CN106089574A - 一种利用高空风力发电的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高空风力发电的方法及装置，本发明是将受风元件制作成中空结构的巨型滚筒状轴体，巨型滚筒状轴体充有氦气，巨型滚筒状轴体两端通过平衡绳固定并与地面上的固定桩连接；由于氦气比重远小于空气比重的，巨型滚筒状轴体悬浮在高空；巨型滚筒状轴体上设有风叶，风叶在风的吹动下带动巨型滚筒状轴体旋转，巨型滚筒状轴体中部设有传动轴，传动轴经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。本发明相对现有发电机在地面技术具有投资小，构造简单，易操作，拆装灵活的优点。本发明相对现有发电机在空中的技术具有升空高度限制小，装机容量大的优点。

Description

一种利用高空风力发电的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种利用高空风力发电的方法及装置，属于新能源利用的高空风力发电技术领域。
背景技术
利用风能发电，需要考虑项目所在地的风能密度，风能密度低于200瓦/平方米，则不适宜发展风电。随着海拔提高，优质空域的风能密度可以达到2000瓦/平方米。如果进一步上升到万米高空，风能密度是百米空域的百倍。高空风能由于密度高、设备轻量化、年利用小时数提高，理论上讲，风电效益会显著高于低空风电项目。因此，2013全球风能理事会已经做出预测，认为高空风能是新一代的新能源技术，高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点，且具有新的优点，将部分代替目前巨额的传统风能市场，是新能源领域的投资热点和发展方向。
目前全球50多家公司投入巨资研发高空风电，技术路线不一，但总的来说高空风能技术分为两大类：
一类是利用氦气球等升力作用，将发电机升到半空中，在高空中利用丰富的风能转化为机械能，机械能转化为电能，之后通过电缆传到地面电网。该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大；此外，由于系统整体较重，发电机组很难升到千米以上的高度，同时因为发电系统位于高空无法实现增压，大功率情况下势必使用大电流输电，所以必须使用直径较粗的导线。这无疑又加大了整个系统的重量，从而限制了该类技术路线的公司设备上升高度。气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内。这一技术路线的典型代表为Altaeros energies 的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)。发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里，上升高度约为300米左右，BAT 利用高空的高速风流，发电量比地面风力发电装置高一倍。
另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面的发电机转化为电能。从而解决电缆和发电机的自重问题。意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系统是该类技术路线的典型代表。MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的发电设备两部分组成。拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连，并通过安装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径，以最大限度带动地面涡轮机旋转并发电。该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。出于空域利用效率的原因，KiteGen的高空单元往往采取做“∞”字形或圆周运动来收集风能。对于控制系统而言，要不间断改变风筝的运行轨迹，除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z)，还要改变俯仰角、倾角等共5个坐标，加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响，地面输出动作传导到空中单元往往容易“失真”，使得空中单元姿态控制难度很大。公司将大量的精力投入到软件控制方面，KiteGen公司曾经一度有200多人的软件团队。而KiteGen早期的发电实验，往往在空中运行几分钟之后就无法正常运转了。至今，KiteGen空中单元控制方面的问题也没有很好的解决。
