CN110285016A - 一种浮筒式空中风力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浮筒式空中风力发电系统，包括地面工作站和浮筒式空中风力发电单元组合体，地面工作站用于牵引和控制浮筒式空中风力发电单元组合体，浮筒式空中风力发电单元组合体包括风帆和多个浮筒式空中风力发电单元，浮筒式空中风力发电单元包括风力发电系统和浮力系统，浮力系统用于使浮筒式空中风力发电单元在空气中上浮，风力发电系统用于利用风力发电，并将电力输送到地面工作站，风帆设置在浮筒式空中风力发电单元组合体上且用于调整浮筒式空中风力发电系统的方向。本发明具有发电输出稳定，发电时间长，风能利用效率高，发电成本低，噪音和占地面积小，维护维修便捷等优点。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种浮筒式空中风力发电系统。
背景技术
近年来，全球风电行业发展迅速，风能已经发展成一种主要可再生清洁能源。传统陆地塔基风力发电，由于受到地表和环境等因素的影响，发电功率和年发电时间都受到很大制约。风力发电机需要高塔支撑才能进入距地面百米左右的高度。这一高度的风力较小，且不稳定，仅靠风力发电机的叶片自然迎风运动产生机械能，实际转化力较低，且常规风力变电机的超长叶片和超高塔基使得制造成本和建设成市都非高，而维护维修也十分困难。
海上风电虽然风能资源较陆地更丰富，海上风速较陆上风速高，海上风的湍流强度小，但海上风电的建造成本更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种浮筒式空中风力发电系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种浮筒式空中风力发电系统，包括地面工作站和浮筒式空中风力发电单元组合体，所述地面工作站用于牵引和控制浮筒式空中风力发电单元组合体，所述浮筒式空中风力发电单元组合体包括多个浮筒式空中风力发电单元，所述浮筒式空中风力发电单元包括风力发电系统和浮力系统，所述浮力系统用于使浮筒式空中风力发电单元在空气中上浮，所述风力发电系统用于利用风力发电，并将电力输送到地面工作站，所述浮筒式空中风力发电单元组合体上设置有风帆，所述风帆用于调整浮筒式空中风力发电系统的方向。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元包括外筒、集风聚力射流管，螺旋喷头、涡轮发电机、释压风道、浮力气囊和支撑骨架，所述外筒为圆筒状空心结构，所述集风聚力射流管，螺旋喷头、涡轮发电机、释压风道和浮力气囊均通过支撑骨架固定在外筒中，所述集风聚力射流管入口连通外筒外部，出口通过螺旋喷头连通涡轮发电机入口，所述涡轮发电机出口连接释压风道入口端，所述涡轮发电机用于利用风力进行发电并将电力输送到地面工作站，所述释压风道出口端连通外筒外部，所述集风聚力射流管为圆锥形且入口端的截面积大于出口端的截面积，所述释压风道为圆锥形且入口端的截面积小于出口端的截面积，所述浮力气囊用于提供持久浮力，所述由软质材料制成，中空且外部密封，所述浮力气囊内部充有氢气和/或氦气,所述浮力气囊的数量为多个且均布在外筒和集风聚力射流管的间隙之间以及外筒和释压风道的间隙之间。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元组合体包括中心浮筒式空中风力发电单元、第二层浮筒式空中风力发电单元和第三层浮筒式空中风力发电单元，所述中心浮筒式空中风力发电单元、第二层浮筒式空中风力发电单元和第三层浮筒式空中风力发电单元的中心轴均相互平行，且集风聚力射流管入口朝向同一方向，所述第二层浮筒式空中风力发电单元包围在中心浮筒式空中风力发电单元外侧，所述第二层浮筒式空中风力发电单元的数量为六个，所述第三层浮筒式空中风力发电单元包围在第二层浮筒式空中风力发电单元外侧，所述第三层浮筒式空中风力发电单元的数量为十二个。
进一步的，所述地面工作站包括线缆、定位井、绞盘机、输变电及控制系统，所述线缆两端连接定位井和浮筒式空中风力发电单元组合体，所述定位井采用双层交叉导棍，安装在绞盘机上部，负责定位牵引绳和电缆，并减少牵引绳和电缆的摩擦力，所述输变电及控制系统用于通过控制绞盘机转动调节线缆的长度，以及接收和存储所述浮筒式空中风力发电单元组合体发送的电力。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元组合体上还设置有避雷系统。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元组合体上还设置有电子驱鸟器。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元组合体的外周上还设置有多个轮廓LED灯。
