CN108599675A - 高空风光互补发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为高空风光互补发电装置，该装置包括飞翼状的飞艇、并排设置的两个垂直轴风机和电力处理模块，在飞艇的上表面布置有柔性太阳能板，两个垂直轴风机并排地安装在飞艇的下方，两个垂直轴风机通过风机缆绳与飞艇连接固定；所述电力处理模块安装在并排的垂直轴风机的上方；两个垂直轴风机左右对称设置，两个垂直轴风机除风轮旋转方向不同之外，其余均相同，两个垂直轴风机对称固定在底座和风机上支架上，每个垂直轴风机均包括导流板、风轮、风机下支架、发电机、主轴；所述风轮包括横杆、阻力型叶片、升力型叶片。该装置实现了风能和太阳能的风光互补供电，提供强大的电力供应，能够昼夜不间断输送电能，解决了风能和太阳能的间歇性问题。
Description
技术领域
本发明涉及风能发电技术领域以及光伏发电领域，具体涉及一种高空风光互补发电装置。
背景技术
随着环境污染情况日趋严重，发展可再生能源已成为必然趋势。其中风电产业发展迅速，已成为当下可再生能源发展中的中流砥柱，但是风力发电机组的安装已呈饱和之势。风力资源优越的地域大多已被占用，而且征用土地的资金成本较高。高空风力资源丰富，随着海拔升高，在百米范围内风能密度可达2000瓦/平方米，而且年可利用小时较高(约为常规发电的2-3倍)。因此，研发高空风力发电技术具有经济效益和广泛的实用价值。
目前，大多数高空风力发电系统采用的是单水平轴风机，需要变桨、对风等复杂的控制，例如申请号“201610544634.2”公开了一种高空风力发电系统，包括悬浮气球系统、风轮系统和地面发电系统，所述的悬浮气球系统通过连接索与风轮系统连接，将风轮系统悬挂在空中，风轮系统通过动力绳与地面发电系统的发电机转轴连接；所述的风轮系统包括有充气圆环、风叶和主轴构成的风轮，风轮上连接有同轴的绳盘；所述主轴的一端上设置有连接件，通过连接索与悬浮气球系统固定；所述主轴上固定有若干滑轮和副绳盘，动力绳绕行连接绳盘、副绳盘、滑轮和地面发电机转轴，使风轮系统和发电机转轴形成联动机构，用于动力传送驱动发电机发电。系统可在地面安装连接，避免塔式结构高空作业的危险性。风轮可根据需要，升起或降落，方便维护和维修。但是上述发明存在以下不足。第一，为了实现风能的最佳利用，该系统需要调整风轮的倾角，在高空上进行对风控制比较困难；第二，单水平轴风力发电机运作时会产生反作用力，造成整体装置不稳定，从而导致其不具有广泛的应用价值。
授权公告号为CN 201714574 U的专利公开了一种高效率高空风筝发电机，由一对高空风筝、发电机组成，高空风筝由线缆拖曳，工作时处于对流层中上层(距地面6000m-15000m)，高空风筝上安装有飞行姿态调节装置，飞行姿态调节装置可接收地面的控制信号调节高空风筝的迎风角；两个高空风筝的线缆联动，当一个高空风筝上升时另一个风筝下降；线缆与发电机转子联动，高空风筝上下移动时，线缆带动发电机转子转动。该装置只能吸收特定方向的风，当风向发生改变时，风筝将无法带动发电机进行发电，不仅存在极大的安全隐患，而且大大降低发电效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种高空风光互补发电装置。该装置采用柔性太阳能电池板和两个并排的垂直轴风机，实现了风能和太阳能的风光互补供电，提供强大的电力供应，能够昼夜不间断输送电能，双垂直轴风机并排结构大大提高风力发电效率，增加了其发电量和输电量，发电效率高且能源安全系数高。在一定程度上解决了风能和太阳能的间歇性问题。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，提供一种高空风光互补发电装置，其特征在于该装置包括飞翼状的飞艇、并排设置的两个垂直轴风机和电力处理模块，在飞艇的上表面布置有柔性太阳能板，两个垂直轴风机并排地安装在飞艇的下方，两个垂直轴风机通过风机缆绳与飞艇连接固定；所述电力处理模块安装在并排的垂直轴风机的上方；
