CN110714879A - 一种可升降的高空自动调节保持相对位置的风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种风力发电领域的高空风力发电装置，包括高空悬浮装置，牵引线缆和地面回收系统三部分。高空悬浮装置为一种带有多旋翼的风筝，既可以通过多旋翼使高空悬浮装置升降，又可以通过多旋翼发电。在高空发电过程可通过风帆、尾翼迎风面积调节以及多旋翼从发电状态切换为耗电状态产生风力来保持悬浮装置在高空的相对位置，从而使高空悬浮装置在一定的空间范围内悬浮发电。在多机组集群式分布发电时，既提升了高空空间利用率，又保障了各机组之间协同运作时不会造成位置干涉和线缆缠绕的问题。这样风力发电既不受地区限制，又可以大规模应用。

Description

一种可升降的高空自动调节保持相对位置的风力发电装置

技术领域

本发明属于风力发电技术领域的一种高空风力发电装置。

背景技术

全球能源结构主要以化石能源这种一次性消耗的不可再生能源为主，从而带来全球气候变暖，雾霾等环境问题。像太阳能、风能等其他可再生的清洁能源并没有得到广泛应用，主要还是因为投入产出比高，经济效益差。

全球风能总储量大，利用率低。当前风力发电装置主要是铁塔支撑风轮结构，这种结构安装高度有限，只能获取地面上100米左右以内的低空低能量密度的风能。而且只能建造于风能密度较大地区，沿海地区只能建造于浅海区，因此存在建造区域局限、造价高等缺陷。为了解决上述问题和更高效地利用风能，近些年欧美发达国家都在大力投入开发高空风力发电。高空风能具有能量密度大，不受地区局限等优点。高空风力发电是一种没有支柱作为结构支撑的利用高空风能发电方案。对比一般风力发电，其优势是不必制作大型的塔形建筑与偏航结构，就能有效地利用更高海拔的风能进行发电。目前高空风力发电按发电机安装位置分为发电机置于地面和发电机悬浮两种方式。发电机置于地面的发电系统，靠悬浮装置在高空大范围位移，通过绳索带动地面发电机发电，但这种方式对高空空间利用率不高，难以集群式分布，不适合大规模发电。发电机悬浮的发电系统，常见的有飞艇式悬浮方案。该方案靠充满氦气的飞艇浮力使发电机及电缆悬浮在高空，但悬浮高度有限，在高空风力不稳定时，空中姿态、活动范围不可控，飞艇之间相互碰触撞、线缆缠绕风险高，同样难以实现商业化大规模应用。

发明内容

本发明针对高空空间利用率不高，高空悬浮装置之间协同运行性能差等高空风力发电问题，提出以风筝为主体并刚性连接多个带有螺旋桨的电机组成的发电装置悬浮于高空的发电方案。该方案包括高空悬浮装置，高强度牵引线缆和地面回收系统。高空悬浮装置可自行飞入高空，在高空依靠风力迎风悬浮，在悬浮状态下进行发电，产生的电能通过高强度牵引线缆传输到地面回收系统。悬浮发电时，高空悬浮装置随风力变化可自动调节并保证其悬浮在一定范围内，使集群多机组协同运行发电时不会出现高空位置干涉和线缆缠绕等问题，可提高和推进高空风力发电的商业化应用。

本发明技术方案以高空悬浮装置为核心。高空悬浮装置由帆式风筝，多个带螺旋桨的电机，带多种传感器的控制系统三部分组成。高空悬浮装置以风筝为设计主体，为了表述方便，以下简称风筝。风筝主体框架采用轻质刚性材料，上面覆盖有轻质风帆，风帆通过收放可调节迎风面积。风筝四周刚性连接多个带有螺旋桨的电机。电机通电，消耗电能旋转，带动螺旋桨为风筝提供动力，可使风筝升降和调整姿态。电机断电，风吹动螺旋桨旋转带动电机可以发电。电机的两用设计减少了系统设计的复杂性和整体重量。此处采用多个电机设计有三大优点：1.冗余设计提高了系统的安全性；2.耗电模式下可产生更大的升力，提升风筝的负载能力，可有效提高悬浮高度，获取更大风能；3.多电机同时发电提高了空间风能的利用率。风筝带有尾翼，为可收回设计，只在风筝迎风发电时释放，其他时间收回到风筝主体位置。本发明提供两种尾翼模型：柔性尾翼和刚性可调节尾翼。柔性尾翼随风摆动，不可调节，只对风筝在高空起平衡作用。刚性尾翼可调节尾翼迎风角来改变单侧尾翼所受风力，对风筝起平衡和调节姿态作用。在高空迎风悬浮时，风筝会随风力变化而摆动，利用多种传感器配合检测风筝当前状态和周围环境，通过调节风帆迎风面积（如果带有刚性尾翼，结合调节刚性尾翼迎风面积）来改变风筝对应方向所受风力，以及驱动部分电机带动螺旋桨旋转对风筝对应方向产生反作用力的方式，使风筝自动调节并保持相对位置。线缆连接风筝与地面回收系统，地面回收系统可通过线缆向风筝供电，电能也可通过线缆从风筝传输到地面回收系统。为减小线缆重量，线缆只单向传输电能以减少线缆芯数。地面回收系统可配合风筝升降自动释放和收回线缆，且保证线缆受力始终与风向同向。

