中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

張晨星，岳澤鍇

（大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116052）

隨著國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略的提出和實施，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入跨越式發(fā)展階段，根據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，截止2020 年底中國風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)到28 153 萬千瓦，累計增長34.6%，占全國發(fā)電裝機(jī)規(guī)?？偭康?2.79%。其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)6 861 萬千瓦，累計裝機(jī)2.71 億千瓦、海上風(fēng)電新增裝機(jī)306 萬千瓦，累計裝機(jī)約900 萬千瓦，但傳統(tǒng)發(fā)電具有對地形、有效風(fēng)速和季節(jié)都有著較高的要求，并且還存在著發(fā)電機(jī)體型大、質(zhì)量重、難裝卸和成本高等缺點。導(dǎo)致我國沿海及內(nèi)陸部分地區(qū)的風(fēng)能無法得到有效利用。

針對以上問題，需設(shè)計一款不受地形限制、對風(fēng)場要求較低，組裝拆卸方便、便于維修且成本低廉的新型風(fēng)力發(fā)電裝置，即中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置，該裝置結(jié)構(gòu)部分可分為內(nèi)凹式八瓣充氣氣囊、內(nèi)軸風(fēng)扇磁輪體、機(jī)體支架和雙向摩擦式卡扣，電氣部分可分為內(nèi)嵌筒式發(fā)電系統(tǒng)、電能傳導(dǎo)系統(tǒng)、地面穩(wěn)壓模塊和電能儲存系統(tǒng)，本文主要介紹該裝置結(jié)構(gòu)部分。

1 風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置介紹

“風(fēng)箏發(fā)電”的概念最早是在20 世紀(jì)80 年代由美國科學(xué)家勞埃德提出的，其基本原理是當(dāng)氣流垂直于箏面時，氣流帶動繩索對地面發(fā)電裝置做功；當(dāng)氣流平行于箏面時，繩索收回，如此反復(fù)，從而進(jìn)行發(fā)電，這種發(fā)電方式相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式具有場地要求低、架設(shè)及拆除易，并能低成本利用高空風(fēng)能等優(yōu)點。

世界上第一個規(guī)模型發(fā)電站是由意大利KiteGen科技公司建造的“KiteGen Stem”，并在2015 年4 月投入運(yùn)營（如圖1 所示）。英國KPS（Kite Power System）公司發(fā)明了一種飛行高度可達(dá)1 500 英尺的巨型風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置，可以減少一定的發(fā)電成本。2008 年荷蘭科學(xué)家W.Ockels 提出了一種名為Laddermill 的多傘系統(tǒng)（如圖2 所示），可以增加裝置總的迎風(fēng)面積，從而增加風(fēng)能利用率。

圖1 KiteGen yo-yo 發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)

圖2 Laddermill 的多傘系統(tǒng)

現(xiàn)代科學(xué)家將風(fēng)箏發(fā)電裝置分為兩種：一種是將不發(fā)電的風(fēng)箏放上高空，利用風(fēng)力對風(fēng)箏的拖拽，帶動地面機(jī)械裝置進(jìn)行發(fā)電；另一種是在風(fēng)箏上搭載發(fā)電機(jī)，使用金屬芯的繩索將電能傳回地面，中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置所使用的就是第二種高空發(fā)電、地面?zhèn)鬏數(shù)陌l(fā)電方式。

2 中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置介紹

中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置（如圖3 所示）是一種具有Laddermill 多傘式結(jié)構(gòu)，高空內(nèi)嵌式發(fā)電結(jié)構(gòu)的新概念風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置，其原理為風(fēng)力和氣囊體平衡重力，將裝置帶向高空，內(nèi)凹式氣囊捕捉風(fēng)能，帶動磁輪體旋轉(zhuǎn)，切割氣囊體內(nèi)的線圈，從而產(chǎn)生電能，裝置再將電能通過導(dǎo)線傳遞至地面，電能通過地面降壓穩(wěn)壓設(shè)施調(diào)節(jié)電壓、電流后輸入電能儲存系統(tǒng)，并通過儲存系統(tǒng)進(jìn)行輸出。

圖3 中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置發(fā)電單元渲染圖

電能儲存系統(tǒng)由6 塊電池組成的電池組，并設(shè)置有過載熔斷保護(hù)，電池組兩兩一組進(jìn)行電流的輸入和輸出，工作時充放電由兩組分別進(jìn)行，在發(fā)生故障時可及時切斷故障組，并不會影響裝置正常工作。

裝置在整體的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，采用了中國傳統(tǒng)龍型風(fēng)箏的多節(jié)式單元體設(shè)計，各單元體之間采用摩擦力卡扣進(jìn)行連接，組裝和拆卸比較方便，各單元電路連接采取并聯(lián)方式連接，連接口設(shè)置在卡扣內(nèi)部，可以隔絕外界環(huán)境干擾。

圖4 中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置并聯(lián)渲染圖

這種發(fā)電裝置靈活性較高，可適用于各種地形，并能在現(xiàn)場極快地布置，還可根據(jù)地區(qū)及季節(jié)的變化調(diào)整產(chǎn)品投放，極大地提高對風(fēng)力資源的利用，推動可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，使資源可再生能源得到更廣泛的開發(fā)和利用。

