CN204239159U - 一种高空风能捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高空风能捕捉系统，其包括系留气球，系留气球内填充有比空气密度小的气体，且所述系留气球能悬停在空中；回收装置，回收装置固定在地面；缆绳，缆绳的一端固定在所述系留气球上，另一端与所述回收装置连接，所述缆绳用于限制所述系留气球的位置并用于回收；软管，所述软管的一端连接在所述系留气球上，且其进气口与大气连通，另一端延伸至地面，所述软管用于将高空的冷空气引至地面；冷气负载，所述冷气负载位于地面且与所述软管的出气口连接，所述冷气负载用于消耗利用所述软管内的冷气。本实用新型能通过系留气球对高空风的动能和热能进行充分利用的高空风能捕捉，绿色环保，能持续进行风能采集。

Description

一种高空风能捕捉系统

技术领域

本实用新型涉及一种风能回收系统，特别涉及一种对高空风的动能及热量进行捕捉利用的高空风能捕捉系统。

背景技术

高空风能是人类迄今基本上没有开发利用的新能源，这是一种储量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。高空风能具有强大的动能，经实验测得，风能与风速的立方成正比(其中ρ为空气密度，v为风速)，即风速增加1倍，风能增加8倍(标准空气密度为1.225kg/m，6000米高空中的空气密度约0.644kg/m，仅减少1倍左右)，因此高空风能可高出地面上的数倍、十数倍、数十倍乃至成百上千倍。在高空位置达到较为理想的情况下，高空风电的理论发电时间可以超过95％，年发电时间可高达8200小时以上，小功率的10兆瓦级高空风力发电系统的年发电时间也在5000小时以上。因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。同时，空气的温度随着海拔高度的上升而降低，这是因为：1、高空气压低，空气稀薄，海拔高的地区的大气保温较差，导致热量大量散失；2、海拔高的地方，云层少，晚上对地面的逆辐射作用弱，温度低；由于海拔高，白天吸收地面辐射少，因此，随海拔的升高温度越低；3、大气的温度主要来自地面的长波辐射，海拔高的地方，空气稀薄，白天，对地面长波辐射的吸收就少，温度低；晚上，大气的保温作用差，温度低。因此，海拔越高，气温越低，经过实验测得，在对流层内，海拔每升高100米，气温约下降0.6度，比如，在3000米左右的高空，温度比地面低约18度，因此，将高空中的冷空气引入地面进行利用，作为空调热交换器或冷凝器的冷媒，能进行无限采集，不仅能减小能源的消耗，还能避免热污染和空气污染，达到绿色环保的目的，且高空的冷媒可再生且储量庞大，可谓取之不尽，用之不竭。申请人受系留气球与烟囱效应(烟囱效应，是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。烟囱效应的产生：在有共享中庭、竖向通风(排烟)风道、楼梯间等具有类似烟囱特征-即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物(如水塔)中，空气(包括烟气)靠密度差的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应)，设计研究出通过系留气球将软管携带至高空，将高空中的冷气通过烟囱效应引入地面进行利用的系统，其利用了高空风能的热能；为了提高气球的利用率，同时对高空风的动能进行充分利用，还设计了一套发电系统，在满足其自身用电的需求外还能向外供电，达到对高空风能的最大利用率。

实用新型内容

【1】要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是提供一种通过系留气球对高空风的动能和热能进行充分利用的高空风能捕捉系统。

【2】解决问题的技术方案

本实用新型提供一种高空风能捕捉系统，其包括：

系留气球1，所述系留气球1内填充有比空气密度小的气体，且所述系留气球能悬停在空中；系留气球1为一个或多个。

缆绳，所述缆绳的一端固定在所述系留气球1上，另一端固定到地面，所述缆绳用于限制所述系留气球1的位置；

软管3，所述软管3的一端连接在所述系留气球1上，且其进气口与大气连通，另一端延伸至地面，所述软管3为绝热软管用于将高空的冷空气引至地面；

冷气负载4，所述冷气负载4位于地面且与所述软管3的出气口连接，所述冷气负载用于消耗利用所述软管3内的冷气；

为了提高软管内空气的流速，即提高风量，进一步的，在所述软管3的进口端或出口端设有空气泵5。

还包括回收装置2，所述回收装置2固定在地面，用于回收系留气球1；缆绳下端与所述回收装置2连接，所述缆绳用于限制所述系留气球1的位置并用于回收。

进一步的，所述冷气负载4为冷凝器；所述冷气负载4的第一出口41为换热后空气出口，第二出口42或设有有机朗肯循环发电系统，冷空气用以冷却发电系统的工质；第二出口42或设有空气冷凝水收集与水力发电系统，此时的第二出口42的高度高于水力发电机设置的高度。

