CN113148160A - 一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电技术领域，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，包括无人机和地面协作控制系统，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机连接的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。该无人机发电系统系统简化且控制低廉，限制高度并拓展空域，弱化地面实施功能且系统易拆装可移动使用。本发明还提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法。

Description

一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。化石燃料发电成本将愈加昂贵，例如，有评估报告警告：如果澳大利亚不放弃使用化石燃料，到2020年，电价将达到现在的两倍，到2050年将达3倍。其主要原因是：世界能源价格的持续上涨和碳交易制度下的碳许可排放的代价在上涨。
但是，风电的成本却随着经济规模的扩张而下降；并且，风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，因此，风力发电正在世界上形成一股热潮。通常的风力发电原理是：利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前风车技术3米/秒的微风、便可以开始发电。
安装在地面的、以塔楼为基础的传统风力涡轮机，是全球发电中一个很小的组成部分，但目前正在迅速地增长。据政府支持下的国际性研究所REN21发布的数据显示，传统的风力发电机运营商2011年的总发电能力为238千兆瓦，相当于十年前24千兆瓦总发电能力的十倍。另据美国能源部下属能源信息署(EIA)发布的数据显示，全球范围内各种类型的发电方式的总发电能力大约为5000千兆瓦。
然而，基于塔楼式传统风力涡轮机的风力发电系统，有较大的局限性：
a)由于风力涡轮机必须尽量离地面高，因此，通常需要高达数十米的支杆来架设系统，因此，单个塔楼式涡轮机的生产成本就很高，并且受限于成本、其高度也存在极限，风力发电的效率无法进一步提升；
b)存在严重的地域限制和较大的季节差异，因此，风力发电场必须设置在风力资源丰富的地域，但仍不能保证在所有季节中都提供风力发电；
c)由于处于很大区域中的数十个风力涡轮机发电系统，需通过地下线缆连接成控制和电力传输网络，因此，附加的成本也非常高。
显然，在海拔高度较高的地方，风力会变得更加强劲和持久，但建造一个100层楼高的涡轮机不符合成本效益。因此，工程师们正尝试使用风筝搭载发电机送往高空，提出一种新颖的风力发电方式是：风筝风力发电。
风筝风力发电系统，与本发明提出的“一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及系统”，均属于区别于地面塔楼式风电系统的、空中风力发电系统，其基本工作原理是：
风筝在风力作用下，带动固定在地面的旋转木马式的转盘，转盘在磁场中旋转而产生电能。风筝发电的过程也是风筝来回牵动的过程。一开始，在强大风力的带动下，伸展开的风筝不断上升，直到牵着它的绳索到头，持续的时间为60秒左右；然后风筝自动收缩起来，不再招风，卷扬机开始倒转，把风筝拉下来。然后又是伸展、上升，如此往复不断，由此产生源源不断的电能。对于每个风筝而言，转盘都会放开一对高阻电缆，控制方向和角度。风筝并非是常见的那种类型，而是类似于风筝牵引冲浪的类型——重量轻、抵抗力超强、可升至2000米高空。
风筝风力发电机的核心在于通过风筝的旋转运动来激活能够产生电流的大型交流发电机。自动驾驶仪的控制系统会最优化飞行模式，使其在不分昼夜飞行时所产生的电流达到最大化。假设受到干扰，例如，迎面而来的直升机或小型飞机、甚至一只鸟，一个雷达系统能够在几秒钟内重新调整风筝航行方向。风筝发电与一般的风力发电利用的都是风力资源，但其利用的高空的风力不但比地面上的风力要强很多，而且也更为持续稳定。
据估计，风筝风力发电机每兆瓦时能产生10亿瓦的电力，而每兆瓦时的成本仅有1.5欧元。而欧洲国家每兆瓦时发电的成本平均为43欧元，显然，风筝风力发电机的成本是后者的近三十分之一。
一般的涡轮式风力发电机都矗立在离地面80米处，那里具代表性的风速是每秒钟4.6米，而由风筝取代涡轮后，则可以在800米的高空中进行风力发电，那里的风速可以升高到每秒7.2米。同时，日风的可靠性(即，超过特定速度的风所发生的频数)也随着高度的增加而增加。
由于可获得的风能与风速的立方紧密相关，所以风筝的高度是一个相当有吸引力的选项，这让它比涡轮机所在的高度多发电4倍。上升到离地1千米的高空，就能获得约为地面风电8倍的电能，你所需要做的就是用一根很长的线缆系住风筝。
风筝风力发电系统，相比于塔楼式地面风力发电系统，尽管具有发电效率更高等突出优点(由于具有高度优势、其发电量得到成倍提高，并且能够通过自动驾驶仪的控制实现最优化飞行模式、使其在不分昼夜飞行时所产生的电流达到最大化)，但其缺点也很显著、包括如下：
(1)系统庞大、造价高昂
