高度自适应再生能源发电方法及其发电系统技术方案

本发明专利技术公开一种高度自适应性再生能源发电方法及其发电系统，利用自平衡飞艇或系留式气球（１）作为发电系统中能量转换装置的承载平台，将发电系统中的能量转换装置，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，使全年的系统生产有效时间增加。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及再生能源风力及太阳能发电的方法及其发电系统。
技术介绍
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。因此风力发电系统在高风源地区逐步得到推广应用。如图2所示，是风力发电系统的基本结构图，系统包括风力发电机、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 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 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，既可免费使用，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。
技术实现思路
本专利技术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系统。为实现上述目的，本专利技术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系统的能量转换装置，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系统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，系统进行自适应调整，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。利用系统控制平台的通信模块，与远程上位控制系统、信息系统进行数据交换，接受上位控制系统的控制。同时本专利技术提出了一种再生能源发电系统，包括风力发电子系统，所述风力子发电系统包括风力发电机、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系统，还包括太阳能发电子系统，所述太阳能发电子系统包括光伏板、充电控制器、光电蓄电池组、光本文档来自技高网...

【技术保护点】
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系统的能量转换装置，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。

【技术特征摘要】
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系统的能量转换装置，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，其特征是利用系统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，系统进行自适应调整，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，其特征是利用系统控制平台的通信模块，与远程上位控制系统、信息系统进行数据交换，接受上位控制系统的控制。6.一种再生能源发电系统，包括风力发电子系统，所述风力子发电系统包括风力发电机、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：司徒广文，
申请(专利权)人：司徒广文，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]