专利名称：伞型风力装置及风能动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风能转换系统，尤其是涉及一种风能应用中将风能转换为动力的伞型风力装置，以及采用了伞型风力装置实现的风能动力系统。
背景技术：
随着社会的发展，对于能源的需求量越来越大，传统的能源己无法满足现代发展的需要，而且传统能源的使用会对环境造成巨大负担。开拓新型能源是时代发展的必须，而风力能源就是新型能源的代表之一，如在现代高速公路边都设有很多的风力发电装置，风力资源是具有强大的潜在能源，能给我们提供巨大的能源。风能是一种清洁的可再生能源，将高空风能充分能利用起来为人类所用，是科学研究工作者一直关注的热点话题。高空风及高空风能的特点是风速大、平均能量密度高、 地域分布广、稳定性高、常年不断。高空风能的诸多优势使其越来越受到世界各国的重视。高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。高空风能的采集和利用是全世界范围内的新兴研究领域，高空风能的采集和控制的难度高，导致很多普通的高空风力动力系统产生的电能小而且不稳定。世界上利用高空风能进行发电的方式主要有两种一种是将发电机悬置于高空中；另一种是将发电机设置在地面。发电机悬置于高空的发电系统，受制于空中系统的重量和体积不能过大等问题，发电机悬置于高空的发电系统的空中部分不能实现很好的控制和实现大的发电量。高空风筝型发电的发电机设置在地面，可风筝型高空风能发电系统的风筝既是平衡体又是做功体， 在平衡和做功之间相互影响，不能实现很好的做功效果。因此，目前常见的高空风能的发电系统或动力系统难以实现高空部分控制的稳定性，导致传递给发电系统或做功系统的能量不稳定，不能充分满足人类生产和生活的需求。
发明内容
本发明提出一种将风能转换为动力的伞型风力装置及风能动力系统，实现空中部分的良好的控制性能，为做功机械稳定地传递能量。本发明采用如下技术方案实现一种伞型风力装置，受中央控制装置的控制，其包括与地面成一角度设置的做功绳；从下至上依次连接在做功绳上的控制箱、滑筒、做功伞和平衡装置，且控制箱固定做功绳上且无线连接中央控制装置；连接在做功伞的伞形边缘与滑筒之间的若干细绳；连接在控制箱与滑筒之间，且由控制箱控制其伸长量变化的伞控制绳；其中，当控制箱到达相对地面的工作下限位置时，中央控制装置向控制箱发出的第一控制信号，由控制箱控制将伞控制绳的长度缩短并保持为一个较短的固定长度；在风力作用下使做功伞打开并拉动做功绳上升，当控制箱到达相对地面的工作上限位置时，中央控制装置向控制箱发出的第二控制信号，由控制箱控制将伞控制绳的长度变长。在一个优选实施例中，控制箱包括用于控制伞控制绳的伸长量变化的小卷扬机，小卷扬机通过伞控制绳连接滑筒；用于在检测到控制箱到达工作下限位置时，发出第一提示信号以触发中央控制装置发出第一控制信号，且在检测到控制箱到达工作上限位置时， 发出第二提示信号以触发中央控制装置发出第二控制信号的位置检测器。在一个优选实施例中，所述伞型风力装置还包括固定连接在做功绳上的挡块，挡块位于做功伞与平衡装置之间。在一个优选实施例中，在控制箱到达工作上限位置时，做功伞的伞形顶部的位置低于挡块。在一个优选实施例中，平衡装置包括固定连接在做功绳的顶部末端的升力导引体；固定连接在做功绳上的平衡伞。本发明还公开一种使用上述伞型风力装置的风能动力系统，其包括伞型风力装置，用于在高空收集风能，将风能转换为机械能；连接伞型风力装置的卷扬机，该卷扬机轴连接做功装置，并为做功装置提供动力；用于控制伞型风力装置和卷扬机的中央控制装置， 且根据控制箱发出的放绳完毕信号控制卷扬机转动以牵引做功绳下降。在一个优选实施例中，伞型风力装置中的做功绳连接在卷扬机的卷筒。在一个优选实施例中，卷扬机和做功装置之间连接有单向离合器，单向离合器的中心轴承的其中一端通过一个联轴器与卷扬机的转轴连接，另一端通过另一个联轴器与做功装置的传动轴连接。在一个优选实施例中，卷扬机包括连接做功绳的卷筒；电磁离合器；减速齿轮箱；由中央控制装置控制转动的电动机；其中，电磁离合器的中心转轴通过减速齿轮箱连接卷筒的转轴，且电磁离合器与电动机耦接。在一个优选实施例中，做功装置为发电机、抽水机或搅拌机。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果
