专利名称：浮空式风力发电设备地面随动机构及地面传动系统的制作方法
技术领域：
本发明有关一种风能发电设备，具体而言是涉及一种利用高空气流做功发电的浮 空式风力发电设备的地面随动机构，及带有该地面随动机构的地面传动系统。
背景技术：
风力发电设备是将气流所携带的能量转化为机械能，再通过发电机将机械能转化 为电能的结构。目前常见的风力发电设备是在地面设置的风力发电设备，这种风力发电设 备只能接收利用地表的风能，而由于近地表面的风速较低，能量较小，若想提高风力发电的 功率，只能尽可能采用大尺寸的风叶叶片，提高受风面积，这也带来成本的剧增，而风叶尺 寸由于材料、工艺以及风塔高度的限制，并不能无限制的增加，因而制约了发电能力的进一 步提尚。因此，目前世界各国相继研制了利用高空气流做功的风能接收装置。包括高空涡 轮发动机型、高空兜风轮型和高空直升机型等浮空式风能发电装置，这些装置的共同特点 是将风能接收装置和发电机构一起由浮空装置升到空中，接收高空风能，并将产生的电能 输送回地面，这些浮空式风能发电装置可以有效地利用高空的风能。但这些发电装置也都 存在一些共同的缺点1、由于将风能接收装置与发电机构都浮空布置在空中，造成风能发 电装置的结构复杂、重量大，制约了其功率的进一步提高；2、体积、重量都比较大的发电装 置都设置在空中，一旦坠毁，将会对地面安全构成威胁，安全性较差。因而将风能接收装置 与发电机构分离，实现设备大型化，进一步提高发电能力、增加安全性也是浮空式风能发电 设备需要解决的问题。现有技术中也出现了一种高空型风筝发电技术，其工作原理是用多个大型滑翔 伞(也就是所说的风筝)作为风能接收器，通过拉动控制绳(计算机自动完成)，使逆风上 行的风筝变形，从而降低风阻，而对侧顺风下行风筝则全张开，全风阻顺风飞行，两侧风阻 差形成机构整体转动的动力。在风能转化为机械能后，通过钢丝绳将接收到的能量送到地 面转轮，由转轮将能量送入发电机，完成发电的目的。这种风能接收装置其优点为其电机和输变电系统全部在地面，易于实现大型化， 且提高了安全性，利用高空的高速风能，单机功率可达百万千瓦。和常规风力发电技术相 比，其建造成本也相对较低。但缺点在于1、所有风筝随风飘向风向下游，而且拉力巨大，导致轴承处受到极大的剪切应力， 并导致摩擦极大。既容易导致设备损坏，又因摩擦消耗大量的能量。2、一方面由于该种发电设备的动力输入轴位置是固定不动的，而风筝在风的作用 下不断带动动力输入轴旋转；另一方面也由于作为发电动力的风的方向是随时变化的，因 此会在动力输入轴上产生交变的剪切应力，这种交变的剪切应力会影响动力输入轴的疲劳 寿命，在风大时，动力输入轴承受的巨大剪切应力还可能会破坏该输入轴的润滑，导致部件 磨损加剧，减少风力发电设备的使用寿命，严重的甚至会造成运动部件的疲劳损坏，导致设 备提前报废。
3、随着风筝的收放，不断出现脉动冲击，导致发出的电是脉动的，增加了输变电系 统的投资，以及工作过程的复杂性。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能使风力发电设备 动力输入轴受力更合理，输出效率高、使用寿命长的浮空式风力发电设备的地面随动机构。为将上述浮空式风力发电设备地面随动机构连接到风能接收装置，本发明还提供 一种带有上述地面随动机构的地面传动系统。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种浮空式风力发电设备地面随动机构，其包括支架，固定于地面；外支撑架，两端借助于第一枢转轴枢接于所述支架；安装座，用于安装发电机构，该安装座两端借助于第二枢转轴枢接于所述外支撑 架；所述第二枢转轴垂直于所述第一枢转轴，所述发电机构的动力输入轴垂直于所述 第二枢转轴并且该动力输入轴轴心延长线穿过该第二枢转轴的中心点。优选地，所述第一枢转轴和第二枢转轴位于同一平面。优选地，所述发电机构的重心位于所述第一枢转轴与第二枢转轴交点位置。可选择地，所述动力输入轴为发电机轴，而所述安装座为发电机外壳。