[發(fā)明專利]一種大型系留式高空風(fēng)能及太陽能電站

在審

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• 申請日: 2023-06-05
• 公開（公告）號: CN116498494A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李春洲
• 申請（專利權(quán)）人: 上海洲躍生物科技有限公司
• 主分類號: F03D9/25
• 分類號: F03D9/25;F03D13/20;F03D9/00;F03D80/00;H02S10/12
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本發(fā)明公開了一種大型系留式高空風(fēng)能及太陽能電站，包括一個(gè)大直徑的環(huán)形框架及其上的穹拱，穹拱跨越環(huán)心且在環(huán)心上方交叉，環(huán)形框架與穹拱共同構(gòu)成具有足夠剛性與強(qiáng)度的空間裝載平臺；環(huán)形框架中心圓內(nèi)裝有多個(gè)互相平行的桁架，桁架上裝有數(shù)百個(gè)渦輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，桁架上方裝有承重拱架及吊索，裝載平臺上布設(shè)數(shù)十萬平米的太陽能電池板；該風(fēng)能及太陽能電站占地面積小，在平流層強(qiáng)風(fēng)區(qū)發(fā)電功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，可大幅降低發(fā)電成本；風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用新型印刷電路板（PCB）取代傳統(tǒng)的鐵芯定子，減少整機(jī)近一半的重量，采用橫流風(fēng)扇產(chǎn)生升力，進(jìn)一步減少電站的總重，顯著降低了電站的建造成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源技術(shù)領(lǐng)域,?涉及一種高空風(fēng)能及太陽能發(fā)電裝置，具體涉及一種大型系留式高空風(fēng)能及太陽能電站。

風(fēng)能，即空氣流動所產(chǎn)生的動能；是由于太陽輻射造成地球表面各部分受熱不均引起大氣層壓力分布不平衡，在水平氣壓梯度的作用下，空氣沿水平方向運(yùn)動形成的，故風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，是一種可再生清潔能源，取之不盡，用之不竭。據(jù)測算，全球的風(fēng)能儲量約為2.74X10^∧9MW，其中可利用的風(fēng)能為2X10^∧7MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。我國10米高度層的風(fēng)能資源總儲量為32.26億千瓦（3.2?X?10^∧6MW），其中實(shí)際可開發(fā)利用的風(fēng)能資源儲量為2.53億千瓦(2.53?X10^∧5MW)。

風(fēng)能與風(fēng)速的三次方成正比，與空氣密度成正比，空氣密度越大、風(fēng)速越高則風(fēng)能越大，而海拔越高風(fēng)速越大；研究機(jī)構(gòu)對世界范圍內(nèi)海拔與風(fēng)能資源分布關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),高度為500米處,?平均風(fēng)能密度約225?W/m²,?約為地面風(fēng)能密度的2倍;?高度在1000米時(shí),?風(fēng)能密度能達(dá)到500?W/?m²；根據(jù)氣象資料顯示，我國的高空風(fēng)能主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū)，在東南沿海上空1萬米處的最高風(fēng)能密度能達(dá)到10?kW/m²,而在16000米左右的平流層，風(fēng)速經(jīng)常可達(dá)到60米/秒，風(fēng)能密度高達(dá)30KW/平米，是低空風(fēng)能密度的100倍以上，是地面風(fēng)能密度的近300倍，是世界上風(fēng)能密度最高的地區(qū)之一；斯坦福大學(xué)環(huán)境和氣候科學(xué)家的研究報(bào)告指出：高空中蘊(yùn)藏的風(fēng)能超過人類社會總需能源的100多倍，可見風(fēng)力發(fā)電的潛力十分巨大。

目前，高空風(fēng)能發(fā)電的方式主要有兩種：一種是將發(fā)電機(jī)懸浮在空中,另一種是將發(fā)電機(jī)設(shè)置在地面。空基發(fā)電系統(tǒng)主要有兩種，一種是系留式機(jī)載發(fā)電系統(tǒng),?即將永磁電機(jī)固定在飛行器上,?控制飛行器迎風(fēng)飛行,?風(fēng)力驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動使永磁電機(jī)發(fā)電,?并通過系留繩將電能引入地面儲能設(shè)備,另一種是系留浮空器技術(shù)，即將風(fēng)葉發(fā)電機(jī)組固定在一個(gè)筒形浮空器中,?漂浮在一定高度進(jìn)行高空風(fēng)能發(fā)電，或是將渦輪形浮空器上升到一定高度,?利用高空風(fēng)吹動浮空器旋轉(zhuǎn),?從而帶動浮空器兩端的發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)設(shè)置在地面的高空發(fā)電系統(tǒng)主要有三種，一是系留滑翔傘技術(shù),?即通過控制滑翔傘在高空按特定的“8”?字型或者“?圓形”?軌跡運(yùn)動從而拖動系留繩使地面發(fā)電機(jī)發(fā)電；二是系留阻力傘梯技術(shù),?即通過控制多個(gè)阻力傘開閉,?實(shí)現(xiàn)傘上下循環(huán)運(yùn)動,?進(jìn)而拖動地面發(fā)電機(jī)發(fā)電；三是系留飛行器式技術(shù)，即控制固定翼飛行器在高空按特定的“?8”?字型軌跡運(yùn)動從而拖動系留繩使地面發(fā)電機(jī)發(fā)電。

上述各種發(fā)電模式中，均存在單體設(shè)備發(fā)電功率偏小,設(shè)備成本偏高,控制復(fù)雜、可靠性不高等問題,如果簡單地同時(shí)升空多個(gè)發(fā)電設(shè)備則又導(dǎo)致占地面積大,占用空間多,設(shè)備間存在相互干擾甚至發(fā)生碰撞、纏繞等風(fēng)險(xiǎn)。

由于風(fēng)能有明顯的季節(jié)性，一年當(dāng)中有相當(dāng)長的時(shí)間風(fēng)力很弱，以長沙地區(qū)12千米高空為例，7月的平均風(fēng)力僅11米/秒左右，與1月平均風(fēng)速65米/秒相比，風(fēng)能大幅減少，將使風(fēng)能電站的電力輸出銳減，其它地區(qū)不同高度的風(fēng)能存在相似的情況；目前的風(fēng)力發(fā)電裝置幾乎都是純風(fēng)能發(fā)電，不同程度存在著電力輸出波動大的問題。

發(fā)明內(nèi)容