CN104806451A - 飘浮于高空的发电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飘浮于高空的发电设备，主要设有至少一飘浮装置、至少一连接装置及至少一地面装置，其中，该飘浮装置设有一比空气轻的浮力单元，该浮力单元的上层设有数个太阳能发电单元，该浮力单元的下层设有数个风力发电单元，该连接装置连接于该飘浮装置与该地面装置之间，该地面装置是具备变电、分电及蓄电的功能，该地面装置与供电网络并联，凭借该供电网络将电力传送至各用电户，如此，将大面积的太阳能发电单元及风力发电单元置于高空中，不需占用地表空间，不会产生污染，无论晴天或雨天均有稳定且充足的电力产出，是一种极具环保效益的发电设备。

Description

飘浮于高空的发电设备

技术领域

本发明涉及一种将大面积的太阳能发电单元及风力发电单元飘浮于高空的发电设备。

背景技术

目前的发电厂大都是核能发电、火力发电及水力发电等，然而核能发电虽具有成本低、效率高的优点，但其所存在的缺点是辐射外泄及核废料的产生，

核废料处理极为不易，且对环境造成几乎是永久性的污染，核能发电对环境及生态具有极大的浩劫；而火力发电需耗费极大的燃料能源，并已证实会造成温室效应，也会产生空气污染及对生态环境造成伤害；水力发电也会对生态环境造成伤害，其他的方法，例如地热等，受制于可取得性，规模均不易普遍，人类急需干净且充足的能源以永续文明的发展；太阳能与风力是干净的能源，取用不尽，但是目前的使用方式却有不可克服的问题，太阳能发电主要的缺点为需要很大的地面空间设置，会受到地形、纬度、季节与气候的影响，太阳能发电会受限于日照量，因此阴雨天及晚上就无电力产出，季节变化也会使电力产出不能稳定；而利用反射镜收集太阳的热能以加热涡轮的方法，也有相同的缺点，另外也会有光害的问题；而风力设施也会受地形及气候所影响，也会干扰生态及发出噪音。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有各种发电设备所存在的缺失加以改良、设计，

其主要目的提供一种飘浮于高空的发电设备。

天空中的云依其高度分成低云族、中云族及高云族，其中低云族的高度，

不论纬度，大约都不超过2000米，超过这个高度，气候状况较为稳定，中云族及高云族云较稀薄，其透光度也佳，因此在大约2000米以上的高空，因不受雨云及地形影响，比地面有较长的日照时间及较强较稳定的日照量；另外，大气温度随着高度增加较地面为低，较低的温度将提高太阳能电池的效率，另外高空中，其灰尘也较地表为少，遮蔽效应也较低，将太阳能发电装置设置于超过2000米以上的高空，将会有高于直接设置于地表上的效益，另外最大的好处在于完全不占用地表空间。

太阳能发电主要的缺点受限于日照量，因此阴雨天及晚上就无电力产出，季节变化也会使电力产出不能稳定，所幸高空风速会随高度而提高，因此将风力发电设置于高空中，可以得到比设置于地表更加强劲及更加稳定的风力，夜间及阴雨天，在超过2000米的高空中风力依然较地表为稳定，不受地形的影响，如能同时将风力发电装置及太阳能发电装置设置于超过2000米以上的高空，预期不论日间或夜间，不论晴天或雨天，都将有稳定及充足的电力产出。

本发明飘浮于高空的发电设备，设有至少一飘浮装置、至少一连接装置及至少一地面装置，其中，该飘浮装置设有一比空气轻的浮力单元，该浮力单元的上层设有数个太阳能发电单元，该浮力单元的下层设有数个风力发电单元，该连接装置连接于该飘浮装置与该地面装置之间，该地面装置是具备变电、分电及蓄电的功能，该地面装置与供电网络并联，凭借该供电网络将电力传送至各用电户。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该飘浮装置的浮力单元设为飞船，该浮力单元使用如船舱的隔间设计，由数个气囊组成，各个气囊分别充气后再加以组合，该飘浮装置具有动力，该飘浮装置设有驾驶室或控制舱。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该连接装置设为缆绳，该缆绳由强韧而质轻的材料构成，多股交织的结构以增加强度，可将太阳能发电单元及风力发电单元所得的电力传导至地面装置，而导电的电缆线编织于多股缆绳的中心部位，使电缆线具有被保护的作用。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该飘浮装置由数个浮力单元并列设置，以达到足够的表面积及浮力，在该飘浮装置的上层表面设有数个太阳能发电单元，该飘浮装置的下层表面设有数个风力发电单元。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该连接装置上由一扣接件连接有一小型浮力装置，该小型浮力装置由另一连接装置连接至地面，该小型浮力装置设有驾驶室或控制舱。凭借该小型浮力装置的设置，可供人员往来于地面与该飘浮装置之间。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该地面装置与该连接装置之间设有一转接装置，该地面装置与该转接装置之间由一缆线连接，将该地面装置设于陆地，将该转接装置置于陆地上或海上，可将该飘浮装置飘浮于海上的高空，以避开陆地上空的拥挤。

