一种大型系留式高空风能及太阳能电站的制作方法

本发明属于能源, 涉及一种高空风能及太阳能发电装置，具体涉及一种大型系留式高空风能及太阳能电站。风能，即空气流动所产生的动能；是由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均引起大气层压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成的，故风能是太阳能的一种转化形式，是一种可再生清洁能源，取之不尽，用之不竭。据测算，全球的风能储量约为2.74x10∧9mw，其中可利用的风能为2x10∧7mw，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦（3.2 x 10∧6mw），其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦(2.53 x10∧5mw)。风能与风速的三次方成正比，与空气密度成正比，空气密度越大、风速越高则风能越大，而海拔越高风速越大；研究机构对世界范围内海拔与风能资源分布关系进行研究时发现,高度为500米处, 平均风能密度约225 w/m2, 约为地面风能密度的2倍; 高度在1000米时, 风能密度能达到500 w/ m2；根据气象资料显示，我国的高空风能主要集中在经济发达的华东地区，在东南沿海上空1万米处的最高风能密度能达到10 kw/m2,而在16000米左右的平流层，风速经常可达到60米/秒，风能密度高达30kw/平米，是低空风能密度的100倍以上，是地面风能密度的近300倍，是世界上风能密度最高的地区之一；斯坦福大学环境和气候科学家的研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍，可见风力发电的潜力十分巨大。目前，高空风能发电的方式主要有两种：一种是将发电机悬浮在空中,另一种是将发电机设置在地面。空基发电系统主要有两种，一种是系留式机载发电系统, 即将永磁电机固定在飞行器上, 控制飞行器迎风飞行, 风力驱动叶轮转动使永磁电机发电, 并通过系留绳将电能引入地面储能设备,另一种是系留浮空器技术，即将风叶发电机组固定在一个筒形浮空器中, 漂浮在一定高度进行高空风能发电，或是将涡轮形浮空器上升到一定高度, 利用高空风吹动浮空器旋转, 从而带动浮空器两端的发电机发电。发电机设置在地面的高空发电系统主要有三种，一是系留滑翔伞技术, 即通过控制滑翔伞在高空按特定的“8” 字型或者“ 圆形” 轨迹运动从而拖动系留绳使地面发电机发电；二是系留阻力伞梯技术, 即通过控制多个阻力伞开闭, 实现伞上下循环运动, 进而拖动地面发电机发电；三是系留飞行器式技术，即控制固定翼飞行器在高空按特定的“ 8” 字型轨迹运动从而拖动系留绳使地面发电机发电。上述各种发电模式中，均存在单体设备发电功率偏小,设备成本偏高,控制复杂、可靠性不高等问题,如果简单地同时升空多个发电设备则又导致占地面积大,占用空间多,设备间存在相互干扰甚至发生碰撞、缠绕等风险。由于风能有明显的季节性，一年当中有相当长的时间风力很弱，以长沙地区12千米高空为例，7月的平均风力仅11米/秒左右，与1月平均风速65米/秒相比，风能大幅减少，将使风能电站的电力输出锐减，其它地区不同高度的风能存在相似的情况；目前的风力发电装置几乎都是纯风能发电，不同程度存在着电力输出波动大的问题。

背景技术：

技术实现思路

1、为了克服现有高空风力发电技术中存在的缺陷，大幅提高风力发电装置的功率，同时稳定发电装置的电力输出，本发明设计了一种大型系留式高空风能及太阳能电站，在专门设计的空间装载平台（由横流风扇提供浮空升力）上安装数量庞大的风力发电机及面积巨大的太阳能电池板进行发电，发电能力可达数百mw,发出的电力经升压后通过专用输电线缆传输回地面，具体技术路线如下：

2、一种大型系留式高空风能及太阳能电站，包括一个大直径环形框架及其上的穹拱，穹拱跨越环心且在环心上方交叉，环形框架与穹拱共同构成具有足够刚性与强度的空间装载平台；环形框架中心圆内装有多个互相平行的桁架，桁架上装有多个涡轮风力发电机，装载平台上布设太阳能电池板。

