一種高空風力發電場系統的製作方法

2024-03-22 16:23:05

專利名稱：一種高空風力發電場系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種風力發電設備，特別涉及一種高空風力發電場系統設備。
背景技術：
能源危機和環境保護要求採用清潔的再生能源，風力發電得到世界各國的重視。現有的風力發電設備一般都是利用高度在百米左右的低空風能。這一高度區域的風功率密度一般都在百瓦/平方米級別範圍內，風力資源有限。據有關報導資料，在高度1000米以上，特別是在6000米到12000米的高空，風功率密度可高達10千瓦/平方米以上。利用這一區域的風力資源，應成為風電技術領域的迫切任務，以滿足全世界人類對清潔的再生能源的需求。但是目前尚無現實的技術方案及應用實踐去利用這一超高風功率密度區域的風力資源。為利用這一超高風功率密度區域的風力資源，本實用新型提供高空風力發電場系統設備，以期滿足全世界人類對清潔的再生能源的需求。

發明內容本實用新型所要解決的技術問題在於，提供一種高空風力發電場系統，實現大功率大型風力發電場，提高風力發電的效率。
為達到上述目的，本實用新型提供的高空風力發電場系統，其特徵在於，包括[0005] —電場基礎結構，是由一 內部環形結構梁和一外部環形結構梁通過輻條連接成的整體剛性結構； —浮升氣球，設置在所述內部環形結構梁內； 多套單機風電機組，均布設置在所述外部環形結構梁上； —風電設備升降裝置，連接所述電場基礎結構，對所述電場基礎結構進行升降控制； —輸變電裝置，連接所述風電機組，將所述風電機組提供的電能輸送到地面。[0010] 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述多套單機風電機組在所述外部環形結構梁上採用上下對稱均布設置。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述浮升氣球的上下端部分別設置有與該浮升氣球相吻合的球冠殼，所述上、下球冠殼的周緣均布設置的多條浮升氣球固定繩，該些固定繩的另一端固定連接在所述外部環形結構梁上，通過所述球冠殼及浮升球固定繩固定所述浮升氣球在所述外部環形結構梁上。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述浮升氣球採用分倉結構，該浮升氣球的外層由高強度有機繩索編織的網罩，所述網罩內是高強度織物套，所述織物套內設置多個密封彈性氣球。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述風電設備升降裝置包括[0014] 多根吊掛繩，其一端均布設置在所述外部環形結構梁的周緣； —系留升降繩，其一端巻繞連接設置於地面的升降巻揚設備，另一端固定連接所述吊掛繩； —升降巻揚設備，設置於對應高空風力發電設備的地面，用於通過所述系留升降繩控制高空風力發電設備的升降。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，還包括一高空風電設備定位裝置，用於和所述風電設備升降裝置協同運行，將高空風電設備固定在既定的垂直中心線上；該高空風電設備定位裝置包括 多個定位巻揚設備，以所述升降巻揚設備為中心，均布設置於升降巻揚設備周邊的地面上； 多根系留縴繩，每根系留縴繩的一端固定連接在所述外部環形結構梁上，另一端巻繞連接地面上相應的定位巻揚設備。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，還包括一地面支架平臺，用於空中風電設備的安裝、維修及規避颶風。
上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述單機風電機組，包括[0022] —桶形外殼； —依次連接的收縮導流進氣管、直線導流進氣管、擴散導流排氣管構成的內部薄殼結構； 所述桶形外殼和所述內部薄殼結構通過懸吊輻條結構連接成輕體的整體結構； —渦輪式風力發電設備，設置於所述直線導流進氣管內。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述單機風電機組還包括 —尾翼，通過一尾翼支架固定在所述桶形外殼上； —迴轉裝置，安裝在一連接上、下兩個對稱布置的單機風電機組的垂直連接梁的端部，並連接所述單機風電機組。 上述高空風力發電場系統，其特徵在於，所述渦輪式風力發電設備進一步包括依次安裝在渦輪軸上的渦輪、液力耦合器、發電機，其中所述渦輪上固定裝有多個渦輪葉片，所述液力耦合器連接所述渦輪和發電機；所述發電機連接所述液力耦合器和輸變電設備。[0030] 與現有技術相比，本實用新型提供的高空風力發電場系統，空中風電設備的高度可以根據需要隨時調整，使空中風電設備到達最佳高度，能夠捕捉到隨機的高風功率密度風能；高轉速渦輪可直接驅動發電機，縮小設備尺寸，提高製造、安裝和維護的工藝性；提高風力發電效率；懸吊輻條薄殼的輕體結構；簡化設備，降低造價；能應對颶風；增加單機風電機組的發電能力，實現大功率大型風力發電場，為利用高空超高風功率密度區域的風力資源作一個新的嘗試。