本发明完整系统运行时分为耗电模式和发电模式。在耗电模式下，地面回收系统向风筝供电，所有电机不用于发电，只消耗电能为风筝提供动力，风筝可从地面飞入高空或从高空降落。当风筝依靠风力在高空迎风悬浮时，地面回收系统停止向风筝供电，螺旋桨迎风旋转带动电机发电，电能从高空通过线缆传输到地面，此时系统工作在发电模式。

多个发电设备集群发电时，风筝在地面升空前，尾翼为收回状态。系统切换为耗电模式，地面回收系统缓慢释放牵引线缆，并通过线缆向风筝供电，驱动全部电机带动螺旋桨旋转，像多旋翼无人机一样带动帆式风筝缓慢升空。在上升过程中，多种传感器配合检测风筝的实时位置和周围环境，以保证风筝运行在预先设定的集群发电安全区域（以下简称安全区域）内，不与其他发电设备干涉或线缆缠绕。当传感器检测到风力足以使带线缆的风筝悬浮后，调整电机转速，使风筝迎风倾斜，释放尾翼，然后缓慢降低电机转速直到停止，使风筝依靠风力悬浮在高空。随后系统切换为发电模式，地面回收系统停止向风筝供电。螺旋桨迎风旋转，带动电机发电，并通过线缆传输到地面。风筝悬浮发电过程中会随风力变化而摆动，由传感器实时检测并计算出摆动趋势。当摆动趋势较大，可能超出安全区域，会对协同运行的风筝有碰撞或线缆缠绕风险时，风筝会根据摆动趋势，通过改变相应风帆迎风面积来改变风筝特定方向所受风力，和单独驱动部分电机带动螺旋桨旋转产生反作用力的方式来平衡风筝的摆动趋势，维持风筝运行在安全区域内，这种情况为风筝主动调节。当有障碍物闯入安全区域时，传感器检测并计算出障碍物的闯入方向和速度，同样通过改变风帆调节或电机调节，改变风筝的空间位置进行避障，保证自身安全区域内无障碍物，并实时更新安全区域，这种情况为风筝被动调节。正常工作时，风筝主动和被动调节是同时进行的。如果风筝带有刚性可调节尾翼，在高空风筝调节时，可改变单侧尾翼的迎风角，进而改变其所受风力，也可以用来平衡风筝摆动趋势。风筝在高空自动调节平衡时，据风筝自身条件和摆动趋势大小，在风帆调节，尾翼调节以及电机调节三种调节方式中，任意选择或组合使用，以更高效、更大的调节范围来保持风筝的正常运行。当风力过大风筝无法保证在安全区域内摆动，或风力较小不足以使风筝悬浮时，风筝收回尾翼，系统切换到耗电模式，电机带动螺旋桨旋转，调整风筝为水平姿态，地面回收系统回收或释放线缆配合风筝降低或升高，获取合适大小的风能。当满足稳定悬浮条件后，释放尾翼，系统重新切换到发电模式。风筝收回时，同风筝下降一样。