两个垂直轴风机左右对称设置，两个垂直轴风机除风轮旋转方向不同之外，其余均相同，两个垂直轴风机对称固定在底座和风机上支架上，每个垂直轴风机均包括导流板、风轮、风机下支架、发电机、主轴；发电机穿过底座，并与底座固定，发电机的输出轴连接主轴，主轴的上端穿过风轮的下表面中心连接风机上支架，风轮的下表面固定支撑在风机下支架上；在底座上以每个发电机为中心按照正六边形方式在正六边形的六个顶点处均设置定位孔，在风机上支架和风机下支架的相应位置上也开有定位孔，底座、风机上支架和风机下支架三者之间通过定位轴穿过相应的定位孔连接在一起，在位于风机上支架和风机下支架之间的定位轴上均固定安装导流板，所述导流板的宽度方向均朝向主轴；
所述风轮包括横杆、阻力型叶片、升力型叶片，风轮的中心穿过主轴，风轮中心连接多组横杆，多组横杆之间分层布置，每层的横杆呈放射状沿周向布置，多组横杆的外侧均连接升力型叶片，横杆中部均连接阻力型叶片，阻力型叶片和升力型叶片高度不大于风机上支架和风机下支架之间的距离；阻力型叶片和升力型叶片的数量与每层中横杆的数量相同；
所述发电机通过电缆与电力处理模块相连，柔性太阳能板通过电缆与电力处理模块连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用翼状的氦气飞艇，在飞艇上方铺设柔性太阳能光伏板，飞艇内部氦气的浮力和在风吹拂时飞艇气动外形下产生的升力将两个并列放置的垂直轴风机带上高空，利用高空的优质的风力资源进行发电。该装置采用柔性太阳能板和两个并排的垂直轴风机，实现了风能和太阳能的风光互补发电，和单纯的风力发电和太阳能发电相比提高了发电能力，太阳能和风能互补发电一定程度上解决了风能和太阳能的间歇性问题。
2、本发明装置在高空进行发电，利用高空优质的风能和太阳能，解决了太阳能发电站和风电场在地面发电占地面积大的问题。
3、利用电力处理模块，将柔性太阳能板发出的直流电和并排的垂直轴风机发出的交流电转化为直流电，从需要三根电缆输送的三相交流电转换为两根电缆输送的直流电减少了输电电缆，减轻了装置质量，降低成本。
4、本发明的飞艇使用了超轻材料--聚氟乙烯，将发电机升入空中进行发电，而且飞艇上方铺设的光伏板进一步提高了发电效率。
5、两个垂直轴风机并排的结构和内部导流板的安装以及风轮内部升力型和阻力型叶片的设计将风能利用率提高15％，据估算风电等清洁能源每提供1GW·h电量，能减少二氧化碳排放750-1000t，二氧化硫排放7.5-10t，氮氧化物排放3-5t，这将在很大程度上有助于改善环境质量。本发明采用的垂直轴风机无需对风，两垂直轴风机之间的距离固定，实现对旋控制，可将发电效率提升10％。
6、本发明一体化程度高，具备完善功能，实用性强，有很大的社会价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明高空风光互补发电装置的一种实施例的主视结构示意图；
图2为本发明高空风光互补发电装置的一种实施例的左视结构示意图；
图3为本发明高空风光互补发电装置的一种实施例的俯视结构示意图；
图4为本发明两个垂直轴风机的连接示意图；
图5为本发明两个垂直轴风机的立体结构示意图；
图6为本发明的风轮1的主视结构示意图；
图7为本发明的风轮1的俯视结构示意图；
