CN105257481B - 一种空中风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空中风力发电装置，包括内凹形浮体、固定环、拉绳、活动连接器、水平风向舵、发电机组、内凹形风轮、轴承、螺栓、电缆、缰绳、卷扬机、变电站、电网，其主要特征在于：内凹形浮体的边缘设置有固定环，通过拉绳与活动连接器的一端连接；活动连接器的另一端通过拉绳与发电机轴的一端或两端连接；发电机轴通过轴承连接定子与转子；所述定子、转子外围设置曲面相反的内凹形风轮；发电机轴带集电环的一端通过缰绳与卷扬机连接；集电环引出导线通过电缆连接变电站，进一步连接到电网。本发明投资省，安全性能高，平衡稳定性好，风能利用率高，发电效果好，维护方便，使用寿命长。

Description

一种空中风力发电装置

技术领域

本发明涉及风力发电装置，尤其涉及一种空中风力发电装置。

背景技术

风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。风力发电是把风的动能转为电能。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。因此，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。

传统的风力发电机架设在地面或近海的杆塔上，依靠叶片旋转发电。风塔建设前期需要高昂的工程费，包括开山道，打地基，立风塔，装风机等等，发电成本高，达到商业价值的规模风电场后期维护工作量大。此外，地面风塔使用的是地表风，风塔选址受地域限制，并且受地面障碍物影响，风具有很强的随机性，强度也不稳定。

然而，在空中，随着高度增加，平均风速会增加，而风能储量以近三次方的速度增加（P= 1/2SρV³；P-风能，S-扇叶面积，ρ-空气密度，V-风速）。空中的风能储量更丰富，没有障碍物影响，更稳定，蕴含风能之大是目前近地面的高度无法比拟的。根据互联网公开的数据，2009年，北京市上空百米高度的平均风速是每秒4.1米，能量密度是每平方米78瓦；700米高度的风速是每秒7.3米，能量密度每平方米430瓦；而在万米高度，风速达到每秒34.5米，能量密度则上升到每平方米16275瓦。青岛市条件更好：100米高度风速每秒5.5米，能量密度每平方米194瓦；700米高度风速每秒7.5米，能量密度每平方米470瓦；万米风速每秒40.8米，能量密度高达每平方米22584瓦。

互联网还公开了美国麻省理工学院（MIT）的 Altaeros Energies，设计的飘浮在高空中的高空风力发电装置，风力发电机与扇叶都放在一个甜甜圈般的氦气球之中，“空中甜甜圈”飘浮在 300 到 600 公尺高空，随图显示该氦气球体积庞大，发电机很小，发电功率目测很小，规模商业应用价值不高。此外，该装置最大问题就是，氦气球平衡运动与做功运动相互耦合、相互影响，很难设计出平衡与做功的最佳控制模式，持续性和稳定性难以保障，风能利用率不高。

比起地面使用的风塔，飘浮技术可省下塔柱成本，并且还能让风机位于比塔柱所能及的范围更高的空中。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种投资省，安全性能高，平衡稳定性好，风能利用率高，发电效果好，维护方便，使用寿命长的一种空中风力发电装置，具体的技术方案为：一种空中风力发电装置，包括内凹形浮体、固定环、拉绳、活动连接器、水平风向舵、发电机组、内凹形风轮、轴承、螺栓、电缆、缰绳、卷扬机、变电站、电网，所述发电机组的定子上设置有磁铁，对应转子上设置的线圈与磁铁对应，转子线圈引出导线连接电刷，电刷与发电机轴上固定的集电环滑动连接，其特征在于：内凹形浮体的边缘设置有固定环，通过拉绳与活动连接器的一端连接；活动连接器的另一端通过拉绳与发电机轴的一端或两端连接；发电机轴通过轴承连接定子与转子；所述定子、转子外围设置曲面相反的内凹形风轮；发电机轴带集电环的一端通过缰绳与卷扬机连接；集电环引出导线通过电缆连接变电站，进一步连接到电网。