根据风筝风力发电系统的工作原理，该系统的空中风筝部分，尺寸重量都比较大、还需复杂的控制系统实现可控飞行；此外，该系统的地面(旋转)发电部分，尺寸重量更是庞大、且机构复杂，因此，造价十分昂贵。
(2)影响民航、空域受限
根据风筝风力发电系统的工作原理，该系统的空中风筝部分，为了获得更大的发电量、往往需要高度越高越好(至少1千米)，并且空中风筝的飞行范围也很大，将严重周围区域的民航运营，因此，会受到严格限制。
(3)固定设施、不便拆装
根据风筝风力发电系统的工作原理，系统主要依靠地面上(由风筝运动带动)的旋转机构产生电能，因此，属于固定实施、且由于尺寸重量均较大，无法实现经常性的拆装。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出风筝飞机融合构型无人机发电系统，该系统简化且控制低廉，限制高度并拓展空域，弱化地面实施功能且系统易拆装可移动使用。本发明还提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件、发电机组件和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；
所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；
所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述无人机主体包括机身组件、机翼组件和尾翼组件，其中机身组件包括机头前舱、主机身和后机身，所述机翼组件包括左右对称设置在机身组件上的机翼主体，机翼主体包括内段机翼和外段机翼；尾翼组件包括一个水平尾翼以及一个垂直尾翼；所述电动机组件安装在机头前舱，发电机组件有两组，且左右对称的分别安装于内段机翼的下方。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述地面协作控制系统还包括可收放线缆滚轮，所述牵拉输电线缆的一端固定安装于无人机主机身中部，牵拉输电线缆的另一端与可收放线缆滚轮连接，所述可收放线缆滚轮用于实时控制放出的牵拉输电线缆的长度。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述机头前舱前部安装电动机组件，电动机组件用于产生无人机飞行所需的向前拉力；在机头前舱后部安装为电动机组件提供能源的电池组。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述主机身为平直舱段，控制组件安装在主机身，主机身中部连接牵拉输电线缆，主机身下方设有着陆装置，所述机翼组件连接在主机身处。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述后机身通过插入方式置于主机身结构内，以便于调节无人机的整体长度；所述尾翼组件连接在后机身处。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述机翼组件为大弯度、小厚度的壳状机翼，所述发电机组件外挂在内段机翼外侧下方，所述外段机翼外端翼形剖面的尾尖处安装有向后探出的且具有上翘构型的着陆装置。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述内段机翼的平面形状为小展弦比矩形机翼，内段机翼横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述外段机翼平面形状为小展弦比、小根梢比的直角梯形机翼；横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型；外段机翼后缘布置副翼，副翼形状为直角梯形，且副翼与外段机翼连接的转轴平行于机翼组件前缘，所述副翼用于飞行模式时提供横向控制的滚转操纵力矩。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述平直水平尾翼和梯形垂直尾翼呈倒T型尾翼气动布局，平直水平尾翼和梯形垂直尾翼通过插入方式与后机身连接，所述直水平尾翼和梯形垂直尾翼用于飞行模式时所需的纵向和航向气动稳定性、以及纵向俯仰和航向偏航控制的操纵力矩。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述水平尾翼平面形状为小展弦比矩形机翼，横截面翼型为小厚度对称翼型；水平尾翼后缘布置升降舵，且两侧水平尾翼的升降舵左右对称，升降舵用于飞行模式时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述水平尾翼弦长与垂直尾翼的根弦长相等，水平尾翼在其对称轴处与垂直尾翼的根弦线相连，水平尾翼弦长与垂直尾翼的连接处流线整形，并形成可以与后机身连接的孔洞结构。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述垂直尾翼平面形状为小展弦比、小根梢比、中等前缘后掠角直角梯形机翼；垂直尾翼横截面翼型为小厚度对称翼型；垂直尾翼后缘布置方向舵；方向舵用于飞行模式时提供航向控制的偏航操纵力矩。