CN110541790B - 一种悬浮叶轮风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种悬浮叶轮风力发电装置，包括：悬浮于空中的悬浮叶轮，悬浮叶轮在风力作用下能够绕自身的中心轴旋转；一端与悬浮叶轮相连的传动绳索，传动绳索用于传递悬浮叶轮的扭矩；固定于地面的基座；通过关节机构安装在基座上的发电机，发电机的输入轴与传动绳索的另一端相连，在风向改变时，发电机能够在传动绳索的拉动下跟随悬浮叶轮自由转动。整个发电装置的结构简单，制造工艺简单，生产成本低；悬浮风叶能够始终迎风旋转，因而保证了较高发电效率；由于仅有无需维护的悬浮叶轮悬浮于空中，需要进行维护的发电机等部件均位于地面，因此该发电装置的维护简便，维护成本低。

Description

一种悬浮叶轮风力发电装置
技术领域
本发明涉及风力发电装备设计制造技术领域，尤其涉及一种悬浮叶轮风力发电装置。
背景技术
目前，风力发电领域主要以水平轴三叶片式发电机为主，该种机型存在着叶片体积庞大、需要铁塔支撑、运输以及安装成本极高、不易随风转向以及不易挪动等问题。
为了解决上述问题，发电风筝的概念开设出现，例如公开号为CN103375345A的中国专利申请中公开了一种大功率盘状有支撑圈柔性叶片风轮风筝发电装置，其基本原理是在风筝与地面大轮轴之间连接一风筝绳，通过风筝将风筝绳拉紧，然后在风筝绳上设置绕风筝绳转动的风轮，风轮通过传动绳带动大圆轮转动，发电机的输入轴通过齿轮与大圆轮啮合接触，从而实现发电。
然而，如何保持风筝的稳定性依然是目前难以解决的技术问题，目前虽然通过设置复杂的系泊装置可以基本保持风筝的稳定，然而复杂的系泊装置不仅导致整个风筝发电装置的结构复杂，而且安装和维护成本很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种悬浮叶轮风力发电装置，以能够在保证发电效率的前提下，能够有效简化风力发电装置的结构，从而降低风力发电装置的运输、安装和维护成本。
为达到上述目的，悬浮叶轮风力发电装置包括：
悬浮于空中的悬浮叶轮，所述悬浮叶轮在风力作用下能够绕自身的中心轴旋转；
一端与所述悬浮叶轮相连的传动绳索，所述传动绳索用于传递所述悬浮叶轮的扭矩；
固定于地面的基座；
通过关节机构安装在所述基座上的发电机，所述发电机的输入轴与所述传动绳索的另一端相连，在风向改变时，所述发电机能够在所述传动绳索的拉动下跟随所述悬浮叶轮自由转动。
优选的，所述关节机构为球关节机构。
优选的，所述传动绳索由碳纤维材料制造而成。
优选的，所述传动绳索由多个节段相连形成，且相邻两个所述节段通过十字轴万向节或球笼式万向节相连，或者相邻两个所述节段仅通过铰接轴铰接相连。
优选的，所述悬浮叶轮包括叶轮主体和风叶，所述风叶沿所述叶轮主体的圆周方向间隔布置，所述叶轮主体的内部设置有用于填充轻质气体以使所述悬浮叶轮悬浮于空中的主体空腔。
优选的，所述叶轮主体和所述风叶一体成型。
优选的，每一个所述风叶的内部均设置有与所述主体空腔相通且用于填充轻质气体的风叶空腔。
优选的，所述传动绳索通过链接机构与所述悬浮叶轮相连，所述链接机构是由多个钢丝弓形架相互交叉所形成的伞骨，所述伞骨的中心与所述传动绳索固定相连，所述伞骨的弓弦一侧固定连接在所述叶轮主体上。
优选的，每一个所述钢丝弓形架均具有活动关节，且在所述悬浮叶轮排气后，所述伞骨能够折叠收纳。
优选的，所述发电机的输入轴通过变速箱与所述传动绳索相连。
优选的，所述传动绳索上还设置有回收和释放所述传动绳索的绳索回收设备。
优选的，所述悬浮叶轮上还设置有气压监测装置、泄压阀、充气泵以及控制器，并且在所述气压检测装置监测到所述悬浮叶轮内的气压低于预设气压值时，所述控制器控制所述充气泵进行充气；在所述气压监测装置监测到所述悬浮叶轮内的气压高于所述预设气压值时，所述控制器控制所述泄压阀排气。