为了提高内凹形浮体的安全性，所述内凹形浮体由分隔的气囊组成。

所述气囊充装氦气。

所述定子、转子上的内凹形风轮至少三个，等分或对称设置。

为了提高风的利用率，所述发电机轴一端或两端设置水平风向舵。

空中风力发电基本设想是利用空中的风来发电，空中浮体像风筝一样空中静态停留，并搭载发电机发电，通过电缆把电能传送回地面。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：相比地面的风塔，具有投资省，不受地域限制，可以获取更大风能的优点；与现有的空中风力发电装置相比，独特的发电机轴通过轴承连接定子与转子形式，以及定子、转子上的内凹形风轮正反向旋转设计，可以保证发电机组在空中的稳定平衡，克服现有的氦气球发电装置既做平衡运动又做做功运动而相互耦合、相互影响的现象。同时，内凹形风轮正反向旋转可以采集更多的风能，定子、转子相对转动，转子线圈切割磁力线速度加快，发出更多的电，提高发电效率。内凹形浮体上设置多个分隔的气囊，可以提高内凹形浮体的安全性，防止整体气囊的破裂而引发灾难性事故。发电机轴一端或两端设置水平风向舵，可以调整内凹形风轮对着风力最大的方向，提高风的利用率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明发电机组部分结构示意图。

图3是图1、图2中上内凹形风轮与定子连接俯视图。

图4是图1、图2中下内凹形风轮与转子连接仰视图。

图5是本发明发电机组部分水平布置左视图。

图6是本发明发电机组部分水平布置右视图。

图中：1、内凹形浮体，2、固定环，3、风向舵，4、拉绳，5、活动连接器，6、水平风向舵，7、发电机轴，8、内凹形风轮，9、发电机，901、定子，902、磁铁，903、转子，904、线圈，905、电刷，906、集电环，907、轴承，908、螺栓，10、电缆，11、缰绳，12、卷扬机，13、变电站，14、电网。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1～图6，一种空中风力发电装置，包括内凹形浮体1、固定环2、拉绳4、活动连接器5、水平风向舵6、发电机组、内凹形风轮8、轴承907、螺栓908、电缆10、缰绳11、卷扬机12、变电站13、电网14，所述发电机组的定子901上设置有磁铁902，对应转子903上设置的线圈904与磁铁902对应，转子线圈904引出导线连接电刷905，电刷905与发电机轴7上固定的集电环906滑动连接，其特征在于：内凹形浮体1的边缘设置有固定环2，通过拉绳4与活动连接器5的一端连接；活动连接器5的另一端通过拉绳4与发电机轴7的一端或两端连接；发电机轴7通过轴承907连接定子901与转子903；所述定子901、转子903外围设置曲面相反的内凹形风轮8；发电机轴7带集电环906的一端通过缰绳11与卷扬机12连接；集电环906引出导线通过电缆10连接变电站13，进一步连接到电网14。为了提高内凹形浮体1的安全性，所述内凹形浮体1由分隔的气囊组成。所述气囊充装氦气。所述定子901、转子903上的内凹形风轮8至少三个，等分或对称设置。为了提高风的利用率，所述发电机轴7一端或两端设置水平风向舵6。

