本實(shí)用新型涉及一種喇叭筒狀漂浮體高空風(fēng)力發(fā)電裝置，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)：

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電沒有燃料問題，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染。

風(fēng)力發(fā)電在芬蘭、丹麥等國家很流行；我國也在西部地區(qū)大力提倡。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率很高，但它不是只由一個(gè)發(fā)電機(jī)頭組成的，而是一個(gè)有一定科技含量的小系統(tǒng)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)+充電器+數(shù)字逆變器。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為：葉片用來接受風(fēng)力并通過機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。

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，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，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，但總的來說高空風(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)位于高空無法實(shí)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(dǎo)線。這無疑又加大了整個(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?，F(xiàn)有的這種風(fēng)力發(fā)電方式，其風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的工作效率還是要依靠高空的自然風(fēng)速確定，當(dāng)高空的風(fēng)速很低時(shí)，其風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的工作效率就很低，因此這一類的風(fēng)力發(fā)電的方式還是不夠理想。

另一類技術(shù)路徑是將發(fā)電機(jī)組固定在地面，通過巨型“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，并通過安裝在發(fā)電設(shè)備上的航空感應(yīng)器來控制風(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)來收集風(fēng)能。對于控制系統(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。

目前的風(fēng)力發(fā)電實(shí)際成本是從風(fēng)電場的角度出發(fā)，把風(fēng)電場看作一個(gè)工程項(xiàng)目，按照會(huì)計(jì)理論的成本費(fèi)用歸集方法來計(jì)算風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際成本。根據(jù)成本費(fèi)用理論，它的總成本費(fèi)用只有風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的機(jī)械損耗；運(yùn)行和管理人員的工資；管理費(fèi)用及設(shè)備的故障維護(hù)、檢修費(fèi)用以及財(cái)務(wù)費(fèi)用等。由于在生產(chǎn)過程中無燃料等的消耗，年度成本基本保持一致。

研究表明，風(fēng)速對風(fēng)力發(fā)電成本的影響最大，風(fēng)速越高、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率就越高，發(fā)電成本也就越低；風(fēng)機(jī)造價(jià)對風(fēng)力發(fā)電成本影響次之；對風(fēng)力發(fā)電成本影響最小的是運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。但由于各個(gè)地區(qū)風(fēng)能資源差異較大，造成不同地區(qū)單位發(fā)電量成本的差異明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是，提供一種能高效利用高空風(fēng)力資源的喇叭筒狀漂浮體高空風(fēng)力發(fā)電裝置，以克服風(fēng)能資源差異對單位發(fā)電量成本的不利影響，提高風(fēng)力發(fā)電效益，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本實(shí)用新型的一種喇叭筒狀漂浮體高空風(fēng)力發(fā)電裝置為：該裝置包括風(fēng)葉發(fā)電機(jī)，風(fēng)葉發(fā)電機(jī)設(shè)在喇叭筒狀漂浮體的小直徑口一端，即風(fēng)葉發(fā)電機(jī)設(shè)在喇叭筒狀漂浮體的小直徑口作為出風(fēng)口的一端，并且風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉對著喇叭筒狀漂浮體的大直徑口作為進(jìn)風(fēng)口的一端，喇叭筒狀漂浮體為中空結(jié)構(gòu)，喇叭筒狀漂浮體的空腔內(nèi)充有氦氣，在喇叭筒狀漂浮體小直徑口一端的外表面上設(shè)有導(dǎo)向和姿態(tài)平衡翼，在喇叭筒狀漂浮體上設(shè)有與地面的固定樁連接的繩索，在風(fēng)葉發(fā)電機(jī)上設(shè)有用于向地面用電器輸電的電纜。

上述裝置中，在喇叭筒狀漂浮體的小直徑口一端設(shè)有用于安裝風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的圓筒，圓筒的內(nèi)徑大于風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉外徑，風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉設(shè)置在圓筒內(nèi)。

上述裝置中，圓筒的內(nèi)徑大于風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉外徑5～20毫米，并且圓筒內(nèi)徑尺寸與喇叭筒狀漂浮體的小直徑口直徑尺寸相同；圓筒為中空結(jié)構(gòu)，在圓筒的空腔內(nèi)充有氦氣。

