本實(shí)用新型涉及一種利用高空風(fēng)力發(fā)電的裝置，屬于新能源利用的高空風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

利用風(fēng)能發(fā)電，需要考慮項(xiàng)目所在地的風(fēng)能密度，風(fēng)能密度低于200瓦/平方米，則不適宜發(fā)展風(fēng)電。隨著海拔提高，優(yōu)質(zhì)空域的風(fēng)能密度可以達(dá)到2000瓦/平方米。如果進(jìn)一步上升到萬(wàn)米高空，風(fēng)能密度是百米空域的百倍。高空風(fēng)能由于密度高、設(shè)備輕量化、年利用小時(shí)數(shù)提高，理論上講，風(fēng)電效益會(huì)顯著高于低空風(fēng)電項(xiàng)目。因此，2013全球風(fēng)能理事會(huì)已經(jīng)做出預(yù)測(cè)，認(rèn)為高空風(fēng)能是新一代的新能源技術(shù)，高空風(fēng)能可在不同程度上消除現(xiàn)有新能源技術(shù)的缺點(diǎn)，且具有新的優(yōu)點(diǎn)，將部分代替目前巨額的傳統(tǒng)風(fēng)能市場(chǎng)，是新能源領(lǐng)域的投資熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

目前全球50多家公司投入巨資研發(fā)高空風(fēng)電，技術(shù)路線不一，但總的來(lái)說(shuō)高空風(fēng)能技術(shù)分為兩大類：

一類是利用氦氣球等升力作用，將發(fā)電機(jī)升到半空中，在高空中利用豐富的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過(guò)電纜傳到地面電網(wǎng)。該類技術(shù)路線的缺陷主要是發(fā)電功率受限制，發(fā)電機(jī)功率增加，重量一般也會(huì)增加，升空難度加大；此外，由于系統(tǒng)整體較重，發(fā)電機(jī)組很難升到千米以上的高度，同時(shí)因?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)位于高空無(wú)法實(shí)現(xiàn)增壓，大功率情況下勢(shì)必使用大電流輸電，所以必須使用直徑較粗的導(dǎo)線。這無(wú)疑又加大了整個(gè)系統(tǒng)的重量，從而限制了該類技術(shù)路線的公司設(shè)備上升高度。氣球類技術(shù)路徑的風(fēng)電設(shè)備升空高度多分布在300至500米的范圍內(nèi)。這一技術(shù)路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風(fēng)電系統(tǒng)“空中浮動(dòng)渦輪”(BAT)。發(fā)電機(jī)被裝在一個(gè)巨大的充氦飛艇里，上升高度約為300米左右，BAT 利用高空的高速風(fēng)流，發(fā)電量比地面風(fēng)力發(fā)電裝置高一倍。

另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過(guò)巨型“風(fēng)箏”在空中利用風(fēng)能拉動(dòng)地面發(fā)電機(jī)組，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)地面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。從而解決電纜和發(fā)電機(jī)的自重問題。意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系統(tǒng)是該類技術(shù)路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風(fēng)箏和地面的發(fā)電設(shè)備兩部分組成。拖曳風(fēng)箏和地面的風(fēng)力渦輪機(jī)相連，并通過(guò)安裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來(lái)控制風(fēng)箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大限度帶動(dòng)地面渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。該類技術(shù)路線的最大難點(diǎn)在于控制發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。出于空域利用效率的原因，KiteGen的高空單元往往采取做“∞”字形或圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)收集風(fēng)能。對(duì)于控制系統(tǒng)而言，要不間斷改變風(fēng)箏的運(yùn)行軌跡，除了牽涉到空中坐標(biāo)(X,Y,Z)，還要改變俯仰角、傾角等共5個(gè)坐標(biāo)，加之控制纜繩受空中擾流和纜繩自身延展性的影響，地面輸出動(dòng)作傳導(dǎo)到空中單元往往容易“失真”，使得空中單元姿態(tài)控制難度很大。公司將大量的精力投入到軟件控制方面，KiteGen公司曾經(jīng)一度有200多人的軟件團(tuán)隊(duì)。而KiteGen早期的發(fā)電實(shí)驗(yàn)，往往在空中運(yùn)行幾分鐘之后就無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。至今，KiteGen空中單元控制方面的問題也沒有很好的解決。