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述电动机组件的动力装置为直流型电动机，电动机组件的动力输出端与拉力螺旋桨直接相连，拉力螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；所述拉力螺旋桨为两叶拉力螺旋桨，且拉力螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向下扭转的构形。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述发电机组件的发电装置为直流型发电机，直流型发电机与风电螺旋桨直接相连，风电螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；风电螺旋桨为三叶阻力螺旋桨，风电螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向上扭转的构形。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述控制组件包括
风速测量设备，用于测量无人机所在环境的气流数据；
电动舵机设备，用于控制无人机的舵机工作状态；
电动机控制器，用于控制电动机组件的工作状态；
自动驾驶仪，与所述风速测量设备、电动舵机设备、电动机控制器和发电机组件分别电性连接，且自动驾驶仪通过数据传输设备与地面协作控制系统电性连接，所述自动驾驶仪用于获取风速测量设备发出的气流数据以及地面协作控制系统发出的控制信号，并向电动舵机设备和电动机控制器下达控制指令，以控制无人机的飞行姿态、以及发电机组件的工作状态。
在第二个技术方案中，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如第一个技术方案中所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，在飞行模式下，风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法包括如下步骤，
步骤A1、无人机上电起动，电动机组件启动，关闭发电机组件，向斜上前方空中抛投无人机；
步骤A2、无人机在自动驾驶仪的控制下，按照螺旋上升的预规划路线、爬升飞行；
步骤A3、当无人机爬升至预订高度下限后，通过机载风速仪检测该高度上的当前风速信息，并通过数据链传输至空地协作控制系统，经过计算判断是否达到风筝模式悬停条件；如果是，则转入悬停模式；否则转至步骤A2，无人机继续爬升直至满足风筝模式悬停条件；
步骤A4、无人机按照预规划的螺旋下降航路、盘旋下降；当高度、速度和航向达到着陆条件后，无人机关闭电动机、进入无动力滑降飞行阶段；在自动驾驶仪的控制下，无人机对准跑道、逐步减小速度、降低高度，直至无人机将降落至地面；无人机依靠自带的着陆装置，在地面滑行直至完全停止。
在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤A3中，还包括
步骤A31、无人机逐步减小电动机组件输出，实时检测无人机高度变化率，并实时将该信息通过数据链传输至地面协作控制系统；
步骤A32、如果无人机高度变化率为负，则无人机暂停减小电动机组件输出，同时由地面协作控制系统通过收拉牵拉输电线缆，使无人机高度上升并补偿下降的高度，直至无人机高度变化率为非负，暂停收拉牵拉输电线缆；
步骤A33、判断电动机组件是否完全关闭，如果为否，则转至步骤A31；如果是，则转至“风筝悬停”模式。
在第三个技术方案中，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如第一个技术方案中所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，在悬停模式下，
无人机在空中逐步降低电动机组件转速的过程中，如果高度下降，则快速收短牵拉输电线缆，使无人机高度上升、补充由于电动机降速所带来的无人机高度下降，直至无人机的电动机组件完全关闭、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速达不到发电需求时，则缓速放长牵拉输电线缆，使无人机以风筝模式在空中风力的作用下上升高度，直至达到无人机空中风力发电对当地风速的要求、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速超过发电的最大需求或威胁无人机系统运行安全时，则缓速收短牵拉输电线缆，迫使无人机降低高度，直至达到所处高度的风速满足无人机系统运行安全要求、且保持一定高度。
在第四个技术方案中，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如第一个技术方案中所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，在悬停模式下，无人机接通发电机组件、触发空中风力发电功能；无人机将其风力发电机产生的电能，通过牵拉输电线缆传输至地面协作控制系统；在地面协作控制系统中，将接收的电能转化处理储存至电能综合处理与储存设施中；在悬停模式下，在无人机如遇到紧急情况，需终止空中风力发电任务时，停止发电机组件工作并开启电动机组件，无人机由其自动驾驶仪控制从无动力风筝模式逐步恢复至有动力飞机模式，返回地面。
本发明的有益效果是：