优选地，所述支架由二根立柱或二个并列设置的架体构成。优选地，所述外支撑架和安装座均为环形，该环形外支撑架和环形安装座同心布 置。本发明带有上述地面随动机构的地面传动系统，其包括用于连接风能接收装置的 驱动架，该驱动架安装于所述动力输入轴。优选地，所述驱动架形状为圆盘形。优选地，所述驱动架为具有至少三个径向伸出端的放射状驱动架。与现有技术相比，本发明的地面随动机构由于外支撑架枢接于所述支架，而安装 发电机构的安装座枢接于外支撑架，使得发电机构相对于支架具有二个自由度，因而在动 力输入轴因风能接收装置所接受风向发生变化而承受任意方向的剪切应力时，可以将该剪 切应力转化为发电机构的摆动，使发电机构的动力输入轴与风能接收装置基本上同轴旋 转，使得动力输入轴仅仅承受扭矩的作用，大大改善了动力输入轴的受力情况，减少了动力 输入轴的摩擦损害和疲劳损伤，提高了设备的使用寿命，同时也减少了因摩擦产生的无用 功，提高了设备的输出效率。而本发明的地面传动系统由于具有驱动架，可以将风能接收装置的动能通过驱动 架传递给地面随动机构的动力输入轴。另外，该驱动架由于可以具有较大的力臂，在与本发 明人另一项名称为“浮空式风能接收装置”的发明(由螺旋气囊构成的风能接收装置)结 合使用时，一方面可以将该螺旋气囊周边牵引绳的拉力转换成驱动架的旋转动力，驱动发 电机构做功，另一方面可以在驱动架上产生较大的力矩，微风的情况下也可以发电，增加发 电设备的适应环境范围。
图1是本发明地面随动机构一个实施例的结构示意图。图2是本发明地面随动机构另一实施例的结构示意图。图3是本发明地面随动机构又一实施例的结构示意图。图4是本发明地面传动系统的结构示意图。图5a、图5b和图5c分别是本发明驱动架结构示意图。图中10、地面随动机构11、支架12、安装座13、第一枢转轴14、第二枢转轴15、发电机构16、动力输入轴17、外支撑架20、地面随动机构21、立柱22、圆环形安装座 23、第一枢转轴24、第二枢转轴25、发电机构26、动力输入轴27、圆环形外支撑架30、地面随动机构 31、架体32、发电机33、第一枢转轴34、第二枢转轴35、发电机轴36、外支撑架40、驱动架41、径向伸出端42、连接孔43、驱动轴50、驱动架51、驱动盘52、驱动轴53、径向伸出端54、连接孔
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应 对本发明的保护范围有任何的限制作用。本发明的地面随动装置是应用于浮空式风力发电设备用于与风能接收装置相连 接，在风能接收装置随风力、风向在空中漂浮到任意位置时，都能跟随摆动，从而随时将风 能接收装置传来的能量顺畅地传送给发电机的一种传动机构，其与发电机构一同安装在地面。本发明地面随动机构，包括支架、外支撑架和安装座。所述支架，固定于地面；所述外支撑架，两端借助于第一枢转轴枢接于所述支架；所述安装座，用于安装发电机构，该安装座两端借助于第二枢转轴枢接于所述外 支撑架；所述第二枢转轴垂直于所述第一枢转轴，所述发电机构的动力输入轴垂直于所述第二枢转轴并且该动力输入轴轴心延长线穿过该第二枢转轴的中心点。该随动机构具有的二个枢转轴可以满足任何风向和风力大小的灵活随动，始终保 持发电机构的动力输入轴和风能接收装置的同轴运行。由于本随动机构类似于万向节工作 原理，所以可在任意角度和方向工作。图1是本发明地面随动机构一实施例的结构示意图。 如图1所示，本发明浮空式风力发电设备地面随动机构10，其包括支架11，图1中的支架11为两个并列设置的圆形立柱，该二个圆形立柱固定于 地面，地面设备除两根不是很高的立柱外，其它设备全部置于立柱上，而两支柱间距又比较 大，占地面积很小，几乎不影响耕种土地。支架11除了可以采用上述二个圆形立柱外，还可以采用其它类似的结构，如二个 并列的架体、一个呈Y形的架体等本领域技术人员可以联想到的结构。外支撑架17，是为圆环形状，其两端借助于第一枢转轴13枢接于所述支架11。