专利名称：一种自升式空中风力发电装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种自升式空中风力发电装置，属于发电设备技术领域。
背景技术：
我们知道，传统的风力发电机都是安装在地面的塔架上的，通过吸收和转换近地表的风能来发电。而大量的资源调查都表明，在地球表面的绝大多数地区其近地表的风力资源都不是丰富的，因此在这些地区里利用风力来发电在经济上都是不合算的，从而影响了风力发电在这些地区的应用。但是，在很多地表风力资源并不丰富的地区，其空中风力资源又是相当丰富的。实测表明，在这些地区的200 1000米的天空中，普遍有4 5级的、年平均6000 7000小时左右的、风能密度在400W/m2左右的稳定风能存在；而在2000 3000米的中高空，风力长期都在6 7级左右，平均风能密度达1500W/m2。国际上，空中风力资源的利用在数十年前就有人认识到其应用潜力并开始研究，但由于涉及的学科多、技术难度大，因此，直至今天仍未达到市场化的程度，但这方面的研
究工作一直都在开展。我国在该项技术的开发上走在了国际的前沿，广东高空风能技术有限公司开发的天风二号高空风能发电机组(实验样机)已完成了运行实验，性能达到了设计要求，通过对该公司的样机分析表明，由于要由多个升入空中近万米的巨型风筝(或风伞)拉动缆绳带动地面的发电机发电，因此，该项目需要占用地面上以发电机为圆心、半径达IOkm的球型天空为其运行区，机组运行时，飞机等不能进入这个运行区，此外，机组运行时的噪声消除；雷雨天气时的防雷措施；无风时天空中的巨型风筝(风伞)如何保证不会坠落，或虽坠落而不会损坏地面上的高压输电线等问题都需要很好地解决。总之，该方案的全面产业化还有相当长的路要走。分析还表明，该技术方案不适用于数十千瓦以下的小功率离网型风力发电机。从目前的国内外环保节能形势来看，离网型的小功率风力发电机仍具有极大的市场需求。例如电解水为氢氧气的过程对供电电源的质量要求是很低的，因此我们就有可能利用输出电压、周波以及输出功率等指标都不易稳定的低成本独立风电来分解水为氢燃料，即可大量解决山区农民的长期免砍柴问题。技术分析还表明，我国的山区农村，地形复杂，层峦叠嶂，因此，若用太阳能电池或传统的地面风力发电来分解水，则在很多地方行不通。
实用新型内容针对上述问题，本实用新型提出一种自升式空中风力发电装置，无风时装置仍能停留在于空中，并且迎风面可以自动对准风向；发电时机组空中部分的浮空高度基本不变；保持装置的平衡与稳定；同时，地面牵引线可以对空中部分的灵活收放。本实用新型采用的技术方案装置由自升球翼、自调整翼、中频风力发电机及引线机构组成，自升球翼由翼板6和艇球7组成，自调整翼由左右两片轻质平板翼9和拉线11组成，中频风力发电机由风力机3和中频发电机4组成，引线机构由引下线10及地面牵引机18组成；地面牵引机18由底座12、绕线筒13、滑环14、电刷15、轴承座16和带抱箍机构的减速箱17组成，自调整翼处于机组的顶端，艇球7位于翼板6的上面，自调整翼的左右两片轻质平板翼9的内短边通过撑杆8与风力机3的外壳刚性连接，外短边通拉线11与自升球翼的翼板6相连，风力机3和中频发电机4轴向刚性连接后固定于风力机3的十字支架5的中心位置，整个风力发电机的平衡重心落在连接风力机3和中频发电机4的轴中段位置，引下线10 —端连接在左右两片轻质平板翼9，另一端卷绕在绕线筒13上，引下线10的末端剥出两根导电钢芯后分别接于绕线筒13两侧的两个滑环14上，用电负载与电刷15连接。所述的翼板6的底部为平面而上部为凸出的流线型，翼板6的底部由轻质高强度框架蒙布而成，翼板6的上部及艇球7由轻质高韧性不透气膜热合而成；翼板6和艇球7充入氢气鼓起后其形状如底部带机翼的流线型飞艇，其顶部中间位置为流线型的艇身，两侧
为双翼。所述的翼板6的底部平面与正面来风的夹角Θ可调。所述的撑杆8采用轻质高强度的非金属管材；通过调整拉线11的长度使左右两片轻质平板翼9的平面与通过风力发电机3圆心的水平剖面平行；左右两片轻质平板翼9采用轻质高强度的非金属框架并蒙上轻质布料制成；拉线11采用细钢丝；风力机3的轴I、叶片2、支架5采用轻质高强度的非金属材质制成，风力机3的进风口为喇叭形。本实用新型的有益效果无风时装置仍能停留在于空中，并且迎风面可以自动对准风向；发电时机组空中部分的浮空高度基本不变；保持装置的平衡与稳定；同时，地面牵引线可以对空中部分的灵活收放。
