一种小型空中悬浮式风力发电机

1.本发明涉及一种能代替陆上风力发电的悬浮式风力发电装置，属于新能源发电技术领域。

背景技术：

2.近年来，随着全球工业化进程加快，人类用电需求大幅增加，但是利用传统能源发电不仅严重污染环境，而且越用越少，因此，人们将目光逐渐转向新能源发电。风能作为可再生能源之一，在新能源发电方面发挥着诱人的作用。传统的风力发电机都建立在陆上或海上，它们面临的问题是：首先，为了捕获更多的风能，不得不建造更高的塔架和更长的叶片，这样不仅造成生产安装难度和成本的增加，而且一旦建造完毕就不能调整高度，无法根据气候条件的不同适应性的到达风能资源最丰富处的高度；其次，传统风机选址要求比较高，为了捕获更多的风能，一般建造在海拔较高且空旷地带，这在一定程度上限制了风机的大规模发展；最后，由于传统风机一般建造在偏远地带，电能传输距离较远，导致电能损耗严重。为了解决上述这些问题，发明一种能实现就地取电，而且能调整高度的风力发电机显得尤为重要。

技术实现要素：

3.本发明的目的是为克服传统风力发电机建造成本高、风机高度固定、电能损耗大等问题而提供一种能实现就地取电，而且可调整高度的小型空中悬浮式风力发电机。
4.本发明的目的是这样实现的：包括：悬浮结构、发电装置、牵引结构。所述悬浮结构包括气囊、发热结构、支撑杆，所述发热结构安装在所述气囊内，并固定于所述气囊内圈。所述支撑杆与所述发电装置和所述悬浮结构都采用螺栓连接，用于固定所述发电装置；所述发电装置包括发电机、轮毂和叶片，所述发电机采用内转子永磁直驱发电方式，所述叶片和所述轮毂通过螺栓固定连接；所述牵引结构包括钢丝绳、四个定滑轮组、地面定滑轮、放绳装置、转动轴、四个定滑轮组支撑架，所述定滑轮组支撑架对称分布，并焊接固定在所述悬浮结构前侧，每个所述定滑轮组由所述定滑轮组支撑架定位。所述放绳装置包括：摇手、固定结构、凸轮与摇杆组成的凸轮摇杆机构、绕线棘轮与双棘爪组成的棘轮机构。所述地面定滑轮与所述放绳装置通过所述钢丝绳将悬浮式风力发电机固定于地面。
5.进一步的，所述发电机采用内转子永磁直驱发电方式。所述发电机增加定子最大直径到 1.28米，从而增加定子槽数，尽可能提高发电效率。
6.进一步的，所述叶片和所述轮毂通过螺栓固定连接，叶片的桨距角在设计之初就已确定，不能改变。
7.进一步的，所述发热结构安装在所述气囊内，由三组圆周均布的发热线圈和对应的支架组成，发热线圈缠绕在支架上，所述支架呈圆弧状，并固定于所述气囊内圈。
8.进一步的，4个所述支撑杆圆周均布，每个所述支撑杆通过螺栓分别与所述气囊内圈表面和所述发电机外壳通过螺栓连接。
9.进一步的，所述四个定滑轮组均匀分布于于所述悬浮结构前侧，每个定滑轮组由所述定滑轮组支撑架定位，所述定滑轮组支撑架焊接固定于气囊支撑架上。在每个所述定滑轮组支撑架上安装一个所述转动轴，使所述钢丝绳在所述定滑轮组间过渡。
10.进一步的，所述钢丝绳是一根连续的钢丝绳，始于所述放绳装置的所述绕线棘轮，终于所述放绳装置的所述固定结构。所述钢丝绳分别绕过每一个定滑轮组和所述转动轴，从风机前面向后面看去，其缠绕顺序按顺时针方向，先绕过定滑轮组ⅰ，再绕过定滑轮组ⅱ，经过所述地面定滑轮，绕过定滑轮组ⅲ，最后绕过定滑轮组ⅳ。
11.进一步的，所述地面定滑轮固定于地面，所述钢丝绳由定滑轮组ⅱ引出，绕过所述地面定滑轮，由所述地面定滑轮变向，将所述钢丝绳引入定滑轮组ⅲ。
12.进一步的，所述放绳装置由棘轮机构、凸轮摇杆机构、固定结构、摇手组成。所述棘轮机构由绕线棘轮和双棘爪组成，所述凸轮摇杆机构由摇杆和凸轮组成。所述凸轮安装到所述摇杆的滑槽内，所述凸轮与所述摇手的轴焊接固定。所述固定结构由固定基座、固定支持架
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、活动支持架、固定支持架ⅱ、锁固件和四个半圆套组成。所述固定支持架ⅰ和所述固定支持架ⅱ焊接在固定基座上。所述活动支持架通过所述固定基座的滑槽安装到所述固定基座中。所述锁固件通过螺栓连接到所述固定基座上，锁定所述活动支持架，防止所述活动支持架从滑槽中滑出。