本发明飘浮于高空的发电设备，其中，该飘浮装置设有反射雷达波装置及夜间警示灯光，该飘浮装置远离航道，以防止航空器的撞击，该飘浮装置另设有避雷装置，以防止雷击。

本发明飘浮于高空的发电设备，其优点在：利用浮力原理可负载极大的重量，可将大面积的太阳能发电单元及风力发电单元置于高空中，不需占用地表空间，无论晴天或雨天均有稳定且充足的电力产出，且不会对空气或环境产生污染，极具环保效益。

附图说明

图1所示是本发明实施例的设备示意图；

图2所示是本发明实施例的飘浮装置的浮力单元内部由数个气囊组成的示意图；

图3所示是本发明实施例数个连接装置连接数个飘浮装置至数个地面装置的示意图；

图4所示是本发明另一实施例的飘浮装置的立体示意图；

图5所示是本发明实施例的飘浮装置与小型浮力装置的示意图；

图6所示是本发明实施例的飘浮装置设置于海面上空的示意图。

附图标记说明：1飘浮装置；10浮力单元；100气囊；11太阳能发电单元；12风力发电单元；13驾驶室或控制舱；1’飘浮装置；10’浮力单元；101’上壳；102’下壳；2连接装置；3地面装置；30供电网络；31用电户；4小型浮力装置；40连接装置；41扣接件；42驾驶室或控制舱；5转接装置；50缆线。

具体实施方式

有关本发明为达上述的使用目的与功效，所采用的技术手段，兹举出较佳可行的实施例，并配合图式所示，详述如下：

本发明的实施例，请参阅图1所示，该发电设备设有至少一飘浮装置1、至少一连接装置2及至少一地面装置3，其中，该飘浮装置1设有一比空气轻的浮力单元10，该浮力单元10的上层设有数个太阳能发电单元11，该浮力单元10的下层设有数个风力发电单元12，该浮力单元10可设为飞船，该飘浮装置1为了安全性，其该浮力单元10使用如船舱的隔间设计，由数个气囊100组成，如图2所示，各个气囊100分别充气后再加以组合，该连接装置2连接于该飘浮装置1与该地面装置3之间，该连接装置2设为缆绳，该地面装置3设为具备变电、分电及蓄电的功能，该地面装置3与供电网络30并联，该地面装置3提供由该飘浮装置1所得的电力供应至该供电网络30，凭借该供电网络30将电力传送至各用电户31，如此，即为一飘浮于高空的发电设备。

本发明可设有数个飘浮装置1凭借数个连接装置2连接至地面装置3上（如图3所示），凭借数个飘浮装置1上所设的太阳能发电单元11及风力发电单元12产生的电力，经由连接装置2传输至地面装置3，进行变电、分电及蓄电等功能，再由供电网络30将电力传送至各用电户31以供使用，多余的电力则蓄存于地面装置3。

本发明将大面积的太阳能发电单元11及风力发电单元12置于高空中，其飘浮装置可为其他符合空气动力学也同时能提供足够上、下面积的造型，本发明的另一实施例，如图4所示，其飘浮装置1’由数个浮力单元10’并列设置，以达到足够的表面积及浮力，在该飘浮装置1’的上层表面（上壳101’）及下层表面（下壳102’）分别装设有数个太阳能发电单元11及数个风力发电单元12，其上壳101’及下壳102’的形状可为其他有利的造型。

本发明该飘浮装置1的形状为至少由一组或多组以上的长椭圆形（也可为其他可以达到相同目的类似造型），因此可以只依靠单一连接装置2（缆绳）在空中维持稳定，而且可以因风向改变，自动改变方向以维持迎风方向。

本发明的飘浮装置1具有动力，可以使用螺旋桨系统或涡轮系统，使用电力或其他燃料推进，并有平衡（例如侧翼及尾翼）及转向装置（例如舵），具有驾驶室或控制舱13，可人为驾驶或无线遥控而移动至目的地，平日可以派驻人员看守维修或无人自动维护，而人员往来于地面与飘浮装置1之间，可以使用小型浮力装置4，如图5所示，该小型浮力装置4设有另一连接装置40（如缆绳）连接至地面，并利用一扣接件41（如扣环或其他装置）扣接于连接至飘浮装置1与地面装置3之间的连接装置2上，该小型浮力装置4设有驾驶室或控制舱42，利用连接于飘浮装置1与地面装置3之间的连接装置2及连接于小型浮力装置4的另一连接装置40的操作，使小型浮力装置4可达到上、下移动的目的。

