一种并联式中高空风能地面发电机组的制作方法

本发明涉及高空风能发电领域，具体涉及一种并联式中高空风能地面发电机组。

背景技术：

风能是一种清洁的可再生能源，而高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。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。如何将高空风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，高空风能的诸多优势也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。现有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，由于受制于空中系统的重量和体积不能过大等问题导致空中部分不能实现很好的控制和实现大的发电量；而将发电机设置于地面则能地解决上述问题。

高空风筝型发电系统和伞型风力系统皆是采用将发电机设置于地面发电的方式，但由于其发电形式为间歇式发电，为提高风能发电的稳定性和发电量，现有技术中多采用串联式地面发电系统，如申请号为201110151521.3、201110176767.6、201110176768.0、201520366293.5，也就是在发电机的两侧分别设置若干个卷扬机，所述卷扬机分别通过缆绳与空中做功伞或风筝连接，在实际使用时，通过外部控制部分控制，保证当一端做功伞或风筝开始回收到再次做功之前这段时间另外一端的做功伞或风筝正在做功，保持发电机始终在工作状态，从而提高发电机的发电量。然而上述方案仍然存在较大的缺陷：由于两端的卷扬机分别通过主轴设置于发电机的两端，若想要提高系统的发电量，本领域的常用做法是分别在两端串联多个卷筒，如此导致发电机两端需连接两条长轴，而由于长轴是采用短轴组合而成，同轴度要求较高，从而导致大大增加了发电系统安装难度。另外，由于卷扬机串联于发电机的两端，导致发电机各端的卷扬机必须同时做功或同时不做功，也就是说各端卷扬机所连接的做功伞或风筝必须同上同下，这样就导致了发电效率难以大幅提高，对整个发电系统的利用率低，造成了较大的浪费。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种发电量大、对设备利用率高的并联式中高空风能地面发电机组。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种并联式中高空风能地面发电机组，包括至少一台发电机、若干台动力卷扬机和若干台容绳卷扬机，所述动力卷扬机用于通过缆绳带动发电机发电，所述容绳卷扬机用于收卷通过所述动力卷扬机的缆绳，其中，若干台所述动力卷扬机相对于所述发电机的并联设置。

相对于现有技术中动力卷扬机采用串联的方式，本发明采用了多台动力卷扬机并联的方式，各动力卷扬机之间的影响较小，可分别调整做功，在相同配置下，发电效率更高，且对于设备的利用率更高。

进一步地，所述发电机的转轴与一主轴连接，且所述主轴通过传动装置与所述动力卷扬机连接；所述传动装置用于将所述动力卷扬机的动力通过主轴传送至所述发电机。

对于串联地面发电系统，为增大系统的发电量，则需要在发电机的两端分别设置多台动力卷扬机，而各端的动力卷扬机是通过多条短轴串联成一条长轴再与发电机转轴连接的；当发电量要求越大时，两端需要串联的动力卷扬机越多，该长轴也越长，而发电系统对于同轴度要求很高，如此多条短轴串联成长轴的方式就大大增加了系统的安装难度。本发明所提供的并联地面发电机组中只有需要一条主轴，各个动力卷扬机只需通过主轴上安装的传动装置即可实现将转动机械能向发电机传输，而当发电量要求增加时，只需在主轴上安装多个传动装置来与动力卷扬机连接即可，对同轴度要求不高，安装简单，大大降低了发电机组的安装难度。

另外，对于串联地面发电系统，由于卷扬机串联于发电机的两端，各端卷扬机所连接的做功伞或风筝必须同上同下，灵活性差，且对动力卷扬机的利用率低，造成了较大的浪费。而本发明中各动力卷扬机与发电机相互并联的，各个动力卷扬机之间不关联，相互之间不影响，因此，本发明所提供的发电机组灵活性很好，能通过合理调整，在相同配置下，获得更高的发电效率。而且当动力卷扬机出现故障需要检修，并联系统也更加方便，只需关停故障的动力卷扬机，而无需关闭整个机组。

进一步地，所述发电机为两台，两所述发电机的转轴通过所述主轴连接，所述主轴设有至少一个所述传动装置，所述传动装置连接有至多三台所述动力卷扬机。设置两台发电机共用一条主轴，有利于主轴扭矩和转速的稳定，提高发电系统的稳定性。