在高空风电这一前沿领域，一家中国公司走了一条不同的技术路线。广东高空风能技术有限公司仍采取“风筝式”技术路线，在系统设计方面作出了与KiteGen等公司较明显的差异。主要表现在：1、高空风能利用方式舍弃巨型“风筝”，改为伞形结构，利用降落伞的圆形对称结构提高系统稳定性；2、采用伞梯组合形式，增大发电功率和提高功率稳定性。该技术路线的困难程度相对“风筝式”技术路线较小，但也存在发电系统如何保证巨型降落伞的自由开合准确实现。虽然该公司控制伞开合的控制器相关技术已经申请计算机软件著作权并获得授权，但相关软件技术在实践运用中的有效性有待检验。
发明内容
本发明的目的是，提供一种能够明显降低推广应用资金投入和技术难度、并能有效提高系统稳定性和操作简单化、以及能高效利用高空风力资源的利用高空风力发电的方法及装置，从而解决现有技术的明显缺陷。
本发明的技术方案
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
本发明的一种利用高空风力发电的方法为，该方法是将受风元件制作成中空结构的巨型滚筒状轴体，巨型滚筒状轴体充有氦气，巨型滚筒状轴体两端通过平衡绳固定并与地面上的固定桩连接；由于氦气比重远小于空气比重的，巨型滚筒状轴体悬浮在高空；巨型滚筒状轴体上设有风叶，风叶在风的吹动下带动巨型滚筒状轴体旋转，巨型滚筒状轴体中部设有传动轴，传动轴经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。
前述利用高空风力发电的方法中，所述巨型滚筒状轴体两端的两根平衡绳之间连接有一组巨型滚筒状轴体，每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴均经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。
前述利用高空风力发电的方法中，所述平衡绳是具有高韧性、低重量特性的绳索；分别连接氦气滚筒的左右两边和地面的固定桩，起到平衡氦气旋转姿态的作用。
前述利用高空风力发电的方法中，所述传动缆绳是具有高韧性、低重量、耐磨损特性的环状绳索；分别与每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴和发电机组连接，将每个巨型滚筒状轴体旋转的动能传递至发电机组。
根据上述利用高空风力发电的方法构成的本发明的一种利用高空风力发电的装置为，该装置包括位于地面的发电机组，地面上设有一对固定桩，一对固定桩分别经平衡绳与一组巨型滚筒状轴体两端固定连接，巨型滚筒状轴体为中空结构，空腔内充有氦气，巨型滚筒状轴体上设有风叶，巨型滚筒状轴体中部设有传动轴，传动轴经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。
在上述一组巨型滚筒状轴体中至少设有一个巨型滚筒状轴体。
在上述一组巨型滚筒状轴体中设有1～20个巨型滚筒状轴体。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，现有技术发电机在空中时，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大，发电功率受限制。本发明将发电机设置在地面，并采用充有氦气的巨型滚筒状轴体的简单结构，本发明在原理和构造上都与现有技术不同。而现有技术发电机在地面时，采用的是“风筝”在风力吹拂下向上运动，拉动绳索向上同时带动发电机组发电；当“风筝”到最高时需要反向卷扬机将“风筝”拉回来，为了避免在“风筝”反向过程中机组无法发电，采用多组“风筝”进行轮替。因此现有技术发电机在地面上存在原理构造复杂，多组“风筝”操作复杂不宜控制的缺点。本发明相对现有发电机在地面技术具有投资小，构造简单，易操作，拆装灵活的优点。本发明相对现有发电机在空中的技术具有升空高度限制小，装机容量大的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图中标记为：1-发电机组、2-固定桩、3-平衡绳、4-巨型滚筒状轴体、5-风叶、6-传动轴、7-传动缆绳。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明的具体实施方式详细说明如下。
