CN105781898A - 一种高空热翼艇风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高空热翼艇风力发电系统。它是由三大部分所组成。一是一个热翼艇本体，它利用加热空气产生静浮力，加上附加机翼产生的动升力，将风力发电系统的装置带到高空，悬停在空中一定高度；二是锚泊系统，有2种情况：其一是，若锚泊系统设在陆地上，由地基基础构成；其二是，若锚泊系统设在海洋上，则由趸船及锚泊设备组成；三，是将上述两大系统连接在一起的牵引系统，它是由钢缆索与能使热翼艇随风向转动的转动盘构成。此三大部份在自动控制系统的控制下协调工作，将高空中的风力能源变为电能，源源不断输向地面。
Description
1.技术领域
本专利涉及对飞艇、热气球、低空低速飞机、船舶海上拖曳航行技术等综合应用领域，属于低空航空工具类技术。
2.背景技术
风力发电是经济与清洁的能源。现已广泛使用的风力发电机存在2个缺点：其一是只能利用接近于地面(或海面，下同)的风力资源(一般距地面或海面数米到150米左右)；其二、制造及设置风电设备(如塔架及桩基)的成本很高。已使用的风帆或“风筝”助航存在效率不高、风力难以掌握的缺点。
3.本发明专利的内容
3.1基本原理
本发明专利的目的是，针对现有风电技术的不足，提供一种利用高空风力资源的风力发电系统。实现本专利目的的技术方案如下：
风是空气的流动所形成，但由于地面上各种粗糙元的存在，会对风的运动产生阻力，这一层空气称为大气边界层。在此层中，风速随高度的变化可用指数律近似计算。笔者根据指数律计算了在20级风以下、不同高度的风速(见附件1)。从计算来看，在距地面(或海面)高度100m处，相对于10m高度(计算蒲福风级的标准)，风速约提高32％，在500m高度，约提高60％，如果到1000m，约提高74％。因此获取高空的风力资源是很有意义的。
本专利的基本思路是：在高空(例如距地面500-800m)，设置一个可获取风能的飞艇，作为一个平台，其上设置风力发电设备，再将所发电能用电缆传输至地面。笔者所提出的“平台”，是一种承载在转动盘上的飞艇，该飞艇用加热空气的方法产生静浮力，再在此飞艇上附加机翼，依靠风力产生动升力，笔者将此种“飞艇”命名为“热翼艇”。静浮力加上动升力，可使该“热翼艇”升空且停留在空中一定高度。该“平台”可用多根连接缆绳将其固定于地面或海面系泊趸船的卷扬机之上，让系结缆绳的拉力与该“热翼艇”的升力和浮力达到动力平衡。另外，从理论上说，只要有一定大小风力，不论什么方向，都可通过自动控制系统调整本艇的姿态，使艇体迎风具有一定的仰角，也可以产生一定的动升力。这样，如果精心设计，使加热空气产生的静升力、机翼和艇体产生的动升力合起来，足以承载自身的重量，就可以使风力机正常旋转，作为发电机的能源。
3.2高空热翼艇风力发电系统的构成
整个“高空热翼艇风力发电系统”装置由3大部分构成。
3.2.1空中热翼艇本体系统
该热翼艇本体系统(参见说明书附图1)包含5个部分：
其一是热翼艇本体①。它是一种特别设计的带附加机翼的半硬式热翼艇。热翼艇气囊纵向与横向均设有由铝合金或玻璃钢质轻质强力结构组成的刚性骨架⑤、⑥，外蒙高强度的锦伦丝布或强化尼龙布。当充足空气后，就可保持热翼艇基体的形状和强度；用以承载整个风力发电系统装置的重量。