该 第一枢转轴13可以是固定在外支撑架17上而与支架11枢轴连接，也可以是固定在支架11 上而与外支撑架17枢轴连接。安装座12，也是圆环形状，用于安装发电机构15。发电机构15—般由发电机和相 应的变速机构组成，在接受高空风能时，由于风能接收装置的转速较高，也可不用连接变速 机构。所述安装座12两端借助于第二枢转轴14枢接于所述外支撑架17。该第二枢转轴 14可以是固定在外支撑架17上而与安装座12枢轴连接，也可以是固定在安装座12上而与 外支撑架17枢轴连接。本领域技术人员容易想到，上述外支撑架17和安装座12也可采用诸如方形环等 其他环形形状。由于上述第一枢转轴13以及第二枢转轴14相对转动速度和角度都比较小，要求 的精度也比较低，只是要求荷载比较高，因此其枢接处使用普通的辊子轴承、滑动轴承均可。所述第二枢转轴14垂直于所述第一枢转轴13，所述发电机构15的动力输入轴16 垂直于所述第二枢转轴14并且该动力输入轴16轴心延长线穿过该第二枢转轴的中心点。 这种结构使得动力输入轴16始终位于随动机构的中心或中心延长线上，接收的也只是来 自风能接收装置的转矩，而无其他分力。图2是本发明地面随动机构另一实施例的结构示意图。如图2所示，该随动机构20包括立柱21，圆环形外支撑架27和圆环形安装座22。 二根并列的立柱21固定于地面；所述圆环形外支撑架27两端借助于第一枢转轴23枢接于 所述立柱21 ；所述圆环形安装座22用于安装发电机构25，其两端借助于第二枢转轴24枢 接于所述圆环形外支撑架27。所述第二枢转轴24垂直于所述第一枢转轴23，并且二者位于同一平面，这一点与 前一实施例是不同的，在前一实施例中第二枢转轴14与第一枢转轴13 二者在空间上间隔
了一段距离。在本实施例中，所述发电机构25的动力输入轴26垂直于所述第二枢转轴24并且 该动力输入轴26穿过该第二枢转轴24的中心点，而所述发电机构25的重心位于所述第一 枢转轴23与第二枢转轴24交点位置。这样的结构能使随动机构的动作更为灵活，使得动力输入轴26能与风能接 收装置基本保持同轴，能更好的传递所接受的动力。图3是本发明地面所动机构又一实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例的 地面随动机构30与上述二个实施例的地面随动机构主要结构类似，都设有架体31、外支撑 架36，外支撑架36通过第一枢转轴33枢轴连接于所述支架。所不同的是本实施例的发电 机构省略了变速机构，仅仅安装了发电机32，相应地发电机轴35作为动力输入轴，而第二 枢转轴34则安装在发电机32的外壳上，此时是将发电机外壳作为安装座使用。作为该种方式的替换，也可以在发电机32外面设置一个安装罩壳，而将发电机32 置于该安装罩壳内，而将第二枢转轴34设置在该安装罩壳的两端。这种结构较便于发电机 构配置配重。为将上述地面随动机构连接到风能接收装置，本发明提供看一种带有上述浮空式 风力发电设备地面随动机构的地面传动系统，该地面传动系统包括上述地面随动机构和用 于连接风能接收装置与该地面随动机构的驱动架。图4表示了本发明地面传动系统的结构示意图。在图4中，是将图3实施例所示 的随动系统与十字形驱动架组合而成的传动系统。如图4所示，该地面传动系统包括驱动架40和地面随动机构30。所述驱动架40具有呈十字形布置的径向伸出端41，在径向伸出端41上设有连接 孔42，可以分别与风能接收装置的牵引绳下端连接，在风能接收装置接收风能而旋转时，会 将动力传送到驱动架40。在驱动架40的下方设有驱动轴43，而所述地面随动机构30的发 电机轴35与所述驱动轴43相连接，在驱动架40随风能接收装置转动时，即将动能传递到 发电机32用于发电。本发明虽然仅给出一种地面传动系统的实施例，但根据本发明的记载，本领域技 术人员很容易就想到本发明的地面传动系统可以采用其他类似的结构来代替，如随动机构 可以采用具有二个自由度转轴的万向摆动结构，而驱动架可以采用具有驱动轴和相对该驱 动轴轴对称的驱动端的结构。图5a、图5b和图5c分别是本发明几个驱动架结构示意图。