CN207080316U - 基于环形浮空器的高空风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于环形浮空器的高空风力发电系统，包括：控制系统、环形浮空器、发电机、第一电缆、第二电缆、第一迎角调节绳、第二迎角调节绳和姿控电机；其中，所述发电机设置于所述环形浮空器的中心轴线；所述控制系统通过所述第一电缆与所述发电机相连接；所述环形浮空器的一端与所述第一迎角调节绳相连接，所述环形浮空器的另一端与所述第二迎角调节绳相连接；所述姿控电机分别与第一迎角调节绳、第二迎角调节绳相连接；所述控制系统通过所述第二电缆与所述姿控电机相连接。本实用新型实现高效的风力发电能力。

Description

基于环形浮空器的高空风力发电系统

技术领域

本实用新型属于发电系统领域，尤其涉及一种基于环形浮空器的高空风力发电系统。

背景技术

随着全球化石燃料的大量消耗及日益加剧的环境问题，人们逐渐将焦点转移到生态环境的协调发展及可再生能源的利用。风能作为一种清洁可再生能源，能够有效减小二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫等污染气体的排放及减缓全球“温室效应”，其相关技术也成为当前科学和工程领域的研究热点。高空风力发电是一种新型的发电方式，和传统风机相比具有诸多优势，而最明显的就是高空中蕴藏着巨大的风能储量。

但目前该类方案的浮空器大多采用轴对称外形，需要依靠浮空器的浮力同时平衡空中单元的重力以及缆绳的拉力。当外界有风吹过时，空中单元受到阻力作用向下风向偏移。这样会导致整个发电系统的占地面积非常大；同时空中单元的高度有所下降，相应的风速减小，从而发电功率也有所下降。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于环形浮空器的高空风力发电系统，实现高效的风力发电能力。

本实用新型目的通过以下技术方案予以实现：一种基于环形浮空器的高空风力发电系统，包括：控制系统、环形浮空器、发电机、第一电缆、第二电缆、第一迎角调节绳、第二迎角调节绳和姿控电机；其中，所述发电机设置于所述环形浮空器的中心轴线；所述控制系统通过所述第一电缆与所述发电机相连接；所述环形浮空器的一端与所述第一迎角调节绳相连接，所述环形浮空器的另一端与所述第二迎角调节绳相连接；所述姿控电机分别与第一迎角调节绳、第二迎角调节绳相连接；所述控制系统通过所述第二电缆与所述姿控电机相连接。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述环形浮空器包括内壁和外壁；其中，所述内壁和所述外壁相连接；所述内壁和所述外壁之间充有惰性气体。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述环形浮空器为桶状，并关于过中心轴线的纵向截面对称。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述环形浮空器沿中心轴线的截面为两个翼型，其中，该两个翼型平行。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述翼型的安装角Ψ为0°-6°。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述环形浮空器的弦长c与环状半径r的比为c/r<2.5。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述发电机与所述环形浮空器的左端距离为弦长的1/4。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述惰性气体为氦气。

上述基于环形浮空器的高空风力发电系统中，所述发电机的半径与环形浮空器(2)的半径之比为0.3-0.8。

本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)随着离地高度增加风能储量增加，在高空风能密度可以达到地面附近的数十倍甚至百倍，同时高空风能的分布也与我国的用电格局存在天然匹配，本实用新型的风力发电系统充分利用了风资源；

(2)由于高空风的速度比地面大很多，这就意味着要捕获相同功率的风能，风轮不需要做得那么大，同时高空风力机直接利用飞行器在空中收集风能，省去了建造巨型塔台，这些都可以大大降低结构设计难度和制造成本；

(3)本实用新型的浮空器受风间歇性影响较小，一旦有风，就可以发电，即使无风，也可以悬浮在空中；

(4)本实用新型的浮空器可以降落到地面，所以安装和维护都可以在地面进行，因此可以大大降低安装和维护的难度；

(5)抗灾能力方面，在遭遇台风等恶劣天气时可将其收回，从而避免风机发电系统暴露在台风等灾害天气中受到的损失，提高系统的抗灾能力和使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型的基于环形浮空器的高空风力发电系统的结构示意图；

图2是本实用新型的浮空器的示意图；

图3是本实用新型的浮空器沿中心轴线的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

图1是本实用新型的基于环形浮空器的高空风力发电系统的结构示意图。如图1所示，该基于环形浮空器的高空风力发电系统包括：控制系统1、环形浮空器2、发电机7、第一电缆31、第二电缆32、第一迎角调节绳4、第二迎角调节绳5和姿控电机6。其中，

发电机7设置于环形浮空器2的中心轴线。具体的，将支架环23与环形浮空器2的内壁21相连接，发电机7位于支架环23的圆心，发电机7通过三根轴24与支架环23相连接，具体如图2所示。

控制系统1通过第一电缆31与发电机7相连接。

环形浮空器2的一端与第一迎角调节绳4相连接，环形浮空器2的另一端与第二迎角调节绳5相连接。具体的，如图1所示，环形浮空器2的左端与第一迎角调节绳4的上端相连接，环形浮空器2的右端与第二迎角调节绳5的上端相连接。

姿控电机6分别与第一迎角调节绳4、第二迎角调节绳5相连接。

控制系统1通过第二电缆32与姿控电机6相连接。

工作时，环形浮空器2升至高空后，同时发电机7被载至高空，遇到不同大小及风向的风，发电机利用高空风能进行发电，通过第一电缆31将电能传输给地面的控制系统1的蓄电池。

