专利名称：浮空式风能接收装置的制作方法
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 空式风能接收装置。
背景技术：
风能接收装置，就是将风能转化为旋转机械能的装置。目前常用的风能接收装置 是风叶，装在风塔顶部带动发电机发电。受风塔高度的限制，这种风能接收装置只能接收利 用地面附近的风能，而由于地面的风速较低，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高。而众所周知，空中的气流越往高处其风速越高，所携带的能量越大。如1000米高 空的风速是地面的三倍，则所携带的能量是地面附近的27倍(根据风能密度公式为P = 1/2 P V3)。由此可见，如果能有效利用高空的高速气流，用同种类型、同样截面积的风能接 收装置，发电能力可以提高数倍。因此，充分利用空中气流能量进行风力发电是提高发电能 力，减少发电成本的有效途径。为此，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。其中一种是 意大利高空型风筝发电技术，其工作原理是用大型滑翔伞(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。这种风能接收装置由于利用高空的高速风能，单机功率可达百万千瓦，此外，电机 和输变电系统全部在地面，提高了安全性，与常规风力发电技术相比，其建造成本也相对较 低。但其缺点也比较明显1、需要复杂的转向控制系统，该技术需要计算机高度自动化控制，而且周围要有 精确的测风装置，由于风筝工作在不断变动中，没有稳定态(稳定态下不仅不能工作，而且 风筝会掉下来)，需要不断检测计算风筝的受力状态，调整风筝的姿态，以便使一侧的风筝 处于全风阻状态，拉动发电设备运转，另一侧风筝处于低风阻状态，以减少阻力力矩，是发 电设备能始终在一个方向上旋转发电，因此需要复杂的计算控制系统。同时该技术稳定性 很差。2、如前所述，风筝需要在全阻力和低阻力状态下不断切换才能带动发电设备旋转 发电，但随着风筝的收放，会不断出现脉动冲击，导致发出的电是脉动的，相应地增加了输 变电系统的投资，以及工作过程的复杂性。3、风力的能量密度本来就很低，还要消耗动力拉放风筝，进一步降低了风能利用率。4、气动力学很差，几乎完全是阻力型，效率低。
5、操作复杂，实用性差上千米长的绳子拉着足球场大的风筝，放飞升空操作复 杂。而且整套系统十二个风筝，放的过程中就完全有可能缠到一起。一旦风太小，风筝有可 能失去升力会掉下来。此外，还有采用高空涡轮发动机型、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。这些发电装置也都有一些共同的缺点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；3、对风向有要求，即某些方向的风接收的风能较高， 对另一些方向的风接收的风能较低，而高空气流多变性制约了其对风能的有效利用4、需要 另外加装浮空装置，以便将发电装置升入高空，增加了制造成本。为了克服上述问题，在本申请人提交的申请号200910158160. 8中国发明专利中， 提供了一种浮空式风能接收装置，其采用具有二个螺旋面的螺旋气囊浮空工作，接收空中 各个方向的气流能量，并将气囊的旋转动能传动到地面的发电设备发电做功，其结构简单、 使用安全、操作方便，造价也比较低。该种风能接收装置由于是由一个柱状气囊牵拉或二个 柱状气囊彼此缠绕形成的二个螺旋表面，并利用螺旋表面设置的多条纵向牵引绳向地面传 输动力，因此其传输力矩的大小取决于牵引绳的拉力和螺旋体的直径，而风能接收装置的 直径如果要做得比较大，相应的需要加大气囊的尺寸，因此增加传输力矩的结果可能导致 风能接收装置的成本增加，因而，这种风能接收装置通常比较适合风速较高的场合使用。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题在于提供一种不需要增加气囊尺寸就可以增加 传输力矩的风能接收装置，从而可以保证在风速较低的情况下亦能发电，又不提高设备成 本。