3 核心構(gòu)件設(shè)計

3.1 內(nèi)凹式八瓣充氣氣囊設(shè)計

如圖5 所示，內(nèi)凹式八瓣充氣氣囊使用橘子式分瓣結(jié)構(gòu)，共分為8 個獨立氣囊體，各氣囊體內(nèi)部設(shè)置有發(fā)電線圈和控制電路，聯(lián)通部分使用橡膠圈密封，氣密性良好，總體正面采用內(nèi)凹式處理，使風(fēng)能有效地轉(zhuǎn)化為發(fā)電的動力，增加風(fēng)能利用率，風(fēng)箏寬度與直徑的比例可使用仿真進(jìn)行二次設(shè)計，根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，盡可能地在保證發(fā)電效率的同時，也可利用氦氣升力及風(fēng)力實現(xiàn)最大有效載重。

圖5 內(nèi)凹式八瓣充氣氣囊

氣囊充氣使用惰性氣體氦氣，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以為風(fēng)箏提供較大升力，增加負(fù)重，方便計算總體發(fā)電裝置的重量，并可以在發(fā)電工程中通過吸收線圈熱能增加升力，氣囊兩邊使用兩根木制平衡桿，可以使其平穩(wěn)上升具有更好的穩(wěn)定空間，穩(wěn)定性控制，并利于地面控制，兩端設(shè)置有雙向摩擦式卡扣用于連接和電路傳導(dǎo)，并在傳導(dǎo)線上下兩側(cè)設(shè)置了承力繩。

3.2 內(nèi)軸風(fēng)扇磁輪體設(shè)計

如圖6 和圖7 所示，內(nèi)軸風(fēng)扇磁輪體主體采用中高強(qiáng)度丙烯酸塑料整體鑄造，耐熱耐腐蝕性好，表面進(jìn)行了防水處理，可多次更換使用，使用壽命較長，內(nèi)軸材料使用碳纖維，外徑尺寸經(jīng)查表與標(biāo)準(zhǔn)件深溝球軸承內(nèi)徑采用過盈連接，連接設(shè)置有軸頸，用于軸向定位。

圖6 磁輪體剖視圖

圖7 內(nèi)軸風(fēng)扇磁輪體

內(nèi)軸風(fēng)扇磁輪體前部使用了6 個曲面風(fēng)扇葉，該風(fēng)扇葉內(nèi)連軸心，外接磁輪。外部附有3 根長軸，起到支撐連接及固定的作用，在風(fēng)力的作用下帶動磁輪體旋轉(zhuǎn)，使磁感線切割氣囊內(nèi)部的線圈，產(chǎn)生電力。

外部磁輪體鑲嵌36 塊片狀磁鐵，相鄰磁鐵轉(zhuǎn)換正負(fù)極方向，風(fēng)扇帶動磁輪旋轉(zhuǎn)是內(nèi)部電路切割磁感線，產(chǎn)生交流電流。發(fā)電構(gòu)想來源于水輪發(fā)電機(jī)和筒式發(fā)電機(jī)，采用此種發(fā)電方式，可以減輕發(fā)電機(jī)重量，增加發(fā)電機(jī)效率，從而提高風(fēng)力資源的利用率。并且可以根據(jù)實際情況，考慮增加外部磁體，及減少外部磁體的寬度，從而再次提高發(fā)電效率。

3.3 雙向摩擦式卡扣設(shè)計

由于兩單元之間的連接需要承受較大的力，一般的傳統(tǒng)卡扣無法承受，用傳統(tǒng)卡扣時，需要在設(shè)備連接處開出凹槽，無法保證組合部分電路安全，且雨水滲入卡扣內(nèi)部，更容易出現(xiàn)生銹、失效、拆卸不便等問題，存在許多安全隱患。故而針對本裝置設(shè)計了一種摩擦力卡扣，如圖8-圖10 所示。

圖8 雙向摩擦式卡扣裝配圖

本裝置中的雙向摩擦卡扣與傳統(tǒng)機(jī)械式卡扣有所不同。傳統(tǒng)卡扣是由凹槽和卡扣組成，本卡扣主要利用連接件的摩擦力實現(xiàn)連接，并具有雙向鎖定的特點?？壑胁苛艨子糜陔娐愤B通，電路與連接元件直接固定于卡扣內(nèi)部，在卡扣連接時，連接元件接通，成為通路?？凵舷聝蓚?cè)裝有承力繩，將卡扣與單元設(shè)備連接在一起。承力繩承受拉力，使電路保持在較為松弛的狀態(tài)，增強(qiáng)電路及設(shè)備安全性，增強(qiáng)卡扣承受能力。

卡扣分為凹凸兩部分，且在螺栓連接部分都附有四邊形加厚條板，增加接觸面積，增強(qiáng)橫向抗拉能力。兩邊加厚條板可以直接嵌入對方凹槽內(nèi)部，四邊形加厚條相互契合，具有較大的有效摩擦面積，且完全契合，密封性良好?？凵显O(shè)置有多排沉頭孔，連接時使用標(biāo)準(zhǔn)件六角頭頭部帶槽螺栓和2 型六角螺母，擰緊后可增加預(yù)緊力，并由螺栓承受部分拉力帶來的剪切力。

此設(shè)計可以在一定程度上增加卡扣的強(qiáng)度，提高材料利用率，從而使設(shè)備更加輕量化，并易于拆卸檢查、修理和設(shè)備轉(zhuǎn)移。

圖9 摩擦式卡扣凹端

圖10 摩擦式卡扣凸端

4 結(jié)束語

中國龍多傘內(nèi)嵌式風(fēng)箏發(fā)電裝置解決了由于地形問題對風(fēng)力發(fā)電形成的困擾，利用Soildworks 進(jìn)行了三維建模，闡述了裝置的主要工作機(jī)理，實現(xiàn)了空中飛行、空中發(fā)電的內(nèi)嵌式風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電裝置的設(shè)計，為風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域和清潔能源利用領(lǐng)域及多傘式風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。