实施例：如图1所示，内凹形浮体1制作成船形或伞形，当内凹形浮体1制作成船形时，则在尾部设置风向舵3，风向舵3由一块水平设置的弧形板和其上中间位置垂直设置的一块弧形板构成，类似于飞机的尾翼。风向舵3的作用可以在风的吹动下使船形内凹形浮体1的头部迎向风的方向，使内凹形浮体1获得最大的升力和浮力。内凹形浮体1的制作材料采用现代飞艇制作材料，由涤纶、聚脂纤维、迈拉等人造材料织成。迈拉（Mylar）材料是一种坚韧聚脂类高分子物，具有良好的耐热性、表面平整性、透明度和机械柔韧性，是杜邦（dupont）旗下polyethylene terephthalate (PET)的著名品牌。如图1所示，内凹形浮体1内部由分隔的至少三个气囊（图1中虚线部分）组成，气囊内充装氦气。这样的设计，万一某个气囊破裂，可以为本发明发电装置收回赢得时间，提高本发明的使用安全性。氦是惰性元素之一，分子式为He，密度0.17847克/升，化学性质十分不活泼，既不能燃烧，也不能助燃，因此是理想的充装气体。气囊材料选用层压材料，其结构由：防老化层-胶粘层-阻气层-胶粘层-编织式载荷承载层-胶粘层压制而成。防老化层最好的材料就是PVF(聚氟乙烯）其综合性能都很优良。阻气层的材料分两类：涂层材料和薄膜材料。涂层材料中的丁基性能很优良，薄膜材料中的尼龙、莎纶综合性能都很好。编制式载荷承载层：涤纶、尼龙。在内凹形浮体1的边缘安装有固定环2，每根拉绳4的一端连接固定环2，另一端连接活动连接器5的一端；活动连接器5的另一端通过拉绳4与发电机轴7的一端（发电机组垂直悬吊，见图1、图2）或两端（发电机组水平悬挂，见图5、图6）连接。活动连接器5相当于一个活动关节，上部杆体的球头设置在下部内凹形槽体内，具有旋转自由度，这样设计的好处是空中的风向转变时，拉绳4之间不会纠缠、打结，保证使用安全性。

如图1、图2、图5、图6所示，在发电机轴7一端或两端设置有水平风向舵6。水平风向舵6由连接杆和水平、垂直方向交错的十字结构三角板构成，连接杆的头部通过焊接或轴承连接发电机轴7的一端，尾部通过焊接连接十字结构三角板。在连接杆尾部设置拉绳4，连接到发电机轴7上端的拉绳4，挂住水平风向舵6的尾部，使水平风向舵6在空中处于水平状态，这样设计，可以调整内凹形风轮8对着风力最大的方向，提高风的利用率。拉绳4选用尼龙绳。

如图2所示，发电机组的发电机轴7通过轴承907连接定子901与转子903，定子901、转子903共用发电机轴7。在发电机轴7上部的一端设置水平风向舵6。定子901上安装有磁铁902，对应转子903上安装的线圈904与磁铁902对应，定子901半包转子903镶嵌组合，也就是说转子903的一端插入定子901的腔体内，形成半包结构，转子线圈904引出导线连接电刷905，电刷905与发电机轴7上固定的集电环906滑动连接。定子901、转子903外围圆周面上用螺栓908固定曲面相反的内凹形风轮8，按图1、图2定子901、转子903标示的内凹形风轮8的转动方向，发电机轴7右边定子901上的内凹形风轮8是凹曲面安装形式，接受风；发电机轴7左边定子901上的内凹形风轮8是凸曲面安装形式，背风；对应地，发电机轴7右边转子903上的内凹形风轮8是凸曲面安装形式，背风；发电机轴7左边转子903上的内凹形风轮8是凹曲面安装形式，接受风。总之，定子901、转子903上的内凹形风轮8曲面安装形式相反。这样的设计，在定子901、转子903上的内凹形风轮8正反向旋转时，可以保证发电机组在空中平衡，同时，内凹形风轮8正反向旋转带动定子901、转子903正反向旋转，增加一倍的风能，转子线圈904切割磁力线速度加快，根据感应电动势公式E=BLV（E-感应电动势，B–磁感应强度，L-导线长度，V-线圈转速），在磁感应强度、导线长度不变的前提下，提高线圈904转速，将发出更多的电，提高发电效率。发电机轴7带集电环906的一端通过缰绳11与卷扬机12连接。集电环906引出导线通过电缆10连接变电站13，经变电站13处理后的电，满足并网条件，再由电缆10输送到电网14。缰绳11选用迪尼玛绳。迪尼玛绳是采用迪尼玛Dyneema高强度聚乙烯纤维,然后运用线体加强工艺制成一种超圆滑、敏感的绳，绳体表面加入了润滑因子，改进了线绳表面的涂层，光滑的涂层使线绳经久耐用，颜色持久，防止磨损和褪色。迪尼玛绳具有强度高：强力是优质钢的10余倍；高模量：仅次于特级碳纤维；低密度：小于水，能漂浮于水面；高强高模聚乙烯纤维的物理性能非常优异。由于迪尼玛绳具有高结晶度，耐水、耐湿、耐化学腐蚀、耐紫外线，具有优异的耐磨性，不仅有高模量，而且柔软，有较长的挠曲寿命。