本发明提出的风筝飞机融合构型无人机发电系统以无人机有动力飞行模式，依靠电动机驱动其配置的拉力螺旋桨旋转、提供前飞所的拉力，完成从地面放飞、并自动飞行到风力发电高度；然后，通过飞机与地面系统的空-地协作控制，完成无人机由飞行模式向无动力风筝悬停止模式的转换，无人机在高空风和地面牵引绳的作用下停留在空中；之后，无人机接通发电机，其配置的阻力螺旋桨在高空风吹动下旋转、实现空中发电；最后，获得的电能通过无人机和地面实施之间的牵拉输电线缆传输到地面上的电力存储/变换/传输系统。
本发明的技术方案与传统的地面塔架式风力发电系统以及设想中的其他形式的高空风力发电方案相比，具有技术创新性高、投资小见效快、经济与社会效益显著等优势：
a)与地面风力发电(塔架通常高度80米)相比，高空(如300米)能够获得更高的风速，并且可以通过调节飞行高度适应不同的季节和地域；由于省去了地下大面积线缆和地面高大的支杆及其维护所带来的庞大开销，因此，系统总成本相对较低；
b)与风筝发电相比，通过利用飞机模式实现可控升空、定高、调姿和回收，其系统运行精准、操作灵活便捷；同时，通过采用空-地协作地面控制技术，其系统运行稳定、安全可靠。
附图说明
图1为本发明风筝飞机融合构型无人机发电系统中无人机结构示意图。
图2为本发明风筝飞机融合构型无人机发电系统中系统连接示意图。
图3为本发明风筝飞机融合构型无人机发电系统中空地协做控制系统运行流程图。
附图标记包括：
11-机头前舱，12-主机身，13-后机身，21-内段机翼，22-外段机翼，221-副翼，31-平直水平尾翼，311-升降舵，32-梯形垂直尾翼，321-方向舵，41-电动机组件，42-发电机组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图1-图3所示，本实施例提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件41、发电机组件42和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；无人机在飞行模式时，电动机组件41作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；无人机在悬停模式时，电动机组件41关闭并打开发电机组件42，发电机组件42通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。
无人机主体包括机身组件、机翼组件和尾翼组件，机身组件包括机头前舱11、主机身12和后机身13三部分；机翼组件包括左右对称的两部分，其中一侧的机翼组件包括内段机翼21和外段机翼22两部分；尾翼组件包括一个水平尾翼以及一个垂直尾翼两部分；电动机组件41安装在机头前舱11，发电机组件42有两组，且左右对称的分别安装于内段机翼21的下方。
地面协作控制系统还包括可收放线缆滚轮，牵拉输电线缆的一端固定安装于无人机主机身12中部，牵拉输电线缆的另一端与可收放线缆滚轮连接，可收放线缆滚轮用于实时控制放出的牵拉输电线缆的长度。
机头前舱11前部安装电动机组件41，电动机组件41用于产生无人机飞行所需的向前拉力；在机头前舱11后部安装为电动机组件41提供能源的电池组。
主机身12用于连接机头前舱11和后机身13，为一段结构简单的平直舱段；内部用于装载无人机的主要机载系统，尤其包括一个风速仪；中部固定安装一根牵拉输电线缆，牵拉输电线缆用于连接无人机与其地面设施；主机身12前端安装两个左右对称、向前探出的、具有上翘构型的简易着陆装置；主机身12后端安装两个左右对称、向后探出、具有上翘构型的简易着陆装置。
后机身13用于连接主机身12与尾翼组件，整体为结构简单的等截面柱体，采用插入方式置于主机身12结构内以及与尾翼组件连接，以方便调节无人机的整体长度。
机翼组件整体呈小展弦比(这里为3.47)两段平直机翼，包括左右对称的两部分，其中左侧部分包括内段机翼21和外段机翼22两部分，右侧部分包括内段机翼21和外段机翼22两部分；机翼组件采用大弯度、超小厚度的“壳”状机翼剖面，形成飞机与风筝一体化的融合构型，用于提供“飞机模式”时向前飞行所需的主要气动升力以及“风筝模式”时空中悬停所需的主要气动阻力；在左右两侧内段机翼21部分的外端下方，采用吊挂方式、各安装固定一个风电发电机组件42；在左右两侧外段机翼22部分外端翼形剖面的尾尖处、各固定安装一个向后探出的、具有上翘构型的简易着陆装置。
内段机翼21的平面形状为小展弦比(这里为1.25)矩形机翼，内段机翼21横截面翼型为大弯度(这里为15％)、超小厚度(这里为3％)层流翼型(选用“布莱里奥”翼型)。
外段机翼22外形特征是：平面形状为小展弦比(这里为1.05)、小根梢比(这里为1.60)、直角梯形机翼；横截面翼型为大弯度(这里为12％)、超小厚度(这里为3％)层流翼型(选用“布莱里奥”翼型)；后缘布置副翼221、形状为直角梯形，转轴平行于机翼前缘，副翼221面积约占外段机翼22的18％，相对展长(与外段机翼22展长相比)约为55％，相对(平均)弦长(与外段机翼22当地弦长相比)约为36％；左、右两侧副翼221同时上下反向差动偏转，用于“飞机模式”无人机在前向飞行时提供横向控制的滚转操纵力矩。
平直水平尾翼31和梯形垂直尾翼32呈倒T型尾翼气动布局，平直水平尾翼31和梯形垂直尾翼32通过插入方式与后机身13连接，直水平尾翼和梯形垂直尾翼32用于飞行模式时所需的纵向和航向气动稳定性、以及纵向俯仰和航向偏航控制的操纵力矩。