进一步地，所述传动装置包括套接于所述主轴上的第一传动齿轮和分动传动轴，所述分动传动轴上套接有与第一传动齿轮啮合的第二传动齿轮，所述分动传动轴用于与所述动力卷扬机的输出轴连接。优选地，第一传动齿轮和第二传动齿轮为相互啮合的锥齿轮。

进一步地，两台或三台所述动力卷扬机共用一台所述传动装置。

进一步地，所述动力卷扬机包括第一卷绕筒和第二卷绕筒，第一卷绕筒具有第一动力输出轴，第二卷绕筒具有第二动力输出轴，缆绳依次绕制于第一卷绕筒和第二卷绕筒之后，收纳于容绳卷扬机上。

进一步地，所述动力卷扬机与所述传动装置之间还设有换向齿轮箱，所述换向齿轮箱用于实现所述动力卷扬机的正转和反转。

进一步地，所述换向齿轮箱包括与第一动力输出轴连接的第一输入轴以及与第二动力输出轴连接的第二输入轴，第一输入轴和第二输入轴分别套接有第一输入齿轮和第二输入齿轮；换向齿轮箱还包括正转轴、反转轴和第一输出轴；正转轴上套接有第三输入齿轮和第一传动齿轮，第三输入齿轮位于第一输入齿轮和第二输入齿轮之间且分别与第一输入齿轮和第二输入齿轮啮合；正转轴还包括通过正转离合器与正转轴连接的第二传动齿轮，正转离合器通过闭合和松脱来控制第二传动齿轮与正转轴之间的连接和断开；反转轴上套接有与第一传动齿轮啮合的反转从动齿轮，还设有通过反转离合器与反转轴连接的反转主动齿轮，反转离合器通过闭合和松脱来控制反转主动齿轮与反转轴之间的连接和断开；第一输出轴套接有与第二传动齿轮啮合的第一输出齿轮以及与反转主动齿轮啮合的第二输出齿轮；其中，第一输出轴与分动传动轴连接。

在实际使用时，当需要将动力卷扬机的扭矩传至发电机发电（动力卷扬机正转）时，正转离合器闭合，反转离合器松脱，第一输入轴和第二输入轴为输入，第一输出轴为输出，第一输入轴和第二输入轴分别经过第一输入齿轮和第二输入齿轮输入至第三输入齿轮，然后依次经过第二传动齿轮、第一输出齿轮的传动，最后由第一输出轴输出。当需要动力卷扬机反转将伞形风力系统或高空风筝型发电系统收回（动力卷扬机反转）时，反转离合器闭合，正转离合器松脱，第一输出轴为输入，第一输入轴和第二输入轴为输出，第一输出轴分别经过第二输出齿轮、反转主动齿轮、反转从动齿轮、第一传动齿轮、第三输入齿轮的传动，然后分别传动第一输入齿轮和第二输入齿轮，最后由第一输入轴和第二输入轴输出。

在现有技术中，必须给动力卷扬机设置下行电机来为回收伞形风力系统或高空风筝型发电系统提供动力，而本发明中可以仅仅通过换向齿轮箱即可实现对伞形风力系统或高空风筝型发电系统的回收。在本发明中，当至少有两台动力卷扬机（动力卷扬机a和动力卷扬机b）共用一个传动装置时，可设置其中一台动力卷扬机a的伞形风力装置或高空风筝型发电系统上行，而另一台动力卷扬机b的伞形风力系统或高空风筝型发电系统下行，动力卷扬机a所连接换向齿轮箱设置正转离合器闭合，动力卷扬机b所连接换向齿轮箱设置反转离合器闭合，则在伞形风力系统或高空风筝型发电系统的带动下，动力卷扬机a通过带动第二传动齿轮a来带动第一传动齿轮转动，从而带动与动力卷扬机b连接的第二传动齿轮b，进而实现了动力卷扬机b反转，收回与动力卷扬机b连接的伞形风力系统或高空风筝型发电系统。