附图说明

图1为高空集群风力发电系统实例图。

图2为图1风筝收回状态下地面仰视图。

图3为带有刚性可调节尾翼的风筝在高空自平衡调节实例图。

具体实施方式

如图1所示，在集群发电区域内以两套相邻的完整发电系统为例，系统工作在发电模式下。本实例中发电系统由风筝，牵引线缆7和地面回收系统8三部分组成。在风筝表面覆盖轻质风帆3，四周刚性连接永磁同步电机2（以下简称电机），每个电机可独立工作在发电或耗电状态。电机上安装有螺旋桨1。在风筝主体上装有控制系统4。控制系统4由控制模块、传感器模块、发电及耗电模式切换模块、无线通信模块、永磁同步电机驱动模块、电池和电池充放电模块等组成。传感器模块包括风向传感器、风速传感器、雷达传感器、多轴陀螺仪，高度传感器、GPS定位传感器等。风筝尾翼可接刚性可调节尾翼5或柔性尾翼6。以风筝为中心根据风筝调节能力及风筝大小确定其安全区域A，由雷达传感器实时监测并更新。

如图2所示，风筝主体为向外凸起或向里凹进的锥形设计，锥面覆盖有轻质风帆3。K1风筝，锥形向外凸起，牵引线缆7与锥形顶点9相连。风帆3在高空迎风时，成锥形导流面。K2风筝，锥形向里凹进，牵引线缆7与锥形底面几何中心相连，风帆3在高空迎风时，受风力集中于锥形顶点。两种锥形设计都有利于风筝在高空受力平衡。各锥面风帆相互独立，每块风帆可从两侧锥形底边顶点12收回，从而改变各个风帆的迎风面积。刚性尾翼5和柔性尾翼6都收回在风筝主体位置。

如图3所示，在发电模式下，带有刚性可调节尾翼的风筝自动调节平衡。风筝主体为锥形向外凸起型，牵引线缆7与锥形顶点9相连。风帆3.1可从锥面底边顶点12沿箭头10方向收回。风帆3.2可从锥面底边顶点12沿箭头11方向收回。刚性尾翼包括刚性中轴13和翼体14。翼体14可单独绕刚性中轴13旋转。

下面结合附图，对本发明优选实例具体实施做进一步描述。

升空阶段：风筝在地面时，尾翼为回收状态（如图2）。控制系统4和地面回收系统8同步切换为耗电模式，地面回收系统8通过线缆7向风筝供电，驱动电机2，带动螺旋桨1旋转产生升力，使风筝升空。地面回收系统8缓慢释放线缆7。根据风筝自身调节性能及风筝大小定义安全有效控制空间区域，即安全区域A，由雷达传感器实时监控，安全区域A随风筝位置的变化实时更新。控制系统4控制风筝在安全区域A内缓慢升高。当传感器检测到风力足以使风筝悬浮时，调整风筝姿态使其正面迎风，下放尾翼，结合风力缓慢降低电机2的转速直到断电，使风筝平稳从飞行状态转换为悬浮状态。

悬浮阶段：地面回收系统8停止向风筝供电。控制系统4和地面回收系统8同步切换为发电模式。在高空风力作用下，螺旋桨1带动电机2发电，通过线缆7输送到地面。各传感器实时监测风筝当前状态和周围环境。当风力、风向变化时，风筝也会随之摆动。当摆动趋势小，在安全区域A内时，风筝不做调整，全力发电。当摆动趋势大，风筝需要根据陀螺仪传感器获得的摆动趋势方向和大小进行主动调节。以图3带刚性尾翼风筝为例，假如风筝有向左下方摆动趋势，说明风筝右上所受风力较大。风筝可通过三种方式平衡风筝摆动趋势：1.风帆调节，风帆3.1可从风筝锥面底边顶点12沿箭头10方向收回，以减小风帆3.1的迎风面积。风帆3.2可从风筝锥面底边顶点12沿箭头11方向收回，以减小风帆3.2的迎风面积。从而减小风筝右上所受风力，实现平衡风筝摆动趋势目的；2尾翼调节，刚性翼体14右翼可绕刚性轴13向后旋转，减小右翼的迎风角，进而减小右翼所受风力可实现平衡风筝摆动趋势目的；3.电机调节，可将风筝左侧电机接通电机驱动器，并由电池供电。左侧电机带动螺旋桨旋转产生反作用力，使风筝左侧在风向上受力变大，也可实现平衡风筝摆动趋势目的。根据风筝摆动趋势大小，三种调节方式可任意选取或组合使用，更高效、更大范围的平衡风筝摆动趋势，保证风筝运行在安全区域A内。如果有障碍物进入风筝安全区域A时，风筝需要被动调节。同样采用风帆、尾翼和电机调节的方式进行避障，并实时更新安全区域A。实时的主动和被动调节可使集群分布的各个风筝稳定悬浮各自安全区域内进行发电。当风帆、尾翼结合电机调节不足以使风筝稳定运行在安全区域A内时，控制系统4和地面回收系统8切换为耗电模式，由地面回收系统8向风筝供电，收回由刚性轴13和刚性翼体14组成的刚性尾翼，驱动电机2使风筝水平悬浮。根据风力大小，升高或降低风筝悬浮高度。当风力重新满足风筝悬浮且稳定发电条件时，再次切换为发电模式发电。风向改变时，集群风筝根据风向整体调整空间位置，并实时更新安全区域，始终保持各自运行在所属安全区域内。牵引线缆7摆动带动地面回收系统8转盘自由旋转，使线缆受力始终在轴向方向。

