一种高空风能发电系统和一种高空风能发电气囊的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高空风能发电系统和一种高空风能发电气囊，属于高空风能发电领域。
【背景技术】
[0002]空气运动具有动能。空气在单位时间(I秒)流经单位面积(I平方米)时，则空气具有的风功率密度为P = 1/2*pv3。其中，P为该处空气的密度，V为该处空气的流动速度。
[0003]高空的风速远高于地面，且风速较少受地形地貌影响，风能稳定，故高空的风能密度远高于地面，可以是低空风能密度的十倍至百倍。而利用高空风能进行发电目前仍基本处于试验状态。
[0004]利用高空风能发电技术归纳起来，可以分为三大类:
[0005]—类是利用氦气球、热气球、飞艇等升力作用，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。
[0006]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通过变压器升压，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。加之氦气球随着升空高度的提升，空气密度下降，氦气球所受浮力下降。这些原因限制了该类技术路线的公司设备上升高度，并且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；另外，充氦气需要成本，氦气球对于气囊的材质要求较高，以防止氦气过多泄漏。
[0007]这一技术路线的典型代表为Altaerosenergies的高空风电系统“空中浮动祸轮”(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。
[0008]另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”或固定翼飞行器，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。
[0009]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发电机相连，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发电机旋转并发电。该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。另外，有的风筝采用伞形结构，降落伞的圆形对称结构有利于提高系统稳定性。利用高空风能做上下运动，产生的机械能拉动地面发电机转化为电能。空中系统只需要改变高度即可，空中控制系统存在自稳定特点，容易控制飞行姿态。系统做功过程只是上下运动，不会有“乱跑”的问题，控制的难点在于对处于高空的降落伞的收伞和放伞操作。
[0010]第三类为用缆绳系留于地面的旋翼机，其旋翼为整个装置提供升力并发电。该方式实际上是一个停留在空中的发电平台，在上面安装了多个常规的旋翼。旋翼在风速高时，发电并提供升力；当风速较低时，旋翼机产生的升力不足以使发电装置升在空中，可以通过电力电缆从地面向系统送电，从而使旋翼机以电动直升机方式运行，以产生足够的升力。升降作业时，同样以电动直升机方式运行提供升力。该种方式优点突出，但成本相对较高。
[0011]第一、第三种采用空中发电平台的方式，发电装置的尺寸和重量大，电压输出低，电流大，连接地面的电力电缆的截面尺寸大，自重大，这些因素共同影响装置的升空能力，限制单机容量的提尚。
【发明内容】
[0012]本发明的目的是提供一种高空风能发电系统，用以解决传统的高空发电装置均存在一定缺陷的问题。本发明同时提供一种高空风能发电气囊。
[0013]为实现上述目的，本发明的方案包括一种高空风能发电系统，所述发电系统包括至少一个高空风能发电装置，所述发电装置包括伞形风筝和高空发电部分，所述高空发电部分由涡轮机和发电机构成，所述伞形风筝的前端至后端呈渐缩结构，所述风筝的后端开口，所述开口处固定设置所述涡轮机，该涡轮机与发电机机械传动连接，所述发电机具有用于连接电缆或者用于通过无线输电方式将电能输出到地面的电能输出端，所述电缆用于将发出的电能输出到地面；
[0014]当发电系统包括至少两个高空风能发电装置时，所有的高空风能发电装置中的发电机串联设置。
[0015]所述伞形风筝的开口的后端设置有一个气囊，该气囊的前端与所述伞形风筝的后端固定设置，所述气囊具有一个前端至中端呈渐缩结构、中端至后端呈渐扩结构的通风通道，所述涡轮机设置在所述中端处。
[0016]发电机与涡轮机前后设置，发电机设置在涡轮机的前方，且发电机与涡轮机同轴设置。
[0017]所述伞形风筝上固定布置有至少一个用于在伞形风筝升空时提供升力、在伞形风筝落地时提供缓冲的辅助气囊或者辅助风筝。
[0018]所述发电机的前端和后端设置有整流罩，发电机与涡轮机之间设置有用于通风的间隙。
[0019]所述发电机设置在所述开口的前端，所述涡轮机设置在所述开口的后端，所述涡轮机的后端设置有一个呈渐扩结构的喇叭形排风口。
[0020]所述发电系统还包括地面卷扬装置，所述地面卷扬装置通过缆绳与发电装置中的伞形风筝连接。
[0021]—种高空风能发电气囊，包括气囊本体和高空发电部分，所述高空发电部分由涡轮机和发电机构成，所述气囊本体具有一个前端至中端呈渐缩结构、中端至后端呈渐扩结构的通风通道，所述涡轮机设置在所述中端处，所述涡轮机与发电机机械传动连接。
[0022]所述发电机与涡轮机前后设置，发电机设置在涡轮机的前方，且发电机与涡轮机同轴设置。
[0023]所述发电机的前端和后端设置有整流罩，发电机与涡轮机之间设置有用于通风的间隙。
[0024]本发明提供的高空风能发电系统具有以下有益效果，I)通过风筝提供升力、并依靠自身的伞形特征形成高速风，该高速风能够驱动涡轮机转动，进而带动发电机转动，以实现发电；发电装置对涡轮机没有严格要求，因为伞形特征能够形成高速风，所以该发电系统适用于小型、轻量化的涡轮机，形成的高速风能够带动涡轮机做功，实现涡轮机的转速高速化;并且，高速转动的涡轮机能够带动发电机高速转动，所以，该发电装置中的高空发电部分中不用设置用于提升转速的变速装置，只利用涡轮机和发电机即可进行有效发电；2)由于发电机的输出电压与转速成正比，所以高速转动的涡轮机可以提升发电机的输出电压，发电机的外形尺寸、定子用导体线径无需做的很大，只需较小的尺寸和线径即可满足要求；由于发电机能够输出较高的电压，所以空中发电部分中也无需设置变压器等电压转换设备，有效降低空中部分的重量;并且，由于电压越高，传输电流越小，所以，在高输出电压的基础上，该装置能够有效降低传输电缆的线径，进一步降低发电装置的重量，降低投入成本。所以，该发电系统的核心在于空中设备的风速高速化、转速高速化、电压高压化、重量轻量化、体积小型化，从而提高实用化程度。
[0025]并且，本发明提供的发电系统可以根据实际情况设置多个发电装置，将所有的发电装置中的发电机串联设置，能够极大提升发电电压，不但能够满足大电压的需求，而且也能进一步降低传输电缆的线径，降低空中设备的重量，降低投入成本。
[0026]另外，本发明还提供一种高空风能发电气囊，该气囊包括气囊本体和高空发电部分，高空发电部分由涡轮机和发电机构成，气囊本体具有一个前端至中端呈渐缩结构、中端至后端呈渐扩结构的通风通道，涡轮机设置在中端处，所述涡轮机与发电机机械传动连接。该发电气囊具有一般气囊的特性，通过内部的气体实现自动升空的作用，并且该气囊也具备一个渐缩渐扩的通道，高空风通过该通道能够形成高速风，与上述发电系统相似，该发电气囊也适用于小型、轻量化的涡轮机，并且不用设置用于提升转速的变速装置，只利用涡轮机和发电机即可进行有效发电；发电机的外形尺寸、定子用导体线径无需做的很大，只需较小的尺寸和线径即可满足要求;无需设置变压器等电压转换设备，有效降低空中部分的重量;能够有效降低传输电缆的线径，进一步降低发电装置的重量，降低投入成本。所以，该发电气囊的核心同样在于空中设备的风速高速化、转