的线圈平面正交于线圈平面中心至薄壁转筒轴线的连线；所述薄壁转筒（24）的端部连接至所述垂直轴风力发电机的叶片（21）。
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