进一步的，所述浮筒式空中风力发电单元组合体中的多个浮筒式空中风力发电单元排列形成空心圆锥形，多个浮筒式空中风力发电单元之间采用支撑骨架固定，且浮筒式空中风力发电单元组合体的外表面包覆有柔性外层。
本发明的有益效果是：
1、风能利用效率更高：与陆地塔基风力发电相比，本发明不需要依靠风力发电机的超长叶片低效地自然迎风旋转，从而使机械能转化电能，采用易于稳定停留在高空中的空中风力发电浮筒单元组合体,以多管变径收缩流道构建集风聚力射流管，形戏集风射流，提高风速和风压，并以螺旋喷头低管阻改变集风射流方向，将集风射流沿涡轮发电机四周切向喷射在类水轮机的涡轮发电机叶片上，实现多股集风射流形成龙卷风强力推动涡轮发电机利用丰富的高空风能长时间高效发电。
2、发电成本更低：与陆地塔基风力发电相比，既无需风力发电机的超长叶片，又不需要建设高大基塔，建造现本大幅降低，且可以利用高空更强劲的风力,使发电成本进一步降低。
3、噪音和占地面积更小：采用类水轮机结构的短叶片涡轮发电机，安展在空中风力发电浮筒单元内，悬浮在距地面300～600米的高空，嗓音小。空中风力发电浮筒单元可以自由组合,使得发电功率大，占地面积小。
4、维护维修更便捷。
空中风力发电浮筒单元组合体结构简单，且可启动绞盘机任意收放，维护维修可以随时在地面进行。
附图说明
图1为本发明系统总体结构示意图；
图2为浮筒式空中风力发电单元剖视结构示意图；
图3为浮筒式空中风力发电单元组合体侧视结构示意图；
图4为涡轮发电机剖视结构示意图；
图5为涡轮发电机进出风结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、浮筒式空中风力发电单元组合体；2、浮筒式空中风力发电单元；3、风帆；21、外筒；22、集风聚力射流管；23、螺旋喷头；24、涡轮发电机；241、进风口；25、释压风道；26、浮力气囊；27、支撑骨架；4、中心浮筒式空中风力发电单元；5、第二层浮筒式空中风力发电单元；6、第三层浮筒式空中风力发电单元；7、线缆；8、定位井；9、绞盘机；10、避雷系统；11、电子驱鸟器；12、轮廓LED灯
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1-图5所示，一种浮筒式空中风力发电系统，包括地面工作站和浮筒式空中风力发电单元组合体1，所述地面工作站用于牵引和控制浮筒式空中风力发电单元组合体1，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1包括多个浮筒式空中风力发电单元2，所述浮筒式空中风力发电单元2包括风力发电系统和浮力系统，所述浮力系统用于使浮筒式空中风力发电单元2在空气中上浮，所述风力发电系统用于利用风力发电，并将电力输送到地面工作站，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1上设置有风帆3，所述风帆3用于调整浮筒式空中风力发电系统的方向。
作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元2包括外筒21、集风聚力射流管22，螺旋喷头23、涡轮发电机24、释压风道25、浮力气囊26和支撑骨架27，所述外筒21为圆筒状空心结构，所述集风聚力射流管22，螺旋喷头23、涡轮发电机24、释压风道25和浮力气囊26均通过支撑骨架27固定在外筒21中，所述集风聚力射流管22入口连通外筒21外部，出口通过螺旋喷头23连通涡轮发电机24入口。
其中:集风聚力射流管，作为本发明的采风面积和风力聚集的核心部件，负责提高风速、风压，并保证风量，采用轻质纤维纺织品喷涂树酯胶(或浸渍树酯胶)或塑料,或玻璃钢构成变径收缩流道。根据涡轮发电机功率要求，选择集风聚力射流管集风口面积和集风聚力射流管个数；根据风电场采风地常年风速风压，以及承载涡轮发电机系统重量的浮力气囊所需要占用的体积空间，选择集风聚力射流管的长度。
螺旋喷头，作为本发明的形成涡流，增大扭力的核心部件，采用轻质合金或玻璃钢，或塑料加工成螺旋管状，联接在集风聚力射流管与涡轮发电机之间，负责低管组改变集风射流方向，将集风射流沿涡；轮发电机四周切向喷射在涡轮发电机叶片上，喷射角度与涡轮发电机叶片形状相适配；