3、进一步地，环形框架与穹拱均主要由碳纤维材料制成。

4、进一步地，环形框架向外伸出多个碳纤维挂架用于布设外挂的太阳能电池板。

5、进一步地，环形框架及桁架上安装多个横流风扇。

6、进一步地，桁架上方装有主要由碳纤维材料制成的承重拱架，拱架上装有碳纤维吊索。

7、进一步地，环形框架内装有逆变器及变电站，风力发电机及太阳能电池板发出的电力经变压器升压后传输回地面。

8、进一步地，环形框架上内装有蓄电池，用于紧急状态下给升力装置供电。

9、进一步地，装载平台上装有备用供电线缆，当升力装置的电力供应意外中断且短时内无法修复时，备用供电线缆直接从地面给升力装置供电。

10、进一步地，装载平台上有多根系留缆绳与地面的卷扬机连接，用以将电站固定在特定的空间位置，防止漂移与转动；所述系留缆绳由碳纤维与芳纶纤维制成。

11、进一步地，风力发电机的定子采用印刷电路板（pcb）。

12、与现有技术相比取得的有益效果：

13、一，采用大型装载平台安装数量庞大的涡轮风力发电机组成高空风能及太阳能电站，占地面积小，发电能力大，发电成本低。

14、二，风力发电机的定子采用新型印刷电路板（pcb）取代传统发电机的铁芯定子，减少整机近一半的重量，使得同样的装载平台可多安装近一倍的风力发电机，大大降低了风能及太阳能电站的建造成本。

15、三，采用横流风扇产生升力，大幅减少风能及太阳能电站的总重量；横流风扇产生的升力是传统固定翼的2倍，是旋翼的4倍，少量的横流风扇就可产生足够大的升力。

16、四，在装载平台上同时加装太阳能电池板，大幅增加了电站的发电功率，尤其在风力较弱的季节下仍能稳定利用太阳能发电，保证了电站电力相对稳定地输出。

技术特征：

1.一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，包括一个大直径的环形框架（10）及其上的穹拱（20），所述穹拱（20）跨越环心且在环心上方交叉，所述框架（10）与所述穹拱（20）构成具有足够刚性与强度的空间装载平台，所述环形框架（10）中心圆内装有多个互相平行的桁架（30），所述桁架（30）上装有多个涡轮风力发电机（50），所述装载平台上布设太阳能电池板（60）。

2.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述的环形框架（10）上伸出多个碳纤维挂架用于布设外挂的太阳能电池板（60）。

3.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述装载平台上装有多个横流风扇（70）。

4.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述桁架（30）上方装有承重拱架（40），所述桁架（30）及承重拱架（40）主要由碳纤维材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述环形框架（10）及穹拱（20）主要由碳纤维材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述环形框架（10）上装有变电站，所述风力发电机（50）及太阳能电池板（60）产生的电力经变压器升压后传输回地面。

7.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述环形框架（10）上装有蓄电池，用于紧急状态下给横流风扇（70）供电以产生升力。

8.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述装载平台上装有供电及输电线缆。

9.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述装载平台上有多根系留缆绳（80）与地面的卷扬机连接。

10.根据权利要求1所述的一种大型系留式高空风能及太阳能电站，其特征在于，所述风力发电机（50）的定子采用印刷电路板。

技术总结
本发明公开了一种大型系留式高空风能及太阳能电站，包括一个大直径的环形框架及其上的穹拱，穹拱跨越环心且在环心上方交叉，环形框架与穹拱共同构成具有足够刚性与强度的空间装载平台；环形框架中心圆内装有多个互相平行的桁架，桁架上装有数百个涡轮风力发电机，桁架上方装有承重拱架及吊索，装载平台上布设数十万平米的太阳能电池板；该风能及太阳能电站占地面积小，在平流层强风区发电功率可达数百兆瓦，可大幅降低发电成本；风力发电机采用新型印刷电路板（PCB）取代传统的铁芯定子，减少整机近一半的重量，采用横流风扇产生升力，进一步减少电站的总重，显著降低了电站的建造成本。

技术研发人员：李春洲
受保护的技术使用者：上海洲跃生物科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13