專利名稱：浮空式風能接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種風能發(fā)電設(shè)備，具體而言是涉及一種利用高空氣流做功發(fā)電的浮 空式風能接收裝置。
背景技術(shù)：
風能接收裝置，就是將風能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能的裝置。目前常用的風能接收裝置 是風葉，裝在風塔頂部帶動發(fā)電機發(fā)電。受風塔高度的限制，這種風能接收裝置只能接收利 用地面附近的風能，而由于地面的風速較低，能量較小，若想提高風力發(fā)電的功率，只能盡 可能采用大尺寸的風葉葉片，提高受風面積，這也帶來成本的劇增，而風葉尺寸由于材料、 工藝以及風塔高度的限制，并不能無限制的增加，因而制約了發(fā)電能力的進一步提高。而眾所周知，空中的氣流越往高處其風速越高，所攜帶的能量越大。如1000米高 空的風速是地面的三倍，則所攜帶的能量是地面附近的二十七倍(根據(jù)風能密度公式為P =1/2PV3)。由此可見，如果能有效利用高空的高速氣流，用同種類型、同樣截面積的風能 接收裝置，發(fā)電能力可以提高數(shù)倍。因此，充分利用空中氣流能量進行風力發(fā)電是提高發(fā)電 能力，減少發(fā)電成本的有效途徑。為此，目前世界各國相繼研制了利用高空氣流做功的風能接收裝置。其中一種是 意大利高空型風箏發(fā)電技術(shù)，其工作原理是用大型滑翔傘(也就是所說的風箏)作為風能 接收器，通過拉動控制繩(計算機自動完成)，使逆風上行的風箏變形，從而降低風阻，而對 側(cè)順風下行風箏則全張開，全風阻順風飛行，兩側(cè)風阻差形成機構(gòu)整體轉(zhuǎn)動的動力。在風能 轉(zhuǎn)化為機械能后，通過鋼絲繩將接收到的能量送到地面轉(zhuǎn)輪，由轉(zhuǎn)輪將能量送入發(fā)電機，完 成發(fā)電。這種風能接收裝置由于利用高空的高速風能，單機功率可達百萬千瓦，此外，電機 和輸變電系統(tǒng)全部在地面，提高了安全性。和常規(guī)風力發(fā)電技術(shù)相比，其建造成本也相對較 低。但其缺點也比較明顯1、需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，該技術(shù)需要計算機高度自動化控制，而且周圍要有 精確的測風裝置，需要不斷檢測計算風箏的受力狀態(tài)，調(diào)整風箏的姿態(tài)，以便使一側(cè)的風箏 處于全風阻狀態(tài)，拉動發(fā)電設(shè)備運轉(zhuǎn)，另一側(cè)風箏處于低風阻狀態(tài)，以減少阻力力矩，使發(fā) 電設(shè)備能始終在一個方向上旋轉(zhuǎn)發(fā)電，因此需要復(fù)雜的計算控制系統(tǒng)。同時由于風箏工作 在不斷變動中，沒有穩(wěn)定態(tài)(穩(wěn)定態(tài)下不僅不能工作，而且風箏會掉下來)，該技術(shù)穩(wěn)定性 很差。2、如前所述，風箏需要在全阻力和低阻力狀態(tài)下不斷切換才能帶動發(fā)電設(shè)備旋轉(zhuǎn) 發(fā)電，但隨著風箏的收放，會不斷出現(xiàn)脈動沖擊，導致發(fā)出的電是脈動的，相應(yīng)地增加了輸 變電系統(tǒng)的投資，以及工作過程的復(fù)雜性。3、風力的能量密度本來就很低，還要消耗動力拉放風箏，進一步降低了風能利用率。4、氣動力學很差，幾乎完全是阻力型，效率低。