其二是燃气与热浮力系统。本热翼艇装置升空或下降的动力来源于飞艇的静浮力及机翼和艇体的动升力。为此设有：燃气系统，其装置均设在吊舱③内。本热翼艇有多个吊舱，及有多套能够加热空气产生静浮力的燃烧炉及喷嘴系统。除了按常规设置LPG或LNG钢瓶外，还设置有专用的燃料软管。此软管与系泊缆绳(钢缆或碳素纤维缆)捆绑在一起，将空中的热翼艇与地面LPG站连接起来。
其三是飞艇－机翼系统。它是由铝合金骨架与高强度纤维布蒙皮构成的高升力机翼及附属的襟翼组成。本热翼艇的外形与机翼组合起来形成一套类似于轻型双翼飞机的升力系统。在风力的作用下，艇体与机翼均可产生动升力，与热空气产生的静升力合起来共同克服整个热翼艇及系泊绳的重力，将其举升并留滞在空中。
其四是风轮及发电系统。包括由对转式叶片组成的前后风轮以及传动装置和发电装置。本热翼艇本体内部的中心舱设置有发电机及电力系统②及传动系统其原动力由变螺距对转式叶轮⑩的风力叶片旋转产生，经传动系统驱动发电机转动。
其五是平衡调节系统。本热翼艇的留空(相当于飞机在空中飞行)的姿态是保证本热翼艇正常稳定工作的前提。在本热翼艇的前后，均设有在风力作用下产生旋转动力的变螺距对转式叶轮⑩及导流管⑨。为了保持本热翼艇尽可能正对风向，在后导管的前后均设有平衡稳定翼⑦⑧。在尾导管外缘，设有水平舵，在尾导管的后缘中心也设置水平舵这些平衡翼或水平舵均按航空原理设计，设有襟翼及边界层控制系统(由自动控制系统控制)。可在不同风向的风力作用下产生较大的升力，并可随时调整姿态，保持稳定。
在地面或海面无风或微风条件下，如果高空有风，就可以点燃热气喷嘴，产生热空气，获得静浮力；再将发电机作为电动机使用，由地面站供电，驱动前叶轮转动，像螺旋桨飞机一样产生推进速度，同时产生升力，也可使本热翼艇升空，获得高空的风力资源，再转换为风力发电状态。
3.2.2锚泊系统，也称为地面站。(参见附图3)
锚泊系统(地面站)有两种情况：(1)如果热翼艇在陆地的上空进行锚泊，则应在地面上设3或4个锚泊点，各相距一定距离(例如1—2km)，每个锚泊点均由地锚(或称地牛、地桩)及控制卷扬机、燃气贮存罐、输变电装置等构成；(2)如果热翼艇是在海洋的上空进行锚泊，则锚泊系统一般由3艘或4艘趸船组成(各相距一定距离)。在每一个趸船上设置海上锚锭系统该系统由锚机及锚链舱、锚链及锚组成；所用的锚可以是普通的船用锚，也可用重力锚(钢筋混凝土块构成)；趸船可作为“地面站”，其中设有燃气(LPG或LNG)贮存罐、变电与输电装置、海底电缆等，其甲板上设有牵引缆索的卷扬机等设备。
3.2.3连接系统(参见附图1及图3)
连接系统由连接缆索④及转动盘构成。
连接缆索。为了使整个装置可以长期滞留在空中某一位置，本专利使用3根或4根缆索(钢缆或碳素纤维缆)作为连接缆索。连接缆索的下端连接锚泊系统的卷扬机，卷扬机座则固定在地锚上或海面的锚泊趸船上。
连接缆索与地面(或海上)锚泊系统连结。在多根缆索中至少有1-2根采用组合式缆索，即将钢索与输电电缆、输气软管组合成一体，除承受牵引拉力外，还要将置于热翼艇中的发电机所发电能输至地面、为空中燃气罐提供气源。连接系统不随风向旋转。
连接缆索④的上端连接转动盘所谓转动盘是一个圆形的转盘，其上放置本热翼艇体；热翼艇在自动控制系统控制下可以产生360°旋转，使热翼艇系统的风轮对准来风的方向。当风向变动时，飞翼艇整体可围绕转动盘旋转，也可以允许进行一定的仰俯运动，以适应风向。整个系统是一套柔性系统，在电脑控制下维持升力(包括浮力)与重力的动态平衡。