其中水平尾翼31外形特征是：平面形状为小展弦比(这里为1.50)矩形机翼，横截面翼型为小厚度(这里为3％)对称翼型；后缘布置两片左右对称的升降舵311，每片升降舵311面积约占水平尾翼31整体面积的12.5％，相对展长(与水平尾翼31展长相比)约为83.3％，相对弦长(与水平尾翼31当地弦长相比)约为15％；左右两片升降舵311同时上下同向偏转，用于“飞机模式”无人机在前向飞行时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；水平尾翼31弦长与垂直尾翼32的根弦长相等，水平尾翼31在其对称轴处与垂直尾翼32的根弦线相连，连接处采用流线整形与结构加强、并设置一个可以与杆状后机身13连接的孔洞结构。
垂直尾翼32平面形状为小展弦比(这里为1.35)、小根梢比(这里为1.53)、中等前缘后掠角(这里为13°)的直角梯形机翼；横截面翼型为小厚度(这里为3％)对称翼型；后缘布置方向舵321，方向舵321面积约占垂直尾翼32的10.7％，相对展长(与垂直尾翼32展长相比)约为88％，相对弦长(与垂直尾翼32当地弦长相比)约为12％；用于飞机模式时，无人机在前向飞行时提供航向控制的偏航操纵力矩。
电动机组件41为的动力装置为直流型电动机，电动机组件41的动力输出端与拉力螺旋桨直接相连，拉力螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；拉力螺旋桨为两叶拉力螺旋桨，且拉力螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向下扭转的构形。
发电机组件42的发电装置为直流型发电机，直流型发电机与风电螺旋桨直接相连，风电螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；风电螺旋桨为三叶阻力螺旋桨，风电螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向上扭转的构形。
如图2所示，控制组件包括风速测量设备，用于测量无人机所在环境的气流数据；电动舵机设备，用于控制无人机的舵机工作状态；电动机控制器，用于控制电动机组件41的工作状态；自动驾驶仪，与风速测量设备、电动舵机设备、电动机控制器和发电机组件42分别电性连接，且自动驾驶仪通过数据传输设备与地面协作控制系统电性连接，自动驾驶仪用于获取风速测量设备发出的气流数据以及地面协作控制系统发出的控制信号，并向电动舵机设备和电动机控制器下达控制指令，以控制无人机的飞行姿态、以及发电机组件42的工作状态。
自动驾驶仪还连接动力电池组，该动力电池组为电动机组件41供电，电动机组件41采用电动机控制器控制。自动驾驶仪可控制发电机组件42中的风力发电机的开闭状态，风力发电机产生的电能通过风电采集设备以及牵拉输电线缆向电能综合处理与储存设施提供电能。电源电气设备与自动驾驶仪电性连接，并对自动驾驶仪提供各个电源电气的工作状态。
实施例2
如图3所示，本实施例提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用实施例1中的风筝飞机融合构型无人机发电系统，在飞行模式下，风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法包括如下步骤，
步骤A1、无人机上电起动，电动机组件41启动，关闭发电机组件42，由两人手持无人机助跑后，以斜上30度角左右，向前方空中抛投无人机；
步骤A2、无人机在自动驾驶仪的控制下，按照螺旋上升的预规划路线、爬升飞行；
步骤A3、当无人机爬升至预订高度下限后，通过机载风速仪检测该高度上的当前风速信息，并通过数据链传输至空地协作控制系统，经过计算判断是否达到风筝模式悬停条件；如果是，则转入悬停模式；否则转至步骤A2，无人机继续爬升直至满足风筝模式悬停条件；
步骤A4、无人机按照预规划的螺旋下降航路、盘旋下降；当高度、速度和航向达到着陆条件后，无人机关闭电动机、进入无动力滑降飞行阶段；在自动驾驶仪的控制下，无人机对准跑道、逐步减小速度、降低高度，直至无人机将降落至地面；无人机依靠自带的着陆装置，在地面滑行直至完全停止。
在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤A3中，还包括
步骤A31、无人机逐步减小电动机组件41输出，实时检测无人机高度变化率，并实时将该信息通过数据链传输至地面协作控制系统；
步骤A32、如果无人机高度变化率为负，则无人机暂停减小电动机组件41输出，同时由地面协作控制系统通过收拉牵拉输电线缆，使无人机高度上升并补偿下降的高度，直至无人机高度变化率为非负，暂停收拉牵拉输电线缆；
步骤A33、判断电动机组件41是否完全关闭，如果为否，则转至步骤A31；如果是，则转至“风筝悬停”模式。
实施例3
如图3所示，本实施例提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用实施例1中的风筝飞机融合构型无人机发电系统，在悬停模式下，