为应对传动装置无法对动力卷扬机的提供反转动力的情况，换向齿轮箱还包括一与下行电机连接的收绳轴，收绳轴上套接有通过收绳离合器与收绳轴连接的收绳齿轮，收绳齿轮与第一输入齿轮或第二输入齿轮啮合。传动装置仅连接一台动力卷扬机或传动装置所连接的两台动力卷扬机的进度一致或相近时，传动装置无法为动力卷扬机提供反转的动力，此时可通过闭合收绳离合器并启动下行电机，由下行电机带动动力卷扬机反转回收缆绳，带动伞形风力系统或高空风筝型发电系统下行。

在实际使用的过程中，缆绳是周期性的收放，可能出现动力卷扬机和容绳卷扬机造成卷绕不同步的情况，这样就容易造成缆绳在两个卷扬机之间处于松垮或紧绷的状态，这两种状态都是在实际使用中不允许出现的。虽然通过精准的设计和控制，使两个卷扬机之间同步，是可以减少这两种状态的出现，但是这种方法成本太高。因此，本发明在所述动力卷扬机和所述容绳卷扬机之间还设有缆绳缓冲机构。这是一种节约成本且效果显著的解决方案。通过缆绳缓冲机构，既可以收纳多于多余的缆绳，也可以缓解两个卷扬机之间的缆绳的紧绷状态，使得系统对两部卷扬机的不同步的容忍度更大，大大降低了设计和控制的难度。

进一步地，所述缆绳缓冲机构包括机架、安装于所述机架上部的定滑轮以及通过缆绳与所述定滑轮连接的动滑轮。本发明中缆绳缓冲机构采用动滑轮悬空、有动滑轮自重来控制机构容绳能力的方式，来增加缆绳缓冲机构的缆绳容纳量，从而提高机构的缓冲能力。

进一步地，为进一步增大机构的缓冲容量，所述动滑轮连接有配重块。该机构可通过调节配重块的重量来调节机构的容绳能力，从而调节机构的缓冲容量，从而更好地适应不同的情况。

进一步地，所述缆绳缓冲机构设有多组定滑轮与动滑轮。优选地，所述缆绳缓冲机构设有两排定滑轮，以及两排与之相配合的动滑轮，且动滑轮上连接有配重块，缆绳一个定滑轮一个动滑轮地逐一绕制其上。

该缆绳缓冲机构具有较大的容绳能力，能够提供较大的缓冲空间，能够适用不同型号和飞行高度的伞形风力系统或高空风筝型发电系统。

进一步地，所述发电机通过增速箱与所述主轴连接。为了适应不同的风速情况，所述增速箱可以是多挡多离合齿轮箱，可根据不同的风速切换至不同档位，从而平衡发电机的转速和扭矩。

优选地，所述增速箱为三挡三离合齿轮箱。

与现有技术比较，本发明所提供的一种并联式中高空风能地面发电机组具有以下有益效果：

（1）本发明对主轴同轴度要求不高，安装难度小；

（2）发电机组中各卷扬机之间相互不影响，可分别调整其做功，在相同配置下，发电效率更高，且对于机组的利用率更高；

（3）本发明可通过换向齿轮箱实现对伞型风力系统的收绳下行，可以无需另外设置下行电机，发电机组结构更加简单。

附图说明

图1为并联式中高空风能地面发电机组的结构示意图；

图2为传动装置的结构示意图；

图3为缆绳缓冲机构的侧视结构示意图；

图4为换向齿轮箱的原理示意图；

图5为增速箱的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种并联式中高空风能地面发电机组，包括两台相对设置的发电机1，两发电机1之间通过一主轴2相连，主轴2上通过传动装置3并联有多台动力卷扬机4。其中，发电机1和主轴2之间设有增速箱8；动力卷扬机4通过换向齿轮箱7与传动装置3连接。

在实际应用中，并联式中高空风能地面发电机组中的发电机1也可以只设置一台。

伞形风力系统或高空风筝型发电系统将高空风能转化为机械能，拉动缆绳向上运动，动力卷扬机4通过其卷绕筒与伞形风力装置的缆绳之间的摩擦直接带动转动，其转动机械能通过传动装置3传至主轴2上，再通过主轴2将转动机械能传至发电机1发电，实现了将高空风能转化为机械能再转化成电能的过程。相对于现有技术中动力卷扬机采用串联的方式，本实施例采用多台动力卷扬机并联，各动力卷扬机之间的影响较小，各卷扬机可分别调整做功，在相同配置下，发电效率更高。