图3是图1、图2中上内凹形风轮8与定子901连接的俯视图，参见图3，所述定子901上的内凹形风轮8至少安装三个，等分或对称设置（本实施例对称安装四个），具体安装个数根据发电功率设置。

图4是图1、图2中下内凹形风轮8与转子903连接仰视图，参见图4，所述转子903上的内凹形风轮8至少三个，等分或对称设置（本实施例对称安装四个），具体安装个数根据发电功率设置，并且安装个数与定子901上的内凹形风轮8安装个数保持一致。

图5是本发明发电机组部分水平布置左视图，图6是本发明发电机组部分水平布置右视图，结合图5、图6，可见发电机轴7的两端安装有拉绳4，连接到活动连接器5的下端；在发电机轴7的两端，同一侧各安装一个相互平行的水平风向舵6，水平风向舵6的连接杆头部通过轴承连接发电机轴7的一端（轴承安置在发电机轴7的一端的轴孔内），在连接杆尾部设置有拉绳4，调整其上拉绳4的连接长度，连接到发电机轴7上端的拉绳4，可以使水平风向舵6在空中处于水平状态，进一步调整内凹形风轮8对着风力最大的方向，提高风的利用率。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，具体制造工艺还应根据风力发电机的功率设计。据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机。应该注意的是，选用任何型号的风力发电机，都应留有安全系数，内凹形浮体1的浮力远大于悬挂物的总重量，必要时可以在缰绳11上增加悬挂内凹形浮体1或氦气球，以保证安全性。

最后声明：本发明保护范围并不局限于此，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种空中风力发电装置，包括内凹形浮体、固定环、拉绳、活动连接器、水平风向舵、发电机组、内凹形风轮、轴承、螺栓、电缆、缰绳、卷扬机、变电站、电网，所述发电机组的定子上设置有磁铁，对应转子上设置的线圈与磁铁对应，转子线圈引出导线连接电刷，电刷与发电机轴上固定的集电环滑动连接，其特征在于：内凹形浮体的边缘设置有固定环，通过拉绳与活动连接器的一端连接；活动连接器的另一端通过拉绳与发电机轴的一端或两端连接；所述活动连接器上部杆体的球头设置在下部内凹形槽体内；所述发电机轴一端或两端设置有水平风向舵，其连接杆尾部设置有拉绳，连接到发电机轴上端的拉绳，挂住水平风向舵的尾部，使水平风向舵在空中处于水平状态；发电机轴通过轴承连接定子与转子，定子半包转子镶嵌组合；所述定子、转子外围设置曲面相反的内凹形风轮；发电机轴带集电环的一端通过缰绳与卷扬机连接；集电环引出导线通过电缆连接变电站，进一步连接到电网。

2.根据权利要求1所述的一种空中风力发电装置，其特征在于：所述内凹形浮体由分隔的气囊组成。

3.根据权利要求2所述的一种空中风力发电装置，其特征在于：所述气囊充装氦气。

4.根据权利要求1所述的一种空中风力发电装置，其特征在于：所述定子、转子上的内凹形风轮至少三个，等分或对称设置。