13.进一步的，所述钢丝绳缠绕在所述绕线棘轮上。所述摇杆与所述双棘爪的轴焊接在一起。所述绕线棘轮安装到由固定支持架ⅰ和活动支持架组成的轴上。所述双棘爪的轴和所述摇手的轴分别安装到所述固定支持架ⅱ的半圆槽中，所述四个半圆套分别通过螺栓连接到所述固定支持架ⅱ的半圆槽的平台上，使所述双棘爪的轴和所述摇手的轴在所述固定支持架ⅱ上转动。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明风力发电机悬浮在空中，不需要传统风机的塔架和基座，大大节省了成本，同时对选址没有特别要求，可以就地取电，减少了电能长距离传输的损耗；本发明不是在气囊中充入低密度气体，而是采用加热气囊中的空气来使风机悬浮，虽然导致流入用户的电量减少，但大大提高了经济性，因为低密度气体十分昂贵；本发明通过放绳装置可以方便的改变风机的高度，从而根据气候条件的不同适应性的到达风能资源最丰富处的高度，提高发电量。
附图说明
15.图1是本发明的整体结构图及其局部图；
16.图2是本发明悬浮结构与发电装置通过支撑杆连接示意图；
17.图3是本发明牵引结构整体三视图；
18.图4是放绳装置的结构图；
19.图5是放绳装置核心结构的工作原理图。
具体实施方式
20.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
21.参照图1-4，为本发明的一个实施例，该实施例展示了一种小型空中悬浮式风力发电机，其包括使风机在空中悬浮的悬浮结构，利用风能发电的发电装置和改变风机高度并
牵引风机的牵引结构。其中悬浮结构包括发热结构1、支撑杆2和气囊3；发电装置包括发电机4、叶片5和轮毂6；牵引结构包括：钢丝绳7、四个定滑轮组12、转动轴14、定滑轮组支撑架15、地面定滑轮13和放绳装置。其中放绳装置包括：棘轮机构8、凸轮摇杆机构9、摇手10、固定结构。棘轮机构8包括：绕线棘轮8-1和双棘爪8-2；凸轮摇杆机构9包括：摇杆9-1和凸轮9-2；固定结构包括：固定基座11、固定支持架ⅰ17、活动支持架18、固定支持架ⅱ19、锁固件20、四个半圆套16。
22.结合图2，4个支撑杆2圆周均布，每个支撑杆2用于连接气囊3和发电机4。支撑杆2 一端与发电机4外壳通过两个螺栓连接，同时支撑杆2表面伸出的一段杆与发电机4外壳接触，以加固支撑杆2和发电机4的连接。支撑杆2另一端与气囊3内圈表面通过8个螺栓连接。为增加支撑杆2的强度，从支撑杆2斜伸出一段加强杆。
23.发热结构1由三组发热线圈和对应的支架组成，发热线圈缠绕在支架上，支架呈圆弧状。三个支架圆周均布并焊接固定于气囊3的内圈。
24.发电装置采用固定桨距角发电方式，即叶片5和轮毂6通过螺栓固定连接，叶片5不能进行变桨，省去了变桨系统，减轻风机重量。
25.发电机4采用内转子永磁直驱发电方式。增大发电机4中的定子直径，从而增加定子槽数，尽可能提高发电效率。
26.结合图3，在主视图中，四个定滑轮组12顺时针顺序分别为：定滑轮组ⅰ12-1、定滑轮组ⅱ12-2、定滑轮组ⅲ12-3、定滑轮组ⅳ12-4。每个定滑轮组由定滑轮组支撑架15定位。定滑轮组支撑架15焊接固定于气囊支撑架上。定滑轮组中的两个定滑轮的旋转轴线相互垂直，以改变钢丝绳7的空间位置。在每个定滑轮组支撑架15上安装一个转动轴14，转动轴14位于每个定滑轮组的两个定滑轮之间。四个定滑轮组12这样布置的作用是：对于定滑轮组ⅰ12-1中绕入钢丝绳7的定滑轮、定滑轮组ⅱ12-2中绕出钢丝绳7的定滑轮、定滑轮组ⅲ12-3 中绕入钢丝绳7的定滑轮、定滑轮组ⅳ12-4中绕出钢丝绳7的定滑轮，它们所受钢丝绳7的作用力大小和方向都相同，从而保证气囊始终正对风，不会上下或左右倾斜。