涡轮发电机，以轻质高强材料制造的类水轮机结构的涡轮发电机，或垂直轴风力机；采用类水轮机,需调整叶轮形状，使之与螺旋喷头所喷出对集风射流相适配:采用垂直轴风机，则按水平轴向安装，无需超长叶片，以便空中集风与形态稳定。
释压风道，作为本发明的引流、释压部件，采用轻质纤维纺织品喷树酯胶(或浸渍树酯胶)或塑料、或玻璃钢加工成喇八形，联接在涡轮发电机后，释压风道的进风口直径与涡轮发电机出风口相同,释压风道的出风口直径与多管集风聚力射流管构建的空中发电浮筒单元的直径相等,释压风道的长度根据引流，释压要求和承载涡流发电机系统重量的浮力气囊所需要占用的空间来选定。
浮力气囊，负责提供持久浮力。采用高强度轻质柔性纺织品喷涂树酯胶(或浸渍树脂胶，或合成橡胶类高分子材料形成的环状.球状或管状气囊，内充氢气或氦气。许多个不同形状的浮力气囊捆绑在其支撑骨架上，填充在集风聚力射流管释压风道和涡轮发电机外围，形成与集风聚力射流管集风口直径相同的圆柱体空中风力发电浮筒单元。
支撑骨架，采用轻质钢管内填充绳状纤维材料并灌注树酯胶，负责搭载涡轮发电机及线缆系绕的重量且保持空中风力发电浮筒单元内空中形态稳定。
所述涡轮发电机24用于利用风力进行发电并将电力输送到地面工作站，所述涡轮发电机24出口连接释压风道25入口端，所述释压风道25出口端连通外筒21外部，所述集风聚力射流管22为圆锥形且入口端的截面积大于出口端的截面积，所述释压风道25为圆锥形且入口端的截面积小于出口端的截面积，所述浮力气囊26用于提供持久浮力，所述由软质材料制成，中空且外部密封，所述浮力气囊26内部充有氢气和/或氦气,所述浮力气囊26的数量为多个且均布在外筒21和集风聚力射流管22的间隙之间以及外筒21和释压风道25的间隙之间。
所述的风帆，作为空中风力发电浮筒组合体迎风调向和空中形态保持的重要部件，采用轻质纺织材料(浸渍树酯胶)加工成三角形，安装在空中风力发电浮筒组合体的尾上部，
空中风力发电浮筒单元，或浮筒式空中风力发电单元组合体以浮力气囊填充，以转质纺织纤维织物包覆,防积水积冰、积雷，并提供持久浮力，进入距地面300～600米高的空中较为经济,空中风力发电浮筒单元组合体的大小由发电量需求定。
作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1包括中心浮筒式空中风力发电单元4、第二层浮筒式空中风力发电单元5和第三层浮筒式空中风力发电单元6，所述中心浮筒式空中风力发电单元4、第二层浮筒式空中风力发电单元5和第三层浮筒式空中风力发电单元6的中心轴均相互平行，且集风聚力射流管22入口朝向同一方向，所述第二层浮筒式空中风力发电单元5包围在中心浮筒式空中风力发电单元4外侧，所述第二层浮筒式空中风力发电单元5的数量为六个，所述第三层浮筒式空中风力发电单元6包围在第二层浮筒式空中风力发电单元5外侧，所述第三层浮筒式空中风力发电单元6的数量为十二个。
作为一种实施方式，所述地面工作站包括线缆7、定位井8、绞盘机9、输变电及控制系统，所述线缆7两端连接定位井8和浮筒式空中风力发电单元组合体1，所述定位井8采用双层交叉导棍，安装在绞盘机9上部，负责定位牵引绳和电缆，并减少牵引绳和电缆的摩擦力，所述输变电及控制系统用于通过控制绞盘机9转动调节线缆7的长度，以及接收和存储所述浮筒式空中风力发电单元组合体1发送的电力。
所述由地面工作站中，线缆由牵引绳和电缆组成，牵引绳，也可以与电缆一体，一组空中风力发电浮筒单元组合体采用至少二根牵引绳，一根电缆，牵引绳采用多合股碳纤维或轻质高强度合成纤维绳。电缆采用铜芯电缆或超导材料电缆，至少有二根牵引绳和一根电缆,一端呈三角形系在空中风力发电浮筒单元组合体的支撑骨架上，牵引绳在前系在最前面集风口支撑骨架上，电缆在后系在空中风力发电浮筒单元组合体中部的支撑骨架上，牵引绳与电缆的另一端经定位井全部系在绞盘机上。定位井采用双层交叉导棍，安装在绞盘机上部，负责定位牵引绳和电缆，并减少牵引绳和电缆的摩擦力。
作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1上还设置有电子驱鸟器11。
作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1上还设置有避雷系统10。作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1的外周上还设置有多个轮廓LED灯12。
