CN113323799A - 浮动式风力发电机组 - Google Patents

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杨晓宇
张承婉
李莉
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Abstract

本发明属于发电机技术领域，旨在解决现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题。为此目的，本发明提供了一种浮动式风力发电机组，其包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与支架的外缘可转动连接的环状构件，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过多根绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，在风的作用下环状构件绕支架的轴线转动，从而驱动发电机发电。通过这样的设置，无论空中风向朝向如何，浮动式风力发电机组均能够正常工作，无需在不同风向的情况下对浮动式风力发电机组的姿态进行调整。

Description

浮动式风力发电机组
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体提供了一种浮动式风力发电机组。
背景技术
随着化石能源的消耗，全球气候不断地恶化，人类更加重视对生存环境的保护。风能作为一种可再生的清洁能源，目前越来越受到全世界的关注。
随着与地面距离的增加和表面摩擦的减少，风速逐渐加大。风速每增加一倍速度，其所蕴含的能量在理论上将增加8倍。储量丰富、分布广泛的高空风能，年发电时间可高达6500h以上。美国环境和气候科学家克里斯蒂安-阿切尔和肯-考德伊拉曾在研究报告中指出，来自高空急流的风所生成的能量是全球所需能量的100多倍。2013年，全球风能理事会已经做出预测，认为高空风能很有可能是改变世界的能源技术。高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点，并且具有新的优点，将部分代替传统风能，是新能源领域的投资热点和发展方向。
专利(CN110573727A)公开了一种拴在地面上的高空风力发电站，包括飞翼形的叶片，叶片包括管状的外壳，外壳内填充有稳定器，稳定器内填充有氦气，相邻的稳定器与壳体围成空气管，空气管内设置有转子，转子与发电机的输入轴连接。叶片的侧面端部设置有用于稳定化的小翼，叶片的后端部设置升降和方向舵，叶片的下部通过保持绳索连接至地表。风流过转子，转子驱动发电机将风能转化成电能，电能通过紧固在保持绳索上的电缆传输至地表。借助方向和升降舵，叶片可以最佳地迎风。不过，该高空风力发电站的需要借助方向和升降舵调节方向来调节风力发电站的朝向，使风力发电站的朝向与风向相匹配，使用起来比较麻烦。
因此，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题，本发明提供了一种浮动式风力发电机组，所述浮动式风力发电机组包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与所述支架的外缘可转动连接的环状构件，所述支架上设置有发电机以及用于将所述浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，所述支架通过多根绳索与目标安装件固定连接，所述环状构件的四周设置有多个叶片，所述环状构件与所述发电机的输入轴驱动连接，在风的作用下所述环状构件绕所述支架的轴线转动，从而驱动所述发电机发电。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述发电机的输出轴上设置有转轮，所述转轮与所述环状构件的内缘接触，从而实现所述环状构件与所述发电机之间的传动。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述环状构件的内缘沿周向形成有齿结构，所述转轮为与所述齿结构啮合的齿轮。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述叶片包括阻力型叶片。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述阻力型叶片包括半椭圆绕其纵轴扫掠90°形成的曲壳以及遮盖所述曲壳尾端的侧板，所述曲壳的前端开口朝向与所述环状构件的外缘切线平行。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述叶片包括升力型叶片。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述叶片包括阻力型叶片和升力型叶片。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述环状构件的上侧和/或下侧设置有所述升力型叶片。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述发电机的数量为多个，多个所述发电机沿所述环状构件的周向均匀分布。
在上述浮动式风力发电机组的优选技术方案中，所述悬浮装置包括悬浮气球，所述悬浮气球中填充有密度小于空气密度的气体。
