中国龙多伞内嵌式风筝发电装置结构设计

张晨星，岳泽锴

（大连科技学院 机械工程学院，辽宁 大连 116052）

随着国家新能源发展战略的提出和实施，我国风电产业进入跨越式发展阶段，根据最新数据显示，截止2020 年底中国风电累计装机容量达到28 153 万千瓦，累计增长34.6%，占全国发电装机规模总量的12.79%。其中陆上风电新增装机6 861 万千瓦，累计装机2.71 亿千瓦、海上风电新增装机306 万千瓦，累计装机约900 万千瓦，但传统发电具有对地形、有效风速和季节都有着较高的要求，并且还存在着发电机体型大、质量重、难装卸和成本高等缺点。导致我国沿海及内陆部分地区的风能无法得到有效利用。

针对以上问题，需设计一款不受地形限制、对风场要求较低，组装拆卸方便、便于维修且成本低廉的新型风力发电装置，即中国龙多伞内嵌式风筝风力发电装置，该装置结构部分可分为内凹式八瓣充气气囊、内轴风扇磁轮体、机体支架和双向摩擦式卡扣，电气部分可分为内嵌筒式发电系统、电能传导系统、地面稳压模块和电能储存系统，本文主要介绍该装置结构部分。

1 风筝风力发电装置介绍

“风筝发电”的概念最早是在20 世纪80 年代由美国科学家劳埃德提出的，其基本原理是当气流垂直于筝面时，气流带动绳索对地面发电装置做功；当气流平行于筝面时，绳索收回，如此反复，从而进行发电，这种发电方式相比于传统发电方式具有场地要求低、架设及拆除易，并能低成本利用高空风能等优点。

世界上第一个规模型发电站是由意大利KiteGen科技公司建造的“KiteGen Stem”，并在2015 年4 月投入运营（如图1 所示）。英国KPS（Kite Power System）公司发明了一种飞行高度可达1 500 英尺的巨型风筝风力发电装置，可以减少一定的发电成本。2008 年荷兰科学家W.Ockels 提出了一种名为Laddermill 的多伞系统（如图2 所示），可以增加装置总的迎风面积，从而增加风能利用率。

图1 KiteGen yo-yo 发电系统样机

图2 Laddermill 的多伞系统

现代科学家将风筝发电装置分为两种：一种是将不发电的风筝放上高空，利用风力对风筝的拖拽，带动地面机械装置进行发电；另一种是在风筝上搭载发电机，使用金属芯的绳索将电能传回地面，中国龙多伞内嵌式风筝风力发电装置所使用的就是第二种高空发电、地面传输的发电方式。

2 中国龙多伞内嵌式风筝发电装置介绍

中国龙多伞内嵌式风筝发电装置（如图3 所示）是一种具有Laddermill 多伞式结构，高空内嵌式发电结构的新概念风筝风力发电装置，其原理为风力和气囊体平衡重力，将装置带向高空，内凹式气囊捕捉风能，带动磁轮体旋转，切割气囊体内的线圈，从而产生电能，装置再将电能通过导线传递至地面，电能通过地面降压稳压设施调节电压、电流后输入电能储存系统，并通过储存系统进行输出。

图3 中国龙多伞内嵌式风筝发电装置发电单元渲染图

电能储存系统由6 块电池组成的电池组，并设置有过载熔断保护，电池组两两一组进行电流的输入和输出，工作时充放电由两组分别进行，在发生故障时可及时切断故障组，并不会影响装置正常工作。

装置在整体的结构如图4 所示，采用了中国传统龙型风筝的多节式单元体设计，各单元体之间采用摩擦力卡扣进行连接，组装和拆卸比较方便，各单元电路连接采取并联方式连接，连接口设置在卡扣内部，可以隔绝外界环境干扰。

图4 中国龙多伞内嵌式风筝发电装置并联渲染图

这种发电装置灵活性较高，可适用于各种地形，并能在现场极快地布置，还可根据地区及季节的变化调整产品投放，极大地提高对风力资源的利用，推动可持续发展战略，使资源可再生能源得到更广泛的开发和利用。