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能接收装置，包括螺旋体和牵引绳，所述螺旋体是由至少二个柱状 气囊螺旋缠绕并由牵拉索连接各柱状气囊而形成，在各柱状气囊的两端装有定型分离架， 各柱状气囊内填充有轻质气体，而在所述牵拉索的侧面覆设蒙皮；所述牵引绳沿所述螺旋 体的表面纵向延伸，并与各柱状气囊的凸起表面依次连接。在本发明优选的实施例中，所述螺旋体为由二个柱状气囊缠绕而形成，并与连接 该二个柱状气囊的牵拉索形成具有二个螺旋表面的螺旋形状，而所述蒙皮设置在所述牵拉 索的一侧或二侧，并连接于该二个柱状气囊。在本发明的另一实施例中，所述螺旋体由三根柱状气囊缠绕而成，所述牵拉索每 三根连接成一个三角形，牵拉索的各三角形顶点连接在各柱状气囊上，并且各三角形牵拉 索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮覆设在各三角形牵拉索的外侧表面。在本发明的又一个实施例中，所述螺旋体是由三个柱状气囊互相缠绕而成，三柱 状气囊之间由星形牵拉索依次牵拉，各星形牵拉索具有从中心点向外延伸的三个牵引端， 该三个牵引端分别连接于所述三个柱状气囊，各星形牵拉索彼此错开一夹角，成螺旋状布 置，在该星形牵拉索的一侧或二侧表面覆设所述蒙皮。
在本发明又一可选择的实施例中，所述螺旋体由四根柱状气囊缠绕而成，所述牵拉索每四根连接成一个四边形，牵拉索的各四边形顶点连接在各柱状气囊上，并且各四边形牵拉索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮覆设在各四边形牵拉索的外侧表面。
在本发明另一可选择的实施例中，所述螺旋体是由四个柱状气囊互相缠绕而成，该四个柱状气囊之间由星形牵拉索依次牵拉，各星形牵拉索具有从中心点向外延伸的四个牵引端，该四个牵引端分别连接于所述四个柱状气囊，各星形牵拉索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，在该星形牵拉索的一侧或二侧表面覆设所述蒙皮。
在上述的实施例中，所述柱状气囊还包括副气囊，该副气囊分别设置在各柱状气囊内，在该副气囊上设有连通至大气的气阀，该气阀在内外压差超过预定值时开启。
优选地，所述副气囊连接有补气泵，该补气泵由在所述柱状气囊或副气囊内设置的压力传感器控制。
在上述的实施例中，所述牵引绳至少为三根，均布于所述螺旋体的外侧。
优选地，所述蒙皮采用大麻布制成。
与现有技术相比，本发明的浮空式风能接收装置由于螺旋体是由至少二个气囊缠绕而成，各气囊之间由牵拉索连接可以使得气囊的间距相对较大，在不改变气囊规格，即具有同样的受风面积的情况下，可以产生更大的转矩，而覆设的蒙皮又可以进一步增加受风面积，从而增加做功动力，因而本发明的风能接收装置可以在风速较低或者微风的场合下进行发电，又不会因增加气囊的尺寸而增加成本，大大增加了适用地域范围。
图l是本发明风能接收装置一个实施例的正面结构示意图。
图2是图l的俯视图。
图3是图l的A—A剖视图。
图4是本发明风能接收装置另一个实施例的正面结构示意图。
图5是图4的俯视图。
图6是图4的右视图。
图7是图4的B—B剖视图。
图8是本发明风能接收装置又一个实施例的正面结构示意图。
图9是图8的俯视图。
图lo是图8的右视图。
图11是图8的C—C剖视图。
图12是本发明风能接收装置另外一个实施例的正面结构示意图。
图13是图12的俯视图。
图14是图12的D—D剖视图。i-0040-I 图15是本发明风能接收装置再一个实施例的正面结构示意图。i-0041] 图16是图15的俯视图。i-0042] 图17是图15的E—E剖视图。i-0043] 图中i-0044] lo1螺旋体111牵引绳
12、柱状气囊13、牵拉索
14、定型分离架15、副气囊
16、气阀17、蒙皮
20、螺旋体21、牵引绳
22、柱状气囊23、牵拉索
24、定型分离架25、副气囊
26、气阀27、蒙皮
30、螺旋体31、牵引绳
32、柱状气囊33、牵拉索
34、定型分离架35、蒙皮
40、螺旋体41、牵引绳
42、柱状气囊43、牵拉索
44、定型分离架45、蒙皮