图I为本实用新型结构示意图；图2为本实用新型空中部分的侧视图。图中I-风力机的轴、2-风力机的叶片、3-风力机、5-自调整翼的支架、6-自升翼的翼板、7-自升翼的艇球、8-撑杆、9-自调整翼的左右两片轻质平板翼、10-引下线、11-拉线、12-地面牵引机的底座、13-地面牵引机的绕线筒、14-地面牵引机的滑环、15-地面牵引机的电刷、16-地面牵引机的轴承座、17-地面牵引机的减速箱、18-地面牵引机。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步说明，以方便技术人员理解。如图I所示装置由自升球翼、自调整翼、中频风力发电机及引线机构组成，自升球翼由翼板6和艇球7组成，自调整翼由左右两片轻质平板翼9和拉线11组成，中频风力发电机由风力机3和中频发电机4组成，引线机构由引下线10及地面牵引机18组成；地面牵引机18由底座12、绕线筒13、滑环14、电刷15、轴承座16和带抱箍机构的减速箱17组成，自调整翼处于机组的顶端，艇球7位于翼板6的上面，自调整翼的左右两片轻质平板翼9的内短边通过撑杆8与风力机3的外壳刚性连接，外短边通拉线11与自升球翼的翼板6相连，风力机3和中频发电机4轴向刚性连接后固定于风力机3的十字支架5的中心位置，整个风力发电机的平衡重心落在连接风力机3和中频发电机4的轴中段位置，引下线10 —端连接在左右两片轻质平板翼9，另一端卷绕在绕线筒13上，引下线10的末端剥出两根导电钢芯后分别接于绕线筒13两侧的两个滑环14上，用电负载与电刷15连接。所述的翼板6的底部为平面而上部为凸出的流线型，翼板6的底部由轻质高强度框架蒙布而成，翼板6的上部及艇球7由轻质高韧性不透气膜热合而成；翼板6和艇球7充入氢气鼓起后其形状如底部带机翼的流线型飞艇，其顶部中间位置为流线型的艇身，两侧为双翼。所述的翼板6的底部平面与正面来风的夹角Θ可调。所述的撑杆8采用轻质高强度的非金属管材；通过调整拉线11的长度使左右两片 轻质平板翼9的平面与通过风力发电机3圆心的水平剖面平行；左右两片轻质平板翼9采用轻质高强度的非金属框架并蒙上轻质布料制成；拉线11采用细钢丝；风力机3的轴I、叶片2、支架5采用轻质高强度的非金属材质制成，风力机3的进风口为喇叭形，一方面可有效扩大迎风面积而提高输出功率，另一方面可促使风道内的风压上升，风力机3的额定转速升高，有助于进一步减小中频发电机4的体积和重量。中频发电机4采用钕铁硼强磁多极转子，定子采用坡莫合金或高导磁率冷轧硅钢片，在额定最高转速下的输出频率为800 1000Hz，为减少引下线的电阻损耗，中频发电机4采用高电压低电流方式，额定功率为Ikw的中频发电机，其最高输出电压经整流滤波后为500 800V，最大电流2. 5A，峰值功率2KW。本实用新型的工作原理自升球翼充入氢气后产生的静态升力大于机组空中部分(含引下线)的总重量，自升球翼在来风的作用下产生两种不同的升力一是翼板6底部平面与来风的夹角S所形成风筝型升力，二是空气流过翼板6上下表面形成速度差而产生的翼型升力，两个升力合成的总升力补偿了正面来风所形成的切向分力导致的机组浮空高度下降，使机组的浮空高度基本保特不变。此外，由来风作用于自升球翼及风力发电机3等空中部分后，所形成的风阻力与牵引线共同作用而使机组的尾部自动地朝向风阻最大的方向，这样就使机组的正面自然对准了最大来风的方向。机组发电时，若两片轻质平板翼9的平面均与正面来风平行，则两片轻质平板翼9不产生任何的扭力，这样风力机的入口平面将与正面来风垂直，使风力机能最大限度地吸收风能；反之若两片轻质平板翼9的平面与正面来风不平行，则在正面来风作用下，两翼将要产生向上或向下的风筝型扭力与之相抗衡，而抗衡的结果使风力机的入口平面与正面来风的角度仍保持在基本垂直状态。自升球翼为机组自升力的主要部件，利用在翼板6和艇球7中充入氢气后所产生的升力使机组在无风时仍能停于留空中，既保证了地面人员、设施等安全，又使机组在起风时刻能在空中立即启动，同时又使风力机能自动地对准来风的方向，自升球翼在正常发电时，利用翼板6底部的平面与来风的夹角S产生风筝型升力，同时，来风流过翼板6的上下面后因流速不同而产生翼型升力，这两个升力共同作用使机组的浮空高度不受风速变化的影响保持在稳定的高度；两片轻质平板翼9确保了机组入口平面与正面来风保持垂直，使之能最大限度地吸收风能；采用体积小、重量轻的800 IOOOHz永磁转子中频发电机4，使机组的浮空重量比采用50Hz的工频发电机减少了 60%左右；引下线既作物机组空中部分的牵引线又兼电能的输送线，从而有效降低了引下线的总重量和成本。