27.进一步的，放绳装置和地面定滑轮13固定于地面，以牵引风机悬浮在空中。
28.进一步的，一定长度的钢丝绳7缠绕在绕线棘轮8-1上，钢丝绳7从绕线棘轮8-1出发，分别绕过定滑轮组ⅰ12-1和转动轴14，定滑轮组ⅱ12-2和转动轴14，地面定滑轮13，定滑轮组ⅲ12-3和转动轴14，定滑轮组ⅳ12-4和转动轴14，最后系在放绳装置的固定基座11上。
29.结合图4，固定基座11固定于地面。固定支持架ⅰ17、固定支持架ⅱ19分别焊接在固定基座11上。摇杆9-1与双棘爪8-2的转轴焊接固定。摇手10的轴与凸轮9-2焊接固定。
30.进一步的，放绳装置的设计考虑到了实际安装的便捷性，其安装过程为：
31.一、绕线棘轮8-1安装在固定支持架ⅰ17的轴上；
32.二、活动支持架18插入固定基座11的滑槽中，锁固件20贴合到活动支持架18上并与固定基座11螺栓连接；
33.三、双棘爪8-2的轴安放到固定支持架ⅱ19的半圆槽中，之后将两个半圆套16通过螺栓连接到半圆槽的平台上，使双棘爪8-2的轴在固定支持架ⅱ19和两个半圆套16组成的孔内旋转；
34.四、凸轮9-2安装到摇杆9-1一端的凹槽内。摇杆9-1的轴安放到固定支持架ⅱ19的
半圆槽中，之后将两个半圆套16通过螺栓连接到半圆槽的平台上，使摇杆9-1的轴在固定支持架ⅱ19和两个半圆套16组成的孔内旋转。
35.结合图5，绕线棘轮8-1和双棘爪8-2组成的棘轮机构，以及摇杆9-1和凸轮9-2组成的凸轮摇杆机构是放绳装置的主要部件。其工作过程为：
36.一、在初始位置，如图5左侧所示，双棘爪8-2的下棘爪与绕线棘轮8-1的齿接触，绕线棘轮8-1不转动，放绳装置不放绳；
37.二、当需要放绳时，顺时针摇动摇手10，摇杆9-1绕双棘爪8-2的轴旋转，由于摇杆9-1 和双棘爪8-2的轴焊接固定，摇杆9-1带动双棘爪8-2绕轴逆时针摇摆，此时双棘爪8-2的下棘爪离开绕线棘轮8-1的齿，双棘爪8-2的上棘爪接近绕线棘轮8-1的齿。在双棘爪8-2 的下棘爪离开绕线棘轮8-1的齿到双棘爪8-2的上棘爪接触到绕线棘轮8-1的齿这一过程中，双棘爪8-2与绕线棘轮8-1完全不接触，气囊3产生的浮力和风作用到风机上的力作用到钢丝绳7上，钢丝绳7的拉力使绕线棘轮8-1旋转，直到图5中间状态，即双棘爪8-2的上棘爪接触到绕线棘轮8-1的齿时停止，此时摇手10转过180
°
；
38.三、继续转动摇手10，图5中间到图5右侧状态的放绳过程与图5左侧到图5中间状态的放绳过程类似，唯一不同就是双棘爪8-2的摇摆方向相反。
39.四、重复上诉三个过程，实现持续放绳。
40.进一步的，凸轮9-2是一个圆盘，并带有偏心孔，摇手10的轴穿入偏心孔并焊接固定，使凸轮9-2与摇手10成为一个整体。
41.进一步的，图5右侧所示状态就是图5左侧所示的初始状态，在这个状态下，由于绕线棘轮8-1对双棘爪8-2的力向上，有使双棘爪8-2和摇杆9-1顺时针旋转的趋势，从图5所示的二维平面上看，摇杆9-1的上下滑槽与凸轮9-2是点接触，因此摇杆9-1的上下滑槽对凸轮9-2的力穿过凸轮9-2的圆盘中心，在此初始状态下，设计凸轮9-2的偏心孔的中心在力的作用线上，这样摇杆9-1的上下滑槽对凸轮9-2的力就不会对凸轮9-2产生力矩，形成锁死，凸轮9-2在没有外力干预下不会转动。
42.为使风机在空中悬浮，在放飞风机之前，充满电的蓄电池首先给发热结构1供电，使发热结构1加热气囊3内的空气，当气囊3内的空气加热到一定程度，由于热空气密度低，使风机开始漂浮，转动放绳装置的摇手10，开始放绳。当风机悬浮到一定高度，风机开始发电，风机发出的电一部分存储到蓄电池中，一部分通过电缆传输到地面。存储到蓄电池中的电供给发热结构1。继续转动摇手10，可使风机悬浮到更高的高度，捕获更丰富的风能资源。
43.进一步的，气囊3背面开有8个通气口，使冷热空气流通。气囊3外围采用保温材料包裹，防止热量过度向外流失。