在本发明的技术方案中，浮动式风力发电机组包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与支架的外缘可转动连接的环状构件，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过多根绳索与目标安装件(如地面、地面上的固定桩、地面上的建筑物、海上的固定桩等)固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，在风的作用下环状构件绕支架的轴线转动，从而驱动发电机发电。
本发明的浮动式风力发电机组通过悬浮装置悬浮在空中，空中的风作用在环状构件上的叶片使环状构件绕支架的轴线转动，从而驱动支架上的发电机使其发电。通过这样的设置，无论空中风向朝向如何，本发明的浮动式风力发电机组均能够正常工作，无需在不同风向的情况下对浮动式风力发电机组的姿态进行调整，克服了现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题。另外，在风的作用下，叶片与环状构件一起绕支架的轴线转动，环状构件驱动发支架上的发电机工作，发电机输入轴能够达到很高的转速，发电机具有更高的发电功率。此外，环状构件与支架的外缘可转动连接，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，这样的结构使得支架更加稳定，浮动式风力发电机组运行更加平稳。
优选地，发电机的输出轴上设置有转轮，转轮与环状构件的内缘接触，从而实现环状构件与发电机之间的传动。优选地，发电机的数量为多个，多个发电机沿环状构件的周向均匀分布。通过这样的设置，进一步提高了工作过程中发电机的转速，提高了发电功率。另外，这样的设置，能够设置更多个发电机，提高浮动式风力发电机组的发电能力。多个发电机沿环状构件的周向均匀分布，使支架和环状构件的受力更加均衡，进一步提高了支架和环状构件的稳定性，使浮动式风力发电机组运行更加平稳。
优选地，环状构件的内缘沿周向形成有齿结构，转轮为与齿结构啮合的齿轮。通过这样地设置，发电机地输出轴与环状构件的驱动连接更加稳定可靠。
优选地，叶片包括阻力型叶片。通过这样的设置，能够在风速相对较小的情况下使环状构件转动，从而驱动发电机发电。
优选地，阻力型叶片包括半椭圆绕其纵轴扫掠设定90°形成的曲壳以及遮盖曲壳尾端的侧板，曲壳的前端开口朝向与环状构件的外缘切线平行。通过这样的设置，曲壳的前端处于迎风状态的阻力型叶片产生的扭矩与相对侧的阻力型叶片产生的扭矩的比值更大，减小了环状构件转动的阻力，提高了环状构件转动的速度。
优选地，叶片包括升力型叶片。在更速较高的情况下，升力型叶片能够在较高的风速情况下提高环状构件的转速，从而提高风能利用率。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的结构图；
图2是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的俯视图；
图3是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的正视图；
图4是图3中沿A-A的剖视图；
图5是图4中局部B的放大图。
附图标记列表：
11、支架；12、连杆；21、环状构件；211、齿结构；221、第一支撑架；222、第二支撑架；223、支撑环；3、轴承；4、悬浮气球；5、发电机；51、齿轮；61、阻力型叶片；611、曲壳；612、侧板；62、升力型叶片；7、绳索。
具体实施方式
首先，需要说明的是，下面描述的实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，虽然本发明悬浮式风力发电机组中的悬浮气球的数量为四个，但是这并不能对本发明的保护范围构成限制，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如本发明悬浮式风力发电机组中的悬浮气球的数量也可以是两个、三个、五个或者更多个等。显然，调整后的技术方案仍将落入本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
基于背景技术指出的现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题，本发明提供了一种浮动式风力发电机组，浮动式风力发电机组包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与支架的外缘可转动连接的环状构件，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过多根绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，在风的作用下环状构件绕支架的轴线转动，从而驱动发电机发电。
通过这样的设置，无论空中风向朝向如何，本发明的浮动式风力发电机组均能够正常工作，无需在不同风向的情况下对浮动式风力发电机组的姿态进行调整，克服了现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题。
