CN109505730A - 一种飞艇型风力发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞艇型风力发电装置，包括内装氦气的圆柱状硬壳型飞艇，飞艇的圆柱四周均布有多个升力型叶片，多个升力型叶片的两端通过多个连接杆与飞艇的圆柱两端固定连接；飞艇的圆柱两端沿着圆柱轴心线分别固定连接有传动轴，传动轴的端部与增速器的动力输入端连接，增速器的动力输出端与发电机的转轴连接，增速器设有增速器壳体，两端的增速器壳体下端与U型牵引杆固定连接，U型牵引杆上连接有延伸到地面的缆绳。本发明能够在微风、轻风时可顺利升空且可发电；劲风时刻可保持滞空状态并发电；强风时转速不至于过高，避免发电机被烧毁；而且可利用风能本身完成滞空作业，不消耗另外能源，可长时间用于高空捕获风能。
Description
技术领域
本发明涉及风能利用技术领域，特别设计风力发电技术领域，具体是一种飞艇型风力发电装置。
背景技术
高空蕴藏着丰富的风能，据相关资料显示，高空的风能密度是低空风能的十倍至百倍。高空风电克服了传统风电风量的随意性、波动性及地理位置偏僻等缺点，很有可能是改变未来的能源技术。
近年来，全球50多家公司投入巨资研发高空风电，但各公司研发的技术路线各不相同。在我国，国家发展改革委下发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》，国家能源局下发《能源技术革命重点创新行动路线图》等文件，也将高空风电相关技术的研发提上日程，并且明确其发展线路。上述文件提出，到2020年我国要形成200-300米高空风力发电成套技术，并在2030年获得实际应用。
2016年，全球风电累计装机容量达486.7GW，其中我国风电装机占比为34.7％，排名世界第一，成为世界风电发展的引擎。但目前我国陆地优质风资源已被“跑马圈地”殆尽，优质风力资源日渐稀少，人们将风电开发的目光投向天空也势在必然。
国内很多人也意识到高空风力发电这一行业前景光明,但对于高空风力发电技术的研究国内基本处于空白状态,究其原因，高空风能开发存在诸多技术难题，很难实现。因此，我国许多风电公司虽然对高空风电也保持了浓厚的兴趣，但真正涉足这一领域的企业却很少。
进入2017年以来，风电行业持续低迷，从2016年开始，我国风电新增并网容量连续两年下滑。截至2017年10月底，全国并网风电1.6亿千瓦，占总发电设备容量的比例为9.3％，在这种国内形势下，开发高空风能势在必行。而开展高空风能采集的前期理论准备工作，也迫在眉睫。
目前，现有的风电技术基本处于技术摸索阶段，形成大规模产业化的产品很少。比较有名的高空风电采集方式例如：
1、风筝式：依靠降落伞形的巨型风筝拉动地面的牵引发电设备发电。是一种风电开发思路。
但是存在以下缺点：采集风能的高度有限，一般低于300m。
2、涡轮式：利用氦气将涡轮形的氦气球，连带风电设备升空，利用涡轮形飞艇中间部位的水平轴叶片的旋转带动发电机发电，电力通过电缆穿至地面。
但是存在以下缺点：
1)起升高度较低，约300m；
2)相对于飞艇的体积，扇叶迎风面积较小，发电功率较低；
3)叶片具有水平轴风机叶片的特点，即启动风速高，风速过高又需限速。
3、无人机带动风电设备升空，依靠无人机的翼型在风中保持滞空状态。
但是存在以下缺点：
1)风电设备升空需要依靠额外动力；
