专利名称：系缆气球风力涡轮发电机的制作方法
系缆气球风力涡轮发电机背景技术本发明涉及"系缆气球风力涡轮发电机"，指的是把风力转化电能的风力发 电设备，尤其是指那些配备在潮位或潮位以上的风力站。但是，在另一个实施方 式中，本发明同样能用于深海水流发电，更准确一点说，称为系缆式水中暗流涡 轮发电机。近年来，与其它能量来源相比，风力站变得更有影响力和更具竞争力，但是 安装和维护费用仍然是最为昂贵的。因此，风力站总体每度耗费仍然很高，导致 了它们只能勉强配置使用，仅为电网贡献了很小的一部分。现代的风力站如今应用的基本方法是水平悬挂，大直径，三个叶片的螺旋 桨，其轮转以每分低转速运转在一个相当大的扫区内。嫘旋桨的轮转中心轴悬挂 越高越好。随着地面上高度的增加，风力的固有速度按比例增长。传统风力站有 很髙很结实的塔式结构。尤其是它们有深深扎入到地下的水泥基钢管塔。这个系统要很仔细的策划和合理选址以适应周围地形。塔必须有一个中枢楼 梯或者其他的方法，允许建设和操作者爬上高处的机械设备。塔必须配备重型变 速器、电涡轮机、组合螺旋桨并且足够结实以对抗大风、甚至地震。这个系统更为复杂的是，上吊舱和变速器/涡轮机的外壳必须足够在一个竖 直的枢轴上转动，以便螺旋桨无论白天黑夜的任何时间都能准确的对准风向。在许多风力站系统里，为了调节节距，风车的单个叶片都能够围绕他们的单 个纵轴回转。根据现场的任何时间的标称风速条件，他们能够最佳的优化叶片间 距。如果标称风速太大，它们同样能够改变叶片间距来使螺旋桨旋翼周期变距。 某些情况下，风车被锁定不能旋转，叶片被"羽"化来防止风雪对机器的大损害。 这个节距调节技术大大地增加了风力站的支出。传统的风力站的另一个主要问题就是在雷暴雨期间，因为闪电所引起的损害。叶片能够向上偏300英尺，而且是闪电寻找通入地面传导通路的一个很好来 源。 一些最近设计的风力站用可置换牺牲闪电传导吸引物系统，把吸引物建立在 每个风车蠊旋桨叶片中，有助于引导闪电远离包括叶片本身的脆弱的合成结构。仍然存在着这样的事实，风车停歇和维修费用的主要原因之一就是由雷电 所引起的损坏。许多风力站的规格大小也是检修、诊断和返修的主要问题之一。 很多时候，工人不得不用绳索，攀爬来完成对大型机器的维修。这样既昂贵又危 险。在最近几年就有工人在维修叶片时死亡。总之，据悉，没有哪个现行的风力 站能够在非高成本的塔结构、高维修费用、高危险的诊断检修风车叶片的条件下， 提供既具有竞争力、又便宜的能量生成。发明内容作为一个改进的风力站，本发明是一个集合了比空气还轻的结构设计和一个 空气动力造型的特殊设计。空气动力造型通过一个可靠性能测定相对精确而直径 较小的涡轮发电机集中风力，因此不需要固定塔。这个比空气还轻的机器被系到 地面上，因此能够自由地、自动地、最佳地将自己对准盛行风向，且功效不损失。 系链也为涡轮发电机将电能传到基站提供了导电路径，在基站电能可以进入栅格 或者现场应用。在一个实施例中，这个系统采用了超轻量随车携带气象诊断电脑 技术，能够灵活的知道何时保持在上，何时自动收縮，且在一个潜在的毁灭性暴 风雨过去后，回复到基本防护。这一特征将有效地消除了现行风力站的闪电损害 问题。本发明的数个优点将应用于改良风力站，提供一个降低风力发电成本的设 备，提供一个安装费用更低廉的风力发电机，提供一个诸如维修、鸟类和蝙蝠的 侵害、闪电损害造成的停歇等问题锐减的风力发电机，提供一个可广泛应用的、 低成本的风车设计技术，以使得个体家庭和小社区单位能够负担得起的、实用的， 对大能源公司来说，它是一个诱人的、可用于电网运营中的、矿物燃料的替代物。 另外一个目的就是生产一个本发明的另一个化身——-在水下运作，比水还轻，系 链式海水流涡轮发电机。
图l是根据本发明构造的系缆气球风力涡轮发电机左侧透视图，基本上展示 了漏斗形涡轮发电机的左半侧。图2是图1中系缆气球风力涡轮发电机的右侧透视图。图3是图1和2中涡轮发电机的纵向断面，展示了液体流量、涡轮机内部构成 和控制模块。图4是图1和2中涡轮发电机的前部透视图，展示了一个后悬挂式垂直翼面稳 定器。图5是圉1和2中涡轮发电机的左侧透视图，展示了本发明应用了后保护板稳 定器和前悬挂升降板的组合，来改善稳定性和性能。图6A是图1和2中涡轮发电机的左侧透视图，展示了它系于地面的基础结构 且在中等高度的运作。图6B是图1和2中涡轮发电机的左侧剖面透视图，展示了悬挂开门和内縮到 顶部主皮带轮的系缆气球风力涡轮发电机标准基本结构。