50、螺旋体51、牵引绳
52、柱状气囊53、牵拉索
54、定型分离架55、蒙皮
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。本发明的风能接收装置是用于接收风能，并将所接收的风能通过牵引绳传输到风 力发电设备的地面发电机构，以带动地面发电机构进行发电的装置。图1 图3是本发明一个实施例的结构示意图。图1是该实施例的正面结构示意 图。图2是图1的俯视图。图3是图1的A-A剖视图。如图1 图3所示，本发明的浮空式风能接收装置，包括螺旋体10和牵引绳11。所述螺旋体10为由二个柱状气囊12缠绕而形成，并与连接该二个柱状气囊12的 牵拉索13形成具有二个螺旋表面的螺旋形状，在所述牵拉索13的二侧设有蒙皮17，蒙皮 17连接于该二个柱状气囊12。各柱状气囊12内填充有轻质气体，该轻质气体可以是密度 小于空气的气体，如氢气、氦气等。在该实施例中，所述蒙皮17设置于牵拉索13的二侧，该蒙皮17也可以仅设于牵 拉索13的一侧，如迎风一侧或背风一侧。优选地，蒙皮17可以采用大麻布制成，大麻布具有较高的表面强度，而且具有重 量轻，抗紫外线能力、抗水浸能力高等优点。蒙皮17也可以采用其它具有高强度，耐侵蚀性 的材料制成。下面各实施例的蒙皮也同样，不再赘述。所述牵引绳11沿所述螺旋体10的表面纵向延伸，并与各柱状气囊12的凸起表面 依次连接，在各柱状气囊12的两端装有定型分离架14，定型分离架14用于固定各柱状气 囊12之间的距离，其与牵拉索13和牵引绳11共同作用而将各柱状气囊12保持为一相对 固定的螺旋体形状。该螺旋体10具体的加工步骤如下先将各柱状气囊12按设计好的螺旋线用牵拉索13彼此粘接或焊接在一起，再将蒙皮17粘附在牵拉索13的两侧并与柱状气囊12连接， 之后安装定型分离架14、连接牵引绳11，最后在柱状气囊11和副气囊15内充气，充气后的 柱状气囊12在自身的张力以及定型分离架14与牵拉索13和牵引绳11共同作用下，成为 图2所示的的螺旋体形状。在本实施例中，二个柱状气囊12缠绕并与连接该二个柱状气囊12的牵拉索13 形成具有二个螺旋表面的螺旋形状，该螺旋形状有点类似于在双螺旋体之间连接分子键的 DNA分子形状。在本实施例中，所述牵引绳11为三根，在螺旋体10外侧的圆周方向均勻分布。牵 引绳11除了用于保持螺旋体10的形状外还用于向外输出动力。上述牵引绳11并不限于 三根，也可以多于三根，下面各个实施例也同样，后面不再一一叙述。在本实施例中，所述柱状气囊12还包括副气囊15，该副气囊15分别设置在各柱状 气囊12内，在该副气囊15上设有连通至大气的气阀16，该气阀16在内外压差超过预定值 (比如50 150kPa)时开启，避免螺旋形气囊因压力过高而破裂。优选地，所述副气囊15连接有补气泵(图未示)，该补气泵由在所述气囊或副气 囊内设置的压力传感器控制。在柱状气囊12压力低于预定值时，控制补气泵开启，向副气 囊15补充空气，使得副气囊15膨胀而补充因柱状气囊12泄露或其它原因减少的压力，以 保持柱状气囊12稳定的动力学外形。补气泵的动力可以由地面提供，也可以由设置在螺旋体10顶部或底部的发电设 备提供。一个方案是在螺旋体10的顶部设置一个小型的风能发电设备，该风能发电设备包 括一个小型的螺旋形气囊，该小气囊的螺旋方向与大气囊螺旋方向相反，在本实施例中是 左旋的。小气囊连接于一转盘，该转盘与连接于固定于大气囊顶部的发动机的电机轴相连 接，可以带动该发电机发电。小气囊由于与大气囊的螺旋旋向相反，可使发电机获得双倍的 动力，可用较小的发电设备，保证补气泵的动力供应。而小气囊由于体积较小，泄漏点较少， 可以保证较长时间使用寿命而不用补充气体。此外，发电机与补气泵之间系常规的电气连 接，二者之间也可设置蓄电装置，本领域技术人员根据本发明的记载即可以实现上述方案， 在此不再细述。图中显示的螺旋体10的是右旋螺旋状态，在各螺旋的下侧构成迎风面，上侧构成 背风面，其在风的作用下，风能接收装置会产生向左旋转的扭矩而向左转，即在俯视时沿顺 时针风向旋转。同样，二柱状气囊12也可以盘绕成左旋方向，其与右旋气囊其它结构基本 相同，只是受力方向相反，旋转方向相反。