4.附图说明
图1：热翼艇本体侧视示意图
图1的图例说明：
①热翼艇本体；
②热翼艇中心舱(设发电系统)；
③热翼艇吊舱(含燃气喷管、控制设备、压载系统等)；
④连接缆索(含电缆、燃气管及控制电缆)；
⑤热翼艇内中心骨架；
⑥热翼艇内环状骨架；
⑦尾部前平衡稳定翼；
⑧尾部后平衡稳定翼；
⑨前后导管；
⑩前后变螺距对转式叶轮；
传动系统；
对转式发电机；
助升双翼(带襟翼)；
热翼艇尾部升降舵；
转动盘；
立柱及牵绳；
图2：热翼艇本体正向视示意图
图2的图例说明：
④连接缆索(含电缆、燃气管及控制电缆)；
对转式发电机；
助升双翼(带襟翼)；
转动盘；
立柱及牵绳；
图3：热翼艇风力发电系统在高空运行与地面连接示意图
图3的图例说明：
④连接缆索(含电缆、燃气管及控制电缆)；
系泊趸船(含卷扬机及LPG地面站4艘)
海上趸船锚锭系统
图4：一种高空热翼艇风力伞拖曳船舶航行示意图
图4的图例说明：
热翼艇与翼伞回收架
被拖曳的船舶
图5：热翼艇风力伞船舶拖曳器示意图
图5的图例说明：
①热翼艇本体；
②热翼艇中心舱(设发电系统)；
③热翼艇吊舱(设燃气喷管、控制设备、压载系统等)；
④连接缆索(含电缆、燃气管及控制电缆)；
⑤热翼艇内中心骨架；
⑥热翼艇内环状骨架；
⑦尾部前平衡稳定翼；
⑧尾部后平衡稳定翼；
⑨后导管；
⑩后变螺距对转式叶轮；
传动系统；
对转式发电机；
助升双翼(带襟翼)；
飞翼艇尾部升降舵；
拖曳伞；
拖曳伞可控窗口
5.具体实施方式：
下面根据空气动力学的一般理论进行初步计算，给出2个计算实例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。
例1：关于10000kW高空热翼艇发电系统
(1)额定总功率：“高空热翼艇发电系统”实例的额定总功率设定为10000kW
(2)风力发电机的型式：采用水平轴风力发电机型。可按常规选用，但其重量要尽可能轻。其发电机可考虑用超导型。
(3)热翼艇设置附加双翼：可按低速大升力飞机进行设计，要求在一定风力条件下会产生较大的升力。
(4)额定风速：其海面上500m高度的额定风速取为12.1m/s(相当于海面上10m高度的风速7.51m/s)即蒲福风级4.32级。
本风力机在3m/s风速条件下应能转动。
(5)最大设计风速：按常规，取重现期为50年；取距海面500m高空最大风速为36m/s(相当于距海面10m高度为9级风，即22.57m/s)。
(6)风轮直径：本例在飞翼艇的前后端均设置风轮，取前风轮直径D1＝123m，后风轮直径D2为172m，均为对转式可变螺距桨叶。由下列经验公式可初步计算风轮的输出功率：
前风轮
P1＝1/8×ρa×Vr 3×π×D1 2Cp×η1×η2
其中：ρa——空气密度，取为ρa＝1.225kg/m3
在使用工程单位制时，ρa＝0.125kgf×s2/m4
Vr——额定风速：取为Vr＝12.1m/s
D1——风轮直径：取为D1＝123m
Cp——功率系数，一般取0.43-0.45，本例取0.43
η1——传动系统效率，取η1＝0.92
η2——发电机效率，取η2＝0.95
由此：前风轮扫掠面积A1＝11882m2
前风轮输出功率为：P1＝4847kW
后风轮按同样方法，取后风轮直径D2＝172m