3 核心构件设计

3.1 内凹式八瓣充气气囊设计

如图5 所示，内凹式八瓣充气气囊使用橘子式分瓣结构，共分为8 个独立气囊体，各气囊体内部设置有发电线圈和控制电路，联通部分使用橡胶圈密封，气密性良好，总体正面采用内凹式处理，使风能有效地转化为发电的动力，增加风能利用率，风筝宽度与直径的比例可使用仿真进行二次设计，根据当地的具体情况进行一定的调节，尽可能地在保证发电效率的同时，也可利用氦气升力及风力实现最大有效载重。

图5 内凹式八瓣充气气囊

气囊充气使用惰性气体氦气，化学性质稳定，可以为风筝提供较大升力，增加负重，方便计算总体发电装置的重量，并可以在发电工程中通过吸收线圈热能增加升力，气囊两边使用两根木制平衡杆，可以使其平稳上升具有更好的稳定空间，稳定性控制，并利于地面控制，两端设置有双向摩擦式卡扣用于连接和电路传导，并在传导线上下两侧设置了承力绳。

3.2 内轴风扇磁轮体设计

如图6 和图7 所示，内轴风扇磁轮体主体采用中高强度丙烯酸塑料整体铸造，耐热耐腐蚀性好，表面进行了防水处理，可多次更换使用，使用寿命较长，内轴材料使用碳纤维，外径尺寸经查表与标准件深沟球轴承内径采用过盈连接，连接设置有轴颈，用于轴向定位。

图6 磁轮体剖视图

图7 内轴风扇磁轮体

内轴风扇磁轮体前部使用了6 个曲面风扇叶，该风扇叶内连轴心，外接磁轮。外部附有3 根长轴，起到支撑连接及固定的作用，在风力的作用下带动磁轮体旋转，使磁感线切割气囊内部的线圈，产生电力。

外部磁轮体镶嵌36 块片状磁铁，相邻磁铁转换正负极方向，风扇带动磁轮旋转是内部电路切割磁感线，产生交流电流。发电构想来源于水轮发电机和筒式发电机，采用此种发电方式，可以减轻发电机重量，增加发电机效率，从而提高风力资源的利用率。并且可以根据实际情况，考虑增加外部磁体，及减少外部磁体的宽度，从而再次提高发电效率。

3.3 双向摩擦式卡扣设计

由于两单元之间的连接需要承受较大的力，一般的传统卡扣无法承受，用传统卡扣时，需要在设备连接处开出凹槽，无法保证组合部分电路安全，且雨水渗入卡扣内部，更容易出现生锈、失效、拆卸不便等问题，存在许多安全隐患。故而针对本装置设计了一种摩擦力卡扣，如图8-图10 所示。

图8 双向摩擦式卡扣装配图

本装置中的双向摩擦卡扣与传统机械式卡扣有所不同。传统卡扣是由凹槽和卡扣组成，本卡扣主要利用连接件的摩擦力实现连接，并具有双向锁定的特点。卡扣中部留孔用于电路连通，电路与连接元件直接固定于卡扣内部，在卡扣连接时，连接元件接通，成为通路。卡扣上下两侧装有承力绳，将卡扣与单元设备连接在一起。承力绳承受拉力，使电路保持在较为松弛的状态，增强电路及设备安全性，增强卡扣承受能力。

卡扣分为凹凸两部分，且在螺栓连接部分都附有四边形加厚条板，增加接触面积，增强横向抗拉能力。两边加厚条板可以直接嵌入对方凹槽内部，四边形加厚条相互契合，具有较大的有效摩擦面积，且完全契合，密封性良好。卡扣上设置有多排沉头孔，连接时使用标准件六角头头部带槽螺栓和2 型六角螺母，拧紧后可增加预紧力，并由螺栓承受部分拉力带来的剪切力。

此设计可以在一定程度上增加卡扣的强度，提高材料利用率，从而使设备更加轻量化，并易于拆卸检查、修理和设备转移。

图9 摩擦式卡扣凹端

图10 摩擦式卡扣凸端

4 结束语

中国龙多伞内嵌式风筝发电装置解决了由于地形问题对风力发电形成的困扰，利用Soildworks 进行了三维建模，阐述了装置的主要工作机理，实现了空中飞行、空中发电的内嵌式风筝风力发电装置的设计，为风筝风力发电领域和清洁能源利用领域及多伞式风筝风力发电技术的发展奠定了基础。