在高空風(fēng)電這一前沿領(lǐng)域，一家中國(guó)公司走了一條不同的技術(shù)路線。廣東高空風(fēng)能技術(shù)有限公司仍采取“風(fēng)箏式”技術(shù)路線，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面作出了與KiteGen等公司較明顯的差異。主要表現(xiàn)在：1、高空風(fēng)能利用方式舍棄巨型“風(fēng)箏”，改為傘形結(jié)構(gòu)，利用降落傘的圓形對(duì)稱結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；2、采用傘梯組合形式，增大發(fā)電功率和提高功率穩(wěn)定性。該技術(shù)路線的困難程度相對(duì)“風(fēng)箏式”技術(shù)路線較小，但也存在發(fā)電系統(tǒng)如何保證巨型降落傘的自由開合準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。雖然該公司控制傘開合的控制器相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)并獲得授權(quán)，但相關(guān)軟件技術(shù)在實(shí)踐運(yùn)用中的有效性有待檢驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是，提供一種能夠明顯降低推廣應(yīng)用資金投入和技術(shù)難度、并能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和操作簡(jiǎn)單化、以及能高效利用高空風(fēng)力資源的利用高空風(fēng)力發(fā)電的裝置，從而解決現(xiàn)有技術(shù)的明顯缺陷。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本實(shí)用新型的一種利用高空風(fēng)力發(fā)電的裝置為，該裝置包括位于地面的發(fā)電機(jī)組，地面上設(shè)有一對(duì)固定樁，一對(duì)固定樁分別經(jīng)平衡繩與一組巨型滾筒狀軸體兩端固定連接，巨型滾筒狀軸體為中空結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)充有氦氣，巨型滾筒狀軸體上設(shè)有風(fēng)葉，巨型滾筒狀軸體中部設(shè)有傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸經(jīng)傳動(dòng)纜繩與設(shè)在地面的發(fā)電機(jī)組連接。

在上述一組巨型滾筒狀軸體中至少設(shè)有一個(gè)巨型滾筒狀軸體。

在上述一組巨型滾筒狀軸體中設(shè)有1～20個(gè)巨型滾筒狀軸體。

由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(jī)在空中時(shí)，發(fā)電機(jī)功率增加，重量一般也會(huì)增加，升空難度加大，發(fā)電功率受限制。本實(shí)用新型將發(fā)電機(jī)設(shè)置在地面，并采用充有氦氣的巨型滾筒狀軸體的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型在原理和構(gòu)造上都與現(xiàn)有技術(shù)不同。而現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(jī)在地面時(shí)，采用的是“風(fēng)箏”在風(fēng)力吹拂下向上運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)繩索向上同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電；當(dāng)“風(fēng)箏”到最高時(shí)需要反向卷?yè)P(yáng)機(jī)將“風(fēng)箏”拉回來(lái)，為了避免在“風(fēng)箏”反向過(guò)程中機(jī)組無(wú)法發(fā)電，采用多組“風(fēng)箏”進(jìn)行輪替。因此現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(jī)在地面上存在原理構(gòu)造復(fù)雜，多組“風(fēng)箏”操作復(fù)雜不宜控制的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型相對(duì)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)在地面技術(shù)具有投資小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，易操作，拆裝靈活的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型相對(duì)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)在空中的技術(shù)具有升空高度限制小，裝機(jī)容量大的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中標(biāo)記為：1-發(fā)電機(jī)組、2-固定樁、3-平衡繩、4-巨型滾筒狀軸體、5-風(fēng)葉、6-傳動(dòng)軸、7-傳動(dòng)纜繩。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式詳細(xì)說(shuō)明如下。