回收阶段：控制系统4和地面回收系统8切换为耗电模式，地面回收系统8向风筝供电，收回尾翼并驱动电机2，使风筝水平悬浮并缓慢下降，地面回收系统8缓慢收起线缆。

在整个系统完整的工作过程中，控制系统4和地面回收系统8通过无线通讯模块同步控制。控制系统4工作过程中需要电池模块供电，为了保证电池续航，需合理分配各模块用电。为了保证控制系统稳定，控制模块、传感器模块、发电及耗电模式切换模块、无线通讯模块、电池充放电模块始终由电池供电。电机驱动模块根据系统所处耗电或发电模式分别由地面回收系统8和电池供电。在耗电模式下，所有电机驱动模块由地面回收系统8供电，电机消耗电能为风筝提供动力。在发电模式下，仅在需要通过电机调节来平衡风筝摆动趋势时，对应电机接入其驱动模块并由电池供电，完成平衡调节后断开电机驱动模块，电机重新用于发电。不论是在地面回收系统8供电的耗电模式，还是在电机2发电的发电模式，都可通过电池充电模块向电池充电，进而使风筝在高空无限期续航。

以上所述实施例为本发明的优选实施例，仅用于帮助读者理解和实施本发明，而非用于限制本发明的权利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种高空风力发电装置，其特征在于包括：高空悬浮装置，高强度牵引线缆和地面回收系统。

2.根据权利要求1所述高空风力发电装置，其特征在于：高空悬浮装置以风筝状结构为主体，带有风帆和尾翼，风帆可调节迎风面积，尾翼为可回收式，尾翼两侧可单独调节迎风角，风筝四周刚性连接多个电机，电机上安装有螺旋桨，风筝上安装有控制系统。

3.根据权利要求2所述高空悬浮装置，其特征在于：当驱动高空悬浮装置上的电机，带动螺旋桨旋转时，可为高空悬浮装置提供动力，使其自由升降或调整姿态；当高空悬浮装置在高空迎风悬浮并断开电机驱动时，风吹动螺旋桨旋转带动电机可以发电。

4.根据权利要求2所述高空悬浮装置，其特征在于：高空悬浮装置通过自动避障和调整姿态始终运行在一个预设安全区域内；在高空悬浮装置自由升降过程中，通过调节各个电机转速可有效避开周围障碍物并平稳升降；高空悬浮装置在高空迎风发电过程中，当悬浮装置因风力风向变化而摆动，有超出预设安全区域的趋势或有障碍物闯入预设安全区域时，可通过调节风帆迎风面积，调节尾翼迎风角，以及可中断部分电机发电并驱动其带动螺旋桨旋转产生反作用力三种自动调节方式，来保证高空悬浮装置始终处于预设安全区域内且预设安全区域内无障碍物，可有效防止多机组集群发电时高空悬浮装置之间相互干涉和线缆缠绕的问题；根据调节趋势大小，三种调节方式可任意选择或组合使用。

5.根据权利要求1所述高空风力发电装置，其特征在于：高强度牵引线缆连接地面回收系统与高空悬浮装置；地面回收系统可通过牵引线缆向高空悬浮装置供电，高空悬浮装置也可通过牵引线缆将所发电能输送到地面。

6.根据权利要求1所述高空风力发电装置，其特征在于：地面回收系统通过无线方式与高空悬浮装置通讯，配合高空悬浮装置的升降来释放或回收线缆；地面回收系统可根据需要向高空悬浮装置供电；地面回收系统上的自由旋转转盘可随线缆牵引方向自由旋转。

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