为了方便气球在地面时停留，进一步的，还包括气球停放支架6，所述气球停放支架6固定在地面，用于回收时系留气球1停放。

为了能对风的动能进行充分利用，进一步的，还包括固定在地面的第一发电系统7，所述第一发电系统7通过辅助缆绳8与所述系留气球1连接，所述第一发电系统包括依次连接的电机701、第一离合器702、辊筒703、第二离合器704、扭转弹簧705、棘轮706和第一发电机707，所述辅助缆绳8缠绕在所述辊筒703上。

为了对气球不同方向的摆动进行动能回收，进一步的，所述第一发电系统7至少为两个且周向均布在地面。

进一步的，所述系留气球1包括球体101，所述球体101内设有两水平隔板102，所述水平隔板将所述球体101隔成上腔、中腔和下腔，所述上腔内设有主气囊103，所述下腔内设有副气囊104。

为了对高空的电器进行供电，进一步的，所述中腔内设有第二发电系统，所述第二发电系统包括第二发电机901、离心风叶902、整流器903和蓄电池904，所述离心风叶902固定在所述第二发电机901的转轴上，所述第二发电机经所述整流器903后与所述蓄电池904电连接；所述中腔内成型有气流腔105，所述离心风叶位于所述气流腔内，所述中腔的侧壁周向均布有至少两个与所述气流腔105连通的进风口106。

为了提高烟囱效应，进一步的，所述软管3的进气口与所述气流腔105连通。

为了便于系留气球的升空或回收，进一步的，所述副气囊的侧壁开设有进口和出口，所述进口、出口上均设有单向阀和风机；且所述进口上设有加热器。

为了避免绳索断开造成系留气球飘走丢失，进一步的，还包括爆破装置，所述爆破装置安装在所述主气囊103的侧壁，以使其能在最小移动范围内降落。

为了便于对系留气球进行各方位的监控，进一步的，所述系留气球1内还设有控制器、及与所述控制器连接的GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器，所述拉力传感器安装在所述辅助缆绳上，所述控制器、GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器通过所述蓄电池供电。

为了对高空中的太阳能进行利用，避免在低风时发电量减小，进一步的，在所述系留气球1的顶面设有太阳能电池板107，所述太阳能电池板107的输出端与所述蓄电池904连接。

进一步的，还包括位于地面且与所述软管连通的太阳能风塔，所述太阳能风塔包括塔体1001，所述塔体1001的下端侧壁周向均布有风口1002，所述风口上连接有导风管1003，所述风口1002内设有风轮发电机1004。

为了防止塔内风紊乱，在所述塔体1001的底部中央设有锥形导流块1005，所述锥形导流块1005的侧壁为向内凹的圆弧面。

为了得到更多的冷空气，在所述导风管1003上设有空气泵。

【3】有益效果

本实用新型高空风能捕捉系统，通过系留气球将一软管携带至高空，受烟囱效应的影响，将高空中的冷空气引入至地面，位于地面上的热交换器或冷凝器等冷气负载再对引入的冷空气进行消耗利用，耗能低，冷气储量大，且绿色环保；在软管的出口或入口端增设空气泵，能提高软管内的流速，增大风量，提高捕捉效率；在冷气负载端设有有机朗肯循环发电系统或水力发电机等，提高了能量利用率；设有气球停放支架，在气球着陆时，能起到支撑作用，表面气球倾斜能，降低了气球着陆时的占地空间；在地面设有第一发电系统，能对气球摆动时产生的动能进行充分利用，提高了动能利用率；同时设有第二发电系统和太阳能电池板，能对位于高空中的系留气球内的电器设备进行自助供电；软管的进气口与气流腔连通，提高了软管内的流量，加速捕捉效率；在副气囊上增设风机，能辅助气球的升空或降落，提高升空或降落速度；同时设有爆破装置，在绳索意外断开时，启动爆破，使主气囊破裂，避免气球受风飘走丢失；同时在气球内设有GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器等，能对位于高空的系留气球进行实时监控，保证其能正常运作，提高使用安全性和稳定性。

附图说明

图1为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例二的结构示意图；

图3为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例三的结构示意图；

图4为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例四的结构示意图；

图5为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例四中的第一发电系统的结构示意图；

图6为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例四中的系留气球结构示意图；

图7为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统实施例四中的俯视图；

图8为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统的太阳能风塔的结构示意图；

图9为本实用新型本实用新型高空风能捕捉系统的太阳能风塔的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图，详细介绍本实用新型实施例。

