CN110107457B - 一种气球悬浮式空气压缩装置及风力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种气球悬浮式空气压缩装置及风力发电系统，空气压缩装置包括悬浮气球10、主空气压缩装置20、转向装置30、主叶片40、辅助叶片50和两个辅助空气压缩装置60、两个侧翼61。主叶片通过连接绳与悬浮气球10固定连接，其叶片设有空气通道41。悬浮气球设有包含进风口和出风口在内供气流通过的导流通道11，该通道内设有主空气压缩装置，通过气流产生的动力压缩空气并由输气管线14输送至地面驱动发电机组发电。设在悬浮气球底部的转向装置驱动其转动，以使更多的气流进入导流通道。因只有空气压缩装置悬浮空中，通过轻量化制造可减小悬浮气球体积，减少低比重气体使用量，降低使用成本；导流通道的导向和汇集作用使更多气流作用于风扇，提高工作效率。

Description

一种气球悬浮式空气压缩装置及风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电设备领域，具体涉及一种气球悬浮式空气压缩装置及风力发电系统。

背景技术

风力发电系统是指，利用各种形状的风车，将风能转换为机械能，并利用机械能从发电机获得电力的系统。通常的风力发电机是选择风多的地区，在地上设置建筑物，并在该建筑物的上端部设置与螺旋桨连接的发电机后，通过刮风产生的风力发电。

为了更加充分地运用风力，人们正在尝试着利用内部填充低比重气体的装置，将带有螺旋桨的发电机悬浮于高空中，利用空中的风力带动发电机发电。虽然这种风力发电系统相较于现有的风力发电系统风力的利用效率有所提高，然而，随着发电量的增加，风动发电机的重量也随之增加，将重量较大的桨叶和重量较大的增速器及重量较大的发电机悬浮于空中，势必增加悬浮装置的体积和低比重气体的使用量，进而增加使用成本。此外，现有的悬浮装置因悬浮力等因素限制，使螺旋桨的大小受到限制，进而导致工作效率受到限制。

发明内容

本发明提供一种气球悬浮式空气压缩装置及风力发电系统，以解决现有的悬浮式风力发电系统存在使用成本高和工作效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供一种新型气球悬浮式空气压缩装置，该装置包括：悬浮气球、垂直尾翼、主空气压缩装置、转向装置、主叶片，还包括辅助叶片、辅助空气压缩装置、侧翼。

悬浮气球上设有包含进风口和出风口在内，可供气流通过的导流通道，该导流通道进风口的尺寸大于所述出风口的尺寸，垂直尾翼设置在悬浮气球的上部。至少一个主空气压缩装置，设置于所述导流通道内，主空气压缩装置的输出口连接通往地面的输气管线。该装置通过气流产生的动力对空气进行压缩，并通过输气管线将压缩空气输送至地面。转向装置设置于所述悬浮气球的底部，该装置的驱动输出端连接悬浮气球的驱动输入端，用于驱动所述悬浮气球转动，以使更多的气流进入所述导流通道。主叶片通过连接绳与所述悬浮气球固定连接，当有风力作用于主叶片时，主叶片漂浮于悬浮气球的上方，为悬浮气球提供部分浮力；主叶片上还设有空气通道。

而辅助叶片漂浮设置在主叶片的上方，通过多根连接绳分别与悬浮气球两侧的绞线设备动态铰接。当风力较小时，所述绞线设备通过连接绳向下拉动所述辅助叶片，使其覆盖于所述主叶片的上表面，并将设置于主叶片上的空气通道封堵；当风力较大时，所述绞线设备松开连接绳，使所述辅助叶片漂浮于所述主叶片的上方。两个侧翼的近端分别设置于悬浮气球的两侧，两个转动装置分别设置于两个侧翼的两个远端，并与所对应的两个辅助空气压缩装置相连接。

所述主空气压缩装置包括固定架体、风扇、变速箱和至少一个第一空气压缩机。固定架体安装于所述导流通道内，变速箱和第一空气压缩机设置于固定架体的上部，风扇与变速箱的动力输入轴连接，变速箱的动力输出轴与第一空气压缩机的转轴连接。风扇的扇叶上设置有与扇叶连接的叶片连接环，该连接环包括扇叶内连接环和扇叶外连接环。

