一种风能转换机构及高空风力发电装置

摘要

本发明公开了一种风能转换机构，包括：往复轮，包括第一往复轮和第二往复轮；发电电动两用机，通过传动部件同时与所述第一往复轮和第二往复轮传动连接；万向导绳机构，设于所述往复轮两侧；牵引缆绳，包括第一缆绳和第二缆绳，所述第一缆绳绕设于所述第一往复轮，所述第二缆绳绕设于所述第二往复轮，所述第一缆绳和第二缆绳用于连接飞行器的一端分别绕经相应一侧的万向导绳机构。该机构结构紧凑、性能稳定，可有效避免线缆缠绕，且能够适应各种风向，从而显著提高了风能转换效率。本发明还公开了设有所述风能转换机构的高空风力发电装置。

权利要求

1.一种风能转换机构，包括：

往复轮，包括第一往复轮和第二往复轮；

发电电动两用机，通过传动部件同时与所述第一往复轮和第二往复轮传动连接；

万向导绳机构，设于所述往复轮两侧；

牵引缆绳，包括第一缆绳和第二缆绳，所述第一缆绳绕设于所述第一往复轮，所述第二缆绳绕设于所述第二往复轮，所述第一缆绳和第二缆绳用于连接飞行器的一端分别绕经相应一侧的万向导绳机构；

其特征在于，所述第一往复轮或第二往复轮设有反向绕绳机构。

2.根据权利要求1所述的风能转换机构，其特征在于，所述传动部件为锥齿轮，其中第一锥齿轮设于所述第一往复轮，第二锥齿轮设于所述第二往复轮，第三锥齿轮设于所述发电电动两用机并同时与第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合。

3.根据权利要求2所述的风能转换机构，其特征在于，所述反向绕绳机构包括至少一根能够在往复轮偏心位置轴向伸入或退出绕绳区域的销轴，所述销轴伸入之前与伸入之后的缆绳绕组方向相反，或所述销轴退出之前与退出之后的缆绳绕组方向相反。

4.根据权利要求1至3任一项所述的风能转换机构，其特征在于，所述万向导绳机构包括导绳架，各所述导绳架均设有万向导绳轮和导向轮。

5.根据权利要求4所述的风能转换机构，其特征在于，所述万向导绳轮位于所述万向导绳架顶部的内侧，所述导向轮位于所述万向导绳轮下方。

6.根据权利要求5所述的风能转换机构，其特征在于，所述万向导绳轮包括上下垂直布置的第一轮轴组和第二轮轴组，各所述轮轴组分别包括两根平行的轮轴，所述四根轮轴呈“井”字型分布，所述牵引缆绳从所述四根轮轴围合的封闭空间穿过。

7.根据权利要求4所述的风能转换机构，其特征在于，所述导绳架为高度可调的伸缩式支架。

8.一种高空风力发电装置，包括高空风力接收机构和地面风能转换机构，其特征在于，所述地面风能转换机构为上述权利要求1至7任一项所述的风能转换机构，所述第一缆绳连接所述高空风力接收机构的第一飞行器，所述第二缆绳连接所述高空风力接收机构的第二飞行器。

9.根据权利要求8所述的高空风力发电装置，其特征在于，所述第一飞行器和第二飞行器分别设有飞行器姿态调控机构。

说明书

一种风能转换机构及高空风力发电装置

技术领域

[0001] 本发明涉及风能发电技术领域，特别是用于将风筝或升空伞等轻型飞行器在高空飞行时产生的动能转换为电能的机构。本发明还涉及设有所述风能转换机构的高空风力发电装置。

背景技术

[0002] 目前，风能已经逐渐发展成为一种主要的可替代能源，并在全球范围内得到推广。

[0003] 传统的风力发电受场地和风向风速等因素影响较大，存在诸多缺点：首先，风力发电场往往规模比较大，采用的是地面风力发电机，需要占用大量的土地；其次，风力发电机对生态环境具有一定的负面影响；此外，风力发电机需要高塔支撑才能进入距地面几百英尺的高度，而且这一高度的风力较小，同时也不稳定，很难随时对准风向，实际转化率较低，且常规风力发电机的制造成本、建设成本都很高。

