CN1657771A - 高度自适应再生能源发电方法及其发电*** - Google Patents

高度自适应再生能源发电方法及其发电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高度自适应性再生能源发电方法及其发电***，利用自平衡飞艇或系留式气球(1)作为发电***中能量转换装置的承载平台，将发电***中的能量转换装置，特别是风力发电机(4)悬停在合适的高度，利用多功能线缆(2)连接地面系留平台(3)，直接利用较高高度能量密度高的风能，可以减少地理环境因素、季节的影响，大大提高风力发电的可运行时间，提高利用效率，提高设备产出投入比和降低发电成本。可操控风力发电的高度及迎风角度，扩大风能使用高度，以最有效率的利用风能。扩大风能利用范围，使风力发电能用于中等风能地区。可根据实际情况及季节变换，主动调整风能及太阳能收集地点，使全年的***生产有效时间增加。

Description

高度自适应再生能源发电方法及其发电***
技术领域
本发明涉及再生能源风力及太阳能发电的方法及其发电***。
背景技术
当前，人类对能源的需要越来越大，但地球上的煤、石油、天然气等化石燃料属于不可再生的一次性能源，总有枯竭的一天；因此能否人类对再生能源加以有效利用关系到人类的生存。如图1所示是地球上的能流图，从图上可以看出，太阳能、风能、水能、海洋温差能、波浪能和潮汐能等，都属于再生能源，当前人类正在进行规模利用的主要是太阳能及风能。
风能就是空气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。风速9～10m/s的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积上约有10kg。风速20m/s的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米面积可达50kg左右。台风的风速可达50～60m/s，它对每平方米物体表面上的压力，可高达200kg以上。
风不仅蕴含丰富的能量，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流，它还可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。专家们估计，风中含有的能量，比人类迄今为止所能控制的能量高得多。据世界气象组织估计，整个地球上可以利用的风能为2×107MW。为地球上可资利用的水能总量的10倍。
合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。因此风力发电***在高风源地区逐步得到推广应用。如图2所示，是风力发电***的基本结构图，***包括风力发电机、输入调节器、蓄电池组、输出逆变器、控制。风速是描述风能资源的最基本的参数之一，其单位为米/秒。风中单位面积所含的能量公式为W＝0.5mV2，相对风力发电机的功率计算公式为：W＝0.5 EXP R2V3。
从中可以看出决定风能大小的重要参数一个是半径的大小，另外一个是风速的大小。从第一方面说能量的增长与风力发电机半径的增长成平方比例关系，这是现在风力发电机叶片越来越大的原因，另外一方面能量的增长与风速的增长成立方比例关系，而风速是随高度的增加而提高的。描述风速与高度的关系有一个经验算法，高度为H处的风速V可从下式求出：V/V0＝(H/H0)n，式中V0为距离地面为H0处测得的风速，n为一个与地面粗糙度有关的系数，取值为0.1～0.4。因此，为取得较高的发电效率，一般都需要尽量加高支撑风力发电机的基柱。
下表为风速随高度变化的统计数据：
              风速(m/s)
    高度(m)   自然   不稳定   稳定
    10   5.0   5.0   5.0
    30   6.5   6.1   6.9
    40   7.0   6.5   7.7
    60   7.5   6.8   8.6
    88   8.1   7.1   9.8
    110   8.5   7.3   10.9
    300   15.45   15.95   16.15
    1000   20.09   21.09   22.13
    2000   23.33   24.18   24.58
    3500   29.64   29.84   29.98
    4000   33.24   33.44   33.84