2)风力过小则无人机无法保持滞空状态，落回地面。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的高空风力发电系统的升空问题、高空风力发电系统在一定风力下的滞空问题、一定效率下的高空风能采集并生成电力的问题、高空中生成的电力至地面的传输问题，提供一种飞艇型风力发电装置。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种飞艇型风力发电装置，包括内装氦气的圆柱状硬壳型飞艇，所述飞艇的圆柱四周均布有多个升力型叶片，每一个升力型叶片与飞艇的外壁的垂直距离相同，多个升力型叶片的两端通过多个连接杆与飞艇的圆柱两端固定连接；飞艇的圆柱两端沿着圆柱轴心线分别固定连接有传动轴，传动轴的端部与增速器的动力输入端连接，所述增速器的动力输出端与发电机的转轴连接，所述发电机通过导线传输至地面用电设备，增速器设有增速器壳体和增速器壳体盖，两端的增速器壳体下端与U型牵引杆固定连接，U型牵引杆上连接有延伸到地面的缆绳。
进一步，所述增速器还包括设置于增速器壳体内的主动大齿轮和与主动大齿轮相啮合的从动小齿轮，主动大齿轮的轴孔中轴向固定有第一空心轴，第一空心轴的两端固定在设置于增速器壳体中分布于主动大齿轮两侧的轴承的内圈中，所述传动轴的端部轴向固定在第一空心轴内，从动小齿轮的轴孔中轴向固定有第二空心轴，第二空心轴的一端固定在设置于增速器壳体中分布于从动小齿轮两侧的轴承的内圈中，发电机的转轴端部轴向固定在第二空心轴内。
优选地，升力型叶片的型号为NACA0012，安装角度为0～8度。
优选地，所述飞艇的直径为3m，升力型叶片的旋转直径为4m。
优选地，所述升力型叶片设置为四个。
与现有技术相比，本发明通过将圆柱形硬壳型飞艇与升力型叶片组合成风力机，再设定升力型叶片的安装角度，升力型叶片的翼型，然后通过升力型叶片在风力的作用下可转动并提供转矩带动飞艇旋转，旋转的飞艇在风力的作用下升到更高的空中，飞艇旋转又带动传动轴转动，传动轴带动主动大齿轮转动，主动大齿轮由于齿数多于从动小齿轮，会带动从动小齿轮加速转动，从而带动发电机的转轴快速转动以发电，基于上述结构的设计，本发明能够在微风、轻风时可顺利升空且可发电；劲风时刻可保持滞空状态并发电；强风时转速不至于过高，避免发电机被烧毁；而且可利用风能本身完成滞空作业，不消耗另外能源，可长时间用于高空捕获风能。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的横截面图。
图3为图2的A处放大图。
图4为气艇作为质点受力分析图。
图5为飞艇与升力型叶片构成的风力机计算模型。
图6为风速6m/s不同转速下的飞艇参数。
图7为升力型叶片的尖速比为2.33左右不同风速时的飞艇参数。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
如图1-图3所示，本实施例提供的一种飞艇型风力发电装置，包括内装氦气的圆柱状硬壳型飞艇8，氦气负责飞艇在无风时可以顺利升空；所述飞艇8的圆柱四周均布有四个升力型叶片1，四个升力型叶片1与飞艇8的外壁的垂直距离相同，四个升力型叶片1的两端通过四个连接杆2与飞艇8的圆柱两端固定连接，升力型叶片1在风力的作用下可转动并提供转矩带动飞艇8旋转，而旋转的飞艇8在风力的作用下升到更高的空中；飞艇8的圆柱两端沿着圆柱轴心线分别固定连接有传动轴3，传动轴3的端部与增速器的动力输入端连接，所述增速器的动力输出端与发电机7的转轴连接，发电机7通过导线传输至地面用电设备，增速器设有增速器壳体4和增速器壳体盖10，增速器还包括设置于增速器壳体4内的主动大齿轮5和与主动大齿轮5相啮合的