本實(shí)用新型是根據(jù)下述的一種利用高空風(fēng)力發(fā)電的方法所構(gòu)成的，該方法是將受風(fēng)元件制作成中空結(jié)構(gòu)的巨型滾筒狀軸體，巨型滾筒狀軸體充有氦氣，巨型滾筒狀軸體兩端通過(guò)平衡繩固定并與地面上的固定樁連接；由于氦氣比重遠(yuǎn)小于空氣比重的，巨型滾筒狀軸體懸浮在高空；巨型滾筒狀軸體上設(shè)有風(fēng)葉，風(fēng)葉在風(fēng)的吹動(dòng)下帶動(dòng)巨型滾筒狀軸體旋轉(zhuǎn)，巨型滾筒狀軸體中部設(shè)有傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸經(jīng)傳動(dòng)纜繩與設(shè)在地面的發(fā)電機(jī)組連接。巨型滾筒狀軸體兩端的兩根平衡繩之間連接有一組巨型滾筒狀軸體，每個(gè)巨型滾筒狀軸體中部的傳動(dòng)軸均經(jīng)傳動(dòng)纜繩與設(shè)在地面的發(fā)電機(jī)組連接。平衡繩是具有高韌性、低重量特性的繩索；分別連接氦氣滾筒的左右兩邊和地面的固定樁，起到平衡氦氣旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的作用。傳動(dòng)纜繩是具有高韌性、低重量、耐磨損特性的環(huán)狀繩索；分別與每個(gè)巨型滾筒狀軸體中部的傳動(dòng)軸和發(fā)電機(jī)組連接，將每個(gè)巨型滾筒狀軸體旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能傳遞至發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)上述利用高空風(fēng)力發(fā)電的方法構(gòu)成的本實(shí)用新型的一種利用高空風(fēng)力發(fā)電的裝置，包括位于地面的發(fā)電機(jī)組1，地面上設(shè)有一對(duì)固定樁2，一對(duì)固定樁2分別經(jīng)平衡繩3與一組巨型滾筒狀軸體4兩端固定連接，巨型滾筒狀軸體4為中空結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)充有氦氣，巨型滾筒狀軸體4上設(shè)有風(fēng)葉5，巨型滾筒狀軸體4中部設(shè)有傳動(dòng)軸6，傳動(dòng)軸6經(jīng)傳動(dòng)纜繩7與設(shè)在地面的發(fā)電機(jī)組1連接。在通常情況下，根據(jù)發(fā)電容量的大小，在一組巨型滾筒狀軸體4中可設(shè)置1～20個(gè)巨型滾筒狀軸體4；在平衡繩3和傳動(dòng)纜繩7使用條件允許的情況下，也可在一組巨型滾筒狀軸體4中設(shè)置上百個(gè)巨型滾筒狀軸體4。

實(shí)施例

高空滾筒傳帶風(fēng)力發(fā)電方法，功能構(gòu)件主要由巨型滾筒狀軸體4、平衡繩3、傳動(dòng)纜繩7、發(fā)電機(jī)組1四部分組成。

巨型滾筒狀軸體4是一個(gè)內(nèi)部充有氦氣的巨型滾筒狀軸體。巨型滾筒狀軸體4兩端為連接軸，巨型滾筒狀軸體4兩端通過(guò)連接軸與平衡繩3連接、并能支撐在平衡繩3上轉(zhuǎn)動(dòng)；滾筒中間為傳動(dòng)軸6，連接傳動(dòng)纜繩7；巨型滾筒狀軸體4橫剖面為風(fēng)車螺旋漿狀，在風(fēng)力吹拂下旋轉(zhuǎn)。

平衡繩3是具有高韌性、低重量特性的繩索。由兩根組成，分別連接巨型滾筒狀軸體4的左右兩邊和地面，起到平衡巨型滾筒狀軸體4旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的作用。

傳動(dòng)纜繩7是具有高韌性、低重量、耐磨損特性的繩索。一根且首尾相連。分別與巨型滾筒狀軸體4中間傳動(dòng)軸6和發(fā)電機(jī)組1連接，起到將巨型滾筒狀軸體4旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能傳導(dǎo)到發(fā)電機(jī)組1的作用。

平衡繩和傳動(dòng)纜繩均可直接采用現(xiàn)有技術(shù)中的尼龍繩、登山繩或降落傘繩作為平衡繩或傳動(dòng)纜繩；平衡繩和傳動(dòng)纜繩也可采用現(xiàn)有技術(shù)中柔韌性較好的鋼絲繩制作。

發(fā)電機(jī)組1是常規(guī)設(shè)備，與整體設(shè)備性能匹配。發(fā)電機(jī)組由旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)纜繩7帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組1發(fā)電。

前述高空滾筒傳帶風(fēng)力發(fā)電四個(gè)功能構(gòu)件，巨型滾筒狀軸體4在平衡繩3的拉力下懸浮在空中，在風(fēng)力吹拂作用下旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)傳動(dòng)纜繩7上下循環(huán)，傳動(dòng)纜繩7帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組1發(fā)電。