下面参照图1至图5，来对本发明的一种实施例进行详细介绍。其中，图1是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的结构图，图2是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的俯视图，图3是本发明一种实施例的悬浮式风力发电机组的正视图，图4是图3中沿A-A的剖视图，图5是图4中局部B的放大图。
如图1至图5所示，浮动式风力发电机组包括环形、轴线竖直的支架11以及与支架11的外缘可转动连接的环状构件21，环状构件21的内缘与支架11的外缘之间通过轴承3连接。支架11上设置有三根穿过其圆心的连杆12，每根连杆12的两端固定至支架11。连杆12上连接有用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，如四个悬浮气球4，悬浮气球4内填充有氦气。支架11上设置有四个发电机5，四个发电机5沿环状构件21的周向均匀分布。支架11通过四根绳索7与目标安装件(如地面上的固定桩)固定连接，绳索7上固定有与发电机5连接的输电线缆(图中未示出)。环状构件21的四周均布有多个上下分布的第一支撑架221和第二支撑架222，多个第一支撑架221的远端固定连接有一个支撑环223，多个第二支撑架222的远端固定连接有一个支撑环223，两个支撑环223在外侧沿周向设置有十二个阻力型叶片61，阻力型叶片61包括半椭圆绕其纵轴扫掠90°形成的曲壳611以及遮盖曲壳611尾端的侧板612，曲壳611的前端开口朝向与环状构件21的外缘切线平行。位于上部的支撑环223的上侧沿周向设置有八个升力型叶片62，位于下部的支撑环223的下侧沿周向设置有八个升力型叶片62。环状构件21的内缘设置有一圈齿结构211，发电机5的输入轴上设置有齿轮51，齿轮51与齿结构211啮合。
在使用过程中，内部充有氦气的悬浮气球4受到浮力，整个悬浮式风力发电机组受到重力以及绳索的拉力，重力与绳索的拉力的合力与悬浮气球4受到的浮力平衡，从而使悬浮式风力发电机组悬浮在空中。如图2所示的方位，空中的风从上向下吹向悬浮式风力发电机组，左侧的阻力型叶片61和右侧的阻力型叶片61均受到风的作用力，左侧阻力型叶片61的曲壳611的前端开口朝向与风向相反，右侧阻力型叶片61的曲壳611的前端开口朝向与风向相同，风对左侧的阻力型叶片61产生的扭矩大于风对右侧的阻力型叶片61产生的扭矩，并且位于上侧和下侧的阻力型叶片61受到的风的作用力较小，使环状构件21相对于支架11沿逆时针转动，转动的环状构件21驱动发电机5工作从而将风能转化成电能后通过输电线缆传送至地面的用电设备。当风速较大的情况下，升力型叶片62能够更好地利用风的作用力使环状构件21转动，进一步提高了环状构件21的转速，提高了风能的利用率。
通过这样的设置，无论空中风向朝向如何，本发明的浮动式风力发电机组均能够正常工作，无需在不同风向的情况下对浮动式风力发电机组的姿态进行调整，克服了现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题。在风的作用下，叶片与环状构件一起绕支架的轴线转动，环状构件驱动发支架上的发电机工作，发电机输入轴能够达到很高的转速，发电机具有更高的发电功率。环状构件与支架的外缘可转动连接，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，这样的结构使得支架更加稳定，浮动式风力发电机组运行更加平稳。
阻力型叶片61设置成包括半椭圆绕其纵轴扫掠90°形成的曲壳611以及遮盖曲壳611尾端的侧板612，曲壳611的前端开口朝向与环状构件21的外缘切线平行，通过这样的设置，极大地提高了曲壳611的前端处于迎风状态的阻力型叶片61产生的扭矩与相对侧的阻力型叶片61产生的扭矩的比值，减小了环状构件21转动的阻力，提高了环状构件21转动的速度。
支撑环223上同时设置阻力型叶片61和升力型叶片62，在风速较低和较高的情况下环状构件21均能够有效地转动从而驱动发电机5工作进行发电。
支架11上设置有三根穿过其圆心的连杆12，每根连杆12的两端固定至支架11，连杆12上连接有四个悬浮气球4，这样方便既方便了悬浮装置的安装和分布，也能够提高支架11的强度和稳定性，并且减小浮动式风力发电机组的整体重量。
需要说明的是，连杆12的数量为三根仅是一种具体的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如连杆12的数量可以是两根、四根、五根或者更多根等。另外，悬浮气球4的数量为四个也是一种具体的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如悬浮气球4的数量可以是一个、两个、五个或者更多个等。此外，悬浮气球4中也可以填充氢气、氖气等密度小于空气密度的其他气体。
在另外一种可行的实施方式中，支架11上也可以不设置连杆12，悬浮气球4直接连接至支架11。
在另外一种可行的实施方式中，支架11也可以是圆盘形的构件。
需要说明的是，支撑环223上同时设置阻力型叶片61和升力型叶片62仅是一种较为优选的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，如支撑环223上可以仅设置阻力型叶片61，也可以仅设置升力型叶片62。另外，阻力型叶片61的数量为十二个，升力型叶片62的数量为八个也是一种具体的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，如阻力型叶片61的数量可以是六个、八个、九个、十三个或者更多个等，升力型叶片62的数量可以是五个、六个、十个或者更多个等。此外，也可以仅在位于上部的支撑环223的上侧设置升力型叶片62，也可以仅在位于下部的支撑环223的下侧设置升力型叶片62。阻力型叶片61和/或升力型叶片62也可以直接连接至环状构件21。