参见5a 图5c，所述驱动架50可以为具有图5a所示驱动盘51的圆盘形，也可以 为图5b和图5c所示的具有至少三个径向伸出端53的放射形。在图5b中，驱动架50具有六个径向伸出端53，各径向伸出端53上均设有连接孔 54，在驱动架50下方设有驱动轴52。在图5c中，驱动架50具有三个径向伸出端53，同样各径向伸出端53上也设有连 接孔54，在驱动架50下方设有驱动轴52。上述实施例中，附图所示的连接孔42、54均设置在径向伸出端的端部，实际上该 连接孔42、54也可在径向伸出端的端部和内侧同时设置，以便与设置在风能接收装置的气 囊内外的牵引绳同时连接，使风能接收装置的受力更为均勻，传力效果更佳。本发明的驱动架还可采用其他的对称形状，只要在其对应部位可以设置圆周方向 的连接孔或者连接部位，能与风能接收装置呈圆周布置的牵引绳进行连接的均可。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以将上述技术内 容进行组合形成其他的技术方案，这些改进和润饰，以及形成的其他技术方案也应视为本发明的保护范围 。
权利要求
一种浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于包括支架，固定于地面；外支撑架，两端借助于第一枢转轴枢接于所述支架；安装座，用于安装发电机构，该安装座两端借助于第二枢转轴枢接于所述外支撑架；所述第二枢转轴垂直于所述第一枢转轴，所述发电机构的动力输入轴垂直于所述第二枢转轴并且该动力输入轴轴心延长线穿过该第二枢转轴的中心点。
2.根据权利要求1所述的浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于 枢转轴和第二枢转轴位于同一平面。
3.根据权利要求2所述的浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于 机构的重心位于所述第一枢转轴与第二枢转轴交点位置。
4.根据权利要求1所述的浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于 输入轴为发电机轴，而所述安装座为发电机外壳。
5.根据权利要求1所述的浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于 由二根立柱或二个并列设置的架体构成。
6.根据权利要求1所述的浮空式风力发电设备地面随动机构，其特征在于 撑架和安装座均为环形，该环形外支撑架和环形安装座同心布置。
7.—种地面传动系统，其特征在于包括权利要求1-6中任一项所述浮空式风力发电 设备地面随动机构，以及用于连接风能接收装置的驱动架，该驱动架安装于所述动力输入 轴ο
8.根据权利要求7所述的地面传动系统，其特征在于所述驱动架形状为圆盘形。
9.根据权利要求7所述的地面传动系统，其特征在于所述驱动架为具有至少三个径 向伸出端的放射状驱动架。所述第一 所述发电 所述动力 所述支架 所述外支
全文摘要
一种利用高空气流做功发电的浮空式风力发电设备的地面随动机构，及带有该地面随动机构的地面传动系统。所述地面随动机构包括支架，固定于地面；外支撑架，两端借助于第一枢转轴枢接于所述支架；安装座，用于安装发电机构，该安装座两端借助于第二枢转轴枢接于所述外支撑架；所述第二枢转轴垂直于所述第一枢转轴，所述发电机构的动力输入轴垂直于所述第二枢转轴并且该动力输入轴轴心延长线穿过该第二枢转轴的中心点。所述地面传动系统包括用于连接风能接收装置的驱动架，该驱动架安装于所述动力输入轴。该地面随动机构结构简单、能使风力发电设备动力输入轴受力更合理，输出效率高、使用寿命更长。
文档编号F03D5/00GK101963135SQ20091016124
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者张阳 申请人:中国中煤能源集团有限公司