[0004] 与地面风相比，高空风风力更强，也更为稳定，同时比地面风更易于预测，因此越来越受到重视。现有技术中，利用高空风的方式主要有两种：第一种是在空中建造发电站，在高空发电，然后通过电缆输送到地面；第二种是利用飞行器先将机械能输送到地面，再由发电机将其转换为电能。

[0005] 其中，第一种方式需要将发电机、电缆等设备稳定在高空，由于重量较大，因此升空高度有限，能量转化率低，且造价高、回收困难，存在坠落的风险，而第二种方式并不存在以上缺点，已逐渐成为利用高空风能的主要研发方向。

[0006] 公开号为CN101240778A的发明专利申请公布说明书，公开了一种风筝发电方法，其工作原理是风筝通过在地面上的操纵装置，改变迎风角度，当风筝表面垂直于气流时，风筝因风阻力产生最大拉力，风筝通过绳索，拖动发电机发电，在逆程返回期间，风筝操纵装置改变风筝迎风角度，使其风筝表面接近平行于气流而阻力最小，发电机切换为电动机，由外部提供能量，通过绳索拉动风筝返回，实现间断利用高空气流发电，其不足之处就在于，这种方法只能在风筝上升阶段产生电能，并且需要消耗额外的能源来回收风筝，因此风能转化率低。

[0007] 授权公告号为CN201714574U的实用新型专利公开了一种高效率高空风筝发电机，由一对高空风筝、发电机组组成，高空风筝由线缆拖拽，工作时处于对流层中上层，高空风筝上安装有飞行姿态调节装置，可以接收地面的控制信号调节高空风筝的迎风角，两个高空风筝的线缆联动，当一个高空风筝上升时另一个风筝下降，线缆与发电机转子联动，高空风筝上下移动时，线缆带动发电机转子转动。

[0008] 该发电设备通过控制风筝飞行姿态，使两个风筝往复上下运动带动发电机产生电能，无需消耗额外的能源来回收风筝，但依然存在以下不足：

[0009] 其一，两个风筝的线缆直接缠绕在同轴并排安装的线轮上，线缆距离太过接近，风筝在移动过程中会互相碰撞，容易损坏，且极易出现线缆缠绕现象，一旦缠绕，整套设备便无法正常工作，需回收、解除缠绕后重新升空，导致其不具有实际应用价值。

[0010] 其二，高空风虽然比较稳定，但其风向依然会发生变化，这就要求高空风筝发电设备要具有适应风向变化的能力，而该设备的风筝线缆直接缠绕在线轮上，只能适应线轮切线方向上的高空风，一旦风向发生偏离，线缆便无法正常缠绕，当风向垂直于线轮的切线方向时，这一问题会变得尤为严重，风筝将无法带动发电机转子转动。

[0011] 其三，由于极易出现缠绕现象，且适应风向变化的能力较弱，导致其动力传递效率低，能量转化率仅能维持在较低水平，发电量无法满足实际应用要求。

发明内容

[0012] 本发明的第一目的是提供一种风能转换机构。该机构结构紧凑、性能稳定，可有效避免线缆缠绕，且能够适应各种风向，从而显著提高了风能转换效率。

[0013] 本发明的第二目的是提供一种设有所述风能转换机构的高空风力发电装置。

[0014] 为实现上述第一目的，本发明提供一种风能转换机构，包括：

[0015] 往复轮，包括第一往复轮和第二往复轮；

[0016] 发电电动两用机，通过传动部件同时与所述第一往复轮和第二往复轮传动连接；

[0017] 万向导绳机构，设于所述往复轮两侧；

[0018] 牵引缆绳，包括第一缆绳和第二缆绳，所述第一缆绳绕设于所述第一往复轮，所述第二缆绳绕设于所述第二往复轮，所述第一缆绳和第二缆绳用于连接飞行器的一端分别绕经相应一侧的万向导绳机构。

[0019] 优选地，所述传动部件为锥齿轮，其中第一锥齿轮设于所述第一往复轮，第二锥齿轮设于所述第二往复轮，第三锥齿轮设于所述发电电动两用机并同时与第一锥齿轮和第二锥齿轮相啮合。