从上述分析可知，风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能的优点是：蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。其弱点是：1、密度低：这是风能的一个重要缺陷。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1/816。从下表可以看出，在各种能源中，风能的含能量是极低的，给其利用带来一定的困难。2、不稳定：由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明显，波动很大，极不稳定。3、地区差异大：由于地形的影响，  风力的地区差异非常明显。一个邻近的区域，有利地形下的风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。4、发电效率低、发电成本昂贵：建设地点上只能选择高风源地区，才有明显经济效益。利用高度上只能利用地面风源20-80M，由于现有技术风力发电机的高度决定于基柱的高度，而由于成本和维护因素，要提高基柱高度，成本会成倍增长；而且风力发电机的高度是固定的，不能根据风力进行自动调节高度和迎风方向。利用时间上只能利用部分季节，年均使用时间不能超过2500-3000小时，利用效率低，造成设备投入高、产出低，成本高。
下表是各种再生能源能量密度数据：
能源类别   风能(3m/s)   水能(流速3m/s)  波浪能(波高2m)  潮汐能(潮差10m)  太阳能
能流密度[kw/m2]   0.02   20  30  100  晴天平均1.0  昼夜平均0.16
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173,000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2，地球表面某一点24小时的年平均辐射强度为0.20kw/m2，相当于有102,000TW的能量。太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×1026W)的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤产生的能量。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。通常所说的太阳能发电往往指的就是太阳能光伏发电，简称光电。光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，如图3所示，太阳能发电站均由太阳能光伏板、蓄电池组、逆变器和太阳能控制器等组成，可以直接供应12V、24V或48V直流，也可提供220V交流供电。适用范围：偏远山村、草原牧区、边防站、高山海岛地区。它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。太阳能光伏发电技术与建筑结合将具有良好的经济效益，前途无限。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可***，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是同风能一样，能流密度低；二是其强度受各种因素(季节、地点、气候等)的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高再生能源发电效率、降低发电成本、使之能够克服地理环境的局限性得以推广应用的简单方法及其发电***。
为实现上述目的，本发明提出一种高度自适应再生能源发电方法：通过利用空中悬浮装置承载再生能源发电***的能量转换装置，根据风速控制能量转换装置的悬停高度和/或方向，能量转换装置利用风能和/或太阳能发电。
上述空中悬浮装置为自平衡飞艇或系留式气球，通过多功能线缆与地面系留平台连接，将风力发电机设置于所述多功能线缆上。
上述的高度自适应再生能源发电方法，包括太阳能发电：将太阳能发电装置的光伏板铺设于所述空中悬浮装置表面，太阳能发电装置的蓄电池组、逆变器、控制器由所述空中悬浮装置承载，利用太阳能发电。
上述的高度自适应再生能源发电方法中：利用***控制平台中的气象雷达和各种检测装置，预测和实时监测气象参数，***进行自适应调整，控制空中悬浮装置升降、平衡、移动、报警、启动保护及安全防护功能。利用***控制平台的通信模块，与远程上位控制***、信息***进行数据交换，接受上位控制***的控制。
同时本发明提出了一种再生能源发电***，包括风力发电子***，所述风力子发电***包括风力发电机、风电蓄电池组、风电逆变器、控制器，所述风力发电机的电能输出端连接所述风电蓄电池组、风电逆变器的电能输入端，所述控制器与所述风电逆变器控制端连接；还包括空中悬浮装置、多功能线缆、地面系留平台，所述空中悬浮装置通过所述多功能线缆连接于所述地面系留平台上，所述风力发电机设置于所述多功能线缆上。
上述的再生能源发电***，还包括太阳能发电子***，所述太阳能发电子***包括光伏板、充电控制器、光电蓄电池组、光电逆变器，所述光伏板铺设于所述空中悬浮装置表面，并与所述充电控制器电连接，所述光电蓄电池组、光电逆变器与所述充电控制器电连接；所述充电控制器、光电蓄电池组、光电逆变器设置于所述空中悬浮装置或地面系留平台上。
所述空中悬浮装置优选自平衡飞艇或系留式气球，其本身附有动力装置，以进行升降、平衡、移动。