后风轮扫掠面积A2＝23235m2
后风轮输出功率为：P2＝9479kW
风轮总功率∑P0＝P1+P2＝4847+9479＝14327kW
考虑前后飞轮相互干扰及其它未考虑的因素，取折扣系数K＝70％，则本例风轮总功率为：
∑P＝K×P0＝70％×14327＝10029kW≈10000kW
(7)热气翼艇主体的基本参数如下：
总长Loa＝300m；最大宽度Bm＝78.4m
高度Hm＝54.7m；
型体积V0＝515467m3；表面积S0＝42035m2
(8)热翼艇附加机翼基本参数如下：
为简化计算，本例在初算中未计入主体在有迎角条件下自身产生的升力。故对于本例，热翼艇留空的升力，应依靠机翼产生。
(9)系泊及转盘系统：参考附图4，
采用常规技术，其缆绳可按悬链线理论设计。(介绍从略)。
例2：一种高空热翼艇加翼伞的船舶拖曳及发电系统
(一种不消耗附加能源且完全无排放的绿色动力船舶)
概述
利用风力拖曳船舶前进的最大优点，其一是节能，因为风力是取之不竭的能源，其二是环保,只用风力，不产生任何污染，对环境没有任何影响，是理想的能源。
对现代船舶动力而言，风力也存在相当大的缺点，其一，大自然风力的分布在地理位置上是不均衡的，在时间上也是随机的。有时大台风或风暴来临时，风力成了灾害；风的方向也是不能随人类需要随时改变的；另外，接近于海面的风力密度也不大。因而，目前海上运输船舶利用风帆助航还是很少的。
世界上第一艘用巨型“风筝”拉动的货轮是德国“白鲸天帆”号，它在2008年已实现了12000海里跨大西洋的成功航行。该船除了装有常规动力系统外，还安装了一个面积达160m2的翼伞，被称为“巨型风筝”，放飞高度为海面上300m处。
本实例实质上是“一种高空热翼艇风力发电系统”专利在海船上的应用。其特点在于，在“热翼艇”之后配置了一个特大型的翼伞(也可称为风帆)。
本实例的原理可参阅附图5。本专利与“白鲸天帆”号的不同点在于；其一，由于在不同时间、不同海区、不同高度的大气产生的风力大小、方向及包含的能量有很大的不同，如何在当时当地获得最有利的风能，就需要一种在高空中能够移动并感知风速、风向(通过传感器)的工具，我们选择了本专利“热翼艇”。在人的操纵(或遥控)下，将飞艇设置在空中的有利位置，然后释放出翼伞(风帆)；从而可大大提高“风帆”的推进效率；其二，在需要收回放置在船上时，可以用飞艇中的卷扬机，将翼伞收藏于回收舱中；飞艇本身也可收缩其体积，再降落在船首部特制的架子上。
由于本专利具有上述特点，因而可以成为一种高效且实用的船舶拖曳器。
关于高空热翼艇
拖曳船舶所用的热翼艇不同于常规飞艇，具有以下特点：
(1)本专利的热翼艇可作为翼伞的控制装置。为用于船舶拖曳，飞艇主体及附加机翼均可设计成可伸缩型。本飞艇主要用来探求与控制飞行高度、方向、姿态。在用于拖曳53000DWT船时，其飞艇长度取为100m，初步计算容积可达20632m3，如再加上尾部的挂伞(拖绳长可达250m)总长度达350m，已经超过船舶本身的长度。当需要收藏的时候，首先要把翼伞收纳于艇内(在收伞前先打开伞上的“泄放窗口”，减小阻力)，其次通过分舱释放(或“吸收”)气体，将其体积逐步缩小，最后使其长度在30-40m之内，就可以放置在船首部特制的“翼伞与飞艇的回收架”上。为此，本飞艇采用“半硬式”结构；气囊内部设置由铝合金或其它超轻型材料(如玻璃钢)构成的骨架。