5、操作復(fù)雜，實用性差上千米長的繩子拉著足球場大的風箏，放飛升空操作復(fù) 雜。而且整套系統(tǒng)十二個風箏，放的過程中就完全有可能纏到一起。一旦風太小，風箏有可 能失去升力會掉下來。此外，還有采用高空渦輪發(fā)動機型、高空兜風輪型和高空直升機型等浮空式風能 發(fā)電裝置，這些裝置的共同特點是將風能接收裝置和發(fā)電機構(gòu)一起由浮空裝置升到空中， 接收高空風能，并將產(chǎn)生的電能輸送回地面。這些發(fā)電裝置也都有一些共同的缺點1、由于 將風能接收裝置與發(fā)電機構(gòu)都浮空布置在空中，造成風能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，制 約了其功率的進一步提高；2、體積、重量都比較大的發(fā)電裝置都設(shè)置在空中，一旦墜毀，將 會對地面安全構(gòu)成威脅，安全性較差；3、對風向有要求，即某些方向的風接收的風能較高， 對另一些方向的風接收的風能較低，而高空氣流多變性制約了其對風能的有效利用4、需要 另外加裝浮空裝置，以便將發(fā)電裝置升入高空，增加了制造成本。為了克服上述問題，在本申請人提交的申請?zhí)?00910158160. 8中國發(fā)明專利中， 提供了一種浮空式風能接收裝置，其采用具有二個螺旋面的螺旋氣囊浮空工作，接收空中 各個方向的氣流能量，并將氣囊的旋轉(zhuǎn)動能傳動到地面的發(fā)電設(shè)備發(fā)電做功，其結(jié)構(gòu)簡單、 使用安全、操作方便，造價也比較低。該種風能接收裝置由于是由一個柱狀氣囊經(jīng)牽拉或二 個柱狀氣囊彼此纏繞形成的具有二個螺旋表面的螺旋體，其利用在螺旋體螺旋表面設(shè)置的 多條縱向牽引繩向地面?zhèn)鬏攧恿Γ虼似鋫鬏斄氐拇笮∪Q于牽引繩的拉力和螺旋氣囊 的直徑，而風能接收裝置的直徑如果要做得比較大，相應(yīng)的需要加大氣囊的尺寸，因此增加 傳輸力矩的結(jié)果可能導致風能接收裝置的成本增加，因而，這種風能接收裝置通常比較適 合風速較高的場合使用。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術(shù)問題在于提供一種不需要增加氣囊尺寸就可以增加 傳輸力矩的浮空式風能接收裝置，從而可以保證在風速較低的情況下亦能發(fā)電，又不提高 設(shè)備成本。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種浮空式風能接收裝置，包括螺旋體和牽引繩，所述螺旋體由二條柱狀氣囊盤 繞而成，各柱狀氣囊的截面具有一大端和一小端并呈從大端向小端逐漸過渡的形狀，在該 二條柱狀氣囊的小端朝向螺旋體的內(nèi)側(cè)并且其小端之間由多條牽拉索依次牽拉，在所述柱 狀氣囊的大端表面或大端與小端表面設(shè)置沿螺旋體軸線方向布置的數(shù)條牽引繩，各牽引繩 依次連接在所述柱狀氣囊的大端表面或小端表面的凸起部位，各柱狀氣囊內(nèi)填充有輕質(zhì)氣 體，在各柱狀氣囊的兩端裝有定型分離架。優(yōu)選地，所述柱狀氣囊是由多根不同直徑的圓柱形氣囊按其直徑從大到小順序依 次排列并扭轉(zhuǎn)連接，然后在各圓柱形氣囊外沿切線方向包覆定型蒙皮而形成?？蛇x擇地，所述牽引繩至少為三根，均布于所述柱狀氣囊的大端表面?？蛇x擇地，所述牽引繩至少為六根，在所述柱狀氣囊的大端表面和小端表面至少 各分布三根。在本發(fā)明的一個實施例中，在所述牽拉索兩側(cè)覆設(shè)蒙皮。作為一種選擇，所述螺旋體還可包括副氣囊，該副氣囊分別設(shè)置在各柱狀氣囊或圓柱形氣囊內(nèi)，在該副氣囊上設(shè)有連通至大氣的氣閥，該氣閥在內(nèi)外壓差超過預(yù)定值時開
啟ο進一步地，所述副氣囊連接有補氣泵，該補氣泵由在所述柱狀氣囊、圓柱形氣囊或 副氣囊內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器控制。優(yōu)選地，所述螺旋體的上下回轉(zhuǎn)半徑相同。作為一種選擇，所述螺旋體的回轉(zhuǎn)半徑可以是上大下小或者上小下大。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的浮空式風能接收裝置由于螺旋體是由二個柱狀氣囊纏 繞而成，各柱狀氣囊之間由牽拉索連接可以使得柱狀氣囊的間距相對較大，在不改變氣囊 的規(guī)格即具有同樣的受風面積情況下，可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩，因而可以在風速較低的場合 下進行發(fā)電，又不會因增加氣囊的尺寸而增加成本。而柱狀氣囊采用機翼形狀截面，一方面 可使螺旋體在迎風側(cè)迎風面積較大，具有較強做功能力；另一方面又可以使螺旋體在其他 方向風阻很小，減少氣流對螺旋體旋轉(zhuǎn)的阻力。