图中，1、飞艇；2、锁扣；3、风机缆绳；4、地面缆绳；5、电力处理模块；6、垂直轴风机；7、风机上支架；8、导流板；9、风轮；10、风机下支架；11、发电机；12、主轴； 13、横杆；14、阻力型叶片；15、底座；16、升力型叶片。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明高空风光互补发电装置(简称装置，参见图1-7)包括飞翼状的飞艇1、并排设置的两个垂直轴风机6和电力处理模块5，在飞艇1的上表面布置有柔性太阳能板，两个垂直轴风机并排地安装在飞艇的下方，两个垂直轴风机通过风机缆绳3与飞艇1连接固定；所述电力处理模块5安装在并排的垂直轴风机的上方，电力处理模块将风机和太阳能光伏板发出的电能转化为直流电传输回地面，电力处理模块不是一个具体的芯片而是整流电路升压电路等各种电力处理电路的综合，可采用现有技术实现；
两个垂直轴风机6左右对称设置，两个垂直轴风机6除风轮9旋转方向不同之外，其余均相同，两个垂直轴风机对称固定在底座15和风机上支架7上，每个垂直轴风机6均包括导流板 8、风轮9、风机下支架10、发电机11、主轴12；发电机11穿过底座，并与底座固定，发电机的输出轴连接主轴12，主轴的上端穿过风轮9的下表面中心连接风机上支架7，风轮9的下表面固定支撑在风机下支架10上；在底座15上以每个发电机为中心按照正六边形方式在正六边形的六个顶点处均设置定位孔，在风机上支架7和风机下支架10的相应位置上也开有定位孔，底座15、风机上支架7和风机下支架10三者之间通过定位轴穿过相应的定位孔连接在一起，在位于风机上支架和风机下支架之间的定位轴上均固定安装导流板8，所述导流板8的宽度方向均朝向主轴12；一个垂直轴风机上导流板的数量为六个；
所述风轮包括横杆13、阻力型叶片14、升力型叶片16，风轮的中心穿过主轴12，风轮中心连接多组横杆，多组横杆之间分层等间距布置，每层的横杆呈放射状沿周向布置，多组横杆的外侧均连接升力型叶片16，横杆中部均连接阻力型叶片14，阻力型叶片14和升力型叶片 16高度不大于风机上支架7和风机下支架10之间的距离；阻力型叶片和升力型叶片的数量与每层中横杆的数量相同；
所述发电机11通过电缆与电力处理模块5相连，进行电能传输；柔性太阳能板通过电缆与电力处理模块连接；
所述飞艇1(参见图3)外形呈三角翼状，飞艇的底部是平的，底部装有可挂风机缆绳3 和地面缆绳4的多个锁扣2，四个可挂风机缆绳3的锁扣2呈正方形布置在飞艇底部，用于挂载垂直轴风机6，垂直轴风机正对正方形的中心，四个可挂风机缆绳3的锁扣分别放置在飞艇1 底部的前端、后端和两翼下，在飞艇底部的中央安装电力处理模块5；三个可挂地面缆绳4的锁扣布置在四个可挂风机缆绳3的锁扣2的外围，三个可挂地面缆绳4的锁扣呈圆周均匀布置；飞艇1的上部为流线型，类似于飞机机翼，前部隆起，用于将气流分散到两边，另一方面增加上部表面积；飞艇内部填充氦气。
本发明中一个风轮上有三组横杆，三组横杆之间的竖直高度相等。
本发明中导流板8的高度为风机上支架和风机下支架之间的定位轴长度的3/5～4/5，最大的增加风能利用率。
本发明的工作原理及过程是：升力型叶片16通过横杆13与主轴12连接，位于横杆13前端，通过风的吹动产生升力，推动主轴12旋转；阻力型叶片14位于横杆13后端，通过横杆13与主轴12连接，通过风的吹动产生阻力，推动主轴12旋转，主轴12用于将风机产生的机械能传递给发电机11。