实施例一，参阅图1，本实用新型提供一种高空风能捕捉系统，其包括系留气球1、回收装置2、缆绳、软管3和冷气负载4，在系留气球1内填充有比空气密度小的气体，一般为氦气，使该系留气球能悬停在空中；回收装置2固定在地面，用于回收系留气球1，该回收装置一般为卷扬机；缆绳的一端固定在系留气球1上，另一端与回收装置2连接，其用于限制系留气球1的位置并用于回收；软管3的一端连接在系留气球1上，且其进气口与大气连通，另一端延伸至地面，其用于将高空的冷空气引至地面；冷气负载4位于地面且与软管3的出气口连接，该冷气负载用于消耗利用软管3内的冷气；系留气球的高度设置在海拔3000米以上。

本实施例中所述冷气负载4为冷凝器；所述冷气负载4的第一出口41为换热后空气出口，第二出口42或设有有机朗肯循环发电系统，冷空气用以冷却发电系统的工质；第二出口42或设有空气(水蒸气)冷凝水收集与水力发电系统，此时的第二出口42的高度远远高于水力发电机设置的高度。如冷气负载设置在高的建筑物或高的山上，而水力发电机设置在低处，通过冷凝水自高而下流入发电机。

冷凝器内的水蒸气经过热交换后冷凝成水，该冷凝水设置在高处，自上而下流动通过水力发电机对该水的动能进行了充分利用。第二出口42或设有ks90低温差的斯特林发动机。

为了使系留气球降落时便于停放，本实施例中还包括有气球停放支架6，该气球停放支架6固定在地面，其包括圆环形的支撑体及位于支撑体下方的支脚；

为了提高软管内的空气流动，提高风量，即捕捉效率，本实施例中，在软管3的进口端或出口端设有空气泵5。

实施例二，参阅图2，本实施例在实施例一的基础上进行进一步改进，本实施例中的系留气球1包括球体101，球体的上端为半球形，下端为锥形，以便于降落停放，在球体101内设有两水平隔板102，该水平隔板将球体101隔成上腔、中腔和下腔，在上腔内设有主气囊103，其起到对整个球体支撑作用，在下腔内设有副气囊104，副气囊用于协助气球的升空或降落；

在副气囊的侧壁开设有进口和出口，在进口、出口上均设有单向阀和风机；同时在进口上设有加热器，需要升空时，位于进口端的风机和加热器工作，将大气内的空气吸入副气囊并进行加热，提高升空效率；需要降落时，位于出口端的风机工作，将副气囊内的空气排出，从而提高了气球的整体比重，提高降落速度；

为了防止缆绳断开，使气球随风飘走而丢失，本实施例中，在主气囊103的侧壁设有爆破装置，当缆绳断开时，气球位移值大于设定值时，即视为气球丢失，此时，启动爆破装置，使主气囊破裂而漏气，整体比重增大，气球降落，即在第一丢失时间内迫使其降落，避免气球漂移过远而丢失；

为了对高空中的太阳能的利用，本实施例中，在系留气球的顶面设有太阳能电池板，该太阳能电池板的输出端与位于气球内的蓄电池连接；

为了便于对位于高空中的气球进行实时监控，本实施例中在系留气球1内还设有控制器、及与该控制器连接的GPS定位块和气压高度传感器，控制器、GPS定位块和气压高度传感器通过蓄电池供电，气压高度传感器用于检测系留气球的升空高度，GPS定位块便于了解其坐标位置，用于了解其漂浮幅度，并在丢失时用于定位寻找。

实施例三，参阅图3，其在实施例二的基础上做进一步改进，在中腔内增加了第二发电系统，该第二发电系统包括第二发电机901、离心风叶902、整流器903和蓄电池904，离心风叶902固定在第二发电机901的转轴上，第二发电机经整流器903后与蓄电池904电连接；同时在中腔内成型有气流腔105，为了提高气流稳定性能，该气流腔为球形，而离心风叶位于气流腔内，在中腔的侧壁周向均布有至少两个与气流腔105连通的进风口106，本实施例中为六个，为了提高风速，该进风口为端部大内部小的喇叭形；