在本实施例中的柱状气囊优选为圆柱形，也可以是其它截面形状的柱形，如，柱形 截面可为椭圆形、多边形、水滴形等等。图4 图7表示了本发明风能接收装置的另一实施例，其中图4是该实施例的正 面结构示意图。图5是图4的俯视图。图6是图4的右视图。图7是图4的B-B剖视图。如图4 图7所示，所述螺旋体20是由三个柱状气囊22互相缠绕而成，三柱状气 囊22之间由星形牵拉索23依次牵拉，各星形牵拉索23具有从中心点向外延伸的三个牵引 端，该三个牵引端分别连接于所述三个柱状气囊22，各星形牵拉索23彼此错开一夹角，成 螺旋状布置，在该星形牵拉索23 二侧表面覆设所述蒙皮27，在三个柱状气囊22的两端装有 定型分离架24。
在该实施例中，所述蒙皮27设置于牵拉索23的二侧，该蒙皮27同样也可以仅设 于牵拉索23的一侧，如迎风一侧或背风一侧。同样，柱状气囊22也包括副气囊25，该副气囊25分别设置在各柱状气囊22内，在 该副气囊25上设有连通至大气的气阀26，该气阀26在内外压差超过预定值(比如50 150kPa)时开启，可以避免螺旋形气囊因压力过高而破裂。所述副气囊25也连接有补气泵 (图未示)，该补气泵由在所述柱状气囊22或副气囊25内设置的压力传感器控制。图8 图11表示了本发明风能接收装置的又一实施例，其中图8是该实施例的正 面结构示意图。图9是图8的俯视图。图10是图8的右视图。图11是图8的C-C剖视图。在图8 图11所示的实施例中，所述螺旋体30由三根柱状气囊32缠绕而成，牵 拉索33每三根连接成一个三角形，三角形牵拉索的各三角形顶点连接在各柱状气囊32上， 并且各三角形牵拉索33彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮35覆设在各三角形牵 拉索33的外侧表面，各柱状气囊32的下侧与蒙皮35共同构成迎风面，参见图11。在螺旋体30外侧均布有三根牵引绳41。在各柱状气囊32的两端装有定型分离架 34。图12 图14表示了本发明风能接收装置的又一可选择的实施例，其中图12是该 实施例的正面结构示意图。图13是图12的俯视图。图14是图12的D-D剖视图。在图12 图14所示的实施例中，所述螺旋体40是由四个柱状气囊42互相缠绕 而成，该四个柱状气囊42之间由星形牵拉索43依次牵拉，各星形牵拉索43具有从中心点 向外延伸的四个牵引端，该四个牵引端分别连接于所述四个柱状气囊42，各星形牵拉索43 彼此错开一夹角，成螺旋状布置，在该星形牵拉索43的二侧表面覆设所述蒙皮45。该蒙皮 45同样可以仅覆设在星形牵拉索43的一侧。在螺旋体40外侧均布有三根牵引绳41。在 各柱状气囊42的两端装有定型分离架44。图15 图17表示了本发明风能接收装置的再一个实施例。其中，图15是该实施 例的正面结构示意图，图16是图15的俯视图，图17是图15的E-E剖视图。在该实施例中，所述螺旋体50由四根柱状气囊52缠绕而成，牵拉索53每四根连 接成一个四边形，牵拉索53的各四边形顶点连接在各柱状气囊52上，并且各四边形牵拉索 53彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮55覆设在各四边形牵拉索53的外侧表面。 在螺旋体50外侧均布有三根牵引绳51。在各柱状气囊52的两端装有定型分离架54。在上述三个实施例中，均没有设置副气囊。在本发明中副气囊并不是必须配置的， 在某些环境变化(如温度、压力)比较小的地方，也可以不用副气囊，依然能够保证柱状气 囊较高的寿命。从本发明前面的叙述，本领域技术人员容易想到，本发明的风能接收装置也可以 采用四个以上柱状气囊，形成四个以上的螺旋表面，气囊之间的牵拉索可以呈星形布置，也 可以呈多边形布置，只不过是星形牵拉索的牵引端由三个或四个或变为四个以上或者多边 形的边数由三边或四边变为多边而已。对于多个气囊构成的风能接收装置，气囊数量越多，其旋转相对更为平稳，但同时 受风面积相对减少也越多，通常更适用于更高风速环境和更大型装置上面。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