无人机在空中逐步降低电动机组件41转速的过程中，如果高度下降，则快速收短牵拉输电线缆，使无人机高度上升、补充由于电动机降速所带来的无人机高度下降，直至无人机的电动机组件41完全关闭、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速达不到发电需求时，则缓速放长牵拉输电线缆，使无人机以风筝模式在空中风力的作用下上升高度，直至达到无人机空中风力发电对当地风速的要求、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速超过发电的最大需求或威胁无人机系统运行安全时，则缓速收短牵拉输电线缆，迫使无人机降低高度，直至达到所处高度的风速满足无人机系统运行安全要求、且保持一定高度。
另外，在悬停模式下，无人机接通发电机组件42、触发空中风力发电功能；无人机将其风力发电机产生的电能，通过牵拉输电线缆至地面协作控制系统；在地面协作控制系统中，将接收的电能转化处理储存至电能综合处理与储存设施中；在悬停模式下，在无人机如遇到紧急情况，需终止空中风力发电任务时，停止发电机组件42工作并开启电动机组件41，无人机由其自动驾驶仪控制从无动力风筝模式逐步恢复至有动力飞机模式，返回地面。
本无人机发电系统的参数如下：
1、风力发电系统
(1)空中风力发电功率：2千瓦，这里特指，风电螺旋桨带动发电机可获得的功率输出，即所选择发电机的规格；
(2)空中风力发电环境：高度100-300米、额定风速20-30米/秒；
(3)空中风力发电空地传输最大距离：500米。
2.无人飞机系统
(1)飞机模式
Figure BDA0003053614920000111
最大高度：300米；
Figure BDA0003053614920000112
巡航高度：100米；
Figure BDA0003053614920000113
最大速度：30米/秒；
Figure BDA0003053614920000114
巡航速度：20米/秒；
Figure BDA0003053614920000121
控制方式：手工遥控或全自主程控飞行；
Figure BDA0003053614920000122
遥控遥测范围：5千米；
Figure BDA0003053614920000123
最大飞行时间：大于20分钟；
Figure BDA0003053614920000124
起降方式：地面滑跑起飞、着陆；
Figure BDA0003053614920000125
起飞滑跑距离：小于200米；
Figure BDA0003053614920000126
着陆滑跑距离：小于150米；
Figure BDA0003053614920000127
转至风筝模式前最大飞行时间：小于10分钟；
Figure BDA0003053614920000128
转风筝模式过程时间：小于10秒；
Figure BDA0003053614920000129
转回飞机模式后至着陆时间：小于10分钟。
(2)风筝模式
Figure BDA00030536149200001210
最大悬停高度：150米；
Figure BDA00030536149200001211
正常悬停高度：100米；
Figure BDA00030536149200001212
控制方式：空-地协调控制；
Figure BDA00030536149200001213
牵引绳额定斜度：30度，即牵拉输电线缆与水平面之间的夹角；
Figure BDA00030536149200001214
牵引绳最大长度：500米；
转飞机模式过程时间：小于20秒。
综上所述，本发明的优点如下：
1、风筝/无人机一体化气动外形：空中风电无人机采用飞机飞行模式完成起飞、爬升、平飞、下降、着陆等风力发电装置的发送回收等运行过程；而采用风筝的悬停模式完成风力发电装置的常态风电转换运行过程；，风电无人机的气动外形通过一体化设计、同时具有飞机和风筝的特征；飞行模式利用的是伯努利原理，即：当流经机翼上下表面的气体速度不同时将在上下表面之间产生气压差，从而产生飞机用于克服自身重力的气动升力；而风筝的悬停模式利用的是气动阻力原理，即：风筝利用迎风面积所承载的气动阻力垂直分量克服自身重量。
2、大面积超轻质机体结构：空中风电无人机主要依靠风筝模式悬停在空中实现高空风电转换，因此，本项目采用高强度的碳纤维节杆骨架和尼龙布蒙皮作为机体结构，实现无人机需具有的大面积机体和超轻结构重量；机体结构的承载原理是：由碳纤维节杆骨架构成无人机主承力部件——机翼的三维框架和主传力路线，抗受弯、扭、剪等气动力距、保持机翼必要的刚度；而尼龙布蒙皮与碳纤维节杆骨架一起构成机翼的三维外形，用于承受大气压的分布载荷、提供无人机在空中飞行和悬停所需的气动升和阻力。
3、空中风电无人机从地面放飞后，以飞机模式、依靠电动机驱动拉力螺旋桨通过的拉力、自动飞行到风力发电高度；之后，停止电动机螺旋桨驱动、启动发电机螺旋桨发电，无人机在高空风和牵拉输电线缆的作用下悬停在空中；因此，风电无人机将经历从有动力的飞行到无动力悬停的动态转换过程；在转换过程中，风电无人机所受的空气动力和发动力拉力等外力将发生剧烈变化；为了使风电无人机在动态变化的模式转换过程中，始终保持稳定的空中姿态和运动平衡，本发明利用自适应在线建模与实时状态估计等理论方法设计飞行控制律。当飞机从有动力飞机模式向无动力悬停模式转换的过程中，首先风电无人机逐渐减少电动机转速直至完全停止，当感受到飞机的高度降低时，通过控制俯仰运动增加无人机的迎角提高升力、阻止无人机下降趋势；当无人机的迎角已调至极限位置而电动机仍未完全停止时，通过数据链告知地面系统、并操作滚轮装置收拉无人机的牵拉输电线缆，保持无人机的高度不变，直至电动机完全停止；电动机停止后，无人机完成模式转换，悬停在空中、进入空中风电转换模式。