圖1是本發(fā)明風能接收裝置一個實施例的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視圖。圖3是圖1的A-A剖視圖。圖4是本發(fā)明風能接收裝置另一個實施例的正面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是圖4的俯視圖。圖中10、螺旋體 11、牽引繩 12、柱狀氣囊13、牽拉索14、定型分離架 15、副氣囊 16、氣閥17、圓柱形氣囊18、定型蒙皮20、螺旋體 21、牽引繩22、柱狀氣囊 23、牽拉索24、定型分離架
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應(yīng) 對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。本發(fā)明的風能接收裝置是用于接收風能，并將所接收的風能通過牽引繩傳輸?shù)斤L 力發(fā)電設(shè)備的地面發(fā)電機構(gòu)，以帶動地面發(fā)電機構(gòu)進行發(fā)電的裝置。圖1 圖3是本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1是該實施例的正面結(jié)構(gòu) 示意圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖1的A-A剖視圖。如圖1 圖3所示，本發(fā)明的浮空式風能接收裝置，包括螺旋體10和牽引繩11。所述螺旋體10由二條柱狀氣囊12盤繞而成，各柱狀氣囊12的截面具有一大端和 一小端并呈從大端向小端逐漸過渡的形狀，類似于水滴或機翼形狀，在該二條柱狀氣囊12的小端朝向螺旋體10的內(nèi)側(cè)并且其小端之間由多條牽拉索13依次牽拉，在所述柱狀氣囊 12的大端表面與小端表面設(shè)置沿螺旋體軸線方向布置的數(shù)條牽引繩11，外側(cè)牽引繩11依 次連接在所述柱狀氣囊12的大端表面的凸起部位，內(nèi)側(cè)牽引繩11依次連接在所述柱狀氣 囊12小端表面的凸起部位，各柱狀氣囊12內(nèi)填充有輕質(zhì)氣體，在各柱狀氣囊12的兩端裝 有定型分離架14。所述輕質(zhì)氣體可以是密度小于空氣的氣體，如氫氣、氦氣等。參見圖3，在本實施例中，所述柱狀氣囊12是由多根不同直徑的圓柱形氣囊17按 其直徑從大到小順序依次排列并扭轉(zhuǎn)連接，然后在各圓柱形氣囊18外沿切線方向包覆定 型蒙皮18而形成。上述螺旋體10具體制造方法如下先在各圓柱形氣囊17的表面按照預(yù)先計算的 螺旋角度劃出螺旋線，然后按直徑大小的次序?qū)⒏鲌A柱形氣囊17表面對應(yīng)螺旋線位置彼 此粘接或焊接，在各圓柱形氣囊17外面再包覆定型蒙皮18，最后將由圓柱形氣囊17連接而 成的二個柱狀氣囊在對應(yīng)螺旋線的位置連接牽拉索13，連接方式可采用粘接或焊接，并在 二柱狀氣囊12的兩端安裝定型分離架14。在柱狀氣囊12的各個圓柱形氣囊17充氣后，由 于趨向恢復(fù)原來形狀而產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，使得各圓柱形氣囊和二柱狀氣囊12之間彼此牽 拉作用，形成穩(wěn)定的螺旋纏繞的螺旋體。所述圓柱形氣囊17可以采用制造飛艇氣囊的材料制成，而所述定型蒙皮18則可 以采用大麻布制成，該定型蒙皮18可以采用大麻布制成，大麻布具有較高的表面強度，而 且具有重量輕，抗紫外線能力、抗水浸能力高等優(yōu)點。定型蒙皮也可以采用其他具有高強 度，耐腐蝕性的材料制成。在本實施例中，所述牽引繩11為三根，分布于所述柱狀氣囊的大端表面周邊。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到，上述牽引繩也可以在柱狀氣囊外側(cè)設(shè)置三條以上，只 要牽引繩是在螺旋體周邊均勻分布，以將動力均勻輸出即可。