CN108757322B - 一种高空风力发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空风力发电机，其特征在于：包括依次连接的菱形木板、气动缆绳、安置箱、位于安置箱底部的移动装置，以及与气动缆绳底部连接的气体鼓入装置、位于安置箱上且与气动缆绳内部输电导线电连接的电能显示装置。本发明通过在气动缆绳内置卷尺弹簧，使得高空风力发电机易于升降，本发明充分利用高空中的风能进行发电，升降方便，易于使用。

Description

一种高空风力发电机

技术领域

本发明涉及高空风力发电作业领域，具体涉及一种高空风力发电机。

背景技术

风力发电机的主要形式：风力发电机组主要由两大部分组成：风力机部分――它将风能转换为机械能；发电机部分――它将机械能转换为电能。根据风机这两大部分采用的不同结构类型和技术方案，以及他们的不同组合特征，风力发电机组可以有多种多样的分类，如依风机旋转主轴的方向(即主轴与地面相对位置)可分为：水平轴式风机，风机的转动轴与地面平行，叶轮需随风向变化而调整位置，如螺旋桨式风电机。垂直轴式风机：风机的转动轴与地面垂直，设计较简单，叶轮不必随风向改变而调整方向，如达里厄型风电机。两者都是利用距地面100米左右的风能发电，另外一种风力发电机是利用高空丰富的风力资源进行发电，如飞艇式风力发电机、风筝式风力发电机。

高空风力的特点：高空风能是人类迄今开发利用得很少的新能源，这是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。斯坦福大学环境和气候科学家的研究报告中指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。高空风常年不息，而且风力稳定，在近地面数公里以内，离地面越高风力越大越稳定。因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。由于地面塔架式风电近几年面临消纳困难、弃风率高的困境，使人们认识到高空风能的一个重大优点是可以在用电城市效区建造高空风力发电站，使输配电距离很近。高空风速度很快，可以在全球范围内迅速蔓延，同时比地面风更易于预测。高空风力发电不具有地域限制，而且最理想的高空风力资源刚好位于人口稠密地区。

据研究估计，在距地面大约500至12000米的高度，有足够能量可以满足全球百倍的电力需要。数据显示，最先进的地面风力发电站的风力密度低于每平方米1千瓦，而中国陆地上空万米高空处大部分地区的风力密度均值逾每平方米5千瓦。其中，江浙鲁地区上空的高空急流附近的风力密度甚至达到每平方米30千瓦，为世界之最。如果能够克服风力间歇性问题，高空的风力资源将是具有无限潜力的能源宝库。

高空风力发电机简介：高空风力发电机，是利用地球在距地面大约500至12000米高空风力来发电的装置。高空风力发电机利用风能进行发电，发电量随风速快慢而变化。目前使用较多的螺旋桨式风电机，理论上单机发电量可以与火电机组相媲美，而受制于风机叶片材料和塔架强度，塔架风电的单机最大容量从目前看基本不可能大于20MW。而高空风力发电是基于风筝发电机飞行和多风筝发电机串联，理论上可以像火车一样，挂载多达数百节车厢从而在单风筝发电机功率不大的情况下，获得非常大的轴功率，从而降低成本。

高空风力发电机有两个主要设计构架。第一个基本上是在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面。第二个更像是风筝，先将机械能输送到地面，再由发电机将其转换为电。这两种方法都能够实现，但是目前缺少对两项技术可行性的全面、严格的评估。

高空风力发电机现状：相较于传统高塔、风车式样的风力发电机，高空风力发电机能够到达风源持久且强劲的高空中，从高空获得稳定的风能。风力机所在的高度越高，所获得的平均风速就越大，发电的效率也就越高，占用的空间和面积也非常小。此外也不需要叶片、涡轮机或其他机械设备，无需大型起重机、塔吊或受限制的地面风电项目的基础设施，大幅度削减建设、安装和运输成本，且噪音污染小。有些高空风力发电机还能携带手机天线、无线互联网、视屏和红外摄像机、气象设备等额外系统。