支架11上设置有四个发电机5，四个发电机5沿环状构件21的周向均匀分布，这样提高浮动式风力发电机组的发电能力，并且使支架11和环状构件21的受力更加均衡，进一步提高了支架11和环状构件21的稳定性，使浮动式风力发电机组运行更加平稳。
需要说明的是，发电机5的数量为四个仅是一种具体的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，如发电机5的数量可以是三个、五个或者更多个等。发电机5的输入轴通过齿轮51与环状构件21上的齿结构211啮合来实现环状构件21与发电机5之间的传动，仅是一种较为优选的设置方式，本领域技术人员可以根据实际情况对其作出调整，如在另一种可行的实施方式种，发电机5的输入轴上设置有转轮，转轮与环状构件21的内缘摩擦接触，从而实现环状构件21与发电机5之间的传动。
在另一种可行的实施方式中，支架11的中心部位设置一个发电机，发电机的输入轴与环状构件的转轴连接从而实现相同角速度的转动。不过，发电机的转速相对较小，浮动式风力发电机组的发电能力的发电量相对较小。
通过以上描述可以看出，在本发明的技术方案中，浮动式风力发电机组包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与支架的外缘可转动连接的环状构件，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过多根绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，在风的作用下环状构件绕支架的轴线转动，从而驱动发电机发电。通过这样的设置，无论空中风向朝向如何，本发明的浮动式风力发电机组均能够正常工作，无需在不同风向的情况下对浮动式风力发电机组的姿态进行调整，克服了现有高空风力发电站在使用过程中需要调节朝向以便与风向相匹配，操作比较发麻烦的问题。环状构件与支架的外缘可转动连接，支架上设置有发电机以及用于将浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，支架通过绳索与目标安装件固定连接，环状构件的四周设置有多个叶片，环状构件与发电机的输入轴驱动连接，这样的结构使得支架更加稳定，浮动式风力发电机组运行更加平稳。
需要说明的是，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，需要说明的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浮动式风力发电机组，其特征在于，所述浮动式风力发电机组包括外缘为圆形、轴线竖直的支架以及与所述支架的外缘可转动连接的环状构件，所述支架上设置有发电机以及用于将所述浮动式风力发电机组悬浮在空中的悬浮装置，所述支架通过多根绳索与目标安装件固定连接，所述环状构件的四周设置有多个叶片，所述环状构件与所述发电机的输入轴驱动连接，
在风的作用下所述环状构件绕所述支架的轴线转动，从而驱动所述发电机发电。
2.根据权利要求1所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述发电机的输出轴上设置有转轮，所述转轮与所述环状构件的内缘接触，从而实现所述环状构件与所述发电机之间的传动。
3.根据权利要求2所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述环状构件的内缘沿周向形成有齿结构，所述转轮为与所述齿结构啮合的齿轮。
4.根据权利要求1所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述叶片包括阻力型叶片。
5.根据权利要求4所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述阻力型叶片包括半椭圆绕其纵轴扫掠90°形成的曲壳以及遮盖所述曲壳尾端的侧板，所述曲壳的前端开口朝向与所述环状构件的外缘切线平行。
6.根据权利要求1所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述叶片包括升力型叶片。
7.根据权利要求1所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述叶片包括阻力型叶片和升力型叶片。
8.根据权利要求6或7所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述环状构件的上侧和/或下侧设置有所述升力型叶片。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述发电机的数量为多个，多个所述发电机沿所述环状构件的周向均匀分布。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的浮动式风力发电机组，其特征在于，所述悬浮装置包括悬浮气球，所述悬浮气球中填充有密度小于空气密度的气体。
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