所述主空气压缩装置还包括至少一个第二空气压缩机，第二空气压缩机设置于所述固定架体的下部，其转轴上设有与所述叶片连接环接触的从动轮。

所述转向装置包括转盘、带有减速机的电机和底壳，转盘与悬浮气球的底部连接，带有减速机的电机设置在底壳内，带有减速机的电机的转轴与转盘连接，底壳通过输气管线与地面连接。

此外，本发明还提供一种新型风力发电系统，该系统包括储气罐组和压缩空气发电机组，还包括如上所述的气球悬浮式空气压缩装置。该装置的输出端连接储气罐的输入端，储气罐组的输出端连接压缩空气发电机组的输入端。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过悬浮气球将空气压缩装置悬浮于空中，利用空气压缩装置将空气压缩后通过输气管线输送至地面供压缩空气发电机组进行发电，由于只有空气压缩装置悬浮于空中，并通过轻量化制造，因此可使用体积较小的悬浮气球，减少低比重气体的使用量，进而降低使用成本。

2、本发明通过在悬浮气球设置导流通道，导流通道可对气流起导向和汇集作用，使更多的气流作用于风扇，从而提高工作效率。

3、本发明通过设置主叶片和辅助叶片，在有风条件下，利用主叶片和辅助叶片产生浮力，进一步减小悬浮气球的体积和低比重气体的使用量，进一步降低使用成本。

4、本发明通过设置辅助空气压缩装置，既能利用辅助空气压缩装置产生浮力，又能利用辅助空气压缩装置改变悬浮气球的方向，还能利用辅助空气压缩装置对空气进行压缩，从而进一步提高工作效率。

5、本发明通过在悬浮气球的底部设置转向装置，使得悬浮气球可根据气流的流向进行调节，从而更充分的利用风力，进一步提高工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式和技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的气球悬浮式空气压缩装置的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气球悬浮式空气压缩装置的侧视结构示意图；

图3为图1中A处的局部放大结构示意图；

图4为本发明实施例提供的辅助空气压缩装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的辅助空气压缩装置发生转向时的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的转向装置的结构示意图。

附图标记说明：

10、悬浮气球；20、主空气压缩装置；30、转向装置；40、主叶片；

50、辅助叶片；60、辅助空气压缩装置；11、导流通道；12、垂直尾翼；

13、绞线设备；14、输气管线；21、固定架体；22、风扇；

23、第一空气压缩机；24、叶片连接环；25、第二空气压缩机；

26、从动轮；31、转盘；33、底壳；41、空气通道；61、侧翼；

62、辅助空气压缩机；63、辅助风扇；64、辅助叶片框架；

65、扇叶内连接环；66、扇叶外连接环。

具体实施方式

以下根据附图，由具体的实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2、图6所示，本发明实施例的气球悬浮式空气压缩装置包括悬浮气球10、垂直尾翼12、主空气压缩装置20、转向装置30、主叶片40，还包括辅助叶片50和两个辅助空气压缩装置60、两个侧翼61。主叶片40通过连接绳与所述悬浮气球10固定连接，其叶片上还设有空气通道41。

悬浮气球10呈流线型(如图2所示)，其球体内部充有低比重气体，以使悬浮气球10带动主空气压缩装置20、转向装置30以及辅助空气压缩装置60悬浮于空中。本实施例中的低比重气体为氦气，当然低比重气体的种类并不限定于此。