在目前高空风力发电机的研制与运作中，存在难以升降，传输效率低下，雷雨天气无法做出降落调整等问题，就调查研究表明，国内尚未有针对高空风力发电机运作问题的调度及解决方案。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种高空风力发电机，解决了高空风力发电机易升难降、传输效率低下，雷雨天气无法做出降落调整的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种高空风力发电机，其特征在于：包括依次连接的菱形木板、气动缆绳、安置箱、位于安置箱底部的移动装置，以及与气动缆绳底部连接的气体鼓入装置、位于安置箱上且与气动缆绳内部输电导线电连接的电能显示装置。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述气体鼓入装置用于对气动缆绳充、放气，包括橡胶气筒、气动阀门、输气管，橡胶气筒经气动阀门与输气管连接，鼓动橡胶气筒，气体由外界经输气管灌入气动缆绳；气动阀门用于密封或排放气动缆绳内的气体。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述气动缆绳为中空橡胶，气动缆绳的顶部密封固定在菱形木板的尾部上，气动缆绳的底部固定在安置箱中；中空橡胶内置卷尺弹簧、振动发电机、与振动发电机相连的输电导线，振动发电机位于卷尺弹簧的顶部，输电导线另一端连接电能显示装置和地面负载。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述输电导线为0.1mm的铜质导线，输电导线的导线内阻为2237kΩ/km。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述安置箱为横向放置的圆柱形铁质箱体。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述菱形木板选用4m*4m的薄木材板。

前述的一种高空风力发电机，其特征是：所述卷尺弹簧为硅锰合金弹簧。

本发明所达到的有益效果：本发明通过在气动缆绳内置卷尺弹簧，使得高空风力发电机易于升降，解决了高空风力发电机在雷雨天气无法做出降落调整的问题，本发明充分利用高空中的风能进行发电，升降方便，易于使用。

附图说明

图1为本发明正常运作整体结构示意图；

图2为本发明气体鼓入装置示意图；

图3为本发明气动缆绳的局部剖面示意图；。

图4为本发明暂停运作整体结构及安置箱结构示意图；

图5为本发明菱形木板结构示意图；

图6为本发明电能显示装置结构示意图；

图7为本发明菱形木板受力分析图；

图8为本发明气动缆绳受力分析图；

图中标记的含义：1-菱形木板，2-气动缆绳，3-卷尺弹簧，4-输电导线，5-振动发电机，6-气体鼓入装置，7-橡胶气筒，8-气动阀门，9-输气管，10-安置箱，11-移动装置，12-电能显示装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种高空风力发电机，包括：依次连接的菱形木板1、气动缆绳2、安置箱10、位于安置箱底部的移动装置11，以及与气动缆绳2底部连接的气体鼓入装置6、位于安置箱10上且与气动缆绳2内部输电导线4电连接的电能显示装置12；

如图2所示，气体鼓入装置6用于对气动缆绳2充气，包括橡胶气筒7、气动阀门8、输气管9，橡胶气筒7经气动阀门8与输气管9连接，橡胶气筒7底部有一个只进气不出气的小孔，按动橡胶气筒，气体由外界经输气管9灌入气动缆绳2。气动阀门8用于密封或排放气动缆绳2内的气体；

正常作业时，关闭气动阀门8，按动橡胶气筒7向气动缆绳2内鼓入气体，使气动缆绳2内的螺旋弹簧3舒展，将菱形木板1送入高空。

暂停作业时，打开气动阀门8，气动缆绳2内的气体经过气动阀门8排出，使气动缆绳2内的螺旋弹簧3收缩，将菱形木板1收回安置箱10。

如图3所示，气动缆绳2为中空橡胶，具有良好的塑性和气密性，气动缆绳2的顶部密封固定在菱形木板1的尾部上，气动缆绳2的底部固定在安置箱10中；中空橡胶内置卷尺弹簧3、振动发电机5、与振动发电机5相连的输电导线4，振动发电机5位于卷尺弹簧3的顶部，即位于气动缆绳2的顶部；输电导线4另一端连接电能显示装置12和地面负载。

输电导线4为0.1mm的铜质导线，输电导线的导线内阻为2237kΩ/km。

振动发电机5固定在气动缆绳内部的螺旋弹簧3上，空间利用性能良好，且不影响气动缆绳的气密性，振动发电机选用额定电压为30V的普通规格振动发电机，风力振动幅频特性满足振动发电机的安全系数，振动发电机重量为1kg，体积为30*40*50cm³。