其中，动力卷扬机4包括两个并列设置的第一卷绕筒401和第二卷绕筒402，第一卷绕筒401具有第一动力输出轴403，第二卷绕筒402具有第二动力输出轴404。伞形风力系统或高空风筝型发电系统的缆绳依次绕制于第一卷绕筒401和第二卷绕筒402之后，收纳于容绳卷扬机5上。本实施例中的动力卷扬机4详细可参考申请号为201520366293.5的实用新型专利所公开的动力卷扬机的设置方式，此处不再赘述。

其中，所述传动装置3包括套接于所述主轴上的第一传动齿轮301和分动传动轴303，所述分动传动轴303上套接有与第一传动齿轮301啮合的第二传动齿轮302，所述分动传动轴303用于与所述动力卷扬机4的输出轴连接。优选地，第一齿轮301和第二齿轮302为锥齿轮。

作为本实施例的一个较优的方案，如图2所示，每两台动力卷扬机4共用一台传动装置3，主轴2上固定有一个第一传动齿轮301，两第二传动齿轮302分别设于第一传动齿轮301的两侧，两第二传动齿轮302分别通过换向齿轮箱7与动力卷扬机4连接。

作为本实施例的另一个实施方案，一台传动装置3连接两台或三台动力卷扬机4。

另外，一台传动装置3还可只连接一台动力卷扬机4，在换向齿轮箱7上设置下行电机来带动动力卷扬机4反转。

由于在实际使用中，由于伞形风力装置在上升至最大高度时需要收伞下降，而当下降至最低高度时开伞上升，因此，其发电的过程中缆绳的拉力是变化的，尤其是发电组开机启动时以及伞形风力装置开伞上升做功时。为了避免由于缆绳拉力变化时动力卷扬机4和容绳卷扬机5不同步导致缆绳受力增加而造成缆绳损伤，在本实施例中，还包括设置于动力卷扬机4和容绳卷扬机5之间的缆绳缓冲机构6，缆绳通过动力卷扬机4后，经过缆绳缓冲机构6，再收纳于容绳卷扬机5上。容绳卷扬机5还包括卷绕电机，用于回收缆绳时提供卷绕动力。

如图3所示，缆绳缓冲机构6包括机架601、安装于机架601上部的若干定滑轮602，通过缆绳与定滑轮602连接的若干动滑轮603。优选的，为进一步提高缆绳缓冲机构6的缓冲能力，动滑轮603还可再加设配重块604。在实际使用中，当伞形风力装置开伞上升做功时，缆绳拉动动力卷扬机4的绕卷筒转动，而容绳卷扬机5并未开始转动时，缆绳缓冲机构6能够自动调节缆绳的受力，降低缆绳的损伤，能够很好地保护缆绳。

作为本实施例的一个优选方案，定滑轮602可设置一排或两排，缆绳穿过定滑轮602后再穿过动滑轮603，之后再穿过定滑轮602，如此循环。采用多个定滑轮和动滑轮组组合，同时在动滑轮上增加配重块，能大大增加缆绳缓冲机构6的缓冲容量。

如图4所示，换向齿轮箱7包括与第一动力输出轴403连接的第一输入轴701和与第二动力输出轴404连接的第二输入轴702，第一输入轴701和第二输入轴702分别套接有第一输入齿轮703和第二输入齿轮704。换向齿轮箱7还包括正转轴705、反转轴706和第一输出轴707；正转轴705上套接有与第一输入齿轮703和第二输入齿轮704啮合且位于两齿轮之间的第三输入齿轮708、第一传动齿轮709和第二传动齿轮710，第二传动齿轮710通过正转离合器711与正转轴705连接；反转轴706上套接有与第一传动齿轮709啮合的反转从动齿轮712和反转主动齿轮713，反转主动齿轮713通过反转离合器714与反转轴706连接；第一输出轴707套接有与第二传动齿轮710啮合的第一输出齿轮715和与反转主动齿轮713啮合的第二输出齿轮716；其中，第一输出轴707与分动传动轴303连接。换向齿轮箱7还可包括一与下行电机连接的收绳轴717，收绳轴717上套接有通过收绳离合器718与收绳轴717连接的收绳齿轮719，收绳齿轮719与第一输入齿轮703或第二输入齿轮704啮合。正转离合器711、反转离合器714和收绳离合器718可以是气动摩擦式离合器或液压离合器。

