CN102582819B - 风力发电飞机 - Google Patents

Abstract

风力发电飞机是将风力发电机-电力发动机可逆机组9(见附图)，安装在特异飞行器上，成为可飞行的风力发电装置，飞机主体是三角形翼身合一的飞翼，装12台内嵌电动涵道风扇发动机4，产生升力。6台前伸电动涵道风扇发动机3，竖直状态产生升力，水平状态产生拉力。次飞翼7是可逆机组9的支持平台。风力发电机产生的电能储于蓄电池中，电力发动机使飞机以200KM/h航速往返于风电场和换电站之间。蓄电池储能和逆变器装置能解决风能间歇性的上网难题。远海或深海的发电优势超过目前任何风电装置。在风电场上用风力发电飞机进行立体风力发电，能成倍增加风电场发电量。西风带上风力发电飞机发电量大价低。西风电力飞机的运费低于海轮。

Description

风力发电飞机

技术领域：

利用现代航空技术制成特异飞行器，承载风力发电装置，组成可飞行的风力发电装置，生产交流频率、电压、波动性能都能与煤电、核电竞争的优质风力电能。

背景技术：

中国气象局公布了我国风能资源详查和评价成果：陆上离地50米高度3级以上风能资源潜在开发量约为23.8亿千瓦，5～25米水深线以内近海海平面以上50米高度可装风机容量约2亿千瓦，风能资源巨大，是无碳可再生绿色能源，用之不竭。但人类利用风能几千年历史证明，风能并不美丽，只因环境压力，近几十年大力研究风力发电技术，本专利克服目前风力发电技术的诸多缺陷，为人类利用风能出力。

目前已建成的风力发电站，已经占据优质风能的地理位置，每年发电约2000小时，与常规发电装置对比实在太少：水电3000～5000小时，煤电5000～7000小时，核电7000小时以上。本专利的风力发电飞机可以“找风”发电，在风速小于经济风速时，依据气象资料和“在线风速报告”即时转场，飞到有风区域发电，大大提高年发电小时数。在破坏性台风到来之前，依据气象资料及时飞回机库，避免损失。显然，风力发电飞机比目前的被动等风发电和挺胸抵抗飓风的塔式风力发电机优越得多。本专利风力发电飞机还有很多技术优势在发明内容中叙述。

发明内容：

可逆机组由可逆螺旋桨和可逆电机组成，前者是对转双螺旋桨，参照桨扇发动机的螺旋桨设计，但必须可逆，既可吸收风能产生机械能，拖动发电机发电；又可被电动机拖动产生向前的拉力。可逆电机是线绕转子式异步电机，在定子通入三相交流电时，调节电压、频率或转子电阻，都能调节电动机转速，是调速性能极好的电动机。电动机拖动可逆螺旋桨产生前飞拉力，这时可逆机组是电力发动机。若可逆电机转子通入直流电流，产生磁极，可逆螺旋桨接受风能产生机械能拖动电机转动，生产三相交流电能，经整流后的直流电能储于蓄电池中，这时可逆机组是风力发电机。可逆机组的结构必须细长，以减小阻力。这种可逆螺旋桨-可逆电机组成的风力发电机-电力发动机可逆机组是目前效率、体积、重量、成本等综合最优的组合，系本专利首次概念设计。

三角飞翼的下底面为三角形平板，利于产生升力。平板下固定n艘船舱，n为大于1的自然数。飞机降落水面时，吃水0.5米左右，底面距水面2米，小于2米的海浪对飞机影响很小。船舱下底面也是平板，有利于产生升力，也有利于飞机在海面或陆地降落。飞机漂浮海面时，可进行海上风力发电。这时船舱浮力支持飞机总重，内嵌电动涵道风扇发动机全部关停。调整前伸电动涵道风扇发动机的数量和转速，使向前拉力与风力对飞机推力平衡，维持飞机原址发电，这时飞机耗电最少，生产的电能绝大部分储于蓄电池中。或者，在三角主翼下安装锚缆，抛锚海底，锚缆系曳飞机于海面，前伸电动涵道风扇发动机也全部关停，仍可漂浮海面确定位置迎风发电，这时生产电量全部储于蓄电池中，发电效率最高。电池充满后，收卷锚缆，提起铁锚后，飞机向上起飞再向陆地飞去。

风力发电机生产的三相交流电的电压、频率因风能波动性、间歇性而时刻变化，必须根据蓄电池电压，用电子调压器变成适宜的数值后对电池充电，调节过程用单板机实现自动化。蓄电池组装入特制箱内。飞机底板的舱门打开后，运输机械快速卸下已充满电的蓄电池箱，装上待充电的蓄电池箱。本专利用蓄电池储能，风能的随意性、间隙性与电网没有直接关系而阻隔在电网之外。风能的波动和有无，只影响电池的充电时间长短，电池的电能经逆变器变换成电压、频率都合格的三相交流电，并入电网。电能质量与煤电、核电相当，其调峰性能，备用电源功能，低谷时的停发功能都比煤电、核电好得多，必定受到各方欢迎。