[0020] 优选地，所述第一往复轮或第二往复轮设有反向绕绳机构。

[0021] 优选地，所述反向绕绳机构包括至少一根能够在往复轮偏心位置轴向伸入或退出绕绳区域的销轴，所述销轴之前与之后的缆绳绕组方向相反。

[0022] 优选地，所述万向导绳机构包括导绳架，各所述导绳架均设有万向导绳轮和导向轮。

[0023] 优选地，所述万向导绳轮位于所述万向导绳架顶部的内侧，所述导向轮位于所述万向导绳轮下方。

[0024] 优选地，所述万向导绳轮包括上下垂直布置的第一轮轴组和第二轮轴组，各所述轮轴组分别包括两根平行的轮轴，所述四根轮轴呈“井”字型分布，所述牵引缆绳从所述四根轮轴围合的封闭空间穿过。

[0025] 优选地，所述导绳架为高度可调的伸缩式支架。

[0026] 为实现上述第二目的，本发明提供一种高空风力发电装置，包括高空风力接收机构和地面风能转换机构，所述地面风能转换机构为上述任一项所述的风能转换机构，所述第一缆绳连接所述高空风力接收机构的第一飞行器，所述第二缆绳连接所述高空风力接收机构的第二飞行器。

[0027] 优选地，所述第一飞行器和第二飞行器分别设有飞行器姿态调控机构。

[0028] 本发明提供的风能转换机构在往复轮两侧设有万向导绳机构，牵引飞行器的缆绳绕经万向导绳机构后再缠绕于往复轮，安装时可根据飞行器类型、飞行器尺寸、飞行高度、地理条件等参数合理确定万向导绳机构与往复轮的间距，从而使飞行器在万向导绳机构的支撑和导向作用下，始终保持安全距离，确保牵引缆绳在工作过程中不会出现缠绕现象。

[0029] 牵引缆绳经过万向导绳机构后缠绕在往复轮上，万向导绳机构能够在各个方向上有效引导和支撑牵引缆绳，具有十分稳定的适应风向变化的能力，使牵引缆绳能够以正确的方式缠绕在往复轮上，即使风向频繁发生变化，牵引缆绳仍然能够正常收放，且传递效率保持不变，从而保证飞行器在各种风向下均能够带动发电机转子转动，实现了利用高空风能连续、稳定发电的目的。

[0030] 往复轮采用双轮结构，牵引缆绳分为第一缆绳和第二缆绳，分别独立缠绕在第一往复轮和第二往复轮上，在收放过程中彼此不会相互干扰，无需额外设置分绳机构即可有效避免乱绳现象，且可以防止缆绳打滑，提高动力传输的稳定性和效率。

[0031] 由于彻底避免了牵引缆绳缠绕现象，且具有适应风向变化的能力，因此整套风能转换机构结构紧凑、运行平稳，具有较高的动力传递效率，传递效率一般在95%以上，显著提高了能量转化率，其发电量完全满足产业化要求，具有十分广阔的应用前景。

[0032] 在一种优选方案中，通过反向绕绳机构可控制第一往复轮或第二往复轮上的牵引缆绳的缠绕方向，使两者的缠绕方向相同或相反，当两者的缠绕方向相同、引出方向相反时，处于正常工作状态，飞行器可交替上下运动，带动发电电动两用机发电，当两者的缠绕方向和引出方向均相反时，处于调节状态，此时，利用发电电动两用机的电机功能，由其带动飞行器同时向上或向下运动，对飞行高度进行调节，调整结束后，再次改变缠绕方向，即可使其在重新确定的飞行高度恢复正常工作状态。

[0033] 本发明提供的高空风力发电装置设有所述风能转换机构，由于所述风能转换机构具有上述技术效果，设有该风能转换机构的高空风力发电装置也应具备相应的技术效果。