圖1為本實用新型高空風力發電場系統布局的主示圖； 圖2為本實用新型所示高空風力發電場系統布局的俯視圖； 圖3為圖2中I部局部放大圖； 圖4為圖1中II部局部放大圖； 圖5為圖1中III部局部放大圖； 圖6為圖3中P-P截面圖；[0037] 圖7為圖6中IV部局部放大圖； 圖8為圖4中V部局部放大圖。 其中，附圖標記為 la-處於高空發電狀態的空中風電設備 lb—處於地面待避狀態的空中風電設備 2-系留升降繩 3-輸電纜 4-系留縴繩 5-系留縴繩巻揚設備 6-地面支架平臺 7-外部環型結構梁 8-內部環型結構梁 9-單機風電機組 10-水平機翼 12-尾翼 13-浮升氣球 14-球冠殼 15-浮升氣球固定繩 16-升降巻揚設備 17-電纜巻筒 18-系留縴繩導向輪 19-系留縴繩巻揚機房 20-系留縴繩巻揚機導繩器 21-系留縴繩巻揚機 22-空中風電設備吊掛繩 23-連接輻條 24-收縮導流進氣管 25-內部導流體 26-機前氣流導向板 27-直線導流管 28-圓桶形外殼 29-渦輪 30-液力耦合器 31-發電機 32-機後氣流導向板 33-迴轉裝置 34-輻條結構 35-擴散導流排氣管 36-尾翼支架[0076] 37-系留升降繩巻揚機房 38-系留升降繩巻揚機 39-系留升降繩巻揚機導繩器 40-系留升降繩導向輪。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進一步說明，以詳細描述本實用新型的
目的、方案及功效，但所提供附圖與實施例並不作為對本實用新型的限定。 本實用新型提供一種高空風力發電場系統，包括一電場基礎結構，浮升該電場基
礎結構至高空的浮升氣球，均布設置於電場基礎結構上的多套單機風電組，對電場基礎結
構進行升降控制的風電設備升降裝置，將風電機組提供的電能輸送到地面的輸變電裝置。 下面參考附圖詳細說明本實用新型的具體實施方案 圖1和圖2分別為本實用新型高空風力發電場系統布局的主視圖和俯視圖；示出 了本實用新型高空風力發電場的系統布局，採用繩索系留巨型浮升氣球13將包括多套單 機風電機組的空中風電設備la懸掛到高空，充分利用超高風功率密度區域的風力資源。空 中風電設備la的安裝和維修均可在其地面支架平臺6上進行，簡化了吊裝程序和設備。空 中風電設備la也可在這一地面支架平臺6上規避颶風的侵擾破壞。圖中lb示出了處於地 面待避狀態的空中風電設備。 圖3為圖2中I部的局部放大圖，圖4和圖5分別為圖1中II部和III部的局部 放大圖，圖6為圖3中P-P截面圖。參考圖3 6，本實用新型中的電場基礎結構是由一內 部環形結構梁8和一外部環形結構梁7通過連接輻條23結成的整體剛性結構，該結構作為 安裝空中風電設備的整體基礎構架，多套單機風電機組9均布設置在外部環型結構梁7上。 浮升氣球13設置在內部環型結構梁8內，內部環型結構梁8限定浮升氣球13的 垂直中心線位置，但允許浮升氣球13上下錯動。浮升氣球的13上下端部設置有與其吻合 的球冠殼14，上、下球冠殼14的周緣均布設置有多條浮升氣球固定繩15，浮升氣球固定繩 15的另一端固定連接在外部環形結構梁7上，通過球冠殼14、及連接在球冠殼和外部環形 結構梁上的多條均布的浮升氣球固定繩，將浮升氣球13固定在外部環型結構梁7上。該浮 升氣球13的外層是由高強度有機繩索編織的網罩，網罩內是高強度織物套。織物套內設置 多個密封彈性氣球，憑靠彈性氣球的形狀可塑性，充氣後充滿整個浮升氣球的內部空間。這 種分倉結構保證個彆氣球漏氣後，整體浮升氣球可繼續工作。 圖7為圖6中IV部局部放大圖，參考圖3、圖4及圖7，示出了多套單機風電機組 9上下對稱布置的具體方案，多套單機風電機組中每兩套，通過一固定於外部環形結構梁7 上的一垂直梁，上下對稱布置於外部環形結構梁7上，且分別位於垂直梁的上下兩端，在該 垂直梁的上下兩端還分別設置有一迴轉裝置33，單機風電機組9還具有一尾翼12，單機風 電機組通過迴轉裝置33和3尾翼12可以隨風向調整方位，獲得迎風最佳利用風能效果。 多套單機風電機組9採取上下對稱布置的方案，不僅改善了外部環型結構梁7的受力狀態， 也成倍增加了單機風電機組9的數量。其中迴轉裝置33包括迴轉導軌、迴轉輪及迴轉輪支 座，其中迴轉輪導軌為環狀導軌，迴轉輪通過迴轉輪支座和單機風電機組連接，迴轉輪隨風 可在迴轉導軌上運轉。