(2)本热翼艇按照热气球方式，设置空气加热系统。另设附加机翼，产生升力。
3、关于拖曳伞：
本专利采用的拖曳伞的形状材料与常规伞相似，所不同的特点有以下几项：
(1)面积特别巨大。德国首创的“白鲸天帆”伞的面积是160m2，已经被称为“巨型风筝”，而本例针对性于5万载重吨的海船，选用的帆面积(以圆形帆直径75m计)为4418m2，因而可称为是特别巨大的风帆或“风筝”。
(2)“特巨型风帆”是可控的。这里的“可控”体现在4个方面，其一，“回收”可控，即可以收回到飞艇尾部特制的“风帆回收舱”内。此功能，在空中即可实现。当风向逆行或遇到高强度破坏性风暴时，应采取空中回收的安全措施。其二，“释放”可控：可自动打开回收舱的后舱盖，即可释放出“导引小伞”，然后将主伞牵出；其三，在翼伞张开时，在翼伞的一定位置上设有众多可启闭的“窗口”，可以根据气流的强度由电脑控制，可开闭一定的“窗口”以控制翼伞飞行的姿态。其四，“数量”可控，在“回收舱”内的翼伞，可以是1个大伞，也可以根据需要设置2个或3个小伞。本例的计算采用1个直径75m的大伞。
4、关于翼伞牵绳
本例的“翼伞拖曳缆绳”是由3组结构不同的柔性连结物组合而成。包括以下4项基本功能：其一，钢缆或碳素纤维绳，主要承受飞艇及翼伞产生的拖曳力，可根据翼伞产生的最大牵引力按照“悬链线理论”计算选取；其二，电缆线，其中敷设有为飞艇内的电机供电及输电的电缆，其三，燃气软管：其中通过具有一定压力的LPG燃气，供给空气加热之用。其四，控制及操纵飞艇和翼伞的控制线(另再设无线遥控系统)。
在连接船舶与飞艇的两端处，应设计专用接头。
5、关于涡轮风力发电机
在飞艇的尾部设置一个带导管的对转桨的风轮，在风的作用下旋转，带动设于气囊内部的双联对转发电机组。本例取风轮直径为68m，按风轮扫掠面积常数p＝0.405kW/m2粗算，其发电机的额定功率∑P＝1030kW。这部分电能可以通过电缆线输往被曳引之货船。供船舶航行之用。
由此，该船依靠“风帆”拖曳，船舶辅机所需动力由飞艇上的发动机供电。从而该船可以称为不消耗人为附加能源且完全无污染物排放的绿色船舶。
6、被牵引船舶的使用效果
从理论上讲，对所有其航速小于风速的船舶，均可实现“风帆拖曳”获得动力。一般以航速较低的散货船更为适用。本例以一艘53000DWT船作为范例来说明使用本专利产生的效果：
附表1、53000DWT散货船主要参数
| NO | 项目 | 参数 |
| 1 | 总长Loa | 198.88m |
| 2 | 垂线间长Lbp | 192.00m |
| 3 | 型宽B | 30.0m |
| 4 | 型深D | 17.5m |
| 5 | 结构吃水d | 12.8m |
| 6 | 设计吃水ds | 12.3m |
| 7 | 主机型号 | MAN B&W 6S42MC-C7 |
| 8 | 主机功率×转达速 | 6480kW×136rpm |
| 9 | 满载排水量Δ | 63376.9t |
| 10 | 载重量DWT | 53000t |
| 11 | 满载航速Vs | 13.53kn |
附表2、高空热翼艇风力伞拖曳器主要参数表