附图说明

[0034] 图1为本发明所提供风能转换机构的一种具体实施方式的结构示意图；

[0035] 图2为图1所示风能转换机构的俯视图；

[0036] 图3为图1中I部位的局部放大示意图；

[0037] 图4为图2中II部位的局部放大示意图；、

[0038] 图5为图1的A向视图；

[0039] 图6为图5的B-B视图；

[0040] 图7为导绳架的伸缩结构示意图；

[0041] 图8为第一种反向绕绳机构的工作原理示意图；

[0042] 图9为第二种反向绕绳机构的工作原理示意图。

[0043] 图中：

[0044] 1.驱动架 2.导绳架 3.地基 4.往复轮 4-1.第一往复轮 4-2.第二往复轮 5.发电电动两用机 6.万向导绳轮 6-1.基座 6-2.轮轴6-3.绳孔 7.导向轮 8-1.第一缆绳 8-2.第二缆绳 9.轴承座 10-1.第一飞行器 10-2.第二飞行器 11.飞行器姿态调控机构 12-1.第一锥齿轮 12-2.第二锥齿轮 12-3.第三锥齿轮13.制动机构 13-1.刹车盘13-2.刹车钳14.销轴 14-1.第一销轴 14-2.第二销轴具体实施方式

[0045] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

[0046] 请参考图1、图2、图5、图6，图1为本发明所提供风能转换机构的一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1所示风能转换机构的俯视图；图5为图1的A向视图；图6为图5的B-B视图。

[0047] 如图所示，在第一种具体实施方式中，本发明提供的风能转换机构的主体部件为驱动架1及其两侧的导绳架2，驱动架1由型材焊接成具有一定高度的矩形框架，其底部通过法兰固定在地基3上，顶部安装往复轮4和发电电动两用机5。

[0048] 往复轮4由第一往复轮4-1和第二往复轮4-2构成，两者同轴对称布置，通过轴承座9架设在驱动架1顶部，并保持一定间距，牵引缆绳包括第一缆绳8-1和第二缆绳8-2，第一缆绳8-1绕设于第一往复轮4-1，第二缆绳8-2绕设于第二往复轮4-2。

[0049] 发电电动两用机5位于第一往复轮4-1和第二往复轮4-2中间偏向一侧的位置，并通过锥齿轮同时与第一往复轮4-1和第二往复轮4-2传动连接，第一锥齿轮12-1设于第一往复轮4-1，第二锥齿轮12-2设于第二往复轮4-2，第三锥齿轮12-3设于发电电动两用机5，并同时与第一锥齿12-1和第二锥齿轮12-2相啮合。

[0050] 导绳架2的数量为两个，分别设于驱动架1两侧，各导绳架2为高度可调的伸缩式支架，由多级方形套管嵌套组装而成（如图7所示），并能够通过定位部件锁定高度，其底部通过法兰固定在地基3上，其与驱动架1的间距视实际情况而定，以便使飞行器在导绳架2的支撑和导向作用下，始终保持安全距离，确保飞行器在工作过程中不会出现缠绕现象，导绳架2的高度高出驱动架1一定距离，伸缩的优势在于，能够对牵引缆绳摆动部分的下止点高度进行调整，从而提高设备运行的稳定性和安全系数。

[0051] 万向导绳轮6安装在导绳架2顶部的内侧，导向轮7位于万向导绳轮6下方，并且与往复轮4大体处于同一水平面内，使牵引缆绳的走向呈“L”形。

[0052] 这里需要说明的是，图中所示驱动架1和导绳架2安装于同一水平的地基3上，但在实际应用中，并不局限与此，在保证牵引缆绳能够正常收放的情况下，驱动架1和两个导绳架2可以安装在不同的水平面上，导绳架2的安装平面可以高于或低于驱动架1的安装平面，三者的安装平面也可以呈梯度分布，以适应各种不同的地形条件，具有极强的适应能力。

[0053] 请参考图3、图4，图3为图1中I部位的局部放大示意图；图4为图2中II部位的局部放大示意图。

[0054] 万向导绳轮6主要由基座6-1、上下垂直布置的第一轮轴组和第二轮轴组构成，基座6-1的四周设有立板形成轴承座，各轮轴组分别包括两根平行的轮轴6-2，四根轮轴6-2呈“井”字型分布，各轮轴6-2的两端均由轴承支撑，牵引缆绳从四根轮轴6-2围合的封闭空间以及基座6-1底板上的绳孔6-3穿过。

