一种喇叭筒状漂浮体高空风力发电装置的制作方法

本实用新型涉及一种喇叭筒状漂浮体高空风力发电装置，属于新能源利用的高空风力发电技术领域。

背景技术：

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；我国也在西部地区大力提倡。小型风力发电系统效率很高，但它不是只由一个发电机头组成的，而是一个有一定科技含量的小系统：风力发电机+充电器+数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为：叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。

利用风能发电，需要考虑项目所在地的风能密度，风能密度低于200瓦/平方米，则不适宜发展风电。随着海拔提高，优质空域的风能密度可以达到2000瓦/平方米。如果进一步上升到万米高空，风能密度是百米空域的百倍。高空风能由于密度高、设备轻量化、年利用小时数提高，理论上讲，风电效益会显著高于低空风电项目。因此，2013全球风能理事会已经做出预测，认为高空风能是新一代的新能源技术，高空风能可在不同程度上消除现有新能源技术的缺点，且具有新的优点，将部分代替目前巨额的传统风能市场，是新能源领域的投资热点和发展方向。

目前全球50多家公司投入巨资研发高空风电，技术路线不一，但总的来说高空风能技术分为两大类：

一类是利用氦气球等升力作用，将发电机升到半空中，在高空中利用丰富的风能转化为机械能，机械能转化为电能，之后通过电缆传到地面电网。该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大；此外，由于系统整体较重，发电机组很难升到千米以上的高度，同时因为发电系统位于高空无法实现增压，大功率情况下势必使用大电流输电，所以必须使用直径较粗的导线。这无疑又加大了整个系统的重量，从而限制了该类技术路线的公司设备上升高度。气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在300至500米的范围内。这一技术路线的典型代表为Altaeros energies 的高空风电系统“空中浮动涡轮”(BAT)。发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里，上升高度约为300米左右，BAT 利用高空的高速风流，发电量比地面风力发电装置高一倍。现有的这种风力发电方式，其风叶发电机的工作效率还是要依靠高空的自然风速确定，当高空的风速很低时，其风叶发电机的工作效率就很低，因此这一类的风力发电的方式还是不够理想。

另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面的发电机转化为电能。从而解决电缆和发电机的自重问题。意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系统是该类技术路线的典型代表。MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的发电设备两部分组成。拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连，并通过安装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径，以最大限度带动地面涡轮机旋转并发电。该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。出于空域利用效率的原因，KiteGen的高空单元往往采取做“∞”字形或圆周运动来收集风能。对于控制系统而言，要不间断改变风筝的运行轨迹，除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z)，还要改变俯仰角、倾角等共5个坐标，加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响，地面输出动作传导到空中单元往往容易“失真”，使得空中单元姿态控制难度很大。公司将大量的精力投入到软件控制方面，KiteGen公司曾经一度有200多人的软件团队。而KiteGen早期的发电实验，往往在空中运行几分钟之后就无法正常运转了。至今，KiteGen空中单元控制方面的问题也没有很好的解决。

目前的风力发电实际成本是从风电场的角度出发，把风电场看作一个工程项目，按照会计理论的成本费用归集方法来计算风力发电的实际成本。根据成本费用理论，它的总成本费用只有风力发电机本身的机械损耗；运行和管理人员的工资；管理费用及设备的故障维护、检修费用以及财务费用等。由于在生产过程中无燃料等的消耗，年度成本基本保持一致。

研究表明，风速对风力发电成本的影响最大，风速越高、风力发电机的工作效率就越高，发电成本也就越低；风机造价对风力发电成本影响次之；对风力发电成本影响最小的是运行维护费用。但由于各个地区风能资源差异较大，造成不同地区单位发电量成本的差异明显。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，提供一种能高效利用高空风力资源的喇叭筒状漂浮体高空风力发电装置，以克服风能资源差异对单位发电量成本的不利影响，提高风力发电效益，从而克服现有技术的不足。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型的一种喇叭筒状漂浮体高空风力发电装置为：该装置包括风叶发电机，风叶发电机设在喇叭筒状漂浮体的小直径口一端，即风叶发电机设在喇叭筒状漂浮体的小直径口作为出风口的一端，并且风叶发电机的风叶对着喇叭筒状漂浮体的大直径口作为进风口的一端，喇叭筒状漂浮体为中空结构，喇叭筒状漂浮体的空腔内充有氦气，在喇叭筒状漂浮体小直径口一端的外表面上设有导向和姿态平衡翼，在喇叭筒状漂浮体上设有与地面的固定桩连接的绳索，在风叶发电机上设有用于向地面用电器输电的电缆。