为了提高软管的捕风速率，本实施例中软管3的进气口与该气流腔105连通；

实施例四，参阅图4至图7，本实施例在实施例三的基础上增加了固定在地面的第一发电系统7，该第一发电系统7通过辅助缆绳8与系留气球1连接，所述的第一发电系统包括依次连接的电机701、第一离合器702、辊筒703、第二离合器704、扭转弹簧705、棘轮706和第一发电机707，辅助缆绳8缠绕在辊筒703上，为了提高发电效率，在棘轮与第一发电机之间设有飞轮，提高其惯性旋转量；气球升空时，第一离合器702处于分离状态，第二离合器处于联接状态；当气球回收时，则相反；当系留气球上升或漂浮时，缠绕在辊筒上的辅助缆绳受拉，驱动辊筒703旋转，辊筒带动扭转扭转弹簧转动，使其蓄力，此时，棘轮处于咬合状态，即能驱动第一发电器运转发电；当系留气球超相反方向漂移时，辊筒受扭转弹簧的作用超相反方向转动，即小幅度收线，此时棘轮处于非咬合状态，即与发电机无连接作用；当回收气球时，第一离合器处于联接状态，第二离合器处于分离状态，此时电机驱动辊筒收线，而辊筒与第一发电机处于分离状态；本实施例中，该第一发电系统7至少为两个且周向均布在地面；同时在辅助缆绳上设有拉力传感器，该拉力传感器位于系留气球端，其用于了解缆绳的受力状态，在受力过大时用于通过副气囊进行适当调节。

本实用新型高空风能捕捉系统，通过系留气球将一软管携带至高空，受烟囱效应的影响，将高空中的冷空气引入至地面，位于地面上的热交换器或冷凝器等冷气负载再对引入的冷空气进行消耗利用，耗能低，冷气储量大，且绿色环保；在软管的出口如入口端增设空气泵，能提高软管内的流速，增大风量，提高捕捉效率；设有气球停放支架，在气球着陆时，能起到支撑作用，表面气球倾斜能，降低了气球着陆时的占地空间；在地面设有第一发电系统，能对气球摆动时产生的动能进行充分利用，提高了动能利用率；同时设有第二发电系统和太阳能电池板，能对位于高空中的系留气球内的电器设备进行自助供电；软管的进气口与气流腔连通，提高了软管内的流量，加速捕捉效率；在副气囊上增设风机，能辅助气球的升空或降落，提高升空或降落速度；同时设有爆破装置，在绳索意外断开时，启动爆破，使主气囊破裂，避免气球受风飘走丢失；同时在气球内设有GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器等，能对位于高空的系留气球进行实时监控，保证其能正常运作，提高使用安全性和稳定性。

为了提高利用率，本实用新型还包括位于地面且与软管连通的太阳能风塔，(参阅图8和图9)该太阳能风塔包括筒形的塔体1001，在塔体1001的下端侧壁周向均布有风口1002，在该风口上连接有导风管1003，在风口1002内设有风轮发电机1004，该太阳能风塔起到固定软管的作用，同时提高了烟囱效应，导风管1003的白天受太阳能照射，将内部空气加热，加热后的空气通过风口流入塔体内并上升，达到更好的烟囱效应；为了避免空气过热而影响下沉的冷空气，塔体进行隔热处理；为了防止塔内风紊乱，在在塔体1001的底部中央设有锥形导流块1005，该锥形导流块1005的侧壁为向内凹的圆弧面，其能达到更好的引流作用，避免空气紊乱；为了得到更多的冷空气，可以在导风管1003上曾设有空气泵(图中未示出)。本实用新型中，运用放在地面的泵来抽取空气，来使得更多的空气沉降下来。在没有泵的情况下，因为基于烟囱效应，冷空气能自己沉降下来，带动风轮机在地面运转起来发电。通过增设该太阳能风塔，我们能用泵来产出更多的冷空气，或者基于冷空气自然沉降的原理，利用风轮机去发电。

其中，系留气球在设计时参考的升功率数据为：在室温下，海平面空气密度：1.205克/L，在室温和海平面的氦密度：0.1786克/L，质量差(1L空气)–(1L氦)＝1.0264克，质量差是多少质量可以通过一个气球升量解除，因此1L氦可以提升1.0264g重量。

做为一种实施例，所述的系留气球选择专业的气象气球，直径12.2米，重量约2千克，选择500个，共计1000公斤。缆绳选择长约4000米，拉伸强度大，质量约470公斤；所述的软管为绝缘耐紫外线空气软管约2948公斤，总重量大约是4418千克，软管是符合UL181标准的空气管道。