[0055] 四根轮轴6-2能够在各个方向上有效引导和支撑牵引缆绳，具有十分稳定的适应风向变化的能力，牵引缆绳经过导向轮7后，能够以正确的方式缠绕在往复轮4上，在万向导绳轮6和导向轮7的协调作用下，即使风向频繁发生变化，牵引缆绳仍然能够正常收放，且传递效率保持不变，从而保证飞行器在各种风向下均能够带动发电电动两用机转子转动，实现了利用高空风能连续、稳定发电的目的。

[0056] 第一往复轮4-1和第二往复轮4-2与相对应的导向轮7、万向导绳轮6大体位于同一纵向平面内，第一缆绳8-1和第二缆绳8-2用于连接飞行器的一端分别绕经相应一侧的导向轮7和万向导绳轮6。这样，当飞行器交替上升和下降时，便能够带动往复轮4来回往复转动。

[0057] 往复轮采用双轮结构，牵引缆绳分为第一缆绳8-1和第二缆绳8-2，分别独立缠绕在第一往复轮4-1和第二往复轮4-2上，在收放过程中彼此不会相互干扰，无需额外设置分绳机构即可使第一缆绳8-1和第二缆绳8-2保持一定间距，从而有效避免乱绳现象，且可以防止缆绳打滑，提高动力传输的稳定性和效率。

[0058] 为了确保系统安全运行，可在转动部分加装保护罩，即便出现操作的一般失误，也不会对人员和设备造成致命的伤害；同时，可以为往复轮4加装制动机构13，以便在发生故障或检修时能紧急刹停，避免带载作业出现意外情况。

[0059] 具体地，制动机构13由刹车盘13-1和刹车钳13-2组成，刹车盘13-1与各自的往复轮同轴连接，刹车钳13-2安装在驱动架1上。当然，也可以采用其他形式的制动机构，或者将制动机构安装在其他位置。

[0060] 为避免雷击损坏电机，可采用聚氨酯（或其它具有一定强度的绝缘材料）法兰和螺栓连接往复轮4和发电电动两用机5，即便意外发生雷击，电荷可经过机架流入大地，无法到达发电电动两用机5。

[0061] 此外，还可以在导向轮7和往复轮4之间加装合适的甩干轮，以便在雨雪天气时，将牵引缆绳8在进入往复轮4前甩干。

[0062] 上述风能转换机构的工作原理如下：通过调节飞行器迎角、攻角、迎风面积或气动外形等，均可调节风阻和升力，两者的合力形成拉力，拉力差使飞行器发生往复运动，飞行器的往复运动通过牵引缆绳带动往复轮4转动，由往复轮4驱动发电电动两用机5，如此不断往复，实现发电，并由地面桥式整流器将正反向运行输出的电力整流为正功，调节超级电容器组提供换向期间的输出补偿，从而达到不间断稳定发电。

[0063] 当两个飞行器完全同步仰俯时，其合力为零，此时发电电动两用机不会旋转，也不会有功率输出。

[0064] 当两个飞行器正好处于一张一弛状态，也就是一个飞行器气动力最大，另一个飞行器气动力最小的情况下，系统处于最佳工作状态，即两飞行器越靠近反向运行状态则输出功越大，越靠近完全同步运行则输出功率越小。

[0065] 进一步地，可以在第一往复轮4-1或第二往复轮4-2上设置反向绕绳机构。

[0066] 通过反向绕绳机构可控制第一往复轮4-1或第二往复轮4-2上的牵引缆绳的缠绕方向，使两者的缠绕方向相同或相反，当两者的缠绕方向相同、引出方向相反时，处于正常工作状态，飞行器可交替上下运动，带动发电电动两用机5发电，当两者的缠绕方向和引出方向均相反时，处于调节状态，此时，利用发电电动两用机5的电机功能，由其带动飞行器同时向上或向下运动，对飞行高度进行调节，调整结束后，再次改变缠绕方向，即可使其在重新确定的飞行高度恢复正常工作状态。