悬浮气球10设置有可供气流通过的导流通道11(如图1、图2所示)，导流通道11包括进风口和与进风口连通的出风口，进风口的尺寸大于出风口的尺寸，这种设计既对气流起导向作用，又对气流起到汇聚作用，使更多的气流作用于风扇22，从而提高风扇22的工作效率。导流通道11内设有一个主空气压缩装置20，其输出口连接通往地面的输气管线14；转向装置30设置于所述悬浮气球10的底部，转向装置30的驱动输出端连接悬浮气球10的驱动输入端。两个侧翼61的近端分别设置于悬浮气球10的两侧，进一步的，为了降低生产成本，可在生产制造时将侧翼61与悬浮气球10一体成型。悬浮气球10的两侧还分别设置有一个绞线设备13，当然绞线设备13的数量并不限定于此，还可根据需要设置更多，绞线设备13用于控制辅助叶片50的位置，绞线设备13包括电机、减速机和绕线轮，电机固定安装于悬浮气球10的两侧，电机通过导线与地面供电设备连接，电机通过减速机与绕线轮连接，当电机驱动绕线轮转动时，可实现绕线和放线过程。悬浮气球10的上部设置有竖直向上延伸的垂直尾翼12，当风向改变时，气流作用于垂直尾翼12，悬浮气球10发生转向，使悬浮气球10朝向迎风的方向；当风向稳定时，垂直尾翼12可对悬浮气球10起到稳定作用，阻碍悬浮气球10发生转动。

如图1、图3所示，主空气压缩装置20设置于导流通道11内，主空气压缩装置20通过气流产生的动力对空气进行压缩，并通过输气管线14将压缩空气输送至地面。主空气压缩装置20包括固定架体21、风扇22、变速箱和第一空气压缩机23，固定架体21竖直设置于导流通道11内，为了方便对固定架体21进行固定，可在导流通道11的底部设置基板，通过螺栓将固定架体21的下端与基板连接。

风扇22由多个扇叶构成，为了提高风扇22的工作效率，本实施例中对扇叶进行加宽和加长，但是随着扇叶加长，扇叶被风损坏的概率也随之增加，因此风扇22的扇叶上设置有与每个扇叶连接的叶片连接环24，叶片连接环24呈环形结构，通过叶片连接环24将每个扇叶连接在一起，可有效提高扇叶的结构强度，当然，风扇22的类型并不限定于此，也可使用垂直型风扇。变速箱用于提高转速，变速箱和第一空气压缩机23设置于固定架体21的上部，为了安装方便，可将变速箱在制造过程集成于第一空气压缩机23的壳体内，风扇22与变速箱的动力输入轴连接，变速箱的动力输出轴与第一空气压缩机23的转轴连接，第一空气压缩机23的出气口通过输气管线14与地面的储气罐连接，输气管线14的数量并不限定于一根，第一空气压缩机23由轻质铝材、塑料或其它轻质材料制成，以实现轻量化，降低主空气压缩装置20的重量，当然，第一空气压缩机23的数量也并不限定于一个。

为了进一步提高主空气压缩装置20的工作效率，本发明实施例中的主空气压缩装置20还包括第二空气压缩机25，当然，第二空气压缩机25的数量并不限定于一个，还可以根据需要设置更多。第二空气压缩机25设置于固定架体21的下部，第二空气压缩机25的转轴上套设有与叶片连接环24接触的从动轮26，第二空气压缩机25的出气口通过输气管线14与地面的储气罐连接。当风力推动风扇22转动时，叶片连接环24可跟随风扇22一同转动，并通过摩擦力带动从动轮26转动，进而带动第二空气压缩机25转动，由于叶片连接环24的外径远远大于从动轮26的外径，叶片连接环24转动一圈，从动轮26会高速转动很多圈，因此第二空气压缩机25并不需要变速箱进行提速，就能达到很高的转速，因此可进一步减小主空气压缩装置20的重量。

如图6所示，转向装置30用于驱动悬浮气球10转动，以使更多的气流进入导流通道11，转向装置30设置于悬浮气球10的底部。转向装置30包括转盘31、带有减速机的电机和底壳33，转盘31与悬浮气球10的底部连接，带有减速机的电机设置于底壳33内，带有减速机的电机的转轴与转盘31连接，底壳33通过输气管线14与地面连接。带有减速机的电机通过导线与地面的供电设备电连接，当带有减速机的电机转动时，由于底壳33通过输气管线14与地面连接，因此底壳33不会发生转动，带有减速机的电机通过转盘31带动悬浮气球10转动，当悬浮气球10转动至合适的位置时(悬浮气球10朝向迎风方向)，关闭带有减速机的电机。通过在悬浮气球10的底部设置转向装置30，使得悬浮气球10可根据气流的流向进行调节，从而更充分的利用风力，进一步提高工作效率。

