CN216894724U - 一种高低空风能协同捕获发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高低空风能协同捕获发电装置，包括低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统、共支撑承载系统以及并网系统；低空风能捕获发电系统设置于共支撑承载系统上；高空风能捕获发电系统设置于低空风能捕获发电系统顶部；并网系统设置于共支撑承载系统内部，并通过电缆分别与低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统连接；所述高空风能捕获发电系统包括飞行器以及舱基系统；所述舱基系统包括转向装置以及牵引装置。本实用新型的高低空风能协同捕获发电装置，能实现低空和高空风能协同捕获，提高风电场发电量。

Description

一种高低空风能协同捕获发电装置

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，特别涉及一种高低空风能协同捕获发电装置。

背景技术

现有风能捕获方式分为低空风能捕获和高空风能捕获，低空风能捕获的代表是风力发电机组(陆上/海上)，高空风能捕获的代表是风筝发电。

风力发电机组可分为水平轴和垂直轴两种。水平轴风力发电机组由于其风能利用效率相对较高，市场和技术发展迅速，99％以上的大型风力发电机组都是水平轴结构。其由叶轮、塔筒、基础、主机四大系统组成，叶轮和主机水平连接后架设在塔筒上，塔筒又建立在基础上面。风力发电机组通过叶轮捕获风能，进而转化成机械能带动发电机转子进行发电。叶轮直径越大、叶轮轮毂中心高度越高，所捕获的风能越多，发电量越多。当前，大多数风力发电机组的平均轮毂中心高度在100m左右，少部分先进的大容量机组的轮毂中心高度能达到140～160m左右。然而，若机组的塔筒高度或者叶轮直径进一步增加或增大，机组的安全可靠性要求和成本将大幅提高，进而影响风场经济性。基于当前阶段的技术发展趋势，虽然风力发电机组继续保持向大型化、定制化和智能化方向发展，但是由于叶轮尺寸材料和工艺、塔筒高度与成本经济性的制约，不能无限制的突破，将可能导致风力发电机组在相当长的时间内只能在250m以下的低空捕获风能。

而众所周知，高空较低空，风速较快、风能资源极为丰富、风切变小、能量密度大。为了能利用高空中的风能，世界各国相继研制了利用高空气流做功的风能接收装置。其中，最具有代表性的是高空风筝发电技术，存在多种形式，其中较为成熟的是飞行器空中发电模式，即将轻型涡轮发电机与涡轮机叶片安装在轻量级的风筝或者飞行器上。风筝或飞行器放飞到高空时，涡轮机叶片受到气流的作用旋转，从而带动与叶片连接的涡轮发电机转子转动，产生电能，然后通过带金属芯的缰绳把电能传送回地面并网发电。相较于常规的风力发电机组，风筝发电装置能在250m以上的高空捕获更加优质的风能。

目前，在新能源领域的风力发电的技术方案中，风力发电机组的低空风能捕获方案日趋成熟，并向深远海漂浮式、大型化、智能化的方向继续演化。风筝发电的高空风能捕获方案正在发展，潜力巨大。然而，低空风能捕获+高空风能捕获整体解决方案尚未形成，低空风能与高空风能协同捕获的方案还未出现，新能源获取方式布局存在可整合空间。并且，无论是风筝发电，还是风力发电机组，都需要一定运动空间、海缆、变电站和基础。若一定占地面积的风电场采用任一种单独方案或者两者组合方案时，由于两方案的占地面积和运动空间存在竞争关系(例如单位地面或者海面设置了风力发电机组的基础时，此处便无法设置风筝发电装置的基础)，风电场可容纳的各方案机型有限，风电场发电量受限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种高低空风能协同捕获发电装置，能实现低空和高空风能协同捕获，提高风电场发电量。

本实用新型的目的可以通过如下技术方案实现：一种高低空风能协同捕获发电装置，包括低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统、共支撑承载系统以及并网系统；低空风能捕获发电系统设置于共支撑承载系统上；高空风能捕获发电系统设置于低空风能捕获发电系统顶部；并网系统设置于共支撑承载系统内部，并通过电缆分别与低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统连接；

所述高空风能捕获发电系统包括飞行器以及舱基系统；所述舱基系统包括转向装置以及牵引装置；

所述转向装置包括塔筒、底盘驱动电机以及舱基转塔轴承；塔筒固定在低空风能捕获发电系统顶部；底盘驱动电机位于塔筒内部并设有齿轮箱；舱基转塔轴承设置在塔筒底部并设有齿圈；所述齿轮箱与齿圈啮合传动；

