CN108061004A - 一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法，具体方法如下：（1）设置至少两台动力卷扬机并联并与发电机连接，且所述动力卷扬机之间能够相互传动；（2）设定至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置下行时，至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行，且上行的动力卷扬机带动需要下行收回中高空风能发电装置的动力卷扬机反转将中高空风能发电装置的缆绳收回。与现有技术相比，本发明通过对系统构架进行优化，利用结构特点，无需下行电机即可实现将中高空风能发电装置的自动收回，不仅精简了结构，同时大大降低了发电过程中的电量效果，降低了发电成本。

Description

一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法
技术领域
本发明涉及高空风能发电领域，具体涉及一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法。
背景技术
风能是一种清洁的可再生能源，而高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。高空风及高空风能的特点是：风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断。如何将高空风充分能利用起来为人类所用是科学研究工作者一直关注的热点话题，高空风能的诸多优势也使其越来越受到世界各国的重视。
高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。现有利用高空风能进行发电的方式主要有两种：一种是将发电机悬置于高空中；另一种是将发电机设置在地面。发电机悬置于高空的发电系统，由于受制于空中系统的重量和体积不能过大等问题导致空中部分不能实现很好的控制和实现大的发电量；而将发电机设置于地面则能地解决上述问题。
目前，将发电机设置于地面的发电系统多采用的是中高空风能发电装置。现有的中高空风能发电装置包括高空风筝型发电装置和伞型风力装置。高空风筝型发电装置和伞型风力装置通过缆绳与地面发电机组中的动力卷扬机连接，由高空风筝型发电装置和伞型风力装置上行时通过缆绳带动动力卷扬机转动，将风能转化为电能。
在实际发电过程中，地面发电机组中动力卷扬机在伞形风力装置或高空风筝装置上行至最高点后需要外力将其下拉下行至最低点后，再上行做功。现有技术中多采用另外设置下行电机的方式，下行电机与动力卷扬机通过第一离合器连接，动力卷扬机与发电机之间通过第二离合器连接。当中高空风能发电装置上行时，该齿轮箱通过第二离合器与发电机连接，由中高空风能发电装置上行带动动力卷扬机转动，动力卷扬机再把扭矩传动至发电机做功发电；当中高空风能发电装置下行时，该齿轮箱通过第一离合器与下行电机连接，由下行电机主动带动动力卷扬机反转，从而下拉缆绳带动中高空风能发电装置下行。上述方案中必须为每一个动力卷扬机上外加下行电机，从而导致整个发电机组结构更加复杂，同时由于发电过程中中高空风能发电装置需要不断的上行下行的，整个过程不断循环往复，因此，依靠外加电机下拉缆绳会大大增加发电机组在发电过程中的电量消耗，增大发电成本。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种无需下行电机即能实现中高空风能发电装置自动收回的方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法，中高空风能发电装置通过缆绳带动动力卷扬机转动将风能转换为机械能，再将机械能传递给发电机转换为电能；
具体方法如下：
（1）设置至少两台动力卷扬机并联并与发电机连接，且所述动力卷扬机之间能够相互传动；
（2）设定至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置下行时，至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行，且上行的动力卷扬机带动需要下行收回中高空风能发电装置的动力卷扬机反转将中高空风能发电装置的缆绳收回。
本发明通过设置多台并联且能相互传动的动力卷扬机，只需要有至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行，即可带动其他动力卷扬机反转收卷缆绳，从而使得这些动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置下行，实现不采用下行电机、通过利用自身的结构即能将中高空风能发电装置收回的效果，大大精简了地面发电系统的结构，大大降低了发电过程的电量消耗，从而降低了发电成本。
进一步地，作为实现步骤（1）的一种方案，所述动力卷扬机通过分动传动箱并联；所述分动传动箱包括与发电机输入轴相连的主轴以及与动力卷扬机输出轴连接的分动轴，所述主轴上套接有第一传动齿轮，所述分动轴套接有第二传动齿轮，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮相互啮合。
由于本发明设置有多台动力卷扬机，那么，分动传动箱包括多个套接与分动轴上的第二传动齿轮，且各个第二传动齿轮分别与第一传动齿轮啮合传动。只要其中一个第二传动齿轮转动，就能通过第一传动齿轮带动其他的第二传动齿轮转动，也就能实现本发明的效果。
优选地，所述分动传动箱包括2~4条分动轴。也就是说系统包括2~4台动力卷扬机，且各动力卷扬机通过分动轴上的第二传动齿轮与第一传动齿轮啮合。
步骤（2）中动力卷扬机通过换向装置与所述分动传动箱连接；所述换向装置包括上行档位和下行档位；当中高空风能发电装置上行时，换向装置采用上行档位；当中高空风能发电装置下行时，换向装置采用下行档位。
本发明通过在动力卷扬机和分动传动箱之间设置换向装置，设置不同档位应用于不同情况。