本发明由于伞控制绳和做功绳分开控制，使伞型风力装置的控制更容易，且做功伞的开合不会影响空中平衡系统的稳定性，使本发明提出的风能动力系统的空中部分具有良好的稳定性能和控制性能，且地面部分做功机械传递能量的稳定性能都得到了很大的提高。
图1是本发明的结构示意图2是本发明中伞型风力装置的工作原理示意图； 图3是本发明的中央控制装置对卷扬机和控制箱的控制关系示意图。
具体实施例方式基于现有高空风能应用设备存在高空部分设备难于控制和能量转换不稳定的缺陷，本发明提出一种风能应用中将风能转换为动力的伞型风力装置，以及采用了伞型风力装置实现的风能动力系统，具有控制稳定和能量转换稳定的特点。如图1所示，本发明提出的风能动力系统包括用于在高空收集风能，将风能转换为机械能的伞型风力装置1 ；连接伞型风力装置1的卷扬机2，该卷扬机2轴连接做功装置 3，由卷扬机2进一步将机械能传递给做功装置3 ；以及用于控制伞型风力装置1和卷扬机2 的中央控制装置4。且卷扬机2、做功装置3和中央控制装置4固定在地面上。
其中，伞型风力装置1包括做功绳10，该做功绳10的一末端连接卷扬机2的卷筒20、另一末端连接升力导引体16 ；连接在做功绳10上且彼此之间保持有一定距离的做功伞11和平衡伞17，且平衡伞17位于做功伞11的上方；设置在做功伞11和平衡伞17之间的做功绳10上的挡块12 ；在做功伞11的伞形边缘上连接至少3根细绳18，每根细绳18的一端系住所述做功伞11的外侧边缘，另一端固定连接位于做功伞11下方且套接设置在做功绳10上的滑筒19 ；在滑筒19下方的做功绳10上固定连接控制箱13，控制箱13内装有小卷扬机14和位置检测器，小卷扬机14与滑筒19之间通过伞控制绳15连接，所述伞控制绳15在控制箱13的小卷扬机14带动下控制做功伞11的开合。其中，卷扬机2为卧式的电动卷扬机。卷扬机2包括卷筒20、电磁离合器21、减速齿轮箱22和电动机23。电磁离合器21的中心转轴210通过减速齿轮箱22连接卷筒20 的转轴200，且电磁离合器21与电动机23耦接。电动机23连接中央控制装置4，由中央控制装置4控制电动机23工作，从而通过电磁离合器21和减速齿轮箱22驱动卷筒20正向转动或反向转动，控制做功绳10收拢做功伞11的收伞速度。另外，固定在地面的卷扬机2和做功装置3之间连接有单向离合器5，单向离合器 5的中心轴承50的其中一端通过一个联轴器6与卷扬机2的转轴200连接，另一端通过另一个联轴器6与做功装置3的传动轴30连接。其中，单向离合器5的传动方向为所述做功绳10上升做功时卷筒20的转动方向，这样，卷扬机2就通过单向离合器5将机械能传递给做功装置3。结合图2和图3所示，本发明提出的风能动力系统的工作原理如下
卷扬机2、做功装置3和中央控制装置4固定在地面上，做功绳10穿过并系住升力导引体16 ；升力导引体16和平衡伞17在风力的作用下上升，在上升时和之后工作状态，升力导引体16和平衡伞17始终保持打开，保持空中部分的平衡和稳定。升力导引体16和平衡伞 17上升带动做功伞11开始上升。由于控制箱13固定连接在做功绳10上的某个位置，控制箱13与卷扬机2的卷筒 20之间做功绳10的长度B ；以卷扬机2、做功装置3和中央控制装置4固定的地面为地面， 在工作过程中，固定在做功绳10上的控制箱13在相对地面的工作下限高度Hl和工作上限高度H2，下限位置Hl和上限位置H2之间的做功绳10的长度A。1、未工作状态下，做功伞11处于收拢状态；在自身重力作用下，做功伞11和控制箱13相对地面均位于工作下限高度Hl的下方。2、随着风速、风力的增加，做功伞11受风力作用开始带动上行，在控制箱13还没有到达工作下限高度Hl时，控制箱13根据中央控制装置4发出的第一控制信号，控制小卷扬机14转动收拢伞控制绳15，并于拢伞控制绳15后锁紧(若小卷扬机14在控制箱13收到第一控制信号之前，已经收拢伞控制绳15，则小卷扬机14直接锁紧——即不做任何方向的转动)，使伞控制绳15处于收紧状态(连接在小卷扬机14与滑筒19之间的伞控制绳15的长度较短);做功伞11在上风过程中，通过细绳18拉动滑筒19沿着做功绳10上升，而滑筒 19通过伞控制绳15带动控制箱13上升运动，且由于控制箱13固定在做功绳10，从而由控制箱13带动做功绳10上升运动。