图6C是本发明左侧剖面的透视图，展示了悬挂关门和完全被地下ie藏室吸 纳的系缆气球风力涡轮发电机标准基本结构。图6D是图1和2中本发明的系链构成左侧细节透视图，展示它的标准构造。图7A、 7B和7C是图1和2中涡轮发电机的纵向断面，展示了在多种调整情况 下线束蠊旋收縮器和系缆气球风力涡轮发电机的有效的空气动力螺距角。图8A是衝1和2中系缆气球风力涡轮发电机的左侧透视图，展示了一个简易 管状尾粱(110)是如何能够用于悬挂诸如垂直稳定器(52)和水平稳定器(56) 的后翼面的。图8B是阁1和2中涡轮发电机的纵向断面，展示了凹面尾部(112)是如何建 造让排气口 (114)通过尾梁部位的齿缝自行排气。图9A，犯，9C和9D是图1和2中涡轮发电机的纵向断面，展示了许多不同部 位充气结构的形状是如何能潜在地被应用而不实质性的偏离本发明的保护范围。其中10充气箱 12环形14入口 16出口
18联接支架20线束22系链24涡轮机26叶轮转子28发电机30流动液体(空气=风，水=流)32流集中器34流动扩散喷管36叶轮转子头锥38叶轮转子尾椎40提升气体42气体容器膜44膨胀环形前边缘结构46内部构造48控制模块50线束蠊距调试52垂直稳定器54稳定器操纵面56水平稳定器58翼60翼控制面62收縮器控制模块64系链收縮器机构66拨禾轮马达68基础防护结构70电力调节箱72机器人控制圆枕74系链围绕拨禾轮76发电机电力输出线78电缆拨禾轮转化电能控制箱80电力输出电线82外部机壳84主要拉伸部件86正导线88负导线90传导线绝缘层92铰接机舱门94滑车系统96输出塞箱98现场坐垫100叉形杆发射臂102发射臂促动器104气象分析模板106负面攻角108正面攻角110管状尾梁112凹面尾部114排气口具体实施方式
图1是根据本发明构造的系缆气球风力涡轮发电机，从地面上风向角度的左側透视图。漏斗形前入口 (14)由一个引导接近的相对风进入到内部的环(12) 围绕而成。本发明的下部的联接支架(18)用来连接线束(20)和系链(22) 到主体机壳(10)上。大量的风通过入口 (14)，系缆式涡轮机的涡轮机部分， 最终从出口 (16)引出。获自本发明的能源轻于空气，这样在任何风力条件下都 能够保持在上方。图2是根据本发明构造的系缆气球风力涡轮发电机，从地面上风向角度的右 侧透视图。风进入到入口 (14)，通过叶轮转子(26)。涡轮机(24)完成能 量提取，如图所示，接近水漏形内部形状的最狭窄部分。图3是本发明涡轮发电机的纵向断面图。如图所示，内部和外部表面的轮廓 都设计为同空气动力一样有效可行。在根据本发明生成的具体图像中，环形翼部 位外形最优化地将阻力系数降到最低。系缆气球风力涡轮发电机的物理学空气动 力形状的大部分填满了上升的气体(40)，比如氦。提升气体保存在由诸如聚酯 薄膜、聚乙烯和其他的薄膜等聚合物密封的聚合膨胀结构内(42)。整个系缆气 球风力涡轮发电机也可以用一个轻质柔韧的外部或轻质刚硬的外表面来作为形 状构造，从而保护涡轮发电机免受紫外线太阳辐射。能完成这个目的一种柔靭薄 膜就是Tedlar (杜邦)薄膜。外部需要的刚硬物则可以是诸如碳纤基体或碳纳米 管基体。系缆气球风力涡轮发电机出口处(16)有一个吸入流集中器喷管(34)。 在集中器和扩散形喷管中间是一个作为能源转化发电机(28)的涡轮机(24)。 尽管没有展现出来，但是可以预想的是，涡轮机能够自动地利用其他可以用能量 进行转化和存储过程。本发明中可以预想的一个概念就是直接转化旋转运动为电 力，并且应用它随车携带系缆气球风力涡轮发电机来分解水为氢和氧，通过一个 多管系链把这些珍贵的气体运送到地面站，无需任何导线。氢可以保存在地面上 的密闭容器里，有广泛用途。系缆气球风力涡轮发电机的构造是由几个方面构成 的。结构肋(46)支撑着整个涡轮发电机的形状，而且以平稳的方式承担着涡轮 机(24)和发电机(28)的重量。环形结构(12)的设计使之轻量化，且使用 了充满压縮提升气体(40)的膨胀螺旋管结构(44)。实现必要的构造有许多 办法，附图中展示出来的只是本发明的一种可能的结构。转子叶轮(26)与流线 型叶轮头椎(36)和叶轮尾锥(38)相配合。发电机(28)不管有电刷还是没 电刷都能与任何磁转子或磁定片设计组合，而且能由各种材料制成。比较好的选择是使用具有无刷直流电部件和缠绕的超轻稀土永磁铁，这样才可能用碳纳米管 超导电线代替铜来减轻更多重量。传导发电机输出电线(76)连接发电机到线束 (20)上。在联接支架(18)处线束(20)安全地与系缆气球风力涡轮发电机 相连。