在本實施例中，所述圓柱形氣囊17還包括副氣囊15，參見圖1、圖3，該副氣囊15 分別設(shè)置在各圓柱形氣囊17內(nèi)，在該副氣囊15上設(shè)有連通至大氣的氣閥16，該氣閥16在 內(nèi)外壓差超過預(yù)定值(比如50 150kPa)時開啟，避免圓柱形氣囊因壓力過高而破裂。優(yōu)選地，所述副氣囊15連接有補氣泵(圖未示)，該補氣泵由在所述圓柱形氣囊 17或副氣囊15內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器控制。在圓柱形氣囊17壓力低于預(yù)定值時，控制補氣 泵開啟，向副氣囊15補充空氣，使得副氣囊15膨脹而補充因圓柱形氣囊17泄露或其它原 因減少的壓力，以保持柱狀氣囊12穩(wěn)定的動力學外形。補氣泵的動力可以由地面提供，也可以由設(shè)置在螺旋體10頂部或底部的發(fā)電設(shè) 備提供。一個方案是在螺旋體10的頂部設(shè)置一個小型的風能發(fā)電設(shè)備，該風能發(fā)電設(shè)備包 括一個小型的螺旋形氣囊，該小氣囊的螺旋方向與大氣囊螺旋方向相反，在本實施例中是 左旋的。小氣囊連接于一轉(zhuǎn)盤，該轉(zhuǎn)盤與連接于固定于大氣囊頂部的發(fā)動機的電機軸相連 接，可以帶動該發(fā)電機發(fā)電。小氣囊由于與大氣囊的螺旋旋向相反，可使發(fā)電機獲得雙倍的 動力，可用較小的發(fā)電設(shè)備，保證補氣泵的動力供應(yīng)。而小氣囊由于體積較小，泄漏點較少， 可以保證較長時間使用壽命而不用補充氣體。此外，發(fā)電機與補氣泵之間系常規(guī)的電氣連 接，二者之間也可設(shè)置蓄電裝置，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的記載即可以實現(xiàn)上述方案， 在此不再細述。
圖中顯示的螺旋體10的是右旋螺旋狀態(tài)，在各螺旋的下側(cè)構(gòu)成迎風面，上側(cè)構(gòu)成 背風面，其在風的作用下，風能接收裝置會產(chǎn)生向左旋轉(zhuǎn)的扭矩而向左轉(zhuǎn)，即在俯視時沿順 時針風向旋轉(zhuǎn)。同樣，二柱狀氣囊12也可以盤繞成左旋方向，其與右旋氣囊其它結(jié)構(gòu)基本 相同，只是受力方向相反，旋轉(zhuǎn)方向相反。在本實施例中，牽引繩11是設(shè)置在柱狀氣囊12的大端表面。作為一種選擇，所述 牽引繩可以在所述柱狀氣囊12的大端表面和小端表面分別設(shè)置。圖4、圖5表示的就是僅在柱狀氣囊大端表面和小端表面分別設(shè)置牽引繩的實施 例。圖4是該實施例的正面結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4的俯視圖。如圖4、圖5所示，該實施例中的浮空式風能接收裝置，也是包括螺旋體20和牽引 繩21。所述螺旋體20由二條柱狀氣囊22盤繞而成，在該二條柱狀氣囊22的小端之間由 多條牽拉索23依次牽拉，在二柱狀氣囊22的兩端裝有定型分離架24。所述牽引繩21在柱狀氣囊22的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各分布三根，內(nèi)外牽引繩21同時牽 引，可以使所傳輸?shù)膭恿Ω?，并且牽引力也更為均勻。在本實施例中，?nèi)外側(cè)牽引繩21位 于同一圓周角度上，可以使牽引繩與驅(qū)動裝置連接時連接更為方便。作為一種選擇，上述牽引繩也可以在柱狀氣囊的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各設(shè)置三條以上，并 且內(nèi)外也可以不對應(yīng)，即可以不用設(shè)置在同一圓周角度上，只要牽引繩是在螺旋體周邊均 勻分布，以將動力均勻輸出即可。在上面二個實施例中，牽拉索13、23均是直接裸露在外的，而在某些情形下，如風 速較小，需要增加接收面積的時候，也可在所述牽拉索13、23的一側(cè)或兩側(cè)覆設(shè)蒙皮，該蒙 皮也可采用大麻布制造。