所述牵引装置包括卷扬支撑板、卷扬驱动电机、离合器、联接轴、辊轴以及电缆；卷扬支撑板固定在塔筒上，卷扬驱动电机固定在卷扬支撑板上，卷扬驱动电机的输出轴与离合器的主动盘连接，离合器的从动盘与联接轴连接，联接轴与辊轴连接，电缆缠绕在辊轴上，电缆一端与飞行器连接，另一端与并网系统连接；

所述飞行器包括机身、机翼、发电电动机以及叶轮；机翼设置在机身两侧，发电电动机、叶轮设置在机翼上。

进一步地，所述转向装置还包括底盘制动盘以及制动器，底盘制动盘固定在塔筒内壁并通过螺栓与舱基转塔轴承连接，制动器固定在低空风能捕获发电系统顶部并与底盘制动盘连接。制动器可在制动工况下制停塔筒。

进一步地，所述牵引装置还包括电缆导向装置，电缆导向装置包括导向轮、导向轮支撑杆以及导向机构底板；导向轮设置在导向轮支撑杆上，导向轮支撑杆设置在导向机构底板上，导向机构底板固定在卷扬支撑板上。

进一步地，所述卷扬支撑板上设有滑轨以及伺服丝杆或液压杆，导向机构底板与滑轨滑动连接，伺服丝杆或液压杆与导向机构底板连接。电缆导向装置可以对电缆角度进行导向。

进一步地，还包括悬停装置，悬停装置包括悬停支撑梁以及悬停支撑板；悬停支撑梁固定在卷扬支撑板上，悬停支撑板固定在悬停支撑梁上，悬停支撑板呈与飞行器机身形状相适配的弧形。

进一步地，所述飞行器上设有悬停挂钩。飞行器悬停时，可通过悬停挂钩挂在悬停装置上。

进一步地，所述卷扬支撑板包括纵向支撑板以及支撑底板，纵向支撑板与支撑底板垂直设置，支撑底板固定在塔筒顶部，卷扬驱动电机通过电机托架固定在纵向支撑板上。

进一步地，所述塔筒内设有电气柜，电气柜集成了卷扬驱动电机和底盘驱动电机的控制系统，以及飞行器动力供给单元以及电力逆变系统。

进一步地，所述低空风能捕获发电系统顶部设有机顶平台，转向装置固定在机顶平台上。

进一步地，所述并网系统包括低空并网系统、高空并网系统以及变电系统。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、实现低空和高空风能协同捕获，进一步提高风电场发电量，风电场增值，实现风电场价值最大化。

2、高空风能捕获发电系统的捕风高度在低空风能捕获发电系统的高度上进一步提高，捕获更高天空的优质风能。

3、在高空风能捕获发电系统发电限高一定的情况下，削减缰绳电缆的长度，减少缰绳电缆的总风阻以及缰绳电缆传递的电量损失，提高发电效率。

4、牵引装置可以作为发电装置的动力绞车，在吊装和运维的时候，吊运一些发电装置的零部件或工具工装。

5、通过高低空的空间错位，消除现有高空和低空风能捕获技术方案的竞争关系，构建互补关系。

6、共用共支撑承载系统、电缆和变电设备，取消高空风能捕获发电系统自身的基础基站，捕获高空风能，一份成本，多份收益；

7、弥补市场尚未存在高低空风能协同捕获整体解决方案的空白，优化新能源获取方式，创造崭新的新能源市场增值模式。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种高低空风能协同捕获发电装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例中高空风能捕获发电系统的安装位置示意图；

图3是本实用新型实施例中高空风能捕获发电系统的安装位置示意图；

图4是本实用新型实施例中转向装置的半剖结构示意图；

图5是本实用新型实施例中转向装置的俯视图；

图6是本实用新型实施例中底盘驱动电机结构示意图；

图7是本实用新型实施例中齿轮箱与齿圈啮合示意图；

图8是本实用新型实施例中制动器结构示意图；

图9是本实用新型实施例中制动器与底盘制动盘连接示意图；

图10是本实用新型实施例中高空风能捕获发电系统结构示意图；

图11是图10的侧视图；

图12是图10的局部图；

图13是本实用新型实施例中牵引装置的剖面图；

图14是本实用新型实施例中悬停装置结构示意图。

其中：1：低空风能捕获发电系统，11：机顶平台，2：高空风能捕获发电系统，3：共支撑承载系统，4：舱基系统，41：塔筒，42：底盘驱动电机，43：舱基转塔轴承，431：舱基转塔轴承内圈，432：舱基转塔轴承外圈，44：齿轮箱，45：齿圈，46：电机支撑杆，47：支撑杆连接底板，48：底盘制动盘，49：制动器，410：制动器支撑垫块，411：纵向支撑板，412：支撑底板，413：卷扬驱动电机，414：离合器，415：联接轴，416：辊轴，417：电缆，418：导向轮，419：导向轮支撑杆，420：导向机构底板，421：悬停支撑梁，422：悬停支撑板，423：悬停挂钩，424：电气柜，425：保护罩，426：电机托架，427：卷扬驱动电机轴承，5：飞行器，51：机身，52：机翼，53：发电电动机，54：叶轮。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1所示，一种高低空风能协同捕获发电装置，包括低空风能捕获发电系统1、高空风能捕获发电系统2、共支撑承载系统3以及并网系统(图中未示出)。低空风能捕获发电系统设置于共支撑承载系统上，高空风能捕获发电系统设置于低空风能捕获发电系统顶部，并网系统设置于共支撑承载系统内部，并通过电缆分别与低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统连接。