联接支架(18)能够牢固地悬挂到内部构造或者实质上与系缆气球风力涡 轮发电机外部表面相连或相绑。线束(20)能够坚硬地粘着，或者悬挂成允许机 械伺服电机可控性调整。这一特性体现出来就是线束螺距调试(50)，是通过加 长或縮短一组三点线束(20)的中心部件来控制系缆气球风力涡轮发电机的攻角 的一种方法。操作箱(48)是系缆气球风力涡轮发电机随车携带功用的中枢，控 制着诸如线束螺距调试(50)，飞行设置，发电负荷和任何空气动力操纵面等等。 图4是系缆气球风力涡轮发电机前部透视图，展示了包括悬挂在顶部、连接 在后部的垂直稳定器(52)的本发明实施方式。整个叶轮转子(26)前部和叶 轮头椎(36)是可见的，描述了可以看到的5个叶片。任何的叶轮转子(26)的 叶片数量都是可以接受的，而且将是本发明的一部分。可以看到轻于空气的外部 机壳(10)和气流集中器喷管(32)和圆环(12)。联接支架(18)保障了线 束(20)与系缆气球风力涡轮发电机的相连。还可以看到线束(20)与系链(22) 牢固相连。图5是系缆气球风力涡轮发电机的左侧透视图。展示了本发明应用了大量的 空气动力升降和操纵面来提升整个风能转化技术的稳定性和性能。垂直稳定器(52)和水平稳定器(56)用来帮助保持涡轮机(24)纵轴与相对风向对准。 这些空气动力表面能够既被动又主动地控制或被稳定器操纵面(54)控制。图中 的翼(58)能够增加涡轮发电机额外的上升甚至在风力条件为吹向下的顺风时有 助于保持高度。可以看到翼操纵面(60)，如果需要的话它是用来帮助控制翻滚。 这些控制作用是可以预想由随车携带的控制模块(48)来完全控制的。图6A， 6B和6C展示了系缆气球风力涡轮发电机作为一个系统是由基础防护 构造(68)来完成的。这个基础防护构造(68)将要事先建造，带到现场，或 者可现场建造。它也可以安装在居住区或建筑物的顶上，或者隐藏在下方。图6A是系缆气球风力涡轮发电机的左侧剖面透视图和基础防护构造(68)。 系缆气球风力涡轮发电机运行在地面上的一个合理的高度，且在基础防护构造 (68)的顺风向，而且受涡轮机(22)控制。据设想，该设计可以根据实际风 向的变化，自由顺风地在任何方向漂浮。从长计议，由系缆气球风力涡轮发电机 占用的整个气隙能够描述为倒置的从系链主要粘连载机器控制圆枕(72)出射气
的锥体。顶部直径和内接圆锥半角是依附在诸如整个发明的浮力、最大风速、用 来保持高度的主动飞行控制数量、主动系链设备的扩展和收縮、涡轮发电机负荷 水平等的许多变数上的。为了在飞行中让系缆气球风力涡轮发电机到更高或更低的高度，系链(22)不绕或由系链收缩机器(64)在系链收缩拨禾轮(74)上 往上绕。基础防护构造(68)的剖视图也展示了一个叉形杆发射臂(100)，在 系缆气球风力涡轮发电机将要发射时它就会倒摆，而且为了安全也摆动收回折进 基础防护构造(68)。叉形杆发射臂(100)机器可能形状各异，比如有一个腿 而非叉形杆形状，但是各种样子都起到杠杆的作用来初始移动系缆气球风力涡轮 发电机向上脱离基础防护构造(68)或者向下进入它的墙内。整个基础防护构造 (68)坐落在现场坐垫(98)上。图6B是系缆气球风力涡轮发电机接近发射中间阶段、收回保存阶段的剖面 透视图。在收回保存阶段，系缆气球风力涡轮发电机被拉下脱离天空进入到一个 位置，在该位置，线束(20)与机器控制圆枕(72)接触和相互感应。图中还 展示了基础防护构造(68)同它的铰接机舱门(92 )都是开着的，叉形杆发射 臂(100)在正上方位置，发射臂促动器(102)是完全伸展的。拨禾轮马达(66) 使系链收縮拨未轮(74)旋转，在本发明中系链收縮拨未轮(74)是双向的。 它以一个方向翻滚系链收拨禾轮(74)来缠绕(收縮)系链(22)，而同时向 相反的方向翻转拨禾轮绕开系链(22)，允许浮力系链式涡轮发电机向上升到上 方的气隙。拨禾轮马达(66)的控制是由设置在收缩器控制模块(62)的逻辑 来实现的。同样展示出的是拨禾轮转换能量箱电缆(78)从系链(22)传递电 到电力控制/调节箱(70)，在调节箱电力特征专用来满足需要的特定申请的输 出技术要求。系缆气球风力涡轮发电机的能量通过输出插赛盒(96)被传递到尾 部应用。图6C是整个系缆气球风力涡轮发电机左侧剖面透视图和基础防护构造(68) 作为一个系统被置于储存状态，膨胀机壳(10)和其他成分免于遭受诸如闪电、 大高风、寒冷的暴风雪等恶劣天气情况的损害。在这种情况下，系链(22)被系 链收縮机器(64)完全缠绕到系链收縮拨禾轮(74)上。叉形杆发射臂(100) 在较低位置，发射臂促动器(102)完全收縮。铰接机舱门(92 )展示在一个 关闭的位置。基础防护构造(68)上的气象传感器(104)掌握气隙和保持系缆