对于环形浮空器2姿态的控制依靠改变与环形浮空器2直接相连的第一迎角调节绳4和第二迎角调节绳5的长度来实现：当需要减小浮空器迎角时，回收与环形浮空器2前端相连的第一迎角调节绳4，同时释放与环形浮空器2后端相连的第二迎角调节绳5；当需要增大浮空器迎角时，执行相反操作，释放与环形浮空器2前端相连的第一迎角调节绳4，同时回收与环形浮空器2后端相连的第二迎角调节绳5。

环形浮空器2升至高空后，遇到不同大小及风向的风，除了环形浮空器2自身的舵偏控制外，地面系统的有效控制对发电系统的提高发电效率有着重要的影响。此外，遇到台风等恶劣天气时，将其收回，从而有效避免环形浮空器2在恶劣天气受到损坏，提高系统的抗灾能力和使用寿命。

图2是本实用新型的浮空器的示意图。如图2所示，环形浮空器2包括内壁21和外壁22；其中，

内壁21和外壁22相连接。

内壁21和外壁22之间充有惰性气体。优选的，惰性气体为氦气，氦气的密度较小，一方面能有效提高浮空器的载重量；另一方面能提高发电机的安全性，不易像氢气一样出现爆炸事件。

如图2所示，环形浮空器2为桶状，并关于过中心轴线的纵向截面对称。

图3是本实用新型的浮空器沿中心轴线的截面图。环形浮空器截面为优化后高升阻比厚翼型，其翼型相对厚度为15％-30％，具体截面如图3所示。截面翼型升阻比越高，浮空器升阻比越高，有效提高浮空器的气动升力，减小整个系统的占地面积和输出功率的下降。

环形浮空器2沿中心轴线的截面为两个相同翼型，其中，该两个翼型平行。在环形浮空器2为水平状态下，仍有一定升力，有效提高浮空器的升阻比，从而减小占地面积。

图3中示出的Ψ为翼型的安装角，安装角为水平线与翼型的中心线之间的夹角。本实施例中翼型的安装角Ψ为0°-6°，在此安装角下，浮空器的合升阻比在水平状态下最大，有效提高风力机的风能发电效率。

如图3所示，环形浮空器2的弦长c与环状半径r的比为c/r<2.5。即环形浮空器的长细比不宜过大。

发电机21与环形浮空器2的左端距离为弦长的1/4。这样设置一方面可以使得发电机尽量接近浮空器的压心，另一方面此处的气流速度较大，发电效率较高。

发电机7的半径与环形浮空器2的半径之比为0.3-0.8。发电机的叶片的半径一方面受浮空器半径的限制，另一方面也受风能利用率的限制。设计大小合适的发电机半径，对提高风机发电效率有着重要意义。

环形浮空器2选择轻质的复合材料，有效提高其强度。

随着离地高度增加风能储量增加，在高空风能密度可以达到地面附近的数十倍甚至百倍，同时高空风能的分布也与我国的用电格局存在天然匹配，本实用新型的风力发电系统充分利用了风资源；由于高空风的速度比地面大很多，这就意味着要捕获相同功率的风能，风轮不需要做得那么大，同时高空风力机直接利用飞行器在空中收集风能，省去了建造巨型塔台，这些都可以大大降低结构设计难度和制造成本；本实用新型的浮空器受风间歇性影响较小，一旦有风，就可以发电，即使无风，也可以悬浮在空中；本实用新型的浮空器可以降落到地面，所以安装和维护都可以在地面进行，因此可以大大降低安装和维护的难度；抗灾能力方面，在遭遇台风等恶劣天气时可将其收回，从而避免风机发电系统暴露在台风等灾害天气中受到的损失，提高系统的抗灾能力和使用寿命。

以上所述的实施例只是本实用新型较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于包括：控制系统(1)、环形浮空器(2)、发电机(7)、第一电缆(31)、第二电缆(32)、第一迎角调节绳(4)、第二迎角调节绳(5)和姿控电机(6)；其中，

所述发电机(7)设置于所述环形浮空器(2)的中心轴线；

所述控制系统(1)通过所述第一电缆(31)与所述发电机(7)相连接；

所述环形浮空器(2)的一端与所述第一迎角调节绳(4)相连接，所述环形浮空器(2)的另一端与所述第二迎角调节绳(5)相连接；

所述姿控电机(6)分别与第一迎角调节绳(4)、第二迎角调节绳(5)相连接；

所述控制系统(1)通过所述第二电缆(32)与所述姿控电机(6)相连接。

2.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述环形浮空器(2)包括内壁(21)和外壁(22)；其中，

所述内壁(21)和所述外壁(22)相连接；

所述内壁(21)和所述外壁(22)之间充有惰性气体。

3.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述环形浮空器(2)为桶状，并关于过中心轴线的纵向截面对称。

4.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述环形浮空器(2)沿中心轴线的截面为两个翼型，其中，该两个翼型平行。

5.根据权利要求4所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述翼型的安装角Ψ为0°-6°。

6.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述环形浮空器(2)的弦长c与环状半径r的比为c/r<2.5。

7.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征 在于：所述发电机(7)与所述环形浮空器(2)的左端距离为弦长的1/4。

8.根据权利要求2所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述惰性气体为氦气。

9.根据权利要求1所述的基于环形浮空器的高空风力发电系统，其特征在于：所述发电机(7)的半径与环形浮空器(2)的半径之比为0.3-0.8。