4、空/地电力传输、变换和存储：空中风电无人机利用其风机装置产生的电能将通过一条连接无人机与地面设施的高强度线缆传输到地面电力设施，并对初始电能进行稳压、存储和逆变等操作，以便获得可持续使用的电能、用于驱动日常生活电器设备。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (19)

1.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件、发电机组件和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；
所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；
所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。
2.根据权利要求1所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述无人机主体包括机身组件、机翼组件和尾翼组件，其中机身组件包括机头前舱、主机身和后机身，所述机翼组件包括左右对称设置在机身组件上的机翼主体，机翼主体包括内段机翼和外段机翼；尾翼组件包括一个水平尾翼以及一个垂直尾翼；所述电动机组件安装在机头前舱，发电机组件有两组，且左右对称的分别安装于内段机翼的下方。
3.根据权利要求2所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述地面协作控制系统还包括可收放线缆滚轮，所述牵拉输电线缆的一端固定安装于无人机主机身中部，牵拉输电线缆的另一端与可收放线缆滚轮连接，所述可收放线缆滚轮用于实时控制放出的牵拉输电线缆的长度。
4.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述机头前舱前部安装电动机组件，电动机组件用于产生无人机飞行所需的向前拉力；在机头前舱后部安装为电动机组件提供能源的电池组。
5.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述主机身为平直舱段，控制组件安装在主机身，主机身中部连接牵拉输电线缆，主机身下方设有着陆装置，所述机翼组件连接在主机身处。
6.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述后机身通过插入方式置于主机身结构内，以便于调节无人机的整体长度；所述尾翼组件连接在后机身处。
7.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述机翼组件为大弯度、小厚度的壳状机翼，所述发电机组件外挂在内段机翼外侧下方，所述外段机翼外端翼形剖面的尾尖处安装有向后探出的且具有上翘构型的着陆装置。
8.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述内段机翼的平面形状为小展弦比矩形机翼，内段机翼横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型。
9.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述外段机翼平面形状为小展弦比、小根梢比的直角梯形机翼；横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型；外段机翼后缘布置副翼，副翼形状为直角梯形，且副翼与外段机翼连接的转轴平行于机翼组件前缘，所述副翼用于飞行模式时提供横向控制的滚转操纵力矩。
10.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述平直水平尾翼和梯形垂直尾翼呈倒T型尾翼气动布局，平直水平尾翼和梯形垂直尾翼通过插入方式与后机身连接，所述直水平尾翼和梯形垂直尾翼用于飞行模式时所需的纵向和航向气动稳定性、以及纵向俯仰和航向偏航控制的操纵力矩。
11.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述水平尾翼平面形状为小展弦比矩形机翼，横截面翼型为小厚度对称翼型；水平尾翼后缘布置升降舵，且两侧水平尾翼的升降舵左右对称，升降舵用于飞行模式时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述水平尾翼弦长与垂直尾翼的根弦长相等，水平尾翼在其对称轴处与垂直尾翼的根弦线相连，水平尾翼弦长与垂直尾翼的连接处流线整形，并形成可以与后机身连接的孔洞结构。
12.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述垂直尾翼平面形状为小展弦比、小根梢比、中等前缘后掠角直角梯形机翼；垂直尾翼横截面翼型为小厚度对称翼型；垂直尾翼后缘布置方向舵；方向舵用于飞行模式时提供航向控制的偏航操纵力矩。