气球风力涡轮发电机安全的保存直到未来的情况适合发射。图6D是系链(22)本身的一个细节透视图。在系链的外部机壳(82)内有 两个重要的组成部分，它们是主体拉伸部件(84)和电线。正导线(86)和负 导线(88)都有外皮绝缘套来阻止短路和漏电。理想状态是，主体拉伸部件(84)、 正导线(86)和负导线(88)由碳纳米管材料构成，尽管这些材料不是必需的， 但是在系链(22)部件里碳纳米管材料的应用将大大的提高系缆气球风力涡轮发 电机的整体性能。这是因为系链(22)本身是一个充当对抗系缆气球风力涡轮发 电机的浮力的寄生失重。碳纳米管将使系链(22)本身变得成倍的轻，允许系缆 气球风力涡轮发电机在使用更少提升气体(40)的情况下飞的更高。纳米管电线 的电导性将数倍的高于铜，大大提高整体效能。替代碳纳米材料的许多其他材料 工作性能也很好。比如一些铜芯传导,光纤拉伸，凯夫拉尔纤拉伸，或者聚酯拉伸。图7A， 7B和7C是纵向断面图，展示了系缆气球风力涡轮发电机与相对风相 互感应的俯仰姿态。在图7A中，充气箱(10)的空气动力形状是个位于中立攻 角的环形翼。图7B展示了处于反面攻角状态(106)的系缆气球风力涡轮发电机。这个操 纵是由数种装置完成的。图中示出线束螺距调试(50)己经释放了一些线束(20) 中心线长度，引起了充气箱(10)浮力后端向上移动到相对前端。在这种状况下， 飞着的环形翼将要下降。完成这个反面攻角(106)的另外一种方法就是通过使 用水平稳定器(56)或者翼操纵面(60)的空气动力操纵面。相反的，在图7C 中，展示了线束蠊距调试(50)拉到线束中心线(20)引起充气箱(10)后端 相对于前端下移。这个正面攻角(108)将引起飞着的环形翼系缆气球风力涡轮 发电机上移，允许能量收获涡轮机系统增加电输出而不用大量损失高度。涡轮机 的更高定位意味着更多叶轮转子(26)的整体阻力，造成容易下降的趋势。这个 问题可以通过更大的正面攻角(108)操作平衡或改良，造成容易上升的趋势。图8A是系缆气球风力涡轮发电机的左侧透视图，展示了管状尾部吊杆(110) 能够用于悬挂后稳定器翼面。图8B是图1和2中系缆气球风力涡轮发电机的纵向断面视图。展示了凹面尾部部分(112)如何能够制作成允许通过尾部的吊杆部分本身排放气体(114)。 图9A展示了图1和2中涡轮发电机的纵向断面和翼剖面充气箱(10)狭长轮廓。图9B是一个充气箱的极其短小的纵向翼剖面轮廓潜在的形状。由于它的大 环形(12)外部直径相对于它的涡轮机直径和空气排气口 (16)外部直径可能 是有效的。本发明实施方式的一个优越特点是前入口 (14)流集中器喷管(32) 的巨大集中比率。展现出来的是集中比率接近6比1，或者更高。图9C展示了 几乎相反的入口 (14)式样。也就是说，它展示了一个很小的尝试，在入口 (14) 集中风力流集中器喷管(32)。集中比率是接近1比1。图9D是一个展示不同 的部位形状和构造样式的纵向断面视图。图中，总的充气箱(10)中提升气体(40) 位于前入口 (14)的环形(12)。在这个实施方式中，流集中器喷管(32)暗 示了一个模拟风插座，集合了一个细锥形墙，无论是坚硬的还是柔韧的材料。与 一个风插座一起，锥形通过风流动穿过变得更加明显。所有这些气体膨胀构造和 许多其他的东西能够设计和制造而不会偏离本发明的范围。 本发明的操作与说明图1和图2展示从风流中转化能量的系缆气球风力涡轮发电机的构成组件。充 气箱(10)充满了氦气或者其他提升气体(40)，这些气体使系缆气球风力涡 轮发电机轻于空气。它形成向上的凹槽并由于空气动力，迫使大量的空气贯穿内 部移动。充气箱(10)的形状类似机翼剖面，能够一直弯曲成一个环。在前部， 漏斗形的入口 (14)被一个环面围绕(12)在前边缘围绕。这些一起引导了表 面的风进入的环翼中部，进入到一个更小的开口处。然后风进入到旋转的引擎涡 轮机(24)的口中，最后退出到后出口 (16)回到大气中。 1.无需变速器流集中器喷管(32)逐渐地引导大的断面区域较缓慢移动的空气到一个较小 的断面区域，但是以更高的速度充满导管。空气动力学原理表明空气移动快两倍 将携带多于8倍的能量，以空气动力学设计的形状装置，能够以一个可控制的方 式集中和加速表面的风，能帮助从风能中提取能量，这是显而易见的。