飞机的总升力包含：飞翼、襟翼产生的升力，内嵌电动涵道风扇产生的升力，竖直状态的前伸电动涵道风扇产生的升力。飞机前飞的拉力由电力发动机和水平位置的前伸电动涵道风扇发动机产生。飞机的总阻力包含：飞翼、次飞翼产生的阻力，支撑板阻力，前伸电动涵道风扇阻力，可逆机组阻力，襟翼阻力，尾舵阻力等。调节三台逆变器的电压和频率，同时调控六个襟翼，三个尾舵，前伸电动涵道风扇的轴线，就能操控风力发电飞机的飞行状态。飞机可以200km/h的速度往返于风场和换电站之间，设计专用软件，安装相应传感器，用计算机控制，可实现风力发电飞机的无人飞行。

2009年全国风电装机2000万千瓦，位居世界前列，但只占全国发电装机8.74亿千瓦的2.3％，无足轻重。在地面层常规风力发电机上空100～150米处布置风力发电飞机悬停发电，不圈风，不圈地就使风力发电装机从2000万千瓦增加到4000万千瓦。在第二层上还可以布置第三层风力发电飞机。按现有知识，第二层发电量比地面层还多，第三层可能与地面层相当。这种立体风力发电模式是本专利首次概念设计。最多能开发几层，有待以后科学实践。

2009年仅在内蒙古就有500万千瓦风电机组不能并网，闲置资金达到500亿元。酒泉千万千瓦级风电工程也将遭遇送出瓶颈。电网建设滞后于风电工程是原因之一，风电质量是限制风电入网的更重要因素，因为8％的电量波动就危及电网安全。酒泉千万千瓦级风电装机的电量波动需要多大的电网才能承受？如果在酒泉风电工程上空，同步建设两层立体风力发电飞机，总容量增至3000万千瓦，其中两层2000万千瓦风力发电飞机电量是稳定可靠的蓄电池电能，电网的安全性有可靠保障。由于电池技术的进步，磷酸锂铁蓄电池已将每千瓦时储能的设备单价降至300元左右，可充放电2000次以上，蓄电池储能装置已进入商业实用时期。

海上风力发电正成为全球热点，中国亦然。海上风电比陆地风电持久稳定，发电量大，但成本是陆地风电的2倍以上。***能源所的行家评估，我国近海海域风电装机可达1～2亿千瓦，他们肯定不能计入本专利的立体发电装机。目前先发国家已在近海或水深不超过50米海域，进行风力发电研发，力图抢占科技高点。但在深海、远海，他们也不敢进入。试想，水深200米的海底上，建造300多米的高塔进行风力发电，成本将是多少？远海风力发电，200公里以上长度的海底高压电缆，要多少投资？远海、深海的维修也十分困难、费钱。人们只能对着远海、深海望海兴叹！本专利的风力发电飞机，以200km/h速度往返于深(远)海风场和陆地换电站之间，在深(远)海漂浮海面发电，充电，在换电站卸下已充满电的蓄电池箱，再装上待充电蓄电池箱。我国海域面积300万平方公里，只要开发百分之十，也是2009年全国发电装机的几倍！

我国沿海200公里范围内的海岸走廊，用不到30％的陆域土地，承载全国40％以上的人口，50％以上的大城市，创造全国70％的国民经济产值。利用风力发电飞机对经济发达的海岸走廊供电，为电动汽车更换电池，将产生多大的经济效益？是多大的绿色产业？

在地震高烈度地区，例如台湾东部或浙江东部海域，架设风力发电机，塔体和塔基的要求很严，造价不菲，风电价格没有竞争力。而风力发电飞机正是最好的用武之地。

气象学告诉人们：无论冬夏，无论南北半球，从纬度35°～40°向着赤道方向一直到5°～10°的对流层内，从地面到上空均为深厚的东风层。在中高纬度地区，从地面到对流层顶部，冬夏都为西风控制，称为西风带，不仅风速大，而且平稳，几乎可以常年风力发电。如果研发垂直升降浮动平台，来往于西风带(或东风层)风力发电飞机和地面换电站之间，卸、装蓄电池箱，发电效益应该很好，装机更是没法估量。

将风力发电飞机适当改造，满足西风(或东风)带上飞行要求，成为本专利命名的“西风电力飞机”。通过升降浮动平台，上送待运输货物，接下到港货物，进行环球物流服务，货运成本很低，运价低于海洋巨轮和铁路运输，时间以欧亚大陆桥为例，比电力机车迅捷，比海洋巨轮快几十倍。市场一定很大，效益必定很好。

