本實用新型涉及一種利用高空風力發(fā)電的裝置，屬于新能源利用的高空風力發(fā)電技術領域。
背景技術：
利用風能發(fā)電，需要考慮項目所在地的風能密度，風能密度低于200瓦/平方米，則不適宜發(fā)展風電。隨著海拔提高，優(yōu)質(zhì)空域的風能密度可以達到2000瓦/平方米。如果進一步上升到萬米高空，風能密度是百米空域的百倍。高空風能由于密度高、設備輕量化、年利用小時數(shù)提高，理論上講，風電效益會顯著高于低空風電項目。因此，2013全球風能理事會已經(jīng)做出預測，認為高空風能是新一代的新能源技術，高空風能可在不同程度上消除現(xiàn)有新能源技術的缺點，且具有新的優(yōu)點，將部分代替目前巨額的傳統(tǒng)風能市場，是新能源領域的投資熱點和發(fā)展方向。
目前全球50多家公司投入巨資研發(fā)高空風電，技術路線不一，但總的來說高空風能技術分為兩大類：
一類是利用氦氣球等升力作用，將發(fā)電機升到半空中，在高空中利用豐富的風能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過電纜傳到地面電網(wǎng)。該類技術路線的缺陷主要是發(fā)電功率受限制，發(fā)電機功率增加，重量一般也會增加，升空難度加大；此外，由于系統(tǒng)整體較重，發(fā)電機組很難升到千米以上的高度，同時因為發(fā)電系統(tǒng)位于高空無法實現(xiàn)增壓，大功率情況下勢必使用大電流輸電，所以必須使用直徑較粗的導線。這無疑又加大了整個系統(tǒng)的重量，從而限制了該類技術路線的公司設備上升高度。氣球類技術路徑的風電設備升空高度多分布在300至500米的范圍內(nèi)。這一技術路線的典型代表為Altaeros energies 的高空風電系統(tǒng)“空中浮動渦輪”(BAT)。發(fā)電機被裝在一個巨大的充氦飛艇里，上升高度約為300米左右，BAT 利用高空的高速風流，發(fā)電量比地面風力發(fā)電裝置高一倍。
另一類技術路徑是將發(fā)電機組固定在地面，通過巨型“風箏”在空中利用風能拉動地面發(fā)電機組，從而將風能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動地面的發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。從而解決電纜和發(fā)電機的自重問題。意大利KiteGen的MARS(Magenn AirRotor System)系統(tǒng)是該類技術路線的典型代表。MARS系統(tǒng)主要由高空的拖曳風箏和地面的發(fā)電設備兩部分組成。拖曳風箏和地面的風力渦輪機相連，并通過安裝在發(fā)電設備上的航空感應器來控制風箏旋轉(zhuǎn)的方向和路徑，以最大限度帶動地面渦輪機旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。該類技術路線的最大難點在于控制發(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“∞”字形或圓周運動來收集風能。對于控制系統(tǒng)而言，要不間斷改變風箏的運行軌跡，除了牽涉到空中坐標(X,Y,Z)，還要改變俯仰角、傾角等共5個坐標，加之控制纜繩受空中擾流和纜繩自身延展性的影響，地面輸出動作傳導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多人的軟件團隊。而KiteGen早期的發(fā)電實驗，往往在空中運行幾分鐘之后就無法正常運轉(zhuǎn)了。至今，KiteGen空中單元控制方面的問題也沒有很好的解決。
在高空風電這一前沿領域，一家中國公司走了一條不同的技術路線。廣東高空風能技術有限公司仍采取“風箏式”技術路線，在系統(tǒng)設計方面作出了與KiteGen等公司較明顯的差異。主要表現(xiàn)在：1、高空風能利用方式舍棄巨型“風箏”，改為傘形結(jié)構，利用降落傘的圓形對稱結(jié)構提高系統(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。該技術路線的困難程度相對“風箏式”技術路線較小，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確實現(xiàn)。雖然該公司控制傘開合的控制器相關技術已經(jīng)申請計算機軟件著作權并獲得授權，但相關軟件技術在實踐運用中的有效性有待檢驗。
技術實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的是，提供一種能夠明顯降低推廣應用資金投入和技術難度、并能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和操作簡單化、以及能高效利用高空風力資源的利用高空風力發(fā)電的裝置，從而解決現(xiàn)有技術的明顯缺陷。
本實用新型的技術方案
為解決上述技術問題，本實用新型通過以下技術方案實現(xiàn)：