7[0087] 再請參考圖7，其中單機風電機組9，包括一桶形外殼28 ;—依次連接的收縮導流 進氣管24、直線導流進氣管27、擴散導流排氣管35構成的內部薄殼結構，桶形外殼28和上 述內部薄殼結構通過懸吊輻條結構34連接成輕體的整體結構，在該整體結構的桶形外殼 28的尾端通過一尾翼支架36連接尾翼12 ;連接上下對稱布置的兩套單機發電機組的垂直 梁通過設置在桶形外殼28上的一孔洞伸入桶形外殼28內，將迴轉裝置33接近單機發電機 組9的水平中心線，以期減少迴轉裝置33承受的傾覆力矩載荷。該單機風電機組還設置水 平機翼IO，用以協助浮升氣球13穩定姿態和增加輔助升力。 本實用新型採用多葉片渦輪式風力發電設備，渦輪式風力發電設備設置於直線導 流進氣管27內。渦輪式風力發電設備進一步包括依次安裝在渦輪軸上的渦輪29、液力耦 合器30及發電機31，渦輪29上固定有多個渦輪葉片，採用液力耦合器30連接渦輪29和發 電機31以改善渦輪發電設備的啟動性能。本實用新型採用多葉片渦輪結構的風動機，渦輪 29在高風速推動下具有較高的旋轉速度，使本風力發電設備可能避開一般風力發電設備難 以避免的複雜的增速和調速裝置，直接驅動發電機31，從而大大簡化了風力發電設備，並極 大地縮小了風力發電設備的尺寸，提高了設備的製造、安裝和維修工藝性。 本實用新型的風力渦輪式發電設備還包括內部導流體25、機前氣流導向板26、機 後氣流導向板32。其中，內部導流體25其由渦輪軸連接的頭、尾兩部分構成，渦輪29裝設於 導流體的頭部和尾部之間，液力耦合器30及發電機31裝設於導流體25尾部之內；機前氣 流導向板26設置在直線導流管27的前端，可以兼作為導流體25頭部的支座，用於將氣流 從軸向引導為渦輪29轉動的圓周切向，以較理想的角度吹向渦輪葉片，推動渦輪29轉動， 獲得最佳利用風能的效果，提高風力發電效率；機後氣流導向板32設置與直線導流管27的 後端，位於機前氣流導向板26之後，可兼作導流體25尾部的支座，該機後氣流導向板32和 擴散導流排氣管35改善氣流空氣動力特性，以便提高渦輪發電設備的效率。 再參考圖4、圖6及圖8，本實用新型中，空中風電設備通過風電設備升降裝置進行 升降控制。空中風電設備la的高度可以根據需要隨時調整，使空中風電設備la到達最佳 高度，能夠捕捉到隨機的高風功率密度風能。其中，風電設備升降裝置包括多根吊掛繩22、 一系留升降繩2及一升降巻揚設備16，其中，多根吊掛繩22的一端均布固定連接外部環形 結構梁7，另一端和系留升降繩2連接，系留升降繩2的一端連接多根吊掛繩，另一端巻繞連 接升降巻揚設備16。該升降巻揚設備16進一步包括升降巻揚機38、巻揚機導繩器39、系 留升降繩導向輪40，系留升降繩2依次經系留升降繩導向輪40，巻揚機導繩器39巻繞連接 至升降巻揚機38，還可設置於一系留升降繩巻揚機房37，以減少氣候變化對操作的影響。 為保證高空風電設備在高空的定位，本實用新型還包括一高空風電設備定位裝 置，採用沿外部環形結構梁7周邊布置的多根系留縴繩4通過多個具有恆定輸出扭矩的定 位巻揚設備5使空中風電設備la固定在既定的垂直中心線上，不產生飄動，且保證多個定 位巻揚設備5與升降巻揚設備16的協同運行。其中，多個定位巻揚設備5以升降巻揚設備 16為中心布置於升降巻揚設備16周邊地面。參考圖5，根系留縴繩4的一端固定連接在外 部環形結構梁7上，另一端 通過系留縴繩導向輪18，系留縴繩導繩器20巻繞連接至系留縴繩巻揚機21。還 可設置一系留縴繩巻揚機房19，以減少氣候變化對操作的影響。 本實用新型的輸變電裝置採用高壓"交-直-交"方式進行電力整流輸變電。參考圖8，提供的電能通過輸電纜3送到地面，輸電纜3由電纜巻筒17收放。電能的傳輸也可 以通過微波轉換裝置實現。 雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本實用新型，在不 背離本實用新型精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本實用新型作出 各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本實用新型所附的權利要求的 保護範圍。