上述装置中，在喇叭筒状漂浮体的小直径口一端设有用于安装风叶发电机的圆筒，圆筒的内径大于风叶发电机的风叶外径，风叶发电机的风叶设置在圆筒内。

上述装置中，圆筒的内径大于风叶发电机的风叶外径5～20毫米，并且圆筒内径尺寸与喇叭筒状漂浮体的小直径口直径尺寸相同；圆筒为中空结构，在圆筒的空腔内充有氦气。

上述装置中，喇叭筒状漂浮体的大直径口的直径尺寸大于喇叭筒状漂浮体的小直径口的直径尺寸2～5倍。

由于采用了上述技术方案，本实用新型与现有技术相比，现有技术发电机在利用风叶风力发电时，风叶转动时的受风面积的大小决定了发电机功率的大小；作为高空风力发电装置，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大，发电功率受限制。本实用新型原理构造上不同，本实用新型通过喇叭口对风力的汇聚作用，将数倍于自然风速的风力汇聚到风叶上，形成高于自然受风面数倍的风速和发电量，使风叶发电机的发电功率和工作效率显著增大。本实用新型相对现有高空风力发电机技术除了具有投资小，构造简单，易操作的优点外，还具有在同等装机容量和相同风力资源条件的情况下，发电效益显著增加的优点。

附图说明

图1是本实用新型使用时的结构示意图；

图2是本实用新型装置的结构示意图。

附图中标记为：1-固定桩、2-绳索、3-喇叭筒状漂浮体、3.1-导向和姿态平衡翼、3.2-圆筒、4-风叶发电机、5-电缆、d-喇叭筒状漂浮体的小直径口、D-喇叭筒状漂浮体的大直径口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的详细说明。

本实用新型是根据下述的一种提高高空风叶发电机工作效率的方法所构成的，该方法包括采用充有氦气的漂浮体运载风叶发电机在高空进行发电，在将充有氦气的漂浮体运载风叶发电机在高空进行发电时，将漂浮体制作成一端为大直径口、另一端为小直径口的喇叭筒状漂浮体，并将风叶发电机安装在喇叭筒状漂浮体小直径口的一端，然后在该喇叭筒状漂浮体内部充满氦气，使充满氦气的喇叭筒状漂浮体所产生的浮力大于所运载的风叶发电机的重量，并将喇叭筒状漂浮体通过绳索与地面上的固定桩连接，当喇叭筒状漂浮体悬浮在高空时，自然风通过喇叭筒状漂浮体的大直径口端口进入到喇叭筒状漂浮体内并汇聚到小直径口端的喇叭收口处，从而形成远大于自然风速的高速气流，该高速气流吹动风叶发电机旋转发电，这样即可使风叶发电机的工作效率大于在自然风条件下的工作效率，风叶发电机发出的电量经电缆传至地面。

根据上述方法构建并用于上述方法的本实用新型的一种喇叭筒状漂浮体高空风力发电装置，如图1-图2所示，该装置包括风叶发电机4，风叶发电机4可直接采用现有技术中的成品，将风叶发电机4装在喇叭筒状漂浮体3的小直径口d一端，即将风叶发电机4安装在喇叭筒状漂浮体3的小直径口d作为出风口的一端，并且使风叶发电机4的风叶对着喇叭筒状漂浮体3的大直径口D作为进风口的一端，喇叭筒状漂浮体3为中空结构，将喇叭筒状漂浮体3中空结构的空腔内充满氦气，在喇叭筒状漂浮体3小直径口d一端的外表面上制作出导向和姿态平衡翼3.1，导向和姿态平衡翼3.1为片状，一般安装2～4片导向和姿态平衡翼3.1即可，在喇叭筒状漂浮体3上设有与地面的固定桩1连接的绳索2，在风叶发电机4上设有用于向地面用电器输电的电缆5；为了安装方便和使用效果更好，在喇叭筒状漂浮体3的小直径口d一端设有用于安装风叶发电机4的圆筒3.2，使圆筒3.2的内径大于风叶发电机4的风叶外径，将风叶发电机4的风叶设置在圆筒3.2内；制作时，使圆筒3.2的内径大于风叶发电机4的风叶外径5～20毫米，并且使圆筒3.2内径尺寸与喇叭筒状漂浮体3的小直径口d的直径尺寸相同；将圆筒3.2也制作成中空结构，并在圆筒3.2中空结构的空腔内充满氦气；制作时，最好将喇叭筒状漂浮体3的大直径口D的直径尺寸制作成大于喇叭筒状漂浮体3的小直径口d的直径尺寸2～5倍即成。

制作时，绳索2可采用现有的高韧性、低重量特性的绳索。绳索2连接喇叭筒状漂浮体3和固定桩1，起到平衡喇叭筒状漂浮体3旋转姿态的作用。

电缆5是常规设备，在满足导电量的前提下最好选择具有低重量、低电损特性的传导电线。

风叶发电机4是常规设备，与整体设备性能匹配。风叶发电机4安装在喇叭筒状漂浮体3的收口处（即小直径口d的端口处），风叶发电机4发出电量经电缆5传至地面的用电器。

本实用新型的喇叭筒状漂浮体3通过喇叭口对风力的汇聚作用，将数倍于自然风速的风力汇聚到风叶发电机4的风叶上，形成高于自然受风面数倍的风速吹动风叶发电机4发电，从而大大提高了风叶发电机4的工作效率。