本實用新型的一種利用高空風力發(fā)電的裝置為，該裝置包括位于地面的發(fā)電機組，地面上設有一對固定樁，一對固定樁分別經(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，空腔內(nèi)充有氦氣，巨型滾筒狀軸體上設有風葉，巨型滾筒狀軸體中部設有傳動軸，傳動軸經(jīng)傳動纜繩與設在地面的發(fā)電機組連接。
在上述一組巨型滾筒狀軸體中至少設有一個巨型滾筒狀軸體。
在上述一組巨型滾筒狀軸體中設有1～20個巨型滾筒狀軸體。
由于采用了上述技術方案，本實用新型與現(xiàn)有技術相比，現(xiàn)有技術發(fā)電機在空中時，發(fā)電機功率增加，重量一般也會增加，升空難度加大，發(fā)電功率受限制。本實用新型將發(fā)電機設置在地面，并采用充有氦氣的巨型滾筒狀軸體的簡單結(jié)構，本實用新型在原理和構造上都與現(xiàn)有技術不同。而現(xiàn)有技術發(fā)電機在地面時，采用的是“風箏”在風力吹拂下向上運動，拉動繩索向上同時帶動發(fā)電機組發(fā)電；當“風箏”到最高時需要反向卷揚機將“風箏”拉回來，為了避免在“風箏”反向過程中機組無法發(fā)電，采用多組“風箏”進行輪替。因此現(xiàn)有技術發(fā)電機在地面上存在原理構造復雜，多組“風箏”操作復雜不宜控制的缺點。本實用新型相對現(xiàn)有發(fā)電機在地面技術具有投資小，構造簡單，易操作，拆裝靈活的優(yōu)點。本實用新型相對現(xiàn)有發(fā)電機在空中的技術具有升空高度限制小，裝機容量大的優(yōu)點。
附圖說明
圖1是本實用新型的結(jié)構示意圖。
附圖中標記為：1-發(fā)電機組、2-固定樁、3-平衡繩、4-巨型滾筒狀軸體、5-風葉、6-傳動軸、7-傳動纜繩。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例，對本實用新型的具體實施方式詳細說明如下。
本實用新型是根據(jù)下述的一種利用高空風力發(fā)電的方法所構成的，該方法是將受風元件制作成中空結(jié)構的巨型滾筒狀軸體，巨型滾筒狀軸體充有氦氣，巨型滾筒狀軸體兩端通過平衡繩固定并與地面上的固定樁連接；由于氦氣比重遠小于空氣比重的，巨型滾筒狀軸體懸浮在高空；巨型滾筒狀軸體上設有風葉，風葉在風的吹動下帶動巨型滾筒狀軸體旋轉(zhuǎn)，巨型滾筒狀軸體中部設有傳動軸，傳動軸經(jīng)傳動纜繩與設在地面的發(fā)電機組連接。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，每個巨型滾筒狀軸體中部的傳動軸均經(jīng)傳動纜繩與設在地面的發(fā)電機組連接。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；分別與每個巨型滾筒狀軸體中部的傳動軸和發(fā)電機組連接，將每個巨型滾筒狀軸體旋轉(zhuǎn)的動能傳遞至發(fā)電機組。
根據(jù)上述利用高空風力發(fā)電的方法構成的本實用新型的一種利用高空風力發(fā)電的裝置，包括位于地面的發(fā)電機組1，地面上設有一對固定樁2，一對固定樁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，空腔內(nèi)充有氦氣，巨型滾筒狀軸體4上設有風葉5，巨型滾筒狀軸體4中部設有傳動軸6，傳動軸6經(jīng)傳動纜繩7與設在地面的發(fā)電機組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中可設置1～20個巨型滾筒狀軸體4；在平衡繩3和傳動纜繩7使用條件允許的情況下，也可在一組巨型滾筒狀軸體4中設置上百個巨型滾筒狀軸體4。
實施例
高空滾筒傳帶風力發(fā)電方法，功能構件主要由巨型滾筒狀軸體4、平衡繩3、傳動纜繩7、發(fā)電機組1四部分組成。
巨型滾筒狀軸體4是一個內(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4兩端通過連接軸與平衡繩3連接、并能支撐在平衡繩3上轉(zhuǎn)動；滾筒中間為傳動軸6，連接傳動纜繩7；巨型滾筒狀軸體4橫剖面為風車螺旋漿狀，在風力吹拂下旋轉(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中間傳動軸6和發(fā)電機組1連接，起到將巨型滾筒狀軸體4旋轉(zhuǎn)的動能傳導到發(fā)電機組1的作用。
平衡繩和傳動纜繩均可直接采用現(xiàn)有技術中的尼龍繩、登山繩或降落傘繩作為平衡繩或傳動纜繩；平衡繩和傳動纜繩也可采用現(xiàn)有技術中柔韌性較好的鋼絲繩制作。
發(fā)電機組1是常規(guī)設備，與整體設備性能匹配。發(fā)電機組由旋轉(zhuǎn)的傳動纜繩7帶動發(fā)電機組1發(fā)電。
前述高空滾筒傳帶風力發(fā)電四個功能構件，巨型滾筒狀軸體4在平衡繩3的拉力下懸浮在空中，在風力吹拂作用下旋轉(zhuǎn)，進而帶動傳動纜繩7上下循環(huán)，傳動纜繩7帶動發(fā)電機組1發(fā)電。