经初步计算(详附件2)，对于一艘53000DWT的货轮而言，若圆形翼伞(风帆)直径为75m，在顺风风速Va为16.02m/s，相当于地面上10m风速为10.02m/s(蒲福风级为5.24级)时，风帆产生的拖力恰好与船舶自身的静水阻力相等。这种风速在高空(距离海面500-800m高度)是经常可以出现的。即该船可以完全不开主机航行。在这种条件下船舶自身的主机即作为该船的备用设备。若风速再大一些，即可超过原有的航速。其节能的效果是非常明显的。同时，该高空热翼艇所带的风力发电机可发出1000kW的电力供船上使用。这说明该船舶只用风力就可航行。
Claims (5)
1.一种高空热翼艇风力发电系统，其特征在于，所述的高空热翼艇风力发电系统是由三大部分组成：其一是空中热翼艇本体系统；包含一个能够产生静浮力的热气飞艇和一组能够产生动升力的飞艇机翼；该热翼艇的艇体中，设置有风力发电机的风轮系统及传动和发电装置；其二是锚泊系统，分二种情况：一，若是在陆地上，该系统由地桩及卷扬机构成；二，若是在海上，该系统是由趸船和锚系构成；其三是连接系统，由连接缆索及承载热翼艇本体的转动盘构成；缆索的上端连接转动盘，其下端连接锚泊系统的卷扬机。
2.根据权利要求1所述的一种高空热翼艇风力发电系统，其特征在于，所述的空中热翼艇本体系统主要由5大部分构成：其一，是可产生浮力的热翼艇体，它是由高强度轻质纤维布构成，其中设置有铝合金或玻璃钢质的骨架，以确保热翼艇基体的形状和强度；其二，设有多个可以加热空气产生静升力的燃烧炉，该炉的能源来自所配置的压缩钢瓶，其燃料(LPG或LNG)经燃气软管由设置在地面站或海上趸船中的储气罐提供；其三，是升力翼系统，它是由铝合金骨架与高强度纤维布蒙皮构成的高升力机翼及附属的襟翼；在风力的作用下，机翼可以产生动升力，与热空气产生的静升力共同克服整个热翼艇及系泊绳的重力，将其举升并留滞在空中；其四，是风轮及发电系统，包括由对转式叶片组成的前后风轮以及传动装置和发电装置；其五，是平衡调节系统；本翼艇在后导管的前后均设有稳定翼；在尾导管外缘，设有水平舵；在尾导管的后缘中心也设置水平舵；在不同风向的风力作用，及自动控制系统的控制下，随时调整整个热翼艇的姿态，保持稳定。
3.根据权利要求1所述的一种高空热翼艇风力发电系统，其特征在于，所述的锚泊系统，有两种情况：一是，热翼艇在陆地的上空锚泊，则应在地面上设3或4个锚泊点，各相距一定距离(例如1—2km)，每个锚泊点均设有地锚(或称地牛、地桩)及控制卷扬机、燃气贮存罐、输变电装置等设备；二是，热翼艇在海洋上空进行锚泊，则锚泊系统一般由3艘或4艘趸船组成(各相距一定距离)；在每一个趸船上设置锚机及锚链舱、锚链及锚；趸船上设有燃气(LPG或LNG)贮存罐及压缩机组、变电与输电装置、海底电缆等，其甲板上设有牵引缆索的卷扬机等设备。
4.根据权利要求1所述的一种高空热翼艇风力发电系统，其特征在于，所述的连接系统，由连接缆索和转动盘构成；连接缆索的上端连接转动盘，转动盘在空中承载热翼艇；连接缆索的下端连接地面或海面趸船上的卷扬机滚筒。在多根缆索中至少应有1-2根采用组合式缆索，即将钢索与输电电缆、输气软管组合成一体，除承受牵引拉力外，还要将置于热翼艇中的发电机所发电能输至地面，为空中燃气罐提供气源。
5.根据权利1所述的一种高空热翼艇风力发电系统，其特征在于，所述的转动盘，其下端连接牵引缆索，不随风向旋转；而转动盘上承载的热翼艇，可以产生360°旋转，在自动控制系统的控制下，使热翼艇系统的风轮始终对准来风的方向。
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