如图1、图2所示，主叶片40和辅助叶片50用于在有风条件下给悬浮气球10提供部分浮力(主叶片40和辅助叶片50类似于风筝，在有风时可漂浮于空中并产生浮力)，主叶片40和辅助叶片50均呈带有一定弧度的片状结构，主叶片40通过连接绳与悬浮气球10连接；当有风力作用于主叶片40时，主叶片40产生升力漂浮于悬浮气球10的上方，并为悬浮气球10提供部分浮力。主叶片40上设置有空气通道41，辅助叶片50通过多根连接绳分别与悬浮气球10两侧的绞线设备13的绕线轮连接，辅助叶片50的尺寸大于空气通道41的尺寸。当风力较大时，电机正向转动，松开连接绳，使辅助叶片50漂浮于主叶片40的上方，此时主叶片40和辅助叶片50共同产生的浮力减小，避免风力过大对悬浮气球10的稳定性造成影响；当风力较小时，电机反向转动，连接绳缠绕于绕线轮上，从而向下拉动辅助叶片50，使其覆盖于主叶片40的上表面，并将空气通道41封堵，此时风力作用于主叶片40的面积变大，主叶片40产生的浮力变大(根据公知常识可知，在风力相等情况下，主叶片40与辅助叶片50重叠时产生的浮力大于主叶片40与辅助叶片50分离式产生的浮力)，从而为悬浮气球10提供更大的浮力，使其继续悬浮于空中；当风力减小至不足以支持主叶片40和辅助叶片50漂浮时，主叶片40、辅助叶片50以及悬浮气球10向下落至地面，待风力变大时进行再次释放。通过设置主叶片40和辅助叶片50，在有风条件下，利用主叶片40和辅助叶片50产生浮力，进一步减小悬浮气球10的体积和低比重气体的使用量，进一步降低使用成本。

如图1、图4所示，辅助空气压缩装置60包括辅助空气压缩机62、辅助风扇63和转动装置。两个转动装置设置于侧翼61远离悬浮气球10的一端，也可设置于悬浮气球10内部，转动装置在本实施例中为舵机，当然也可是其它装置，舵机的转轴与辅助空气压缩机62连接，舵机通过导线与地面控制设备电连接，通过控制舵机工作可改变辅助空气压缩机62的方向。辅助空气压缩机62的转轴通过变速箱与辅助风扇63连接(辅助空气压缩机62的壳体内部设置有变速箱，辅助空气压缩机62的转轴与变速箱的动力输出轴连接，变速箱的动力输入轴与辅助风扇63连接)，辅助风扇63的外周设置有与辅助空气压缩机62连接的辅助叶片框架64，辅助叶片框架64呈环形结构，辅助叶片框架64可对辅助风扇63起到一定的保护作用。进一步的，当辅助风扇63的扇叶长度较长时，可在扇叶的中部设置与每个扇叶连接的扇叶内连接环65，还可在扇叶的远离辅助空气压缩机62的一端设置与每个扇叶连接的扇叶外连接环66，扇叶内连接环65与扇叶外连接环66均呈环形结构，用于加强辅助风扇63的结构强度。

如图5所示，辅助空气压缩机62的出气口通过输气管线14与地面的储气罐连接，辅助空气压缩装置60既能控制悬浮气球10上升或下降，还能改变悬浮气球10的方向。当风力较大且辅助空气压缩机62的转轴处于水平状态时，气流通过辅助风扇63驱动辅助空气压缩机62转动，辅助空气压缩机62将空气压缩并通过输气管线14输送至地面的储气罐；当风力较小且辅助空气压缩机62的转轴处于竖直状态时，可由地面的储气罐通过输气管线14给辅助空气压缩机62提供压缩气体，辅助空气压缩机62驱动辅助风扇63转动从而产生向上或向下的推力，从而实现控制悬浮气球10上升或下降；此外，当悬浮气球10需要转向时，可由地面的储气罐通过输气管线14给辅助空气压缩机62供气，辅助空气压缩机62驱动辅助风扇63转动，进而带动悬浮气球10转动。通过设置辅助空气压缩装置60，既能利用辅助空气压缩装置60产生浮力，又能利用辅助空气压缩装置60改变悬浮气球10的方向，还能利用辅助空气压缩装置60对空气进行压缩，从而进一步提高工作效率。当然，本发明气球悬浮式空气压缩装置并不仅仅用于发电领域，通过在悬浮气球10上安装摄像头还可进行高空摄像或其它用途。