上述的再生能源发电***，还包括***控制平台，设置于所述空中悬浮装置上；所述控制平台包括中心控制模块、自监测及天气探测模块、自升降控制模块；所述自监测及天气探测模块、自升降线缆控制模块分别与所述中心控制模块连接；所述自监测及天气探测模块用于监测气象环境参数，提供给所述中心控制模块，通过自升降线缆控制模块控制所述自平衡飞艇或系留式气球的升降、平衡、移动。所述***控制平台还包括通信模块，用于与远程上位控制***、信息***进行数据交换，接受远程上位控制***的控制信息。
由于采用了以上的方案，本发明带来如下的有益效果：
1、在空中悬浮装置的支持下，利用风力发电机高度的提高，直接利用较高高度能量密度高的风能，克服现有技术中风能发电的一个重要缺陷。可以减少地理环境因素、季节的影响，大大提高风力发电的可运行时间，提高利用效率，提高设备产出投入比和降低发电成本。可操控风力发电的高度及迎风角度，扩大风能使用高度，以最有效率的利用风能。2、采用空中悬浮装置作为支持平台，与风力发电机及光伏电池相结合成为一个多功能的再生能源收集***。3、光伏发电功能设置于空中悬浮装置上表面，充分利用其表面积大，上面安装的光伏电池进行光电接收转换，并且不占用地面资源。4、同时结合风电、光电以及系留式自悬浮技术，可有效大幅增加产能，预计在5-10倍，大副降低风能发电的成本。5、占用地面少，只有少量地面的管理设施，节约前期投入资本。6、扩大风能利用范围，原来风力发电因投资巨大只能用于高风能地区，现在可考虑用于中等风能地区。7、因空中悬浮装置可移动，可根据实际情况及季节变换，主动调整风能及太阳能收集地点，使全年的***生产有效时间增加。8、风能发电的噪声因为高度增加将减少，不会骚扰周围环境。9、本***做为高空的固定平台，可成为通信、监控及广告的平台。10、可成为旅游观光的景点，开发地区旅游资源，增加项目效益。11、利用本发明的发电***，作为离网型的独立运作的再生资源发电***，可以解决无电地区的用电问题，特别是对于一些输变电线路难以到达或投入成本太高的边远地区、偏僻地区、边防哨所、海岛等，既解决用电问题，又降低了从大电网取电的投入成本高和施工难度大的问题。
本***可以方便地与现有能源电力、自动化控制技术结合，设置***控制平台，实现其他的各种功能：为便于能源转换，可配置电能转换及存储装置。可设置中心控制模块、自监测及天气监测模块、自升降线缆控制模块等，控制自平衡飞艇的自平衡、升降、设备自诊断及故障报警，自我防护及安全装置，遇强风及恶劣天气，***自动调整，以避免灾害及损坏。联网信息***，预测天气信息及全面发电设备管理及维修，包括运营管理。各部分可采用模块化设计，便于生产、维护及管理。结合统一的管理信息***，变被动调整为主动预测反应，提高***效率，减少风能利用的损失。
附图说明
图1是自然界能量分布示意图(单位106MW)；
图2是风力发电子***的电路结构示意图；
图3是太阳能发电子***的电路结构示意图；
图4是本发明实施例一示意图；
图5是本发明实施例二示意图；
图6是本发明实施例三示意图；
图7是本发明实施例四示意图；
图8是本发明实施例五示意图；
图9是风力发电并网传输的示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
现有技术中，空中悬浮装置一般有飞艇、自平衡飞艇、系留式气球等。
飞艇的升空是利用浮力原理，飞艇的庞大流线型机身，实际上只是一个大气囊，里面充满了比重比空气小的气体，如氢气、氦气或热空气等，这样，气囊所受到的空气浮力大于气囊内气体的重量，这个差就是飞艇的升力，飞艇依靠它提升气囊下方的吊舱内的货物或乘客。
自平衡飞艇：是一种在正常飞行运行时能达到飞艇的静止时的重量和浮力相等状态(即零静重力状态)的飞艇。它依靠多功能缆绳实现在空中定点停留，可长时间在空中滞留，并可搭载有多种设备，它实际上是一个空中的平台，可广泛应用于边境监视、空中摄影、地质测绘、环境监测、城市交通管理等。同理，系留式气球也有相类似的功能。本发明利用自平衡飞艇和系留式气球的前述特点，将其作为风力发电子***的风力发电机和整个太阳能发电子***的承载平台，既可以移动，又可以调节迎风方向和高度，自平衡飞艇和系留式气球内部将采用多气囊以保证安全。
实施例一：如图4所示，再生能源发电***包括自平衡飞艇1、风力发电子***、太阳能发电子***、控制平台、多功能线缆2、地面系留平台3。
自平衡飞艇1：是本***的主要支持部分，也是所有其他***的承载平台。其作用是将发电***中的风力发电机和太阳能发电子***、控制平台悬浮在空中，并且按外界环境可自动控制升降，以最大限度利用能源，或在异常情况下降落以保证***安全，并可按要求进行长距离的移动。自平衡飞艇包括：飞艇主体、分气囊、平衡螺旋桨、电动机、固定支架、控制中心；其中控制中心包括内部自诊断模块、压力传感器、温度传感器、风速传感器、充气瓶、电加热器、报警器等。
***控制平台：其作用是控制整个***的工作状态，***的平衡、自诊断、设备效率的最优化操作，报警并传递信息给远程控制***，并对***起到保护及安全防护的作用。在风能差异较大的地方，控制平台调节***高度以获得最大能量。都是控制平台的一部分。***控制平台包括：自监测及天气探测模块，该模块包括气象雷达、气压传感器、振动传感器、温度传感器、加速度传感器、风速传感器、倾角传感器等；自升降控制模块：包括飞艇自升降气囊、自升降线缆控制模块；中心控制模块；配重平衡杆；线缆固定架；电能生产管理模块；通信模块：用于与远程上位控制***、信息***进行数据交换，接受远程上位控制***的控制信息。
多功能线缆2：包括本***各部分的机械连接及固定，能源和信息的传递等。是本***的重要一环。多功能线缆包括电力传输线、固定线缆、信息传递线、保险固定线缆、电力传输及信息线回收、固定线缆回收、保险固定电缆、自诊断及报警模块。