[0024]技术分析还表明，我国的山区农村，采用不受地形限制的自升空型空中风力发电机，则大多数地区都是可行的。据估算一个农村六口之家，平均每天I. 6 2. O立方的氢气作为生活燃料已足够。以水分解为氢氧的效率60%计算，则每天需12 15kwh的电能，这样只要一台IKW重约10 15Kg的空中风力发电机，在空中平均每天运行 12 15个小时以上即可解决问题。本实用新型通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型专利进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型专利权利要求范围内的全部实施方案。
权利要求1.一种自升式空中风力发电装置，其特征在于装置由自升球翼、自调整翼、中频风力发电机及引线机构组成，自升球翼由翼板(6)和艇球(7)组成，自调整翼由左右两片轻质平板翼(9)和拉线(11)组成，中频风力发电机由风力机(3)和中频发电机(4)组成，引线机构由引下线(10)及地面牵引机(18)组成；地面牵引机(18)由底座(12)、绕线筒(13)、滑环(14)、电刷(15)、轴承座(16)和带抱箍机构的减速箱(17)组成，自调整翼处于机组的顶端，艇球(7)位于翼板(6)的上面，自调整翼的左右两片轻质平板翼(9)的内短边通过撑杆(8)与风力机(3)的外壳刚性连接，外短边通拉线(11)与自升球翼的翼板(6)相连，风力机(3)和中频发电机(4)轴向刚性连接后固定于风力机(3)的十字支架(5)的中心位置，整个风力发电机的平衡重心落在连接风力机(3)和中频发电机(4)的轴中段位置，引下线(10) —端连接在左右两片轻质平板翼(9)，另一端卷绕在绕线筒(13)上，引下线(10)的末端剥出两根导电钢芯后分别接于绕线筒(13)两侧的两个滑环(14)上，用电负载与电刷(15)连接。
2.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于翼板(6)的底部为平面而上部为凸出的流线型，翼板(6)的底部由轻质高强度框架蒙布而成，翼板(6)的上 部及艇球(7 )由轻质高韧性不透气膜热合而成；翼板(6 )和艇球(7 )充入氢气鼓起后其形状 如底部带机翼的流线型飞艇，其顶部中间位置为流线型的艇身，两侧为双翼。
3.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于翼板(6)的底部平面与正面来风的夹角可调。
4.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于撑杆(8)采用轻质高强度的非金属管材。
5.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于通过调整拉线(11)的长度使左右两片轻质平板翼(9)的平面与通过风力发电机圆心的水平剖面平行。
6.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于左右两片轻质平板翼(9)采用轻质高强度的非金属框架并蒙上轻质布料制成。
7.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于拉线(11)采用细钢丝。
8.根据权利要求I所述的一种自升式空中风力发电装置，其特征在于风力机(3)的轴(I)、叶片(2)、支架(5)采用轻质高强度的非金属材质制成，风力机(3)的进风口为喇叭形。
专利摘要本实用新型涉及一种自升式空中风力发电装置，属于发电设备技术领域；由自升球翼、自调整翼、中频风力发电机及引线机构共同组成，自升球翼提供了机组的静态和动态升力，以确保在无风时机组仍能停留在空中，而在发电时机组的空中高度基本不变，自调整翼保证了机组能以最大的迎风面吸收空中风能，中频发电机的体积小和重量轻的优点大大减轻了机组空中部的总重量，电能通过引下线送到地面，由于多数地区的空中风能远比其地面风能强大且持续稳定，因此，本实用新型不受地形限制、不用建塔架、可自行上升到百米以上天空中运行的小功率风力发电，应用前景更好。
文档编号F03D11/00GK202645861SQ20122026042
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者聂俊飞, 卢诚, 金建辉, 张英争, 谢鸿龄 申请人:昆明理工大学