本发明实施例还提供一种风力发电系统，该系统包括储气罐组、压缩空气发电机组和如上所述的气球悬浮式空气压缩装置。其中储气罐组和压缩空气发电机组设置于地面，气球悬浮式空气压缩装置悬浮于空中，该装置的压缩空气输出端连接储气罐组，储气罐组的输出端通过输气管线14与压缩空气发电机组的输入端连接。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种气球悬浮式空气压缩装置，其特征在于，所述气球悬浮式空气压缩装置包括：

悬浮气球，所述悬浮气球设置有可供气流通过的导流通道，所述导流通道包括进风口和与所述进风口连通的出风口，所述进风口的尺寸大于所述出风口的尺寸；

至少一个主空气压缩装置，所述主空气压缩装置设置于所述导流通道内，所述主空气压缩装置通过气流产生的动力对空气进行压缩，并通过输气管线将压缩空气输送至地面，所述主空气压缩装置包括固定架体、风扇、变速箱和至少一个第一空气压缩机，所述固定架体安装于所述导流通道内，所述变速箱和所述第一空气压缩机设置于所述固定架体的上部，所述风扇与所述变速箱的动力输入轴连接，所述变速箱的动力输出轴与所述第一空气压缩机的转轴连接；所述风扇的扇叶上设置有与扇叶连接的叶片连接环；所述主空气压缩装置还包括至少一个第二空气压缩机，所述第二空气压缩机设置于所述固定架体的下部，所述第二空气压缩机的转轴上套设有与所述叶片连接环接触的从动轮；

转向装置，所述转向装置设置于所述悬浮气球的底部，所述转向装置用于驱动所述悬浮气球转动，以使更多的气流进入所述导流通道；

所述转向装置包括转盘、带有减速机的电机和底壳，所述转盘与所述悬浮气球的底部连接，所述带有减速机的电机设置于所述底壳内，所述带有减速机的电机的转轴与所述转盘连接，所述底壳通过输气管线与地面连接；

所述气球悬浮式空气压缩装置还包括主叶片，所述主叶片通过连接绳与所述悬浮气球连接；当有风力作用于所述主叶片时，所述主叶片漂浮于所述悬浮气球的上方，并为所述悬浮气球提供部分浮力；

所述气球悬浮式空气压缩装置还包括辅助叶片，所述辅助叶片通过多根连接绳分别与设置于所述悬浮气球两侧的绞线设备连接；当风力较小时，所述绞线设备通过连接绳向下拉动所述辅助叶片，使其覆盖于所述主叶片的上表面，并将设置于所述主叶片上的空气通道封堵；当风力较大时，所述绞线设备松开连接绳，使所述辅助叶片漂浮于所述主叶片的上方。

2.根据权利要求1所述的气球悬浮式空气压缩装置，其特征在于，所述悬浮气球的上部设置有竖直向上延伸的垂直尾翼。

3.根据权利要求2所述的气球悬浮式空气压缩装置，其特征在于，所述气球悬浮式空气压缩装置还包括至少两个辅助空气压缩装置，所述辅助空气压缩装置包括侧翼、辅助空气压缩机和转动装置，两个所述侧翼分别设置于所述悬浮气球的两侧，所述转动装置设置于所述侧翼远离所述悬浮气球的一端，所述转动装置与所述辅助空气压缩机连接。

4.一种风力发电系统，所述风力发电系统包括储气罐组和压缩空气发电机组，其特征在于，所述风力发电系统还包括气球悬浮式空气压缩装置，所述气球悬浮式空气压缩装置为权利要求1至3中任一项权利要求所述的气球悬浮式空气压缩装置。

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