当遇到雷电时，避雷系统自动启动应对；电子驱导器安装在集风聚力射流管的集风口，发出超声波电子蜂鸣；轮廊LED灯显示空中风力发电浮筒单元组合体的空中位置。
作为一种实施方式，所述浮筒式空中风力发电单元组合体1中的多个浮筒式空中风力发电单元2排列形成空心圆锥形，多个浮筒式空中风力发电单元2之间采用支撑骨架27固定，且浮筒式空中风力发电单元组合体1的外表面包覆有柔性外层。
本发明的浮筒式空中风力发电系统工作过程:当风速达到发电要求时，启动绞盘机放开线缆，将空中风力发电浮筒单元或浮筒单元组合体送入空中，一般达到距地面300～600米高的空中较为经济，高空自然风经集风聚力射流管的集风口在变径收缩流道中进一步浓缩形成集风射流，提高风速和风压，集风射流往螺旋喷头低管阻改变方问，沿涡轮发电机四周切向的喷射在涡轮发电机的叶片上,多股集风射流形成龙卷风，强力推动涡轮发电机运转发电,集风射流再经释压风道引流释压,排至空中。
实施例1
本实施例中，所述集风聚力射流管,采用锦纶丝织物喷涂树酯胶，构建变径收缩流道，进风口直经约三米，出风口直经为一米，长为十米，每个空中风力发电浮筒单元中配备三根集风聚力射流管。所述的螺旋喷头采用塑料注塑成型为直经一米，长度一米的螺旋管状,每根集风聚力射流管配备一个螺旋喷头,联校在集风聚力射流管与涡轮发电机之间，负责低管阻改变集风射流方向，使集风射流沿涡轮发电机四周切向喷射在涡轮发电机叶片上,喷射角为30度。
所述的涡轮发电机,采用20kw类水轮机结构的涡轮发电机，叶片采用铝板与玻墙纤维加树酯复合而成。
所述的释压风道，采用锦纶丝织物喷树酯胶，加工成喇叭形，联校在涡轮发电机之后，释压风道的进风口直径2.5米，出风口直径为6米。
所述的浮力气囊,采用合成橡胶弹性薄膜，加工成环状球状和管状气囊，内充氢气，分别填充在集风聚力射流管，涡轮发电机和释压风道的外侧，并捆绑在支撑骨架上，形成直径6米，长15米的圆柱体空中风力发电浮筒单元。
所述的支撑骨架,采用轻质钢管内填充绳状涤纶丝并灌注树酯胶，负责风道的成型并担载涡轮发电机及整个系统的重量。
所述的风帆，采用涤纶丝织物喷涂树酯胶，加工成三角形，安装在顶部的第三层空中风力发电浮筒单元的尾上部。
所述的地面工作站，由线缆、定位井、绞盘机和输变电及控制系统组成。线缆采用4根高强聚乙烯多合股牵引绳和2根铜芯电缆，所述的定往井,采用2对导辊垂直错层交叉，形成井字形，线缆被限制在中央，可自由上下移动。
第一层空中风力发电浮筒单元采用一个空中风力发电浮筒单元。第二层空中风力发电浮筒单元采用六个空中风力发电浮筒单元，环绕在第一层空中风力发电浮筒单元四周。第三层空中风力发电浮筒单元采用12个空中风力发电浮筒单元，环绕在第二层空中风力发电浮筒单元四周，所有空中风力发电浮筒单元均采用直径6米，长15米，涡轮发电机功率为20kw的圆柱体空中风力发电浮筒，19个空中风力发电浮筒单元构建成一个空心陀螺形空中风力发电浮筒单元组合体。陀螺外表层以锦纶丝织物包覆,凹陷部分以浮力气囊填充，防积水，防积雪，防积冰。空中风力发电浮筒单元组合体依靠1000多个不同形状的浮力气囊提供持久上升浮力，依靠4根牵引绳和2根电缆,以及浮力气囊维持空中风力发电浮筒单元组合体的空中形态和空中位置。选定风力资源较丰富的地区，当风速达到发电要求对，启动绞盘机,放开牵引绳和电缆，达到距地面500米的高空，自然风经19个空中风力发电浮筒单元中的57个集风聚力射流管8的集风口，在变径收缩流道中进步浓缩形成集风射流，提高风速和风压。集风射流经螺旋喷头低管组改变方向，如图4、图5所示，沿涡轮发电机四周切向喷射在涡轮发电机的叶片上,三股集风射流形成龙卷风，共同推动一台涡轮发电机运转发电,然后集风射流再经释压风道引流释压，排至空中。
当风向改变时，空中风力发电浮筒单元组合体和风帆借风力自动调整空中风力发电浮筒单元组合体的空中形态，使其集风口正面迎风。
当风力加大时，空中风力发电浮筒的单元组合体将会被风力改动而降低高度，使风力与涡轮发电机的额定功率相适配。
当需要维护维修，或遭遇极端天气时，启动绞盘机将空中风力发电浮筒单元组合体收回地面。
本实施例，总功率为380kW,年发电时间5000小时左右