具体的，当中高空风能发电装置上行时，控制换向装置的档位为上行档位，中高空风能发电装置带动动力卷扬机转动，与动力卷扬机连接的第二传动齿轮带动第一传动齿轮转动，将转动机械能传动至发电机的输入轴；当中高空风能发电装置下行时，控制换向装置的档位为下行档位，分动传动箱的第一传动齿轮带动第二转动齿轮转动，从而带动动力卷扬机反转，使得中高空风能发电装置下行。
进一步地，所述换向装置设有与动力卷扬机连接的输入轴以及与分动轴连接的输出轴，还设有正传轴和反转轴，正传轴和反转轴通过齿轮啮合分别与输入轴传动连接，且正传轴通过正转离合器控制是否与输出轴传动，反转轴通过反转离合器控制是否与输出轴传动；正转离合器闭合为上行档位；反转离合器闭合为下行档位。
进一步地，动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行和下行皆为匀速速度，上行速度为v 上，下行速度为v 下，且上行速度和下行速度之比（v 上∶v 下）由换向装置中的齿轮传动比决定。
作为本发明的一种优选方案，步骤（2）中，以单个分动传动箱为一个单元，设定N台动力卷扬机并联后与发电机连接，其中n台动力卷扬机下行，N≥2，0＜n＜N；设定动力卷扬机的上行速度为v 上，下行速度为v 下；，k为系数。
进一步地，初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间t上=H/v 上；
具体为：自第一个高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔t 上/（N-n）的时间间隔，下一个高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
本发明不仅能实现中高空风能发电装置的自动收回，同时还可根据发电需求非常灵活地调节系统的发电量，灵活度和可控性高。
作为本发明的另一种优选方案，步骤（2）中，以单个分动传动箱为一个单元，将每个单元的动力卷扬机分为M组，其中m台动力卷扬机下行，M≥2，0＜m＜M；设定动力卷扬机的上行速度为V 上，下行速度为V 下；，K为系数。
初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间T 上=H/V 上；
具体为：自第一组高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔T 上/（M-m）的时间间隔，下一组高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
与现有技术比较，本发明通过对系统构架进行优化，利用结构特点，无需下行电机即可实现将中高空风能发电装置的自动收回，不仅精简了结构，同时大大降低了发电过程中的电量效果，降低了发电成本。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
本实施例所涉及的高空风能发电的系统包括地面发电系统和中高空风能发电装置，地面发电系统包括发电机、动力卷扬机和容绳卷扬机，动力卷扬机的输出轴与发电机的输入轴连接，且中高空风能发电装置的缆绳缠绕于动力卷扬机的卷绕筒上，并最终收卷于容绳卷扬机上。中高空风能发电装置在风力作用下上行，其缆绳带动动力卷扬机的卷绕筒转动，将风能转化为转动机械能，再经由动力卷扬机将转动机械能传动至发电机，通过发电机将机械能转换为电能，从而实现风能向电能的转换，实现了高空风能发电。
在实际应用中，由于缆绳长度有限，中高空风能发电装置上行至一定高度后必须拉回至最低处之后再上行做功发电，因此中高空风能发电装置的发电形式为中发电。现有技术中，为将中高空风能发电装置拉回往往采用另外设置下行电机的方式，该方法增加的地面发电系统结构的复杂程度，同时下行过程需要消耗一定的电量，增加了发电成本。
本实施例所提供的是一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法，具体方法为：
（1）设置至少两台动力卷扬机并联并与发电机连接，且所述动力卷扬机之间能够相互传动；
（2）设定至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置下行时，至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行，且上行的动力卷扬机带动需要下行收回中高空风能发电装置的动力卷扬机反转将中高空风能发电装置的缆绳收回。
对于步骤（1），动力卷扬机通过分动传动箱并联，分动传动箱包括与发电机输入轴相连的主轴以及与动力卷扬机输出轴连接的分动轴，所述主轴上套接有第一传动齿轮，所述分动轴套接有第二传动齿轮，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮相互啮合。
作为其中一种优选方案，可设置多台分动传动箱，每台分动传动箱连接2~4台动力卷扬机，各动力卷扬机之间可通过分动传动箱相互传动。
对于步骤（2），动力卷扬机通过换向装置与所述分动传动箱连接；换向装置设有与动力卷扬机连接的输入轴以及与分动轴连接的输出轴，还设有正传轴和反转轴，正传轴和反转轴通过齿轮啮合分别与输入轴传动连接，且正传轴通过正转离合器控制是否与输出轴传动，反转轴通过反转离合器控制是否与输出轴传动；正转离合器闭合为上行档位；反转离合器闭合为下行档位。
具体的，当中高空风能发电装置上行时，控制换向装置的档位为上行档位，中高空风能发电装置带动动力卷扬机转动，与动力卷扬机连接的第二传动齿轮带动第一传动齿轮转动，将转动机械能传动至发电机的输入轴；当中高空风能发电装置下行时，控制换向装置的档位为下行档位，分动传动箱的第一传动齿轮带动第二转动齿轮转动，从而带动动力卷扬机反转，使得中高空风能发电装置下行。
为了便于控制，设定动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行和下行皆为匀速速度，其中上行速度为v 上，下行速度为v 下，且上行速度和下行速度之比（v 上∶v 下）可通过换向装置中的齿轮传动比来决定。
作为本实施例的一种实施方案，设定某分动传动箱连接有N台动力卷扬机，其中n台动力卷扬机下行，N≥2，0＜n＜N；设定动力卷扬机的上行速度为v 上，下行速度为v 下；，k为系数。