本发明的 目的是应用流集中器喷管(32)使较慢的空气从大断面区域以很高的速度通过涡 轮机(24)移动到较小的断面区域。这减少了涡轮机(24)的物理硬件，使得它能够以较髙速度运转而无需高比率变速器。图3展示了涡轮机(24)被悬挂在充气箱(10)的中部。气流能够通过它流动并传递能量到涡轮机(24)。流动液体(30)的动力学能量，比如流动的风，是当它通过时引起叶轮转子(26)的叶片转动，被转换成机械能或电能。当涡轮 机风的产生输出最大化时，来自风的电能输出也将会最大化。所以，努力使内表 成为流线形是很重要的，在本发明的图中也曾试图显示这个重要性。2. 本发明无需塔实际上在地球地球上的许多地方，风快速吹，获得的潜在的动能是分布在与地面相对倾斜的梯度上的，可以这样描述就像人向上移动能量渐渐增加一样。不像许多现行的风力站，本发明的系缆气球风力涡轮发电机不用塔就可运行，即简单到不用塔。附图中用了系链(22)以把持住顺风航行的充气箱(10)和它 的涡轮机(24)。3. 本发明无需吊舱系缆气球风力涡轮发电机同样也不需要一个复杂的旋转吊舱，这种吊舱目前 盛行于世，它完全顺着风的方向排成一行。系缆气球风力涡轮发电机有一种独特 的能力，可以自动保持自身合理地对准风向，甚至在风向改变的情况下，充气箱 (10)将会自动地移动到天空中最顺风的位置，只受系链(22)的限制。就像 飞机上的舵一样，本发明引导自身回应风向的改变。4. 飞行的系缆气球风力涡轮发电机图6A是本发明在顺风时的操作过程的视图。系链(22)能够受控制地放出 或拉进，以便把充气箱(10)定位在天然风速梯度最佳部分。在这个高度从风力 提取的能量能够最大化。正如图6A、 6B、 6C所示，系缆气球风力涡轮发电机在险恶的天气状况， 猛烈的闪电，停歇时间或者维修期间，使用了基础防护构造(68)来保存轻于空 气的设备。图6A展示了系链(22)被放出和铰接机舱门(92)被关闭的情况。当功率 输出在涡轮机(24)上不间断时，收縮控制模块(62)仍然不工作。电能传到 系链(22)，传过系链收縮机器(64)，通过拨未轮转化电能箱电缆(78)， 进入到能i调节箱(70)。在这个阶段，电调节成一种能够与终端用户电力技术 要求兼容的形式，通过输出塞箱(96)退出系统。图6B展示了在发射或收縮中间阶段的系缆气球风力涡轮发电机。在这个阶 段，系链(22)被完全收縮，叉形杆发射臂(100)在正上方，铰接机舱门(92) 大开。如果在发射模式，系链(22)将会放出，轻于空气的充气箱(10)将缓 慢上升。如果在收縮阶段，机器人控制圆枕(72)将旋转充气箱(10)直到设 备合理对准铰接机舱门(92)，然后系统准备最后一个阶段。图6C展示了系缆气球风力涡轮发电机最后一个阶段，充气箱(10)完全处 于存储模式。叉形杆发射臂(100)在放低的水平位置，处于充气箱(10)的下 方。铰接机舱门(92)关闭，整个系统处于备用状态。5. 控制系缆气球风力涡^发电机在本发明中，有一个灵活的逻辑线路。图3中的控制模块(48)将做出很多 决定，比如何时、何地、如何飞行系缆气球风力涡轮发电机。随车携带的控制模 块(48)有自动导航的性能，将发出控制电压信号到各种空气动力控制机械部件， 使得系缆气球风力涡轮发电机飞行和谐，因此达到一个想要的上升轨道和高度。 在发射时，将有一个软件程序控制轻于空气的系缆气球风力涡轮发电机飞 行。在零风速条件下，甚至或者在大风条件下，系缆气球风力涡轮发电机上升也 将很稳定。这个自动导航的特点使它在风流波动时，保持笔直和水平飞行，这使 它可以应用于更多的地理位置，在这个位置其它的也许就不能用。6. 控制攻角控制充气箱(10)的攻角对于飞行控制来说很重要。通过控制攻角，飞行的 环翼形系缆气球风力涡轮发电机将能够在特定的环境下，实现预定的高度，上升 到最佳位置。 一旦位于较好高度，系缆气球风力涡轮发电机将电动负荷上电力发 电机(28)来增加电讯号输出。正如在图7A， 7B, 7C所示，控制了充气箱(10)的攻角、飞行和最终高度， 来改变在系链(22)顶部的附加装置的特征。这个附加装置利用了一个三点柔韧 线束(20),其方法是调节它来改变攻角，因此改变充气箱(10)上升高度。 本发明的目的是用系链(22)的线束螺距调试(50)设备来改变整个充气箱(10) 上升高度，因此控制它运行的高度。线束螺距调试(50)通过伺服电动机帮助扩 展或者旋转上中心后部线束，来达到这个目的。通过调试线束(20)连接在顶部 描述的整体攻角，因此整个环翼形充气箱(10)上升被控制。想要的高度或者被 拨送到控制模块(48)或者由进行数次变量计算的软件运算法则自动决定。