上述裝置中，喇叭筒狀漂浮體的大直徑口的直徑尺寸大于喇叭筒狀漂浮體的小直徑口的直徑尺寸2～5倍。

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)在利用風(fēng)葉風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的受風(fēng)面積的大小決定了發(fā)電機(jī)功率的大?。蛔鳛楦呖诊L(fēng)力發(fā)電裝置，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)用新型原理構(gòu)造上不同，本實(shí)用新型通過喇叭口對風(fēng)力的匯聚作用，將數(shù)倍于自然風(fēng)速的風(fēng)力匯聚到風(fēng)葉上，形成高于自然受風(fēng)面數(shù)倍的風(fēng)速和發(fā)電量，使風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率和工作效率顯著增大。本實(shí)用新型相對現(xiàn)有高空風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)除了具有投資小，構(gòu)造簡單，易操作的優(yōu)點(diǎn)外，還具有在同等裝機(jī)容量和相同風(fēng)力資源條件的情況下，發(fā)電效益顯著增加的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型使用時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中標(biāo)記為：1-固定樁、2-繩索、3-喇叭筒狀漂浮體、3.1-導(dǎo)向和姿態(tài)平衡翼、3.2-圓筒、4-風(fēng)葉發(fā)電機(jī)、5-電纜、d-喇叭筒狀漂浮體的小直徑口、D-喇叭筒狀漂浮體的大直徑口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本實(shí)用新型是根據(jù)下述的一種提高高空風(fēng)葉發(fā)電機(jī)工作效率的方法所構(gòu)成的，該方法包括采用充有氦氣的漂浮體運(yùn)載風(fēng)葉發(fā)電機(jī)在高空進(jìn)行發(fā)電，在將充有氦氣的漂浮體運(yùn)載風(fēng)葉發(fā)電機(jī)在高空進(jìn)行發(fā)電時(shí)，將漂浮體制作成一端為大直徑口、另一端為小直徑口的喇叭筒狀漂浮體，并將風(fēng)葉發(fā)電機(jī)安裝在喇叭筒狀漂浮體小直徑口的一端，然后在該喇叭筒狀漂浮體內(nèi)部充滿氦氣，使充滿氦氣的喇叭筒狀漂浮體所產(chǎn)生的浮力大于所運(yùn)載的風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的重量，并將喇叭筒狀漂浮體通過繩索與地面上的固定樁連接，當(dāng)喇叭筒狀漂浮體懸浮在高空時(shí)，自然風(fēng)通過喇叭筒狀漂浮體的大直徑口端口進(jìn)入到喇叭筒狀漂浮體內(nèi)并匯聚到小直徑口端的喇叭收口處，從而形成遠(yuǎn)大于自然風(fēng)速的高速氣流，該高速氣流吹動(dòng)風(fēng)葉發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，這樣即可使風(fēng)葉發(fā)電機(jī)的工作效率大于在自然風(fēng)條件下的工作效率，風(fēng)葉發(fā)電機(jī)發(fā)出的電量經(jīng)電纜傳至地面。

根據(jù)上述方法構(gòu)建并用于上述方法的本實(shí)用新型的一種喇叭筒狀漂浮體高空風(fēng)力發(fā)電裝置，如圖1-圖2所示，該裝置包括風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4，風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4可直接采用現(xiàn)有技術(shù)中的成品，將風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4裝在喇叭筒狀漂浮體3的小直徑口d一端，即將風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4安裝在喇叭筒狀漂浮體3的小直徑口d作為出風(fēng)口的一端，并且使風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的風(fēng)葉對著喇叭筒狀漂浮體3的大直徑口D作為進(jìn)風(fēng)口的一端，喇叭筒狀漂浮體3為中空結(jié)構(gòu)，將喇叭筒狀漂浮體3中空結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)充滿氦氣，在喇叭筒狀漂浮體3小直徑口d一端的外表面上制作出導(dǎo)向和姿態(tài)平衡翼3.1，導(dǎo)向和姿態(tài)平衡翼3.1為片狀，一般安裝2～4片導(dǎo)向和姿態(tài)平衡翼3.1即可，在喇叭筒狀漂浮體3上設(shè)有與地面的固定樁1連接的繩索2，在風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4上設(shè)有用于向地面用電器輸電的電纜5；為了安裝方便和使用效果更好，在喇叭筒狀漂浮體3的小直徑口d一端設(shè)有用于安裝風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的圓筒3.2，使圓筒3.2的內(nèi)徑大于風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的風(fēng)葉外徑，將風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的風(fēng)葉設(shè)置在圓筒3.2內(nèi)；制作時(shí)，使圓筒3.2的內(nèi)徑大于風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的風(fēng)葉外徑5～20毫米，并且使圓筒3.2內(nèi)徑尺寸與喇叭筒狀漂浮體3的小直徑口d的直徑尺寸相同；將圓筒3.2也制作成中空結(jié)構(gòu)，并在圓筒3.2中空結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)充滿氦氣；制作時(shí)，最好將喇叭筒狀漂浮體3的大直徑口D的直徑尺寸制作成大于喇叭筒狀漂浮體3的小直徑口d的直徑尺寸2～5倍即成。

制作時(shí)，繩索2可采用現(xiàn)有的高韌性、低重量特性的繩索。繩索2連接喇叭筒狀漂浮體3和固定樁1，起到平衡喇叭筒狀漂浮體3旋轉(zhuǎn)姿態(tài)的作用。

電纜5是常規(guī)設(shè)備，在滿足導(dǎo)電量的前提下最好選擇具有低重量、低電損特性的傳導(dǎo)電線。

風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4是常規(guī)設(shè)備，與整體設(shè)備性能匹配。風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4安裝在喇叭筒狀漂浮體3的收口處（即小直徑口d的端口處），風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4發(fā)出電量經(jīng)電纜5傳至地面的用電器。

本實(shí)用新型的喇叭筒狀漂浮體3通過喇叭口對風(fēng)力的匯聚作用，將數(shù)倍于自然風(fēng)速的風(fēng)力匯聚到風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的風(fēng)葉上，形成高于自然受風(fēng)面數(shù)倍的風(fēng)速吹動(dòng)風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4發(fā)電，從而大大提高了風(fēng)葉發(fā)電機(jī)4的工作效率。