本发明所公开的悬浮叶轮风力发电装置，其悬浮叶轮本身可以悬浮于空中，悬浮叶轮与地面的发电机之间仅通过传动绳索相连，在风力的作用下，悬浮叶轮绕自身中心轴旋转，其扭矩通过传动绳索传递至发电机的输入端，从而实现发电。
整个发电装置的结构简单，通过机械连接方式即可实现各部件之间的连接，制造工艺简单，生产成本低；另外，发电机通过关节机构安装在基座上，当风向改变时，发电机能够在所述传动绳索的拉动下跟随所述悬浮叶轮自由转动，这使得悬浮风叶能够始终迎风旋转，因而保证了较高发电效率；由于仅有无需维护的悬浮叶轮悬浮于空中，需要进行维护的发电机等部件均位于地面，因此该发电装置的维护简便，维护成本低。
附图说明
图1为本发明实施例中所公开的悬浮叶轮风力发电装置的整体结构示意图；
图2为图1中叶轮与传动绳索相连的一端的结构示意图；
图3为本发明实施例中链接机构与传动绳索的配合示意图；
图4为本发明一种实施例所公开的传动绳索通过变速箱与发电机相连的结构示意图。
其中，1为悬浮叶轮，2为传动绳索，3为发电机，4为关节机构，5为链接机构，6为变速箱，7为基座，11为叶轮主体，12为风叶，51为钢丝弓形架。
具体实施方式
本发明的核心是供一种悬浮叶轮风力发电装置，以能够在保证发电效率的前提下，能够有效简化风力发电装置的结构，从而降低风力发电装置的运输、安装和维护成本。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1中所示，本发明中所公开的悬浮叶轮风力发电装置，包括悬浮叶轮1、传动绳索2、基座7以及发电机3，悬浮叶轮1悬浮在空中，并且悬浮叶轮1在风力的作用下能够绕自身的中心进行自转，传动绳索2的一端与悬浮叶轮1相连，另一端与发电机3的输入轴相连，传动绳索2的作用在于将悬浮叶轮1随风转动时的扭矩传递至发电机3的输入轴，以便实现发电；基座7固定设置在地面上，其用于为发电机3提供安装基础，发电机3通过关节机构4安装在基座7上，并且在风向改变时，发电机3能够在传动绳索2的拉动下跟随悬浮叶轮1自由转动。
上述实施例中所公开的悬浮叶轮风力发电装置，其悬浮叶轮1本身可以悬浮于空中，悬浮叶轮1与地面的发电机3之间仅通过传动绳索2相连，在风力的作用下，悬浮叶轮1绕自身中心轴旋转，其扭矩通过传动绳索2传递至发电机3的输入端，从而实现发电；整个发电装置的结构简单，通过机械连接方式即可实现各部件之间的连接，制造工艺简单，生产成本低；另外，发电机3通过关节机构4安装在基座7上，当风向改变时，发电机3能够在所述传动绳索2的拉动下跟随所述悬浮叶轮1自由转动，这使得悬浮风叶12能够始终迎风旋转，因而保证了较高发电效率；由于仅有无需维护的悬浮叶轮1悬浮于空中，需要进行维护的发电机3等部件均位于地面，因此该发电装置的维护简便，维护成本低。
需要进行说明的是，本案中的悬浮叶轮1具体是指叶轮位于空中，也就是说，叶轮浸润在大气当中，由于叶轮未漂浮于大气之上，因此借用了液体中的“悬浮”称谓，本领域技术人员应当理解，在本案中，悬浮叶轮1的重力可以与大气的浮力相等，也可以是叶轮的重力小于大气的浮力，并且叶轮的重力小于大气的浮力应当作为优选的方式。
通常情况下是采用填充轻质气体来达到使叶轮悬浮的目的，轻质气体是指密度小于空气的气体，例如常用的氢气、氦气等轻质气体均可。
上述实施例中的传动绳索2并非传统意义上的柔性绳，而是能够传递扭矩的传动绳索2，考虑到减轻质量的需求，本实施例中的传动绳索2优选的采用碳纤维材料制造，并且传动绳索2由多个节段相连形成，相邻两个节段通过十字轴万向节或者球笼式万向节相连，以便能够传递扭矩，当然，传动绳索2的制造材料绝不仅限于碳纤维，本领域技术人员也可以采用其他材料进行传动绳索2的制造，例如强度满足要求的工程塑料，并且传动绳索2的具体结构也并不仅局限于采用十字轴万向节或球笼式万向节相连，也可以是传动绳索2包括多个节段，相邻两个节段仅通过铰接轴铰接相连。
关节机构4在本实施例中优选的采用球关节，例如在基座7上设置一球座，在发电机3的下部设置一与球座适配的球头，球头嵌设于球座内即可构成球关节，该球关节允许发电机3在传动绳索2的拉动下跟随悬浮叶轮1自由转动。