热损失在这一系统中非常重要，热损失计算是空气温度从软管入口点到地面的出口点的变化。通过参考入口的空气温度、环境温度、空气的流量、空气软管的长度、软管的外周长、软管绝缘的R值等数据，按照风道方程(可在书籍《2009ASHRAE手册-基础》(中文译名)，第四章找到)计算，我们得到如下数据，流量2500(立方英尺每分钟)，软管的13000英尺(约4000米)的长度，软管的25英寸的外周边，R值为6。为了简化计算我们假设固定软管直向上垂直于地面，得出的结论是，在4000米高空取-10.74℃冷空气，到地面后温度降为-2.7℃。这一结果为我们的应用程序是可以接受的。选择空气泵的电功率是额定15马力(台湾龙昌电机公司LX-20型号)，该泵将消耗11.19千瓦每小时工作。

Claims (10)

1.一种高空风能捕捉系统，其特征在于：包括：

系留气球(1)，所述系留气球(1)内填充有比空气密度小的气体，且所述系留气球能悬停在空中，系留气球(1)为一个或多个；

缆绳，所述缆绳的一端固定在所述系留气球(1)上，另一端固定到地面，所述缆绳用于限制所述系留气球(1)的位置；

软管(3)，所述软管(3)的一端连接在所述系留气球(1)上，且其进气口与大气连通，另一端延伸至地面，所述软管(3)为绝热软管用于将高空的冷空气引至地面；

冷气负载(4)，所述冷气负载(4)位于地面且与所述软管(3)的出气口连接，所述冷气负载用于消耗利用所述软管(3)内的冷气；

还包括回收装置(2)，所述回收装置(2)固定在地面，用于回收系留气球(1)；缆绳下端与所述回收装置(2)连接，所述缆绳用于限制所述系留气球(1)的位置并用于回收；

所述冷气负载(4)为冷凝器；所述冷气负载(4)的第一出口(41)为换热后空气出口，第二出口(42)或设有有机朗肯循环发电系统，冷空气用以冷却发电系统的工质；第二出口(42)或设有空气冷凝水收集与水力发电系统，此时的第二出口(42)的高度高于水力发电机设置的高度。

2.如权利要求1所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述软管(3)的进口端或出口端设有空气泵(5)；还包括气球停放支架(6)，所述气球停放支架(6)固定在地面，用于回收时系留气球(1)停放。

3.如权利要求1或2所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：还包括固定在地面的第一发电系统(7)，所述第一发电系统(7)通过辅助缆绳(8)与所述系留气球(1)连接，所述第一发电系统包括依次连接的电机(701)、第一离合器(702)、辊筒(703)、第二离合 器(704)、扭转弹簧(705)、棘轮(706)和第一发电机(707)，所述辅助缆绳(8)缠绕在所述辊筒(703)上；

所述第一发电系统(7)至少为两个且周向均布在地面。

4.如权利要求1所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述系留气球(1)包括球体(101)，所述球体(101)内设有两水平隔板(102)，所述水平隔板将所述球体(101)隔成上腔、中腔和下腔，所述上腔内设有主气囊(103)，所述下腔内设有副气囊(104)。

5.如权利要求4所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述中腔内设有第二发电系统，所述第二发电系统包括第二发电机(901)、离心风叶(902)、整流器(903)和蓄电池(904)，所述离心风叶(902)固定在所述第二发电机(901)的转轴上，所述第二发电机经所述整流器(903)后与所述蓄电池(904)电连接；所述中腔内成型有气流腔(105)，所述离心风叶位于所述气流腔内，所述中腔的侧壁周向均布有至少两个与所述气流腔(105)连通的进风口(106)。

6.如权利要求4所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述软管(3)的进气口与气流腔(105)连通。

7.如权利要求4所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述副气囊的侧壁开设有进口和出口，所述进口、出口上均设有单向阀和风机；且所述进口上设有加热器；还包括爆破装置，所述爆破装置安装在所述主气囊(103)的侧壁；所述系留气球(1)内还设有控制器、及与所述控制器连接的GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器，所述拉力传感器安装在辅助缆绳上，所述控制器、GPS定位块、气压高度传感器和拉力传感器通过蓄电池供电；所述系留气球(1)的顶面设有太阳能电池板(107)，所述太阳能电池板(107)的输出端与所述蓄电池(904)连接。

8.如权利要求1所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：还包括位于地面且与所述软管连通的太阳能风塔，所述太阳能风塔包括塔 体(1001)，塔体(1001)的下端侧壁周向均布有风口(1002)，所述风口上连接有导风管(1003)，所述风口(1002)内设有风轮发电机(1004)。

9.如权利要求8所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述塔体(1001)的底部中央设有锥形导流块(1005)，所述锥形导流块1005的侧壁为向内凹的圆弧面。

10.如权利要求9所述的高空风能捕捉系统，其特征在于：所述导风管(1003)上设有空气泵。