风力发电子***：风能发电是本***中的核心部分，也是本发电***中价值最高的部分。风力发电子***包括风力发电机4、蓄电池组、控制器、输入调节器和输出逆变器。其作用是将风能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作，或如图9所示，通过转换、传输并入大电网。风能发电设备的利用效率将直接决定整个***的运作效率。风力发电机4采用二组径向风力发电机，设置于多功能线缆2上，由***控制平台根据风速变化控制其高度，以最大限度利用风能。，风力发电机采用600KW以上大功率发电设备和/或超导发电机以提高效率。
太阳能发电子***：太阳能发电是本***中的能源转换的一部分，太阳能子***包括光伏板、蓄电池组、太阳能控制器和逆变器。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池组中存储起来，或推动自平衡飞艇工作。利用大面积的自平衡飞艇表面，在向阳表面铺设太阳能光伏板，有效地解决了光伏板占地面积大的问题；蓄电池组、太阳能控制器和逆变器均设置在飞艇上，在需要时可以用太阳能发电子***的电能直接驱动飞艇。
地面系留平台3：是本***唯一的地面部分，主要是固定本***，并且包括电能的逆变及送电或者是电能存储单元。
实施例二：如图5所示，本例与实施例一的不同之处在于，本例的风力发电机4采用二组垂直轴向风力发电机，平行设置于同一高度。
实施例三：本例与实施例一的不同之处在于，本例的风力发电机4为单组垂直轴向发电机。
实施例四：本例与实施例一的不同之处在于，本例承载平台采用系留式气球，风力发电机4采用二组垂直轴向风力发电机，平行设置于同一高度。
实施例五：本例与实施例一的不同之处在于，本例承载平台采用系留式气球，本例的风力发电机4为单组垂直轴向发电机。

Claims (10)

1、一种高度自适应再生能源发电方法，其特征是：通过利用空中悬浮装置承载再生能源发电***的能量转换装置，根据风速控制能量转换装置的悬停高度和/或方向，能量转换装置利用风能和/或太阳能发电。
2、如权利要求1所述的高度自适应再生能源发电方法，其特征是：所述空中悬浮装置为自平衡飞艇或系留式气球，通过多功能线缆与地面系留平台连接，将风力发电机设置于所述多功能线缆上。
3、如权利要求1或2所述的高度自适应再生能源发电方法，其特征是：包括太阳能发电：将太阳能发电装置的光伏板铺设于所述空中悬浮装置表面，太阳能发电装置的蓄电池组、逆变器、控制器由所述空中悬浮装置承载，利用太阳能发电。
4、如权利要求1或2所述的高度自适应再生能源发电方法，其特征是：利用***控制平台中的气象雷达和各种检测装置，预测和实时监测气象参数，***进行自适应调整，控制空中悬浮装置升降、平衡、移动、报警、启动保护及安全防护功能。
5、如权利要求4所述的高度自适应再生能源发电方法，其特征是：利用***控制平台的通信模块，与远程上位控制***、信息***进行数据交换，接受上位控制***的控制。
6、一种再生能源发电***，包括风力发电子***，所述风力子发电***包括风力发电机、风电蓄电池组、风电逆变器、控制器，所述风力发电机的电能输出端连接所述风电蓄电池组、风电逆变器的电能输入端，所述控制器与所述风电逆变器控制端连接；其特征是：还包括空中悬浮装置、多功能线缆、地面系留平台，所述空中悬浮装置通过所述多功能线缆连接于所述地面系留平台上，所述风力发电机设置于所述多功能线缆上。
7、如权利要求6所述的再生能源发电***，其特征是：还包括太阳能发电子***，所述太阳能发电子***包括光伏板、充电控制器、光电蓄电池组、光电逆变器，所述光伏板铺设于所述空中悬浮装置表面，并与所述充电控制器电连接，所述光电蓄电池组、光电逆变器与所述充电控制器电连接；所述充电控制器、光电蓄电池组、光电逆变器设置于所述空中悬浮装置或地面系留平台上。
8、如权利要求6或7所述的再生能源发电***，其特征是：所述空中悬浮装置为自平衡飞艇或系留式气球，所述自平衡飞艇或系留式气球附有动力装置进行平衡控制。
9、如权利要求6或7所述的再生能源发电***，其特征是：还包括***控制平台，设置于所述空中悬浮装置上；所述控制平台包括中心控制模块、自监测及天气探测模块、自升降控制模块；所述自监测及天气探测模块、自升降线缆控制模块分别与所述中心控制模块连接；所述自监测及天气探测模块用于监测气象环境参数，提供给所述中心控制模块，通过自升降线缆控制模块控制所述自平衡飞艇或系留式气球的升降、平衡、移动。
10、如权利要求9所述的再生能源发电***，其特征是：所述***控制平台还包括通信模块，用于与远程上位控制***、信息***进行数据交换，接受远程上位控制***的控制信息。
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