技术特征：

1.一种小型空中悬浮式风力发电机，包括：悬浮结构、发电装置、牵引结构，所述悬浮结构包括气囊、发热结构、支撑杆，所述发热结构安装在所述气囊内，并固定于所述气囊内圈；所述支撑杆与所述发电装置和所述悬浮结构都采用螺栓连接；所述发电装置包括发电机、轮毂和叶片，所述发电机采用内转子永磁直驱发电方式，所述叶片和所述轮毂通过螺栓固定连接；所述牵引结构包括钢丝绳、四个定滑轮组、地面定滑轮、放绳装置、转动轴、四个定滑轮组支撑架，所述定滑轮组支撑架对称分布，并焊接固定在所述悬浮结构前侧，每个所述定滑轮组由所述定滑轮组支撑架定位；所述放绳装置包括摇手、固定结构、凸轮与摇杆组成的凸轮摇杆机构、绕线棘轮与双棘爪组成的棘轮机构；所述地面定滑轮与所述放绳装置通过所述钢丝绳将悬浮式风力发电机固定于地面。2.所述发热结构由三组圆周均布的发热线圈和对应的支架组成，发热线圈缠绕在支架上，所述支架呈圆弧状，并固定于所述气囊内圈。3.支撑杆有四个，且四个所述支撑杆圆周均布，每个所述支撑杆通过螺栓分别与所述气囊内圈表面和所述发电机外壳通过螺栓连接。4.所述四个定滑轮组均匀分布于于所述悬浮结构前侧，每个定滑轮组由所述定滑轮组支撑架定位，所述定滑轮组支撑架焊接固定于气囊支撑架上；在每个所述定滑轮组支撑架上安装一个所述转动轴，使所述钢丝绳在所述定滑轮组间过渡。5.所述钢丝绳是一根连续的钢丝绳，始于所述放绳装置的所述绕线棘轮，终于所述放绳装置的所述固定结构；所述钢丝绳分别绕过每一个定滑轮组和所述转动轴，从风机前面向后面看去，其缠绕顺序按顺时针方向，先绕过定滑轮组ⅰ，再绕过定滑轮组ⅱ，经过所述地面定滑轮，绕过定滑轮组ⅲ，最后绕过定滑轮组ⅳ。6.所述地面定滑轮固定于地面，所述钢丝绳由定滑轮组ⅱ引出，绕过所述地面定滑轮，由所述地面定滑轮变向，将所述钢丝绳引入定滑轮组ⅲ。7.所述放绳装置的凸轮安装到所述摇杆的滑槽内，所述凸轮与所述摇手的轴焊接固定；所述固定结构包括固定基座、固定支持架ⅰ、活动支持架、固定支持架ⅱ、锁固件和四个半圆套，所述固定支持架ⅰ和所述固定支持架ⅱ焊接在固定基座上，所述活动支持架通过所述固定基座的滑槽安装到所述固定基座中，所述锁固件通过螺栓连接到所述固定基座上，锁定所述活动支持架，防止所述活动支持架从滑槽中滑出；所述钢丝绳缠绕在所述绕线棘轮上，所述摇杆与所述双棘爪的轴焊接在一起；所述绕线棘轮安装到由固定支持架ⅰ和活动支持架组成的轴上；所述双棘爪的轴和所述摇手的轴分别安装到所述固定支持架ⅱ的半圆槽中，所述四个半圆套分别通过螺栓连接到所述固定支持架ⅱ的半圆槽的平台上，使所述双棘爪的轴和所述摇手的轴在所述固定支持架ⅱ上转动。

技术总结

本发明提供一种小型空中悬浮式风力发电机，悬浮结构包括气囊、发热结构、支撑杆，所述发热结构安装在所述气囊内，支撑杆与所述发电装置和所述悬浮结构都采用螺栓连接；发电装置包括发电机、轮毂和叶片，发电机采用内转子永磁直驱发电方式，所述叶片和所述轮毂通过螺栓固定连接；所述牵引结构包括钢丝绳、四个定滑轮组、地面定滑轮、放绳装置、转动轴、四个定滑轮组支撑架，所述定滑轮组支撑架对称分布，并焊接固定在所述悬浮结构前侧，每个所述定滑轮组由所述定滑轮组支撑架定位。本发明克服传统风力发电机建造成本高、风机高度固定、电能损耗大等问题而提供一种能实现就地取电，而且可调整高度的小型空中悬浮式风力发电机。调整高度的小型空中悬浮式风力发电机。调整高度的小型空中悬浮式风力发电机。