3、当风速达到一定的条件时，做功伞11已完全打开，此时，控制箱13上升至工作下限位置H1，控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度Bi。由于做功伞11打开时迎风面积很大，在风力的作用下，做功伞11继续上升使做功绳10产生很大的向上的牵引力，带动卷扬机2的卷筒20转动很大的机械能。4、当控制箱13上升至工作上限高度H2时，此时控制箱13与卷筒20之间做功绳 10的长度B2 (B2= Bl+Α);此时，控制箱13中的位置检测器向控制箱13发出已到达工作上限高度H2的第二提示信号，控制箱13检测到第二提示信号并反馈给中央控制装置4，由中央控制装置4向控制箱13发出的第二控制信号，控制箱13根据第二控制信号控制小卷扬机14解锁，此时小卷扬机14可自由转动，使连接在小卷扬机14与滑筒19之间的伞控制绳 15的长度变长；同时，由于做功伞11保持打开状态在风的作用下继续上升，伞控制绳15带动小卷扬机14转动，使控制箱13此时却不跟随做功伞11继续上升(即使保持控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度B2);由于在做功绳10上方设有挡块12，做功伞11的伞形顶部被挡块12阻挡停止上升，而滑筒19在惯性作用下继续上升，从而使系在滑筒19与做功伞11外侧边缘之间的细绳18不再受力，使做功伞11收合起来。5、做功伞11收合完毕后，控制箱13中的小卷扬机14发出放绳完毕信号传递给控制箱13，控制箱13将信号无线传送反馈给地面的中央控制装置4，中央控制装置4同时控制卷扬机2中的电动机23转动，带动电磁离合器21传动，其中，电磁离合器21的传动方向与所述做功绳10上升做功时卷筒20的转动方向相反，使卷筒20反方向转动而将控制箱13 与卷扬机2的卷筒20之间做功绳10收拢。6、当控制箱13下降到重新到达工作下限高度Hl时(此时控制箱13与卷筒20之间做功绳10的长度Bi)，控制箱13中的位置检测器向控制箱13发出已到达工作下限高度 Hl的第一提示信号，控制箱13检测到第一提示信号并反馈给中央控制装置4，由中央控制装置4向控制箱13发出的第一控制信号，控制箱13根据第一控制信号控制小卷扬机14快速反转收起伞控制绳15，伞控制绳15收起之后小卷扬机14紧锁；同时在风力的作用下做功伞11重新打开进行新一轮的上升做功运动，周而复始。因此，做功伞11打开后，拉动做功绳10上升的过程中，做功绳10对卷扬机2的卷筒20产向上牵引力，带动卷筒20转动，而卷筒20通过单向离合器5、联轴器6驱动做功装置3工作；而做功伞11收拢后，不再拉动做功绳10上升，做功绳10也不再对卷筒20产向上牵引力，此时是无法驱动做功装置3工作。在一个优选实施例中，位置检测器包括GPS信号接收器和控制器，GPS信号接收器从卫星接收GPS信号，由控制器分析GPS信号获取控制箱13的位置信息，并根据控制箱13 的位置信息是否达到工作上限位置Hl或工作上限位置H2时，分别发出第一提示信号或第二提示信号。当然，本领域的技术人员可以获知，控制器将GPS信号转发给中央控制装置4， 由中央控制装置4判断控制箱13的位置信息，并根据控制箱13的位置信息发出第一或第二控制信号。在另一个优选实施例中，做功装置3为发电机，卷扬机2通过中心轴转动带动发电机转动，将机械能传递给发电机，由发电机转动产生电能，实现风能_机械能_电能的转换。当然，也可以为抽水机或搅拌机，抽水机或搅拌机同样可以通过卷扬机2的转动传递机械能，从而带动抽水机或搅拌机做功，实现高空风能、机械能和做功装置所需能量之间的转化。综上，本发明由于伞控制绳15和做功绳10分开控制，使伞型风力装置1的控制更容易，做功伞11的开合不会影响空中平衡系统的稳定性，使本发明提出的风能动力系统的空中部分具有良好的稳定性能和控制性能，且地面部分做功机械传递能量的稳定性能都得到了很大的提高。 