低空风能捕获发电系统由当前现有的风力发电机组的叶轮系统和主机系统组成。叶轮系统负责低空风能的捕获，由叶片、变桨系统、轮毂系统、导流罩等组成；主机系统主要负责对风、制动和能量转换等，将机械能转化成电能，其包含传动链系统、低空发电系统、偏航系统、制动系统和液压润滑冷却系统。

共支撑承载系统是公共的承载部件，同时支撑高空风能捕获发电系统和低空风能捕获发电系统。由风力发电机组的塔筒系统和基础系统组成，低空风能捕获发电系统与高空风能捕获发电系统都由共支撑承载系统支撑，因此消减了现有技术中高空风能捕获发电系统的基础。

并网系统由低空并网系统、高空并网系统、变电系统组成。低空并网系统和高空并网系统均是由升压变压器、开关设备和无功补偿装置等组成，区别在于低空并网系统是将低空风能捕获发电系统发电的电能进行转化、传递，高空并网系统则是将高空风能捕获发电系统发电的电能进行转化、传递。变电系统包括集电线路和升压变电站，负责收集低空和高空并网系统传递的电量，升压后传送到主电网。通过并网和变电电路的共用，较现有技术，削减了部分电缆和变电设备。

如图2、3、11所示，高空风能捕获发电系统包括舱基系统4以及飞行器5，舱基系统包括转向装置以及牵引装置。

如图4、5所示，转向装置包括塔筒41、底盘驱动电机42、舱基转塔轴承43、底盘制动盘48以及制动器49。如图2、3所示，低空风能捕获发电系统顶部设有机顶平台11，塔筒固定在机顶平台上。如图6、7所示，底盘驱动电机位于塔筒内部，其底部设有齿轮箱44，齿轮箱上的齿轮为小齿。齿轮箱周围设有电机支撑杆46，电机支撑杆通过支撑杆连接底板47固定在机顶平台上。舱基转塔轴承设置在塔筒底部，舱基转塔轴承内圈431上设有齿圈，舱基转塔轴承外圈432通过螺栓与机顶平台连接。齿圈为大齿，可与齿轮箱上的小齿啮合传动，从而由底盘驱动电机驱动塔筒转动。本实施例中，塔筒内对称设置有两个底盘驱动电机。

如图8、9所示，转向装置还包括底盘制动盘以及制动器。底盘制动盘与转塔内壁焊接在一起，并通过螺栓与舱基转塔轴承内圈连接。制动器支撑垫块410通过长螺栓固定在机顶平台上，制动器设置在制动器支撑垫块上并与底盘制动盘连接。正常工作时，塔筒随着飞行器动作而动作；制动工况时，制动器动作，抱死底盘制动盘，从而制停塔筒，进而限制飞行器飞行状态。本实施例中，塔筒内对称设置有两个制动器。

塔筒内部还设有电气柜424，电气柜集成了卷扬驱动电机413和底盘驱动电机的控制系统，以及飞行器动力供给单元和电力逆变系统。

如图11-13所示，牵引装置包括纵向支撑板411、支撑底板412、卷扬驱动电机413、离合器414、联接轴415、辊轴416以及电缆417。纵向支撑板与支撑底板垂直设置，支撑底板固定在塔筒顶部。卷扬驱动电机通过电机托架426固定在纵向支撑板上，卷扬驱动电机外部还设有保护罩425。卷扬驱动电机的输出轴与离合器的主动盘连接，离合器的从动盘与联接轴连接，联接轴与辊轴连接。离合器的从动盘径向与卷扬驱动电机轴承427内圈连接。电缆417缠绕在辊轴上，电缆一端与飞行器连接，另一端与并网系统连接。电缆是一种内部含金属电缆，耐磨的高强度缰绳电缆。

牵引装置还包括电缆导向装置，电缆导向装置包括导向轮418、导向轮支撑杆419以及导向机构底板420。导向轮设置在导向轮支撑杆上，导向轮支撑杆设置导向机构底板上，导向机构底板固定在支撑底板上。导向装置可以直接固定在支撑底板上，也可以在支撑板底板上设有滑轨以及伺服丝杆或液压杆，导向机构底板与滑轨滑动连接，伺服丝杆或液压杆与导向机构底板连接，适配飞行器角度变换时电缆角度导向的需求。