[0067] 请参考图8，图8为第一种反向绕绳机构的工作原理示意图。

[0068] 在一种具体实施方式中，该反向绕绳机构的执行部件为设置在第二往复轮4-2上的一根销轴14，在正常工作状态下，销轴14伸入第二往复轮4-2，销轴14之前的缆绳绕组方向与第一往复轮4-1相反，销轴14之后的缆绳绕组方向与第一往复轮4-1相同而引出方向相反，第二往复轮4-2放出缆绳的终止点以不超过销轴14为限，飞行器可交替上下运动，带动发电电动两用机5发电。

[0069] 当需要调整飞行器高度时，在第二往复轮4-2运行至销轴14不再有缆绳缠绕时，退出销轴14，此时，第一往复轮4-1和第二往复轮4-2的缆绳绕组方向和引出方向均相反，可由发电电动两用机5带动两侧飞行器同时向上或向下运动，从而对飞行高度进行调节，调整结束后，再次伸入销轴14，即可使其在重新确定的飞行高度恢复正常工作状态。

[0070] 请参考图9，图9为第二种反向绕绳机构的工作原理示意图。

[0071] 在另一种具体实施方式中，该反向绕绳机构的执行部件为设置在第二往复轮4-2上的两根销轴14，在正常工作状态下，两根销轴14均不伸入第二往复轮4-2，第二往复轮4-2的缆绳绕组方向与第一往复轮4-1相同且引出方向相反，飞行器可交替上下运动，带动发电电动两用机5发电。

[0072] 当需要调整飞行器高度时，伸入第一销轴14-1，第一销轴14-1之前的缆绳绕组方向与第一往复轮4-1相同，第一销轴14-1之前的缆绳绕组方向和引出方向均与第一往复轮4-1相反，可由发电电动两用机5带动两侧飞行器同时向上或向下运动，从而对飞行高度进行调节，调整结束后，再伸入第二销轴14-2，再次改变第二往复轮4-2上的缆绳绕组方向，使其在重新确定的飞行高度恢复正常工作状态。

[0073] 具体地，第二往复轮4-2上开设有轴向的轴孔，销轴安装在往复轮外侧，可采用小型电机通过齿轮齿条机构或电磁吸合机构等方式驱动销轴伸入或退出，由于采用通用技术即可实现，这里就不再详述。

[0074] 当然，上述风能转换机构仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如万向导绳轮采用其他结构，或往复轮与发电电动两用机通过其他传动部件相连接，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。但都应该在保护范围之内。

[0075] 除了上述风能转换机构，本发明还提供一种高空风力发电装置，包括高空风力接收机构和地面风能转换机构。

[0076] 高空风力接收机构由提供动力的第一飞行器10-1、第二飞行器10-2及其上设置的飞行器姿态调控机构11等构成，飞行器具体可以是风筝、升空伞、三角翼或者由轻型材料制成的无人驾驶飞机等等，且两侧的飞行器可以多个成对布置，飞行器姿态调控机构可以由飞行器附带的风能装置驱动，也可以采用太阳能电池、蓄电池、无线供电、地面线缆送电等方式驱动，并能够在地面进行无线遥控，或者按预先设定的程序自动往复运行。

[0077] 地面风能转换机构为上文所述的风能转换机构，第一缆绳8-1连接第一飞行器10-1，第二缆绳8-2连接第二飞行器10-2，第一飞行器10-1和第二飞行器10-2由牵引缆绳连为一体，实现联动，其余结构请参考现有技术，本文不再赘述。

[0078] 该高空风力发电装置可以在陆地、海上使用并且基本不占用土地，当在海上使用时，地面装置可以直接固定在海底，适合使用的区域不再局限于“三北”地区，全国各地都可使用。由于本套系统的地面装置可深埋于地下，也可以在海床上使用，故陆地、浅滩、浅海、沙漠、海岛均可使用，占地面积少，对地面无特别要求，平整或不平整均可使用。

[0079] 以上对本发明所提供的风能转换机构及高空风力发电装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。