如图4所示，在实际使用时，当需要将动力卷扬机4的扭矩传至发电机1发电（动力卷扬机正转）时，正转离合器711闭合，反转离合器714松脱，第一输入轴701和第二输入轴702为输入，第一输出轴707为输出，第一输入轴701和第二输入轴702分别经过第一输入齿轮703和第二输入齿轮704输入至第三输入齿轮708，然后依次经过第二传动齿轮710、第一输出齿轮715的传动，最后由第一输出轴707输出。当需要动力卷扬机4反转将伞形风力系统或高空风筝型发电系统收回（动力卷扬机反转）时，反转离合器闭714合，正转离合器711松脱，第一输出轴707为输入（第一输出轴的转向不变），第一输入轴701和第二输入轴702为输出，第一输出轴707分别经过第二输出齿轮716、反转主动齿轮713、反转从动齿轮712、第一传动齿轮709、第三输入齿轮708的传动，然后分别传动第一输入齿轮703和第二输入齿轮704，最后由第一输入轴701和第二输入轴702反转输出。

为了适应不同风速的情况，增速箱8设置多级多档位调速。作为本实施例的一种优选方案，增速箱8设有三级调速。如图5所示，增速箱8包括与主轴2连接的主轴输入轴801、第一级调速轴802、第二级调速轴803、第三级调速轴804和与发电机1连接的增速箱输出轴805；主轴输入轴801上套接有主轴输入齿轮806，第一级调速轴802上套接有一级主动齿轮807和一级传动齿轮808，第二级调速轴803上套接有二级主动齿轮809和二级传动齿轮810，第三级调速轴804上套接有三级主动齿轮811和三级传动齿轮812，增速箱输出轴805套接有一级输出齿轮813、二级输出齿轮814和三级输出齿轮815；一级主动齿轮807、二级主动齿轮809和三级主动齿轮811分别与主轴输入齿轮802啮合，一级传动齿轮808和一级输出齿轮813啮合，二级传动齿轮810和二级输出齿轮814啮合，三级传动齿轮812和三级输出齿轮815啮合；一级主动齿轮807通过一级离合器816与第一级调速轴802连接，二级主动齿轮809通过二级离合器817与第二级调速轴803连接，三级主动齿轮811通过三级离合器818与第三级调速轴804连接。上述增速箱8通过三个离合器之间的转换实现三个档位可切换输出，结构简单可靠，利于维护。增速箱8使用离合器实现的换挡功能，性能稳定可靠，可以适应连续工作、频繁换挡的工况要求，整个减速器的结构简单、装配方便。

本实施例还包括多个用于更改缆绳方向的缆绳导轮9。

具体的，本实施例的工作状态为：

当动力卷扬机4所连接的伞形风力系统或高空风筝型发电系统上行做功时，换向齿轮箱7的正转离合器711闭合，反转离合器714和收绳离合器718松脱，伞形风力系统或高空风筝型发电系统在风力作用下上升，拉动动力卷扬机4的第一卷绕筒401和第二卷绕筒402转动，再依次经由换向齿轮箱7以及传动装置3的传动将扭矩传送至主轴2，对发电机1做功。当动力卷扬机4所连接的伞形风力系统或高空风筝型发电系统下行回收时，换向齿轮箱7的反转离合器714闭合，正转离合器711和收绳离合器718松脱，由传动装置3所连接的另一台动力卷扬机提供反转动力，经由换向齿轮箱7传动，带动动力卷扬机反转，拉动伞形风力系统或高空风筝型发电系统沿缆绳下行。当传动装置无法提供反转动力时，闭合收绳离合器718并启动下行电机，由下行电机带动的动力卷扬机4反转，拉动伞形风力系统或高空风筝型发电系统沿缆绳下行。如此，即实现伞形风力系统或高空风筝型发电系统工作的一个周期。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。