另外，在上面各個實施例中，均是以螺旋體的上下回轉(zhuǎn)半徑相同為例進行的說明， 但本發(fā)明的螺旋體回轉(zhuǎn)半徑也可以不同，比如其回轉(zhuǎn)半徑可以是上大下小，也可以是上小 下大。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，也可以將上述技術(shù)內(nèi) 容進行組合形成其他的技術(shù)方案，這些改進和潤飾，以及形成的其他技術(shù)方案也應(yīng)視為本 發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種浮空式風能接收裝置，包括螺旋體和牽引繩，其特征在于所述螺旋體由二條 柱狀氣囊盤繞而成，各柱狀氣囊的截面具有一大端和一小端并呈從大端向小端逐漸過渡的 形狀，在該二條柱狀氣囊的小端朝向螺旋體的內(nèi)側(cè)并且其小端之間由多條牽拉索依次牽 拉，在所述柱狀氣囊的大端表面或大端與小端表面設(shè)置沿螺旋體軸線方向布置數(shù)條牽引 繩，各牽引繩依次連接在所述柱狀氣囊的大端表面或小端表面的凸起部位，各柱狀氣囊內(nèi) 填充有輕質(zhì)氣體，在各柱狀氣囊的兩端裝有定型分離架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述柱狀氣囊是由多根 不同直徑的圓柱形氣囊按其直徑從大到小順序依次排列并扭轉(zhuǎn)連接，然后在各圓柱形氣囊 外沿切線方向包覆定型蒙皮而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述牽引繩至少為三根， 均布于所述柱狀氣囊的大端表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述牽引繩至少為六根， 在所述柱狀氣囊的大端表面和小端表面至少各分布三根。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風能接收裝置，其特征在于在所述牽拉索兩側(cè)覆設(shè)蒙皮。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于還包括副 氣囊，該副氣囊分別設(shè)置在各柱狀氣囊或圓柱形氣囊內(nèi)，在該副氣囊上設(shè)有連通至大氣的 氣閥，該氣閥在內(nèi)外壓差超過預(yù)定值時開啟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述副氣囊連接有補氣 泵，該補氣泵由在所述柱狀氣囊、圓柱形氣囊或副氣囊內(nèi)設(shè)置的壓力傳感器控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述螺旋 體的上下回轉(zhuǎn)半徑相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的浮空式風能接收裝置，其特征在于所述螺旋 體的回轉(zhuǎn)半徑是上大下小或者上小下大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種浮空式風能接收裝置，包括螺旋體和牽引繩，所述螺旋體由二條柱狀氣囊盤繞而成，各柱狀氣囊的截面呈從一大端向一小端逐漸過渡的機翼形狀，在該二條柱狀氣囊的小端之間由多條牽拉索依次牽拉，在所述柱狀氣囊的大端表面或大端與小端表面設(shè)置沿螺旋體軸線方向布置的數(shù)條牽引繩，各牽引繩依次連接在所述柱狀氣囊的大端表面或小端表面的凸起部位，各柱狀氣囊內(nèi)填充有輕質(zhì)氣體，在各柱狀氣囊的兩端裝有定型分離架。本發(fā)明的風能接收裝置可以在風速較低的場合下進行發(fā)電，而柱狀氣囊采用水滴形狀截面，一方面可使螺旋體在迎風側(cè)迎風面積較大，具有較強做功能力；另一方面又可以使螺旋體在其他方向風阻很小，減少氣流對螺旋體旋轉(zhuǎn)的阻力。
文檔編號F03D11/00GK101994657SQ20091016233
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者張陽 申請人:中國中煤能源集團有限公司