请参考图2，悬浮叶轮1包括叶轮主体11和风叶12，风叶12沿叶轮主体11的圆周方向间隔分布，风叶12至少包括两个，为了能够填充轻质气体，至少在叶轮主体11的内部设置有用于填充轻质气体的主体空腔，主体空腔的大小需要根据悬浮叶轮1本身的材质和体积进行具体计算，其总体原则是填充有轻质气体的悬浮叶轮1的平均密度不大于空气的密度，以保证悬浮叶轮1能够悬浮于空中。
风叶12的形状和构造不受限制，可以参考目前的风力发电机3中的风叶12构造，风叶12与叶轮主体11之间可以是可拆卸连接，也可以是一体式结构，由于叶轮主体11内设置有主体空腔，因此为了保证主体空腔不漏气，当风叶12与叶轮主体11采用可拆卸连接方式时，需要尤其注意对风叶12与叶轮主体11的连接位置处进行密封处理；
作为一种推荐的方式，风叶12与叶轮主体11为一体式结构，为了进一步优化方案，本实施例中所公开的悬浮叶轮1风力发电装置中的每一个风叶12的内部均设置有风叶空腔，风叶空腔与主体空腔相通，其作用同样是用于填充轻质气体，设置风叶空腔后，整个悬浮叶轮1的密度可以进一步降低，其重力减小，这可以使得悬浮叶轮1与发电机3之间的传动绳索2被进一步拉紧，从而使得传动效率更高。
不难理解的是，只要传动绳索2固定连接于悬浮叶轮1的中心即可将悬浮叶轮1的扭矩传递至发电机3，但是由于悬浮叶轮1对传动绳索2作用时力臂较短，因此导致悬浮叶轮1与传动绳索2的连接位置处容易出现受力过大的情况，为此本实施例中所公开的技术方案进行优化，在本实施例中，传动绳索2通过链接机构5与悬浮叶轮1相连，链接机构5是由多个钢丝弓形架51相互交叉所形成的伞骨，所谓伞骨是指类似于目前雨伞中用于支撑伞布的骨架，请参考图3，图3中的链接机构5是由三个钢丝弓形架51相互交叉形成的，每一个钢丝弓形架51均包括弓弦侧和弓背侧，并且每一个钢丝弓形架51的弓弦侧固定连接在叶轮主体11上，伞骨的中心与传动绳索2固定相连。需要进行说明的是，固定相连的方式包括但不限于通过连接件固定连接或者焊接。
由于钢丝弓形架51可以朝叶轮主体11的径向延伸，这就可以显著增大叶轮主体11对传动绳索2的作用力臂，从而有效解决叶轮主体11与传动绳索2连接位置应力集中的问题。
更进一步的，若悬浮叶轮1采用软质材料(如塑料)制造，则当悬浮叶轮1内的轻质气体排出之后，悬浮叶轮1的体积可以缩小，考虑到设备运输的便利性，本实施例中的每一个钢丝弓形架51均具有活动关节，并且在悬浮叶轮1排气(轻质气体排出)后，伞骨能够折叠收纳。伞骨的具体设计可以参考目前雨伞中骨架的设计，本文中对此不再进行赘述。
当然，传动绳索2与发电机3之间还可以通过变速箱6相连，以便将传动绳索2的转动速率放大或者缩小后再传入发电机3，如图4中所示。
本发明中所公开的悬浮叶轮风力发电装置结构简单，占地面积小，可以降低风力发电装置对地域的要求，不需要保持悬浮叶轮1的方向，由于发电机3放置在地面，因此不需要考虑发电设备在高空中的稳定性问题，无需电缆高空传输电力，降低了风力发电机3的设计成本、运输以及安装成本，同时大幅提高了风力发电设备的持久性和稳定性。
当然，发电机3的输入轴与传动绳索2的另一端可以直接或间接相连，例如，在一种实施例中，发电机3与悬浮叶轮1之间还设置有用于回收或释放传动绳索2的绳索回收设备，以便对传动绳索2的长度进行调节，当传动绳索2由多个相互铰接的节段构成时，所述绳索回收设备可以为由电机带动的卷筒。
在一种实施例中，悬浮叶轮1上还设置有气压监测装置、自动充气泵以及自动泄压阀，当气压监测装置检测到悬浮叶轮1内的气压小于预设气压值时，控制装置控制自动充气泵进行充气；当气压监测装置检测到悬浮叶轮1内的气压大于预设气压值时，控制装置控制自动泄压阀进行卸压，以此来保证悬浮叶轮1内的气压稳定，气压监测装置可以采用目前本领域公知的压力传感器，电磁阀可作为泄压阀来使用，需要进行说明的是，预设气压值可根据悬浮叶轮1布置的地理位置以及高度等参数进行适应性设置，因此在不同地理位置和不同高度位置进行悬浮的悬浮叶轮1中的预设气压值并非一个恒定值，本领域技术人员可根据需要进行适应性调整。