本发明设想的使用线束螺距调试(50)的好处是控制充气箱(10)的攻角， 将会有更大量的电输出而没有高度的损失。在没有诸如线束螺距调试(50)更高的负荷涡轮机(24)的任何攻角飞行控制下，将意味着增加叶轮转子(26)的叶 片拉力，增加充气箱(10)的整体拉力和下降的整体趋势。这个不理想的情况可 以通过诸如上述的使用线束螺距调试(50)加以改进。伴随着系缆气球风力涡轮发电机发明，有一种自然而然发生的力量平衡。如 果在这个发明在运行时风力上升，充气箱(10)整体力量则增长。自然的反应就 是根据那时系链伸展的长度反击的半径更深远地吸引顺风和弧形切向降低。其 他的保持不变，激起向下移到一个较低高度，因此在自然风速梯度下达到一个较 低的能量水平。这将减低充气箱(10)的受力，造导致收敛向一个自然的平衡发 展。7. 控制发电机控制模块(48)也向系缆气球风力涡轮发电机的发电机(28)电路发出控 制信号。比如，在较好的风力条件下，移动空气流的动能在涡轮机(24)叶片上 增加，转动叶轮转子(26)和发电机(48)。唯一能对抗叶轮转子(26)转动 的是发电机(28)所要求的，在一个给定时点的负荷量或者激磁电路电阻。负荷 给定是一个控制模块(48)能操控和调节的可控变量。系缆气球风力涡轮发电机 利用发电机负荷配置来使能量产出最大化，但是同时保留了适度的空气稳定性和 高度。叶轮转子(26)上的负荷量越大，机器上的整个风力阻力就越大。轻于空 气的充气箱(10)上的总诱导阻力，显示了随着顺风方向矢量的系链(22)上 的张力。系链(22)上的张力由下面的部分对抗。理想来讲，控制模块(48) 应该能够平衡能源产出与位置稳定性和阻力操纵。控制模块利用电子硬件和软件 作为可以完成这个目标的必备设备。8. 控制电讯号输出控制模块(48)也可以决定由发电机(28)输出的电力。为了有效的将产 生出来的能量沿着系链(22)传到下方基础防护构造(68)，可以将电压转换 到更高的电压。如果沿系链(22)通过的电的电压调节得更高的话，将会有更少 的线路损耗。控制模板(48)会发挥这个功用。总之，系缆气球风力涡轮发电机的控制模板(48)发挥以下功能-
利用空气动力操纵面控制充气箱(10)直线和水平飞行。
利用线束螺距调试(50)控制充气箱(10)直线和水平飞行。
采用发电机(48)控制负荷水平。 必要的交换或倒置电压来最优化沿系链(22)传导能量的效率。9. 图5的附加实施方式的操作为了完成改变攻角的目的来控制充气箱(10)的飞行和高度，实际上有两种 方法。第一种是如上所述的利用线束螺距调试(50)的自动电子控制。在附加实施方式中，攻角将由附加翼、稳定器和其他空气动力操纵面来控制。 这一连串影响将增加充气箱(10)的总升力操控和控制它的高度的能力。图5展示了系缆气球风力涡轮发电机利用多种空气动力操纵面才有这样的附 加实施方式。这些包括任一个和所有的主动或被动的内流面，但并不止于那些被 发现的传统的飞艇，比如水平稳定器(56)，垂直稳定器(52)，稳定器操纵 面(54)，任意类型翼(58)或翼操纵面(60)。不可想象所有这些都是必要 的。本发明附加实施方式的目的，也是为了充气箱(10)利用它的空气动力面升 得更高，而不是相反，可能为了抵消由涡轮机(24)的能量提取诱导阻力所引起 的向下高度趋势的所做的努力。应该注意的是系缆气球风力涡轮发电机的充气箱(10)能够通过不太复杂的 系链系统安全固定到地面，而且仍然是天空中珍贵的能量提取机器。或者它能够 在某种程度上以其自身的内部精巧集成电路片控制器、线束螺距调试的复杂操 控，或者它的空气动力翼操纵面(60)来装备，自动运行。后者可能更容易使功 率输出效率最大，但是更易花费更多来运作。这是一个权衡。本申请说明书中所 描述的系缆气球风力涡轮发电机发明为两者都留有了余地。10. 适合天气本发明可以预想的是将有一个微观气象分析模块(104)随车携带，能够自 动拥有样品，或者用感应器实时收集足够的数据来判断可能的闪电或其他危险天 气情况。系缆气球风力涡轮发电机有气象事实的知识，包括但不止于这些，如 湿度、降水、温度、气压等的数据，臭氧的出现或者视听信号，以致于能够规划 做某些事。它能够通过决策公式运行数据来做出行动，比如通过系链(22)内的