13.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述电动机组件的动力装置为直流型电动机，电动机组件的动力输出端与拉力螺旋桨直接相连，拉力螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；所述拉力螺旋桨为两叶拉力螺旋桨，且拉力螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向下扭转的构形。
14.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述发电机组件的发电装置为直流型发电机，直流型发电机与风电螺旋桨直接相连，风电螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；风电螺旋桨为三叶阻力螺旋桨，风电螺旋桨为剖面翼型弦线从根部向尖部逐次向上扭转的构形。
15.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述控制组件包括
风速测量设备，用于测量无人机所在环境的气流数据；
电动舵机设备，用于控制无人机的舵机工作状态；
电动机控制器，用于控制电动机组件的工作状态；
自动驾驶仪，与所述风速测量设备、电动舵机设备、电动机控制器和发电机组件分别电性连接，且自动驾驶仪通过数据传输设备与地面协作控制系统电性连接，所述自动驾驶仪用于获取风速测量设备发出的气流数据以及地面协作控制系统发出的控制信号，并向电动舵机设备和电动机控制器下达控制指令，以控制无人机的飞行姿态、以及发电机组件的工作状态。
16.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如权利要求3-15任一项所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：在飞行模式下，风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法包括如下步骤，
步骤A1、无人机上电起动，电动机组件启动，关闭发电机组件，向斜上前方空中抛投无人机；
步骤A2、无人机在自动驾驶仪的控制下，按照螺旋上升的预规划路线、爬升飞行；
步骤A3、当无人机爬升至预订高度下限后，通过机载风速仪检测该高度上的当前风速信息，并通过数据链传输至空地协作控制系统，经过计算判断是否达到风筝模式悬停条件；如果是，则转入悬停模式；否则转至步骤A2，无人机继续爬升直至满足风筝模式悬停条件；
步骤A4、无人机按照预规划的螺旋下降航路、盘旋下降；当高度、速度和航向达到着陆条件后，无人机关闭电动机、进入无动力滑降飞行阶段；在自动驾驶仪的控制下，无人机对准跑道、逐步减小速度、降低高度，直至无人机将降落至地面；无人机依靠自带的着陆装置，在地面滑行直至完全停止。
17.根据权利要求16所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，其特征在于：在步骤A3中，还包括
步骤A31、无人机逐步减小电动机组件输出，实时检测无人机高度变化率，并实时将该信息通过数据链传输至地面协作控制系统；
步骤A32、如果无人机高度变化率为负，则无人机暂停减小电动机组件输出，同时由地面协作控制系统通过收拉牵拉输电线缆，使无人机高度上升并补偿下降的高度，直至无人机高度变化率为非负，暂停收拉牵拉输电线缆；
步骤A33、判断电动机组件是否完全关闭，如果为否，则转至步骤A31；如果是，则转至“风筝悬停”模式。
18.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如权利要求3-15任一项所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：在悬停模式下，
无人机在空中逐步降低电动机组件转速的过程中，如果高度下降，则快速收短牵拉输电线缆，使无人机高度上升、补充由于电动机降速所带来的无人机高度下降，直至无人机的电动机组件完全关闭、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速达不到发电需求时，则缓速放长牵拉输电线缆，使无人机以风筝模式在空中风力的作用下上升高度，直至达到无人机空中风力发电对当地风速的要求、且保持一定高度；
在无人机空中风力发电阶段，如果无人机当前所处高度上的风速超过发电的最大需求或威胁无人机系统运行安全时，则缓速收短牵拉输电线缆，迫使无人机降低高度，直至达到所处高度的风速满足无人机系统运行安全要求、且保持一定高度。
19.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法，用于使用如权利要求3-15任一项所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：在悬停模式下，无人机接通发电机组件、触发空中风力发电功能；无人机将其风力发电机产生的电能，通过牵拉输电线缆传输至地面协作控制系统；在地面协作控制系统中，将接收的电能转化处理储存至电能综合处理与储存设施中；在悬停模式下，在无人机如遇到紧急情况需终止空中风力发电任务时，停止发电机组件工作并开启电动机组件，无人机由其自动驾驶仪控制从无动力风筝模式逐步恢复至有动力飞机模式，返回地面。
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