權利要求一種高空風力發電場系統，其特徵在於，包括一電場基礎結構，是由一內部環形結構梁和一外部環形結構梁通過輻條連接成的整體剛性結構；一浮升氣球，設置在所述內部環形結構梁內；多套單機風電機組，均布設置在所述外部環形結構梁上；一風電設備升降裝置，連接所述電場基礎結構，對所述電場基礎結構進行升降控制；一輸變電裝置，連接所述風電機組，將所述風電機組提供的電能輸送到地面。
2. 根據權利要求1所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述多套單機風電機組 在所述外部環形結構梁上採用上下對稱均布設置。
3. 根據權利要求1所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述浮升氣球的上下端 部分別設置有與該浮升氣球相吻合的球冠殼，所述上、下球冠殼的周緣均布設置的多條浮 升氣球固定繩，該些固定繩的另一端固定連接在所述外部環形結構梁上，通過所述球冠殼 及浮升球固定繩固定所述浮升氣球在所述外部環形結構梁上。
4. 根據權利要求3所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述浮升氣球採用分倉 結構，該浮升氣球的外層由高強度有機繩索編織的網罩，所述網罩內是高強度織物套，所述 織物套內設置多個密封彈性氣球。
5. 根據權利要求1所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述風電設備升降裝置 包括多根吊掛繩，其一端均布設置在所述外部環形結構梁的周緣；一系留升降繩，其一端巻繞連接設置於地面的升降巻揚設備，另一端固定連接所述吊 掛繩；一升降巻揚設備，設置於對應高空風力發電設備的地面，用於通過所述系留升降繩控 制高空風力發電設備的升降。
6. 根據權利要求5所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，還包括一與所述風電設 備升降裝置協同運行的高空風電設備定位裝置，該高空風電設備定位裝置包括多個定位巻揚設備，以所述升降巻揚設備為中心，均布設置於升降巻揚設備周邊的地 面上；多根系留縴繩，每根系留縴繩的一端固定連接在所述外部環形結構梁上，另一端巻繞 連接地面上相應的定位巻揚設備。
7. 根據權利要求1所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，還包括一用於空中風電 設備的安裝、維修及規避颶風的地面支架平臺。
8. 根據權利要求1所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述單機風電機組，包括一桶形外殼；一依次連接的收縮導流進氣管、直線導流進氣管、擴散導流排氣管構成的內部薄殼結構；所述桶形外殼和所述內部薄殼結構通過懸吊輻條結構連接成輕體的整體結構； 一渦輪式風力發電設備，設置於所述直線導流進氣管內。
9. 根據權利要求8所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述單機風電機組還包括一尾翼，通過一尾翼支架固定在所述桶形外殼上；一迴轉裝置，安裝在一連接上、下兩個對稱布置的單機風電機組的垂直連接梁的端部， 並連接所述單機風電機組。
10.根據權利要求8所述的高空風力發電場系統，其特徵在於，所述渦輪式風力發電設 備進一步包括依次安裝在渦輪軸上的渦輪、液力耦合器、發電機，其中所述渦輪上固定裝有 多個渦輪葉片，所述液力耦合器連接所述渦輪和發電機；所述發電機連接所述液力耦合器 和輸變電設備。
專利摘要本實用新型公開了一種高空風力發電場系統，包括一電場基礎結構，是由一內部環形結構梁和一外部環形結構梁通過輻條連接成的整體剛性結構；一浮升氣球，設置在所述內部環形結構梁內；多套單機風電機組，均布設置在所述外部環形結構梁上；一風電設備升降裝置，連接所述電場基礎結構，對所述電場基礎結構進行升降控制；一輸變電裝置，連接所述風電機組，將所述風電機組提供的電能輸送到地面。本實用新型能增加單機風電機組的發電能力，實現大功率大型風力發電場。
文檔編號F03D1/00GK201513293SQ20092017306
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月3日 優先權日2009年9月3日
發明者李時清, 李泉洞, 李越峰, 李越秀, 石宏元 申請人:北京奇想創新科技中心