旋转立即降低充气箱(10)到一个比较安全的高度。在其他真正险恶的天气下，它能够完全收縮本发明到基础防护构造(68)的安全模式。所有这些都能够自动 完成，而且防止毁灭性的失败，那些只有在诸如闪电触击、龙巻风般的风流或者 摧毀性的冰雹时才得以经历。气象分析模块(104)能够在基础防护构造(68) 上或者其他非随车携带的充气箱(10)的地方任意定位。
11. 图8和9中可替换实施方式的操作 图8A展示了系缆气球风力涡轮发电机一个可选设计，利用一个很简单的吊杆和尾部稳定器配置。它示出了一个直接的和简单的构造方法。
图8B展示了另外一个更加有想象力的配置。从涡轮机(24)排除的空气是 通过尾部构造侧墙上的大量的槽来完成的。
图9A、犯、9C、 9D展示了系缆气球风力涡轮发电机如何能够仍然如上所述 的那样操作，但是却使用不同环翼断面构形。图9A是一个本发明的最优实施方 式的一个延长的方案。图9B是一个更加夸张的方案，涡轮机(24)恰巧坐落在 接近空气出口 (16)，流集中器喷管(32)显示了更大的断面区域比率集中。 图9C展示了涡轮机(24)坐落在接近前边缘环和一个很小的断面区域比率集中 的轮廓。图錢D是一个大部分充气部位自己储备到前端环(12)的概轮廓。
12. 系缆气球风力涡轮发电机的优势
从本发明可以看出系缆气球风力涡轮发电机
提供了一种从风力中获得动能的新方法。 允许使用一个更小，更轻，更快的涡轮发电机，而在叶轮转子(26)和发电机(28)之间不需要一个昂贵和超大比率的变速器。
运行时不需要塔。
不需要复杂的旋转吊舱来对准随风旋转的叶片。
利用提升从总体形状或者从水平翼来发电，因此它能够运行上空更高而非其它从风力中提取的可能。
有可以掌握飞行和天气变量并能对控制轨道、位置、稳定性、高度、发电机负荷水平和功率输出做出反应的控制模块。
电容能来收縮系链(22)和充气箱(10)到一个较低的高度或者最终一直到基础防护构造(68)避免了闪电和恶劣天气造成的损害。
权利要求
1.一种系缆式风轮机包括(a)一个有浮力、轻于空气的设备；(b)所述轻于空气的设备的外壳能容纳提升气体的设备；(c)一个有空气动力形状的外壳的集中入口，自然地引导接近的气流击打轻于空气的设备，这样才能够在集中入口加速气流；(d)一种包括旋转涡轮机引擎的装置能够把加速气流的动能和惯性能量转化成为可用能源的一种方法；(e)上述轻于空气的空气动力形状的设备的外壳的出口允许上述的加速气流从该设备排除；(f)包括与轻于空气设备相连的机电式系链在内的装置，它是一种能够使轻于空气的设备来对抗风的阻力和上述轻于空气的设备的浮力的装置；(g)包括与轻于空气设备相连的机电式系链在内的装置，该装置能够将上述可用能量传输到地面；在此，上述轻于空气的设备与上述的装置能够转换加速气流的动能和惯性能源成为可用能源-能够上升到一个风力条件更好的高度，在集中入口形状内利用集中大断面区域风流，使风流进入到一个位于上述能够自发用于容纳上述提升气体的轻于空气设备的中心的小直径高速风轮机。
2. 按照权利要求1所述的风轮机，其中轻于空气设备呈空气动力形状来提升气 体，由于它的整体外形，风轮机本身是一个上升主体。
3. 按照要求1所述的风轮机，其中外壳的设计是为了给被动飞行稳定性到轻于空气设备提供方法，这些包括诸如无关联水平、垂直、V形和环翼稳定器的 被动稳定器空气动力面，而又不止于这些。
4. 按照要求1所述的风轮机，其中外壳的设计是为了使轻于空气设备实现飞行稳定性提供一个装置，其包括任何形状和型号的主动的关联空气动力操纵 面。
5. 按照要求1所述的风轮机，其中外壳的设计是为了给从上述气流击打轻于空气设备向上提升提供装置，其包括任何形状和型号的空气动力翼面。
6. 按照要求5所述的风轮机，其中从所述装置中获得提升，它是被操控和用于 抵消由上述当加速气流从轻于空气设备内部通过时转换动能和惯性能的方法 面临的迎面阻力阻力的。
7. 按照要求1所述风轮机，其中的轻于空气设备对抗风的阻力的装置是与一个用来控制轻于空气设备的螺距攻角的调节线束相连的，这样调节的目的对于 能量输出最大化和提高轻于空气设备的飞行稳定性是有用的。
8. 按照要求1所述的风轮机，其中转换加速气流的动能和惯性能成有用能源的装置是叶轮转子带动耦合到一个分离水位氢气和氧气的发电机上的涡轮机， 氢气和氧气通过系链的底板上的管送存储容器被吸下到系链。
9. 按照要求1所述风轮机，其中的系链的基本拉伸部件由碳纳米管材料制造。
10. 按照要求1所述风轮机，其中系链的电动控制部件由碳纳米管材料制造。
11. 按照权利要求10所述的风轮机，其中的系链的基本拉伸部件由碳纳米管材 料制成。