如图3、14所示，发电装置还包括悬停装置，悬停装置包括悬停支撑梁421以及悬停支撑板422。悬停支撑梁固定在支撑底板上，悬停支撑板固定在悬停支撑梁上，悬停支撑板呈与飞行器机身形状相适配的弧形。飞行器机身上设有悬停挂钩423，飞行器悬停时，飞行器机身上的悬停挂钩搭在悬停支撑板上。

如图10所示，飞行器包括机身51、机翼52、发电电动机53以及叶轮54。机翼设置在机身两侧，发电电动机、叶轮设置在机翼上。飞行器系统采用技术方案比较成熟的无人机系统，飞行器飞行初期时，发电电动机切换成电动机模式，转动叶轮，将飞行器带到合适高空中的发电位置；此时飞行器进入随风飞行状态，发电电动机切换成发电机模式，高空气流吹动叶轮，叶轮带动发电电动机发电，电量通过电缆传递到下方的舱基系统进行并网。

在飞行器飞离舱基系统的初期，牵引装置处于被动工作姿态，卷扬驱动电机不通电，离合器不通电(使用电磁离合器的时候)，离合器的主动盘和从动盘处于分离状态，辊轴被飞行器带动，联接轴、离合器的从动盘被动转动。

在飞行器归舱或者需要主动卷扬时，卷扬驱动电机通电，离合器通电(使用电磁离合器的时候)，离合器的主动盘和从动盘处于结合状态，辊轴被卷扬驱动电机带动，进行主动卷扬。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，包括低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统、共支撑承载系统以及并网系统；低空风能捕获发电系统设置于共支撑承载系统上；高空风能捕获发电系统设置于低空风能捕获发电系统顶部；并网系统设置于共支撑承载系统内部，并通过电缆分别与低空风能捕获发电系统、高空风能捕获发电系统连接；

所述高空风能捕获发电系统包括飞行器以及舱基系统；所述舱基系统包括转向装置以及牵引装置；

所述转向装置包括塔筒、底盘驱动电机以及舱基转塔轴承；塔筒固定在低空风能捕获发电系统顶部；底盘驱动电机位于塔筒内部并设有齿轮箱；舱基转塔轴承设置在塔筒底部并设有齿圈；所述齿轮箱与齿圈啮合传动；

所述牵引装置包括卷扬支撑板、卷扬驱动电机、离合器、联接轴、辊轴以及电缆；卷扬支撑板固定在塔筒上，卷扬驱动电机固定在卷扬支撑板上，卷扬驱动电机的输出轴与离合器的主动盘连接，离合器的从动盘与联接轴连接，联接轴与辊轴连接，电缆缠绕在辊轴上，电缆一端与飞行器连接，另一端与并网系统连接；

所述飞行器包括机身、机翼、发电电动机以及叶轮；机翼设置在机身两侧，发电电动机、叶轮设置在机翼上。

2.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述转向装置还包括底盘制动盘以及制动器，底盘制动盘固定在塔筒内壁并通过螺栓与舱基转塔轴承连接，制动器固定在低空风能捕获发电系统顶部并与底盘制动盘连接。

3.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述牵引装置还包括电缆导向装置，电缆导向装置包括导向轮、导向轮支撑杆以及导向机构底板；导向轮设置在导向轮支撑杆上，导向轮支撑杆设置在导向机构底板上，导向机构底板固定在卷扬支撑板上。

4.根据权利要求3所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述卷扬支撑板上设有滑轨以及伺服丝杆或液压杆，导向机构底板与滑轨滑动连接，伺服丝杆或液压杆与导向机构底板连接。

5.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，还包括悬停装置，悬停装置包括悬停支撑梁以及悬停支撑板；悬停支撑梁固定在卷扬支撑板上，悬停支撑板固定在悬停支撑梁上，悬停支撑板呈与飞行器机身形状相适配的弧形。

6.根据权利要求5所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述飞行器上设有悬停挂钩。

7.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述卷扬支撑板包括纵向支撑板以及支撑底板，纵向支撑板与支撑底板垂直设置，支撑底板固定在塔筒顶部，卷扬驱动电机通过电机托架固定在纵向支撑板上。

8.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述塔筒内设有电气柜，电气柜集成了卷扬驱动电机和底盘驱动电机的控制系统，以及飞行器动力供给单元以及电力逆变系统。

9.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述低空风能捕获发电系统顶部设有机顶平台，转向装置固定在机顶平台上。

10.根据权利要求1所述的一种高低空风能协同捕获发电装置，其特征在于，所述并网系统包括低空并网系统、高空并网系统以及变电系统。

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