从动小齿轮6，主动大齿轮5的轴孔中轴向固定有第一空心轴12，第一空心轴12的两端固定在设置于增速器壳体4中分布于主动大齿轮5两侧的轴承11的内圈中，所述传动轴3的端部轴向固定在第一空心轴12内，从动小齿轮6的轴孔中轴向固定有第二空心轴13，第二空心轴13的一端固定在设置于增速器壳体4中分布于从动小齿轮6两侧的轴承的内圈中，发电机7的转轴端部轴向固定在第二空心轴13内；两端的增速器壳体4下端与U型牵引杆9固定连接，升力型叶片1在风力的作用下可转动并提供转矩带动飞艇8旋转，飞艇8旋转又带动传动轴3转动，传动轴3带动主动大齿轮5转动，主动大齿轮5由于齿数多于从动小齿轮6，会带动从动小齿轮6加速转动，从而带动发电机7的转轴快速转动以发电；U型牵引杆9上连接有延伸到地面的缆绳(图中未画出)，缆绳拴系在U型牵引杆9上主要是为了限制飞艇8的上升高度。
对于本实施例中的飞艇型风力发电装置，主要解决以下几个问题：
1.如何升空，由公式(1)
气艇8排开的空气体积的重量要大于发电机7、增速器、导线、U型牵引杆9、缆绳和气艇8自身重量的总和，即可顺利升空。
2.在风力下如何滞空
飞艇受力分析：飞艇8受到风水平推力F，气艇升力R，绳子拉力T，属于三力汇交，受力分析和力的矢量三角形如图4所示。如飞艇升力R不足则不能升空；如升力R偏小，而受到的水平推力过大，则飞艇与地面夹角α偏小，飞艇实际升空高度很小。
飞艇本身迎风面积较大，便于做功，但水平推力F也大，大大制约了飞艇的升空高度，这是缆绳牵引气艇的固定方法造成的。在本实施例中，圆柱形的飞艇8自身旋转，能产生类似Magnus效应的升力(叶轮线速度方向与风向相反时，即可产生升力)，提高升空高度。升阻比较大时，飞艇与地面夹角α可保持较大值，飞艇可起升至较大高度。
3.如何做功
风力机叶片有升力型和阻力型叶片之分，又有水平轴和垂直轴叶片之分，风力机可采集风能的计算公式为
由公式(2)知风能采集的多少决定因素是风速V，其次是叶片扫风面积A和功率系数Cp，高空风电的优势是高空的风速V大而持久稳定，在扫风面积A一定的的条件下，功率系数Cp低些是允许的。因此在本实施例中，采用升力型叶片NACA0012，结构类似垂直轴风机，安装角度为0～8度范围，功率系数Cp可达15％左右。
本实施例中，飞艇8的直径为3m，升力型叶片1的旋转直径为4m，飞艇8与升力型叶片1构成风力机，对应的风力机的2D计算模型如图5所示，飞艇直径为3m，升力型叶片1旋转直径为4m，采用商用软件Fluent的滑移网格法进行计算，Interface滑移面直径为5m，流场计算区域长45m，宽30m，升力型叶片转动中心为原点，升力型叶片距进风口15m。以下对本实施例的飞艇型风力发电装置的性能进行测试：
边界条件设置入口边界为速度入口(velocity inlet)，出口为自由流(outflow)，上下壁面为对称边界(symmetrywall)，升力型叶片及飞艇边界设置为壁面(wall)。滑移区包含升力型叶片与飞艇一起绕飞艇中心旋转，其相对速度为0。滑动区与静止区的交界面为界面边界(Interface)。
取风速为6m/s，观察飞艇在不同转速下的参数，如图6所示，转矩输出如图6(a)所示，由图知当飞艇转速较低时转矩值波动较大。由图6(b)知，随着飞艇转速的升高，飞艇所受水平推力也逐渐增大。由图6(c)知，由于mugnus效应产生的原因是两股方向相反的气流撞击，产生了与气流方向相垂直的升力，由图6(d)知，飞艇在转速为7、8rad/s时功率系数达到了最大值，数值为13.2％。由图6(e)知，由于空气具有粘度，巨大的飞艇在旋转时虽然产生了不小的升力，但也消耗了一定的能量。由图6(f)知，随着飞艇转速的上升，飞艇旋转占功比急速上升。