本发明的飘浮装置1具有可以反射雷达波及具有夜间警示灯光的装置，飘浮装置1并必须远离航道，以防止航空器的撞击，该飘浮装置1也必须具有避雷装置，以防止雷击。

本发明的飘浮装置1的上层布满太阳能发电单元11（太阳能板），以适当方式串联及并联以产生所需的电压及电流，每个太阳能发电单元11的倾斜角度可以依纬度、高度及一年的平均太阳照射的角度预先设定，也可使用感测器及自动控制机制，自动追踪而面对太阳，以达最大的发电功率；飘浮装置1的下层以最佳距离及位置设置有数个风力发电单元12（风力涡轮发电机），下层的外观必须根据风力发电单元12的配置不同而有不同的表面几何形状，其目的为引导风力及分配风力至每个风力发电单元12处，以达到最大功率，并且能维持飘浮装置1的稳定，飘浮装置1若为飞船因船身设呈长椭圆状，其风力发电单元12均能因飘浮装置1自动转向迎风而自然迎风。

本发明的连接装置2设为缆绳，而缆绳由强韧而质轻的材料构成（例如碳纤维），多股交织的结构以增加强度，可将太阳能发电及风力发电所得的电力传导至地面装置3，导电的电缆线编织于多股缆绳的中心部位，使电缆线具有被保护的作用。

本发明的连接装置2由飘浮装置1所控制，当飘浮装置1移动至地面装置3的上空适当高度之后，由飘浮装置1释放出连接装置2到地面上，连接装置2再与地面装置3连接，连接装置2可将飘浮装置1与地面上的地面装置3相连接定位，连接装置2并由电缆线将飘浮装置1所发的电传输至地面装置3以便进一步处理，连接装置2也可以提供当作维修及补给的路径，如图5所示。

当飘浮装置1必须进厂维修时，或必须移动以避开台风或恶劣天后时，该连接装置2能由飘浮装置1收纳，待状况解除后，可再重新回到原来位置，再次与地面装置3连接，此一状况也可应用于更换一新的且较高效率的飘浮装置1以取代老旧的飘浮装置1的状况。

本发明可选择适当的地点建制地面装置3，并与供电网络30并联，飘浮装置1（内含连接装置2）则在工厂的船坞建造，以上装置均建造完毕后，经测试后，将飘浮装置1升空，驶往地面装置3的上空，在空中由飘浮装置1释放出连接装置2，连接装置2并垂至地面与地面装置3连接，由连接装置2将飘浮装置1定位飘浮于地面装置3的上空适当的高度（可由飘浮装置1调节其高度及位置），飘浮装置1所发的电也由连接装置2传导至地面装置3上，所发的电通过地面装置3与供电网络30并联并传送至用电户31，剩余的发电则可蓄积于地面装置3中。

而太阳能发电单元11的太阳能板所发的电为直流电，但是风力发电单元12的风力涡轮所发的电可为交流电或直流电，因此必须先将风力涡轮所发的交流电转为直流电，直流电可以直接蓄电，而交流电却无法直接蓄电，通过地面装置3，如要使用时，再转换成交流电，再与现有供电网络30并联即可。

风力发电单元12的风力涡轮的阵列方式有许多不同的设计，可配合飘浮装置1下层的几何形状设置，可以提高其效率。

本发明另可于地面装置3与连接装置2之间设有一转接装置5，该地面装置3与该转接装置5之间由一缆线50连接，如图6所示，可将地面装置3设于陆地，但是将转接装置5置于海上，如此，可将飘浮装置1飘浮于海上的高空，以避开陆地上空的拥挤；也可将该转接装置5置于陆地上偏远无人的地方（如山上或海岸边），将飘浮装置1飘浮于偏远无人的上空。

本发明将大面积的太阳能发电单元11及风力发电电元12阵列置于高空中，需要有能提供足够浮力的飘浮载具，有许多方法可以提供足够的浮力，但是同时考虑成本、制作技术、装置方法，避开强烈风灾及机动性而言，以使用比空气轻（lighter-than-air）的飘浮载具为佳，此种载具的优点为：

（1）利用浮力原理可负载极大的重量，其技术已经于百年前成熟，而且已经商业运转一段时间，例如一次世界大战前后的飞船（airship）已经被用于商业环球旅行及战争上，飞船的长度平均为220-250米，可携带超过15000公斤，并可飞至20000英尺的高度，航程可横跨大西洋，航速可达100km/h，以今日技术而言应当可以超过此一规模，如以长度300米、宽度200米而言，就能提供60000平方米的面积，每10平方米的硅晶太阳能板大约可提供1kW/h的发电量，所以300mx200m的硅晶太阳能板约能提供6000kW/h的发电量，如果每天日照时间6小时计算，一年的发电量为6x6000x365=13140000度的电力，这是林口发电厂（每年33.82亿度）的0.39%，如再辅以风力发电，预估超过林口火力发电厂的0.5%，只要200个本发明的飘浮装置，发电量就可以等同一个中型火力发电厂的发电量，如要建一座发电量与核四厂相当的太阳能电厂，则约需6750公顷面积的太阳能板，约为核四厂现址面积的十四倍，而只要有700kmx700km的面积并设置在阳光充足之处，就足够供给全世界目前所需的电力，但因本发明的发电设备飘浮在空中，所以没有土地成本，一但完成，飘浮在空中约有三十年的寿命，而且不需任何燃料，不会排碳，没有抗争，对环境完全友善。