初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间t上=H/v 上；
具体为：自第一个高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔t 上/（N-n）的时间间隔，下一个高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
作为本实施例的另一种实施方案，以分动传动箱为一个单元，将每个单元的动力卷扬机分为M组，其中m台动力卷扬机下行，M≥2，0＜m＜M；设定动力卷扬机的上行速度为V 上，下行速度为V 下；，K为系数。
初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间T 上=H/V 上；
具体为：自第一组高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔T 上/（M-m）的时间间隔，下一组高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
优选地，设定每个单元的台动力卷扬机分为两组，一组上行，另一组下行，上行的速度等于下行速度，当其中一组动力卷扬机开始上行时，另一组动力卷扬机开始下行，两组刚好相反。如此可保证整个发电过程中，动力卷扬机都无需外力（无需外加下行电机），通过上行的动力卷扬机带动下行的动力卷扬机反转，就能将中高空风能发电装置拉回。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，中高空风能发电装置通过缆绳带动动力卷扬机转动将风能转换为机械能，再将机械能传递给发电机转换为电能；
具体方法如下：
设置至少两台动力卷扬机并联并与发电机连接，且所述动力卷扬机之间能够相互传动；
设定至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置下行时，至少一台动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行，且上行的动力卷扬机带动需要下行收回中高空风能发电装置的动力卷扬机反转将中高空风能发电装置的缆绳收回。
2.根据权利要求1所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述动力卷扬机通过分动传动箱并联；所述分动传动箱包括与发电机输入轴相连的主轴以及与动力卷扬机输出轴连接的分动轴，所述主轴上套接有第一传动齿轮，所述分动轴套接有第二传动齿轮，所述第一传动齿轮和第二传动齿轮相互啮合。
3.根据权利要求2所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，步骤（2）中动力卷扬机通过换向装置与所述分动传动箱连接；所述换向装置包括上行档位和下行档位；当中高空风能发电装置上行时，换向装置采用上行档位；当中高空风能发电装置下行时，换向装置采用下行档位。
4.根据权利要求3所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，当中高空风能发电装置上行时，控制换向装置的档位为上行档位，中高空风能发电装置带动动力卷扬机转动，与动力卷扬机连接的第二传动齿轮带动第一传动齿轮转动，将转动机械能传动至发电机的输入轴；当中高空风能发电装置下行时，控制换向装置的档位为下行档位，分动传动箱的第一传动齿轮带动第二转动齿轮转动，从而带动动力卷扬机反转，使得中高空风能发电装置下行。
5.根据权利要求3或4所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，所述换向装置设有与动力卷扬机连接的输入轴以及与分动轴连接的输出轴，还设有正传轴和反转轴，正传轴和反转轴通过齿轮啮合分别与输入轴传动连接，且正传轴通过正转离合器控制是否与输出轴传动，反转轴通过反转离合器控制是否与输出轴传动；
正转离合器闭合为上行档位；反转离合器闭合为下行档位。
6.根据权利要求5所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，动力卷扬机所连接的中高空风能发电装置上行和下行皆为匀速速度，上行速度为v 上，下行速度为v 下，且上行速度和下行速度之比由换向装置中的齿轮传动比决定。
7.根据权利要求1~4或6任一项所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，步骤（2）中，以单个分动传动箱为一个单元，设定N台动力卷扬机并联后与发电机连接，其中n台动力卷扬机下行，N≥2，0＜n＜N；
设定动力卷扬机的上行速度为v 上，下行速度为v 下；，k为系数。
8.根据权利要求7所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间t上=H/v 上；
具体为：自第一个高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔t 上/（N-n）的时间间隔，下一个高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
9.根据权利要求1~4或6任一项所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，步骤（2）中，以单个分动传动箱为一个单元，将每个单元的动力卷扬机分为M组，其中m台动力卷扬机下行，M≥2，0＜m＜M；设定动力卷扬机的上行速度为V 上，下行速度为V 下；，K为系数。
10.根据权利要求9所述的实现中高空风能发电装置自动收回的方法，其特征在于，初始状态：所有中高空风能发电装置都处于收回状态；所述中高空风能发电装置的总行程为H，所述中高空风能发电装置从最低位置上行至最高位置所需的时间T 上=H/V 上；
具体为：自第一组高空风能发电装置开始上行开始计时，每隔T 上/（M-m）的时间间隔，下一组高空风能发电装置开始上行；当所述高空风能发电装置达到上行至最高位置后开始下行。
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