如图4所示，所述安置箱10为横向放置的圆柱形铁质箱体，体积为12m3，重量为138kg，底置移动装置11安放在地面，很好发挥该高空风力发电机轻便特点。

如图5所示，菱形木板1可以由常用的木板制造，带动气动缆绳2升入高空中，气动缆绳2内置的振动发电机5也一并升入高空中；菱形木板1承受风力为270N，在可承受高度风力范围内。菱形木板1经承受风力分析，选用4m*4m的薄木材板，具有优质的风力接收性质。

如图6所示，电能显示装置12与气动缆绳2内的输电导线4相连固定在安置箱上，通过电能显示装置12确定发电效率。

本发明使用方法：

高空风力发电机运作时，通过空气鼓入装置6向气动缆绳2注入气体，气动缆绳2内的卷尺弹簧3舒展，推动菱形木板1升入高空，通过风力使得气动缆绳2内的振动发电机5振动产生电能通过输电导线4传送置地面，可接负载或导入电网。

若高空风力发电机空置或天气原因无法运转，松动空气鼓入装置6的气动阀门8，气动缆绳2内的气体排出，其内的卷尺弹簧3失去支撑因弹力带动气动缆绳2收回至安置箱10，菱形木板1也随气动缆绳收回至安置箱10。

参照空气中的受力及力矩平衡，做如下分析：

如图7所示，菱形木板1与风向的反方向夹角为60°，如图8所示假设风筝式高空风力发电机气动缆绳与地面夹角等于60°，高空中空气阻力系数C为0.6，空气常密度ρ为1.293*10³kg/m³，菱形木板1迎风面积为S＝4*4sin60°＝13.86m²，本高空风力发电机为适用于600-800m高空作业，风速最高为V＝10m/s，木板所受风力F＝1/2CρSV²，最大承受风力F为537.6N≈540N。

假设该气动缆绳处于临界最大受力状态，夹角为θ＝60°，与气动缆绳垂直的力F2＝Fcosθ＝270N。

根据表1所示，选用卷尺弹簧为硅锰合金弹簧Ⅱ类，该卷尺弹簧为市面常用弹簧，造价低廉，卷尺弹簧厚度为h＝55mm，卷尺弹簧宽度为b＝500mm。经过计算卷尺弹簧的弯曲截面系数为W＝bh²/6，卷尺弹簧的弯曲截面系数为W＝0.00025，由卷尺弹簧承受应力为[σ]＝F2*l/W，卷尺弹簧许用弯曲应力为[σ]＝785MPa，卷尺弹簧最大许用长度最长为l＝726.8m，可见该卷尺弹簧与气动缆绳需求确定符合，本实施例所提到的高空风力发电机具有较高的工作安全性。

表1为弹簧具体参数说明表

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高空风力发电机，其特征在于：包括依次连接的菱形木板、气动缆绳、安置箱、位于安置箱底部的移动装置，以及与气动缆绳底部连接的气体鼓入装置、位于安置箱上且与气动缆绳内部输电导线电连接的电能显示装置；所述气动缆绳为中空橡胶，气动缆绳的顶部密封固定在菱形木板的尾部上，气动缆绳的底部固定在安置箱中；中空橡胶内置卷尺弹簧、振动发电机、与振动发电机相连的输电导线，振动发电机位于卷尺弹簧的顶部，输电导线另一端连接电能显示装置和地面负载。

2.根据权利要求1所述的一种高空风力发电机，其特征是：所述气体鼓入装置用于对气动缆绳充、放气，包括橡胶气筒、气动阀门、输气管，橡胶气筒经气动阀门与输气管连接，鼓动橡胶气筒，气体由外界经输气管灌入气动缆绳；气动阀门用于密封或排放气动缆绳内的气体。

3.根据权利要求1所述的一种高空风力发电机，其特征是：所述输电导线为0.1 mm的铜质导线，输电导线的导线内阻为2237 kΩ/ km。

4.根据权利要求1所述的一种高空风力发电机，其特征是：所述安置箱为横向放置的圆柱形铁质箱体。

5.根据权利要求1所述的一种高空风力发电机，其特征是：所述菱形木板选用4 m*4 m的薄木材板。

6.根据权利要求1所述的一种高空风力发电机，其特征是：所述卷尺弹簧为硅锰合金弹簧。

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