（2）利用浮力原理可以使用类似潜艇在水中浮沉的相同原理来控制飘浮装置的高度，方便于出厂或维修时开往预计的地点及适当的高度，再使用缆绳固定于地面上，需要维修时，即可收起缆绳，驶回厂房维修。

（3）可躲避天灾，在恶劣的天气，例如台风，大雷雨，可以收缆驶离避难，的后再回到定位，因此效益及可行性无庸置疑。

计算例子：

以发电量为目标的设计：若以每年13140000度的电力为例（迷你型火力发电厂的规模），需要60000平方米面积的太阳能板，而每平方米太阳能板的重量为12.5公斤，必须携带60000x12.5=750吨的太阳能板，氦气的浮力为每立方米约为1.05公斤，假设整个设施的总重量为10000吨（含750吨的太阳能板），就必须10000000立方米以上的氦气，如将飘浮装置设计为n个长度350米、半径30米的圆筒状的浮力单元并联使用，每个浮立单元体积为

30x30x3.14x350=989100立方米，共需要n=10.11个并联的浮力单元，取n=11即可有备余的足够浮力，所占面积为约350x660平方米，如果技术上有困难，就再将的分成四等分，就会成为四座60x(175x330)平方米的飘浮装置，或是四座60x(180x350)平方米的飘浮装置（每个漂浮装置由三个直径60米、长度350米的圆筒状的浮力单元并联），如果要再加上风力发电的风力涡轮，其浮力应该也足够（一个小型风力涡轮的重量约为10–20公斤左右）。

技术上而言，以1910年开始商业运转的齐伯林飞船为例：当时的技术已经可达长度236.5米，直径30.5米的规模，兴登堡号更巨大，长度达245米长，直径为41米，因此以100年后的今天而言，技术绝不是问题，今日技术的改进包括：材料上的进步，例如使用碳纤维取代合金，可大幅减轻载具的重量及增加结构的强度，航空动力学及流体力学的进步，自动控制的进步，其规模越大，效益越高。

而超过3000米的高空，云量减少，日照量及日照时间增加，风力稳定，风速加快，适合太阳能及风力发电，白天可以使用太阳能发电及风力发电（用电量增加时），夜间则可使用风力发电（用电量减少时），又可蓄电，便于调节，可达到理想的商业规模。

太阳能发电原理是直接将太阳能变换成为直流电，可供蓄电，而且安装后不再产生二氧化碳。

集中式的大规模发电，会因为传输电力的问题，而耗损一大部分的电力，使用分散式的区域发电，可以减少耗损，但是传统式的发电法用在分散区域发电却会使污染更加严重，使用本发明的发电设备，即可区域分散发电，却无污染的问题，并可以大幅减少电力传输的耗损问题。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种飘浮于高空的发电设备，其特征在于：设有至少一飘浮装置、至少一连接装置及至少一地面装置，其中，该飘浮装置设有一比空气轻的浮力单元，该浮力单元的上层设有数个太阳能发电单元，该浮力单元的下层设有数个风力发电单元，该连接装置连接于该飘浮装置与该地面装置之间，该地面装置具备变电、分电及蓄电的功能，该地面装置与供电网络并联，凭借该供电网络将电力传送至各用电户。

2.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该飘浮装置的浮力单元设为飞船，该浮力单元使用如船舱的隔间设计，由数个气囊组成，各个气囊分别充气后再加以组合，该飘浮装置具有动力，该飘浮装置设有驾驶室或控制舱。

3.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该连接装置设为缆绳，该缆绳的中心部位设有电缆线。

4.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该飘浮装置由数个浮力单元并列设置，以达到足够的表面积及浮力，在该飘浮装置的上层设有数个太阳能发电单元，该飘浮装置的下层设有数个风力发电单元。

5.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该连接装置上由一扣接件连接有一小型浮力装置，该小型浮力装置由另一连接装置连接至地面，该小型浮力装置设有驾驶室或控制舱。

6.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该地面装置与该连接装置之间设有一转接装置，该地面装置与该转接装置之间由一缆线连接。

7.根据权利要求1所述飘浮于高空的发电设备，其特征在于，该飘浮装置设有反射雷达波装置、夜间警示灯光及避雷装置。