一种浮空式风能接收装置，包括螺旋体和牵引绳，其特征在于所述螺旋体是由至少二个柱状气囊螺旋缠绕并由牵拉索连接各柱状气囊而形成，在各柱状气囊的两端装有定型分离架，各柱状气囊内填充有轻质气体，而在所述牵拉索的侧面覆设蒙皮；所述牵引绳沿所述螺旋体的表面纵向延伸，并与各柱状气囊的凸起表面依次连接。
2.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述螺旋体是由二个柱 状气囊缠绕而形成，并与连接该二个柱状气囊的牵拉索形成具有二个螺旋表面的螺旋形 状，而所述蒙皮设置在所述牵拉索的一侧或二侧，并连接于该二个柱状气囊。
3.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述螺旋体由三根柱状 气囊缠绕而成，所述牵拉索每三根连接成一个三角形，牵拉索的各三角形顶点连接在各柱 状气囊上，并且各三角形牵拉索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮覆设在各三角 形牵拉索的外侧表面。
4.根据权利要求1所述的风能接收装置，其特征在于所述螺旋体是由三个柱状气囊 互相缠绕而成，三柱状气囊之间由星形牵拉索依次牵拉，各星形牵拉索具有从中心点向外 延伸的三个牵引端，该三个牵引端分别连接于所述三个柱状气囊，各星形牵拉索彼此错开 一夹角，成螺旋状布置，在该星形牵拉索的一侧或二侧表面覆设所述蒙皮。
5.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述螺旋体由四根柱状 气囊缠绕而成，所述牵拉索每四根连接成一个四边形，牵拉索的各四边形顶点连接在各柱 状气囊上，并且各四边形牵拉索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，而所述蒙皮覆设在各四边 形牵拉索的外侧表面。
6.根据权利要求1所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述螺旋体是由四个柱 状气囊互相缠绕而成，该四个柱状气囊之间由星形牵拉索依次牵拉，各星形牵拉索具有从 中心点向外延伸的四个牵引端，该四个牵引端分别连接于所述四个柱状气囊，各星形牵拉 索彼此错开一夹角，成螺旋状布置，在该星形牵拉索的一侧或二侧表面覆设所述蒙皮。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的浮空式风能接收装置，其特征在于还包括副 气囊，该副气囊分别设置在各柱状气囊内，在该副气囊上设有连通至大气的气阀，该气阀在 内外压差超过预定值时开启。
8.根据权利要求7所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述副气囊连接有补气 泵，该补气泵由在所述柱状气囊或副气囊内设置的压力传感器控制。
9.根据权利要求1 6中任一项所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述牵引 绳至少为三根，均布于所述螺旋体的外侧。
10.根据权利要求1 6中任一项所述的浮空式风能接收装置，其特征在于所述蒙皮 采用大麻布制成。
全文摘要
本发明公开了一种浮空式风能接收装置，包括螺旋体和牵引绳，所述螺旋体是由至少二个柱状气囊螺旋缠绕并由牵拉索连接各柱状气囊而形成，在各柱状气囊的两端装有定型分离架、内部填充有轻质气体，而在牵拉索的侧面覆设蒙皮；该牵引绳沿该螺旋体的表面纵向延伸，并与各柱状气囊的凸起表面依次连接。由于螺旋体是由至少二个气囊缠绕而成，各气囊之间由牵拉索连接可以使得气囊的间距相对较大，在不改变气囊规格，即具有同样的受风面积的情况下，可以产生更大的转矩，而覆设的蒙皮又可以进一步增加受风面积，从而增加做功动力，因而该风能接收装置可以在风速较低或者微风的场合下进行发电，又不会因增加气囊的尺寸而增加成本，大大增加了适用地域范围。
文档编号F03D5/06GK101994656SQ200910162330
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者张阳 申请人:中国中煤能源集团有限公司