以上对本发明所提供的悬浮叶轮风力发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，包括：
悬浮于空中的悬浮叶轮(1)，所述悬浮叶轮(1)在风力作用下能够绕自身的中心轴旋转；
一端与所述悬浮叶轮(1)相连的传动绳索(2)，所述传动绳索(2)用于传递所述悬浮叶轮(1)的扭矩；
固定于地面的基座(7)；
通过关节机构(4)安装在所述基座(7)上的发电机(3)，所述发电机(3)的输入轴与所述传动绳索(2)的另一端相连，在风向改变时，所述发电机(3)能够在所述传动绳索(2)的拉动下跟随所述悬浮叶轮(1)自由转动。
2.根据权利要求1所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述关节机构(4)为球关节机构。
3.根据权利要求1所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述传动绳索(2)由碳纤维材料制造而成。
4.根据权利要求3所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述传动绳索(2)由多个节段相连形成，且相邻两个所述节段通过十字轴万向节或球笼式万向节相连，或者相邻两个所述节段仅通过铰接轴铰接相连。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述悬浮叶轮(1)包括叶轮主体(11)和风叶(12)，所述风叶(12)沿所述叶轮主体(11)的圆周方向间隔布置，所述叶轮主体(11)的内部设置有用于填充轻质气体以使所述悬浮叶轮(1)悬浮于空中的主体空腔。
6.根据权利要求5所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述叶轮主体(11)和所述风叶(12)一体成型。
7.根据权利要求6所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，每一个所述风叶(12)的内部均设置有与所述主体空腔相通且用于填充轻质气体的风叶空腔。
8.根据权利要求5所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述传动绳索(2)通过链接机构(5)与所述悬浮叶轮(1)相连，所述链接机构(5)是由多个钢丝弓形架(51)相互交叉所形成的伞骨，所述伞骨的中心与所述传动绳索(2)固定相连，所述伞骨的弓弦一侧固定连接在所述叶轮主体(11)上。
9.根据权利要求8所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，每一个所述钢丝弓形架(51)均具有活动关节，且在所述悬浮叶轮(1)排气后，所述伞骨能够折叠收纳。
10.根据权利要求1所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述发电机(3)的输入轴通过变速箱(6)与所述传动绳索(2)相连。
11.根据权利要求1-4、6-10任意一项所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述传动绳索(2)上还设置有回收和释放所述传动绳索(2)的绳索回收设备。
12.根据权利要求1-4、6-10任意一项所述的悬浮叶轮风力发电装置，其特征在于，所述悬浮叶轮(1)上还设置有气压监测装置、泄压阀、充气泵以及控制器，并且在所述气压检测装置监测到所述悬浮叶轮(1)内的气压低于预设气压值时，所述控制器控制所述充气泵进行充气；在所述气压监测装置监测到所述悬浮叶轮(1)内的气压高于所述预设气压值时，所述控制器控制所述泄压阀排气。
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