12. 按照权利要求1所述的风轮机，其中所述轻于空气设备外壳使用Tedlar膜制 造。
13. 按照权利要求1所述的风轮机，其中所述轻于空气设备的外壳用镀铝聚酯膜 片材料来容纳提升气体。
14. 按照权利要求1所述的风轮机，其中所述轻于空气设备系缆于地面的基础防 护结构上。
15. 按照权利要求14所述的风轮机，其中所述系链收縮机器按照需要一次又一 次地拉进或放出系链。
16. 按照权利要求15所述的风轮机，其中所述收縮机器安装在塔上。
17. 按照权利要求15所述的风轮机，其中所述收縮机器安装在建筑物的顶部。
18. 按照权利要求15所述的风轮机，其中所述收縮机器安装在一个运载工具上。
19. 按照权利要求15所述的风轮机，其中所述收縮机器安装在一个船上。
20. 按照权利要求10所述的风轮机，其中所述收縮机器安装在一个海上的浮标 上。
21. 按照权利要求1所述的风轮机，其中轻于空气设备上的控制模块自动地引导 飞行机器，以便保持稳定飞行和适当高度。
22. 按照权利要求1所述风轮机，其中所述控制模块用于所述装置上，掌握和调 节负荷水平，转换加速气流的动能和惯性能成为可用能源。
23. 按照权利要求1所述风轮机，其中所述的控制模块从复杂感应掌握气象数据， 并且在特定逻辑标准需要的情况下，比如恶劣暴风雪或者狂风闪电，决定收 缩轻于空气设备到基础防护构造。
24. 在大气里以低系数阻力飞行的阻形的轻于空气环翼，在前入口有一个漏斗 形风力集中器形状的环带，入口引导接近的相对风进入到在环翼内的涡轮机 回转引擎，涡轮机从穿过的风中提取动能，空气排气口通过涡轮机处于较低 的能量状态，从环翼排遣出。
25. 按照权利要求24所述的风轮机，其中所述环翼由重力作用下添加在包括固 定到地面的物质上的系链，保持不被顺风漂流。
26. 按照权利要求24所述的风轮机，其中所述环翼的空气动力操纵面保持环翼 空气动力稳定性。
27. 按照权利要求24所述的风轮机，其中所述环翼的空气动力提升面保持空气 动力提升，允许环翼爬升到更高高度，达到更高能量输出。
28. 按照权利要求24所述的风轮机，其中所述环翼通过系链上的螺距调试线束 连接到其上，因此能够通过变化整个环翼的攻角保持空气动力提升到环翼， 允许环翼提升到更高高度和达到更高能量输出。
29. 有一个特殊质量和形状的风能获取装置实现双重的目的作为风力加大遮 蔽形状来加速空气从内部悬挂的涡轮机流过；并且同时关闭轻于空气提升气 体，用来提升风力，使装置获得一个风流更强有力的高度。
30. 按照一个轻于水的环翼以低阻力系数的翼型飞行在地面上的河流和海洋上， 在前入口有一个环形，挂有漏斗形液体流集中器，所述入口引导接近的相对 液体流动进入到环翼内的涡轮机旋转引擎，涡轮机提取液体流动通过它时产 生的动能，通过涡轮机出口的液体流目前处于低能源状态，由环翼排遣出。
31. 按照要求30中的环翼是通过由重力作用添加到物质上，包括固定到海床的 物质上的系链来阻止顺流漂流。
32. 按照要求30所述的环翼，其中所述环翼具有附着在其上的流线形的控制面， 以使所述环翼保持流体动力稳定性。
33. 按照权利要求30所述的环翼，其中环翼设有流体动力提升面，以使环翼保 持流体动力提升，允许环翼爬升到更高的高度，获得更到的能量输出。
34.按照权利要求30所述环翼，其中所述环翼具有螺距调试器，通过系链将螺 距调试器连接到其上，因此能够按照需要通过变化整个环翼的攻角来调试流 体动力的提升，允许环翼爬升到更高髙度和获得更高能量输出。
全文摘要
本发明涉及系缆式风轮机，其利用了空气动力学、流集中形状和使用了提升气体的轻于空气构造和固定到地面的电动传导系链从低处或高处的风中获得能量。本设计不需要巨大、昂贵、超大且未见过的塔结构、支点吊舱或者目前在传统水平轴风力站应用的变速器。本发明的系缆式风轮机简单、被动的空中顺风漂移到对准风向的方向和位置。本发明使用感应器和控制模块使得在一般风力规律下优雅地飞行在最佳高度，而且当恶劣天气下需要寻求庇护时能够上升和下降。理想地，出于结构和传导目的，本发明的系缆式风轮机的系链将使用碳纳米管材料。在本发明的最优实施方式中的环翼部位，有一个最佳的、很低的阻力系数。本发明的一个主要优点就是潜在地极大降低安装每千瓦容量的花费，并且每度电运输到终端用户时操作费用较低。
文档编号F03D11/04GK101117941SQ20071006281
公开日2008年2月6日 申请日期2007年1月18日 优先权日2007年1月18日
发明者道格拉斯·艾米克 申请人:郑 东;道格拉斯·艾米克