进一步，设定升力型叶片1的尖速比为2.33左右，观察飞艇在不同来流风速时的参数变化，如图7所示，由图7(a)也能看出随着风力的增大，转矩系数值也波动得更大。由图7(b)知在风速由3～10m/s变化时，功率系数由10％至15％呈逐步上升的趋势。在此之后10～30m/s的风速范围内，功率系数值在15％上下变化。图7(c)、7(d)分别为飞艇旋转时所受到的推力和升力值，由图知两者随着风力的增加均呈快速增加的趋势，但显然升力值上升的速度更快，数值也更大，而且数值波动相对更小。更平稳。7(e)为飞艇所受竖直升力与水平推力的比值，由图知飞艇即使在风速为3m/s的微风情况下也能保持7.5的升阻比，为飞艇在地面上顺利的升空创造了良好的条件。随着风速的增加，升阻比总体呈下降的趋势，但在狂风级别的风速中依然能保持5左右的升阻比。这意味着该飞艇可上升至很高的空中，组成竖直排列的网状风电场，大面积捕捉风能。
综述，本发明通过将圆柱形硬壳型飞艇与升力型叶片组合成风力机，再设定升力型叶片的安装角度，升力型叶片的翼型，然后通过升力型叶片在风力的作用下可转动并提供转矩带动飞艇旋转，旋转的飞艇在风力的作用下升到更高的空中，飞艇旋转又带动传动轴转动，传动轴带动主动大齿轮转动，主动大齿轮由于齿数多于从动小齿轮，会带动从动小齿轮加速转动，从而带动发电机的转轴快速转动以发电，基于上述结构的设计，本发明能够在微风、轻风时可顺利升空且可发电；劲风时刻可保持滞空状态并发电；强风时转速不至于过高，避免发电机被烧毁；而且可利用风能本身完成滞空作业，不消耗另外能源，可长时间用于高空捕获风能。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种飞艇型风力发电装置，包括内装氦气的圆柱状硬壳型飞艇，其特征在于：所述飞艇的圆柱四周均布有多个升力型叶片，每一个升力型叶片与飞艇的外壁的垂直距离相同，多个升力型叶片的两端通过多个连接杆与飞艇的圆柱两端固定连接；飞艇的圆柱两端沿着圆柱轴心线分别固定连接有传动轴，传动轴的端部与增速器的动力输入端连接，所述增速器的动力输出端与发电机的转轴连接，所述发电机通过导线传输至地面用电设备，增速器设有增速器壳体和增速器壳体盖，两端的增速器壳体下端与U型牵引杆固定连接，U型牵引杆上连接有延伸到地面的缆绳。
2.根据权利要求1所述的飞艇型风力发电装置，其特征在于：所述增速器还包括设置于增速器壳体内的主动大齿轮和与主动大齿轮相啮合的从动小齿轮，主动大齿轮的轴孔中轴向固定有第一空心轴，第一空心轴的两端固定在设置于增速器壳体中分布于主动大齿轮两侧的轴承的内圈中，所述传动轴的端部轴向固定在第一空心轴内，从动小齿轮的轴孔中轴向固定有第二空心轴，第二空心轴的一端固定在设置于增速器壳体中分布于从动小齿轮两侧的轴承的内圈中，发电机的转轴端部轴向固定在第二空心轴内。
3.根据权利要求1所述的飞艇型风力发电装置，其特征在于：所述升力型叶片的型号为NACA0012，叶片弦线与叶片气动中心旋转运动轨迹切线的安装夹角为0～8度。
4.根据权利要求3所述的飞艇型风力发电装置，其特征在于：所述飞艇的直径为3m，升力型叶片的旋转直径为4m。
5.根据权利要求1-4任一所述的飞艇型风力发电装置，其特征在于：所述升力型叶片设置为四个。
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