飞艇1外形呈三角翼状，飞艇1的底部是平的，四个可挂风机缆绳3的锁扣2呈正方形布置在飞艇底部，用于挂载垂直轴风机6，垂直轴风机正对正方形的中心，四个可挂风机缆绳3的锁扣分别放置在飞艇1底部的前端、后端和两翼下，飞艇底部中央有电力处理模块5。飞艇1的上部为流线型，飞艇1内部填充氦气。飞艇1上部表面全部铺有柔性太阳能板，用于利用高空良好的太阳能。太阳能板所发的直流电通过铺设在飞艇上表面的电缆输送到飞艇 1底部的电力处理模块5；通过电力处理模块5内的变压、逆变电路将太阳能所发的直流电转化为交流电，与垂直轴风机6所发的电一起通过地面缆绳4传送到地面。三个可挂地面缆绳4的锁扣布置在四个可挂风机缆绳3的锁扣2的外围，三个可挂地面缆绳4的锁扣呈圆周均匀布置，电力处理模块5(电力处理模块通过逆变电路将太阳能板所发的直流电和风力发电机所发的直流电转化为交流电，在通过交流变频电路转化为相同频率相同电压的交流电) 输出的交流电通过地面缆绳4将电输向地面。
风力发电机的风能利用效率为55％，太阳能板发电效率19％。
本发明尤其适用于安放在空旷的郊外、海岛等人类活动稀少有缺乏电力的地方。本发明克服了电力输送困难的地区用电难的问题，相比现有的风力发电机组减少了用地的成本，缓解了土地矛盾。本发明应用双风机对旋设计使单发电机设计存在的相互作用力相互抵消，使飞艇空中运行更加稳定。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种高空风光互补发电装置，其特征在于该装置包括飞翼状的飞艇、并排设置的两个垂直轴风机和电力处理模块，在飞艇的上表面布置有柔性太阳能板，两个垂直轴风机并排地安装在飞艇的下方，两个垂直轴风机通过风机缆绳与飞艇连接固定；所述电力处理模块安装在并排的垂直轴风机的上方；
两个垂直轴风机左右对称设置，两个垂直轴风机除风轮旋转方向不同之外，其余均相同，两个垂直轴风机对称固定在底座和风机上支架上，每个垂直轴风机均包括导流板、风轮、风机下支架、发电机、主轴；发电机穿过底座，并与底座固定，发电机的输出轴连接主轴，主轴的上端穿过风轮的下表面中心连接风机上支架，风轮的下表面固定支撑在风机下支架上；在底座上以每个发电机为中心按照正六边形方式在正六边形的六个顶点处均设置定位孔，在风机上支架和风机下支架的相应位置上也开有定位孔，底座、风机上支架和风机下支架三者之间通过定位轴穿过相应的定位孔连接在一起，在位于风机上支架和风机下支架之间的定位轴上均固定安装导流板，所述导流板的宽度方向均朝向主轴；
所述风轮包括横杆、阻力型叶片、升力型叶片，风轮的中心穿过主轴，风轮中心连接多组横杆，多组横杆之间分层布置，每层的横杆呈放射状沿周向布置，多组横杆的外侧均连接升力型叶片，横杆中部均连接阻力型叶片，阻力型叶片和升力型叶片高度不大于风机上支架和风机下支架之间的距离；阻力型叶片和升力型叶片的数量与每层中横杆的数量相同；
所述发电机通过电缆与电力处理模块相连，柔性太阳能板通过电缆与电力处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的高空风光互补发电装置，其特征在于所述飞艇外形呈三角翼状，飞艇的底部是平的，底部装有可挂风机缆绳和地面缆绳的多个锁扣，四个可挂风机缆绳的锁扣呈正方形布置在飞艇底部，垂直轴风机正对正方形的中心，四个可挂风机缆绳的锁扣分别放置在飞艇底部的前端、后端和两翼下，在飞艇底部的中央安装电力处理模块；三个可挂地面缆绳的锁扣布置在四个可挂风机缆绳的锁扣的外围，三个可挂地面缆绳的锁扣呈圆周均匀布置；飞艇的上部为流线型，前部隆起。
3.根据权利要求1所述的高空风光互补发电装置，其特征在于所述飞艇内部填充氦气。
4.根据权利要求1所述的高空风光互补发电装置，其特征在于多组横杆之间距离相等。
5.根据权利要求1所述的高空风光互补发电装置，其特征在于导流板的高度为风机上支架和风机下支架之间的定位轴长度的3/5～4/5。
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