本实施例放弃了传统的超长叶片的水平轴风力发电机的自然迎风旋转发电方式，采用多管变径收缩流道浓缩高空中的高速风能，进一步提高风速和风压，以超级龙卷风的方式沿涡轮发电机四周高效推动叶片短而宽的类水轮机结构的涡轮发电机运转发电，风能利用效率更高。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，包括地面工作站和浮筒式空中风力发电单元组合体(1)，所述地面工作站用于牵引和控制浮筒式空中风力发电单元组合体(1)，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)包括多个浮筒式空中风力发电单元(2)，所述浮筒式空中风力发电单元(2)包括风力发电系统和浮力系统，所述浮力系统用于使浮筒式空中风力发电单元(2)在空气中上浮，所述风力发电系统用于利用风力发电，并将电力输送到地面工作站，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)上设置有风帆(3)，所述风帆(3)用于调整浮筒式空中风力发电系统的方向。
2.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元(2)包括外筒(21)、集风聚力射流管(22)，螺旋喷头(23)、涡轮发电机(24)、释压风道(25)、浮力气囊(26)和支撑骨架(27)，所述外筒(21)为圆筒状空心结构，所述集风聚力射流管(22)，螺旋喷头(23)、涡轮发电机(24)、释压风道(25)和浮力气囊(26)均通过支撑骨架(27)固定在外筒(21)中，所述集风聚力射流管(22)入口连通外筒(21)外部，出口通过螺旋喷头(23)连通涡轮发电机(24)入口，所述涡轮发电机(24)出口连接释压风道(25)入口端，所述涡轮发电机(24)用于利用风力进行发电并将电力输送到地面工作站，所述释压风道(25)出口端连通外筒(21)外部，所述集风聚力射流管(22)为圆锥形且入口端的截面积大于出口端的截面积，所述释压风道(25)为圆锥形且入口端的截面积小于出口端的截面积，所述浮力气囊(26)用于提供持久浮力，所述由软质材料制成，中空且外部密封，所述浮力气囊(26)内部充有氢气和/或氦气,所述浮力气囊(26)的数量为多个且均布在外筒(21)和集风聚力射流管(22)的间隙之间以及外筒(21)和释压风道(25)的间隙之间。
3.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)包括中心浮筒式空中风力发电单元(4)、第二层浮筒式空中风力发电单元(5)和第三层浮筒式空中风力发电单元(6)，所述中心浮筒式空中风力发电单元(4)、第二层浮筒式空中风力发电单元(5)和第三层浮筒式空中风力发电单元(6)的中心轴均相互平行，且集风聚力射流管(22)入口朝向同一方向，所述第二层浮筒式空中风力发电单元(5)包围在中心浮筒式空中风力发电单元(4)外侧，所述第二层浮筒式空中风力发电单元(5)的数量为六个，所述第三层浮筒式空中风力发电单元(6)包围在第二层浮筒式空中风力发电单元(5)外侧，所述第三层浮筒式空中风力发电单元(6)的数量为十二个。
4.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述地面工作站包括线缆(7)、定位井(8)、绞盘机(9)、输变电及控制系统，所述线缆(7)两端连接定位井(8)和浮筒式空中风力发电单元组合体(1)，所述定位井(8)采用双层交叉导棍，安装在绞盘机(9)上部，负责定位牵引绳和电缆，并减少牵引绳和电缆的摩擦力，所述输变电及控制系统用于通过控制绞盘机(9)转动调节线缆(7)的长度，以及接收和存储所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)发送的电力。
5.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)上还设置有避雷系统(10)。
6.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)上还设置有电子驱鸟器(11)。
7.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)的外周上还设置有多个轮廓LED灯(12)。
8.根据权利要求1的浮筒式空中风力发电系统，其特征在于，所述浮筒式空中风力发电单元组合体(1)中的多个浮筒式空中风力发电单元(2)排列形成空心圆锥形，多个浮筒式空中风力发电单元(2)之间采用支撑骨架(27)固定，且浮筒式空中风力发电单元组合体(1)的外表面包覆有柔性外层。
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