附图说明：

附图为风力发电飞机示意图

其中：

1——飞机驾驶舱

2——飞翼的主工作段

3——前伸电动涵道风扇发动机(共6台)

4——内嵌电动涵道风扇发动机(共12台)

5——襟翼(共6组)

6——竖直支撑板(共3组)

7——次飞翼

8——方向舵(共3组)

9——风力发电机--电力发动机可逆机组

10——可上折翼稍

具体实施方式：

风力发电飞机的主体是大翼展、大面积、三角形、翼身合一的飞翼(参见附图)，飞翼正中的前部是驾驶舱1，该舱左右是飞翼的主工作段2，每段长0.35翼展，其翼型、翼厚由风洞实验确定。每个主段上装有3台前伸电动涵道风扇发动机3，其轴线竖直时产生向上拉力，水平时产生向前拉力。每个主段上还内嵌6台电动涵道风扇发动机4，产生向上升力。每个主段后缘装有3个襟翼5，产生升力或调整飞机升降。三块竖直支撑板6分别固定在三角翼正中和0.35翼展处，它们的上部固定次飞翼7，它的翼型、翼厚由风洞实验确定。每块支撑板后部安装方向舵8，控制飞机航向。次飞翼两端各固定风力发电机-电力发动机可逆机组9。主段2的外侧是可以上折90°活动翼稍10，其翼型、翼厚与主段匹配，上折后与支撑板并列。在风速过大时关停全部内嵌电动涵道风扇发动机，升力仍可能大于飞机总重，飞机将不断上升，上折活动翼稍使升力减少，达到平衡。

通过风力发电机一电力发动机可逆机组既可风力发电并储蓄电能于蓄电池中，又可以电能产生前飞拉力，使飞机在空中飞行。

利用内嵌电动涵道风扇发动机和竖直状态的前伸电动涵道风扇发动机产生的升力使飞机垂直升空，调节前伸电动涵道风扇发动机为水平状态，产生前飞拉力，前飞速度在三角飞翼和次飞翼上也产生升力，调节升力和拉力能使风力发电飞机前飞或悬停空中。

飞机锚浮海面发电是效率最高的发电方式，密封船舱可靠保证飞机浮于海面。

理论上风力发电飞机可进行立体风力发电和西风带发电，但技术资料有待以后不断实验和实践积累。

Claims (4)

1.一种风力发电飞机，包括驾驶舱(1)、主体(2)、前伸电动涵道风扇发动机(3)、内嵌电动涵道风扇发动机(4)、襟翼(5)、三块竖直支撑板(6)、次飞翼(7)、方向舵(8)、风力发电机-电力发动机可逆机组(9)、活动翼稍(10)；其中，主体(2)为大翼展、三角形、大面积、翼身合一的飞翼；驾驶舱(1)位于主体(2)的正中前部，主体(2)的外侧是活动翼稍(10)，主体(2)前缘安装有前伸电动涵道风扇发动机(3)，前伸电动涵道风扇发动机(3)轴线竖直时产生升力，调整前伸电动涵道风扇发动机(3)轴线至水平时产生向前拉力；主体(2)上安装有内嵌电动涵道风扇发动机(4)，内嵌电动涵道风扇发动机(4)产生升力；主体(2)后缘安装有襟翼(5)，主体(2)、次飞翼(7)和三块竖直支撑板(6)组成联翼；方向舵(8)安装在竖直支撑板(6)后部，次飞翼(7)两端各固定一组风力发电机-电力发动机可逆机组(9)；风力发电机-电力发动机可逆机组(9)具有风力发电机状态和电力发动机状态两种工作状态，由可逆螺旋桨和可逆电机组成，可逆螺旋桨为对转双螺旋桨，可逆电机为线绕转子异步电机；在风力发电机状态时，可逆螺旋桨接纳风能转变成机械能拖动线绕转子异步电机产生三相交流电，线绕转子异步电机的转子通入直流电流产生磁场，被可逆螺旋桨拖动旋转，在线绕转子异步电机的定子中产生三相交流电能；在电力发动机状态，可逆螺旋桨被线绕转子异步电机拖动产生向前拉力使飞机前飞，线绕转子异步电机的转子接可变电阻，定子通入三相交流电流，线绕转子异步电机的旋转力矩拖动可逆螺旋桨产生向前拉力；其特征在于：主体(2)底部安装铁锚，主体(2)的底面为三角形平板，平板下固定n艘密封船舱，n为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述风力发电飞机，其特征在于：主体(2)的前缘的左右两侧分别安装三台前伸电动涵道风扇发动机(3)，主体(2)上左右两侧分别安装六台内嵌电动涵道发动机(4)。

3.根据权利要求1所述风力发电飞机，其特征在于：次飞翼(7)两端各固定一组风力发电机-电力发动机可逆机组(9)。

4.根据权利要求2所述风力发电飞机，其特征在于：活动翼稍(10)可以上折90°。