[发明专利]浮空式风能接收装置

说明书

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＝1/2ρV³)。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。和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既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。