本发明的一种利用高空风力发电的方法，该方法是将受风元件制作成中空结构的巨型滚筒状轴体，巨型滚筒状轴体充有氦气，巨型滚筒状轴体两端通过平衡绳固定并与地面上的固定桩连接；由于氦气比重远小于空气比重的，巨型滚筒状轴体悬浮在高空；巨型滚筒状轴体上设有风叶，风叶在风的吹动下带动巨型滚筒状轴体旋转，巨型滚筒状轴体中部设有传动轴，传动轴经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。巨型滚筒状轴体两端的两根平衡绳之间连接有一组巨型滚筒状轴体，每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴均经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。平衡绳是具有高韧性、低重量特性的绳索；分别连接氦气滚筒的左右两边和地面的固定桩，起到平衡氦气旋转姿态的作用。传动缆绳是具有高韧性、低重量、耐磨损特性的环状绳索；分别与每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴和发电机组连接，将每个巨型滚筒状轴体旋转的动能传递至发电机组。
根据上述利用高空风力发电的方法构成的本发明的一种利用高空风力发电的装置，包括位于地面的发电机组1，地面上设有一对固定桩2，一对固定桩2分别经平衡绳3与一组巨型滚筒状轴体4两端固定连接，巨型滚筒状轴体4为中空结构，空腔内充有氦气，巨型滚筒状轴体4上设有风叶5，巨型滚筒状轴体4中部设有传动轴6，传动轴6经传动缆绳7与设在地面的发电机组1连接。在通常情况下，根据发电容量的大小，在一组巨型滚筒状轴体4中可设置1～20个巨型滚筒状轴体4；在平衡绳3和传动缆绳7使用条件允许的情况下，也可在一组巨型滚筒状轴体4中设置上百个巨型滚筒状轴体4。
实施例
高空滚筒传带风力发电方法，功能构件主要由巨型滚筒状轴体4、平衡绳3、传动缆绳7、发电机组1四部分组成。
巨型滚筒状轴体4是一个内部充有氦气的巨型滚筒状轴体。巨型滚筒状轴体4两端为连接轴，巨型滚筒状轴体4两端通过连接轴与平衡绳3连接、并能支撑在平衡绳3上转动；滚筒中间为传动轴6，连接传动缆绳7；巨型滚筒状轴体4横剖面为风车螺旋浆状，在风力吹拂下旋转。
平衡绳3是具有高韧性、低重量特性的绳索。由两根组成，分别连接巨型滚筒状轴体4的左右两边和地面，起到平衡巨型滚筒状轴体4旋转姿态的作用。
传动缆绳7是具有高韧性、低重量、耐磨损特性的绳索。一根且首尾相连。分别与巨型滚筒状轴体4中间传动轴6和发电机组1连接，起到将巨型滚筒状轴体4旋转的动能传导到发电机组1的作用。
平衡绳和传动缆绳均可直接采用现有技术中的尼龙绳、登山绳或降落伞绳作为平衡绳或传动缆绳；平衡绳和传动缆绳也可采用现有技术中柔韧性较好的钢丝绳制作。
发电机组1是常规设备，与整体设备性能匹配。发电机组由旋转的传动缆绳7带动发电机组1发电。
前述高空滚筒传带风力发电四个功能构件，巨型滚筒状轴体4在平衡绳3的拉力下悬浮在空中，在风力吹拂作用下旋转，进而带动传动缆绳7上下循环，传动缆绳7带动发电机组1发电。

Claims (7)

1.一种利用高空风力发电的方法，其特征在于：该方法是将受风元件制作成中空结构的巨型滚筒状轴体，巨型滚筒状轴体充有氦气，巨型滚筒状轴体两端通过平衡绳固定并与地面上的固定桩连接；由于氦气比重远小于空气比重的，巨型滚筒状轴体悬浮在高空；巨型滚筒状轴体上设有风叶，风叶在风的吹动下带动巨型滚筒状轴体旋转，巨型滚筒状轴体中部设有传动轴，传动轴经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。
2.根据权利要求1所述利用高空风力发电的方法，其特征在于：所述巨型滚筒状轴体两端的两根平衡绳之间连接有一组巨型滚筒状轴体，每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴均经传动缆绳与设在地面的发电机组连接。
3.根据权利要求1所述利用高空风力发电的方法，其特征在于：所述平衡绳是具有高韧性、低重量特性的绳索；分别连接氦气滚筒的左右两边和地面的固定桩，起到平衡氦气旋转姿态的作用。
4.根据权利要求1所述利用高空风力发电的方法，其特征在于：所述传动缆绳是具有高韧性、低重量、耐磨损特性的环状绳索；分别与每个巨型滚筒状轴体中部的传动轴和发电机组连接，将每个巨型滚筒状轴体旋转的动能传递至发电机组。
5.一种利用高空风力发电的装置，包括位于地面的发电机组（1），其特征在于：在地面上设有一对固定桩（2），一对固定桩（2）分别经平衡绳（3）与一组巨型滚筒状轴体（4）两端固定连接，巨型滚筒状轴体（4）为中空结构，在巨型滚筒状轴体（4）中空结构的空腔内充有氦气，巨型滚筒状轴体（4）上设有风叶（5），巨型滚筒状轴体（4）中部设有传动轴（6），传动轴（6）经传动缆绳（7）与设在地面的发电机组（1）连接。
6.根据权利要求5所述利用高空风力发电的装置，其特征在于：在所述一组巨型滚筒状轴体（4）中至少设有一个巨型滚筒状轴体（4）。
7.根据权利要求6所述利用高空风力发电的装置，其特征在于：在所述一组巨型滚筒状轴体（4）中设有1～20个巨型滚筒状轴体（4）。
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