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种伞型风力装置，受中央控制装置(4)的控制，其特征在于，所述伞型风力装置包括与地面成一角度设置的做功绳(10)；从下至上依次连接在做功绳(10)上的控制箱(13)、滑筒(19)、做功伞(11)和平衡装置，控制箱(13)固定在做功绳(10)上且无线连接中央控制装置(4)；连接在做功伞(11)的伞形边缘与滑筒(19)之间的若干细绳(18)；连接在控制箱(13)与滑筒(19)之间，且由控制箱(13)控制其伸长量变化的伞控制绳 (15)；其中，当控制箱(13)到达相对地面的工作下限位置时，中央控制装置(4)向控制箱 (13)发出的第一控制信号，由控制箱(13)控制将伞控制绳(15)的长度缩短并保持为一个较短的固定长度；在风力作用下使做功伞(11)打开并拉动做功绳(10)上升，当控制箱(13) 到达相对地面的工作上限位置时，中央控制装置(4)向控制箱(13)发出的第二控制信号， 由控制箱(13)控制将伞控制绳(15)的长度变长。
2.根据权利要求1所述伞型风力装置，其特征在于，控制箱(13)包括用于控制伞控制绳(15)的伸长量变化的小卷扬机(14)，小卷扬机(14)通过伞控制绳 (15)连接滑筒(19);用于在检测到控制箱(13)到达工作下限位置时，发出第一提示信号以触发中央控制装置(4)发出第一控制信号，且在检测到控制箱(13)到达工作上限位置时，发出第二提示信号以触发中央控制装置(4)发出第二控制信号的位置检测器。
3.根据权利要求1所述伞型风力装置，其特征在于，所述伞型风力装置还包括固定连接在做功绳(10)上的挡块(12)，挡块(12)位于做功伞(11)与平衡装置之间。
4.根据权利要求3所述伞型风力装置，其特征在于，在控制箱(13)到达工作上限位置时，做功伞(11)的伞形顶部的位置低于挡块(12)。
5.根据权利要求1所述伞型风力装置，其特征在于，平衡装置包括固定连接在做功绳 (10)的顶部末端的升力导引体(16)；固定连接在做功绳(10)上的平衡伞(17)。
6.一种风能动力系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项的伞型风力装置(1)，用于在高空收集风能，将风能转换为机械能；与伞型风力装置(1)的做功绳(10)的下端连接的卷扬机(2)，该卷扬机(2)轴连接做功装置(3)，并为做功装置(3)提供动力；用于控制伞型风力装置(1)和卷扬机(2 )的中央控制装置(4 )，且根据控制箱(13 )发出的放绳完毕信号控制卷扬机(2)转动以牵引做功绳(10)下降。
7.根据权利要求6所述风能动力系统，其特征在于，伞型风力装置(1)中的做功绳(10) 连接在卷扬机(2)的卷筒(20)。
8.根据权利要求6所述风能动力系统，其特征在于，卷扬机(2)和做功装置(3)之间连接有单向离合器(5)，单向离合器(5)的中心轴承(50)的其中一端通过一个联轴器(6)与卷扬机(2)的转轴连接，另一端通过另一个联轴器(6)与做功装置(3)的传动轴连接。
9.根据权利要求6所述风能动力系统，其特征在于，卷扬机(2)包括连接做功绳(10) 的卷筒(20)；电磁离合器(21)；减速齿轮箱(22)；由中央控制装置(4)控制转动的电动机(23);其中，电磁离合器(21)的中心转轴(210)通过减速齿轮箱(22)连接卷筒(20)的转轴 (200 )，且电磁离合器(21)与电动机(23 )耦接。
10.根据权利要求6所述风能动力系统，其特征在于，做功装置(3)为发电机、抽水机或搅拌机。
全文摘要
本发明公开一种伞型风力装置，其包括与地面成一角度设置的做功绳；从下至上依次连接在做功绳上的控制箱、滑筒、做功伞和平衡装置，且控制箱固定做功绳上且无线连接中央控制装置；连接在做功伞的伞形边缘与滑筒之间的若干细绳；连接在控制箱与滑筒之间，且由控制箱控制其伸长量变化的伞控制绳。本发明还公开一种采用了伞型风力装置实现的风能动力系统。本发明由于伞控制绳和做功绳分开控制，使伞型风力装置的控制更容易，且做功伞的开合不会影响空中平衡系统的稳定性，使本发明提出的风能动力系统的空中部分具有良好的稳定性能和控制性能，且地面部分做功机械传递能量的稳定性能都得到了很大的提高。
文档编号F03D5/00GK102220938SQ20111015152
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月8日 优先权日2011年6月8日
发明者张建军 申请人:广东高空风能技术有限公司