CN115467777A - 一种姿态可控的高空做功系统及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种姿态可控的高空做功系统及其做功方法，该系统包括做功模块，所述做功模块通过做功绳分别连接至地面模块和平衡模块，所述做功模块具有能够展开的、进行做功的迎风面，所述迎风面设有第一驱动件，所述第一驱动件带动所述迎风面在所述做功绳上进行上、下移动；所述系统还包括至少两根穿过所述迎风面的副绳，所述副绳两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳，并分别设有能在其上进行上、下移动的第二驱动件，所述第二驱动件通过能够张紧或松弛的连接件连接至所述迎风面。通过调整第一驱动件和第二驱动件的相对位置，可根据风况调整做功模块迎风面的大小和形状姿态，使系统具有最佳输出功率。

Description

一种姿态可控的高空做功系统及其做功方法

技术领域

本发明涉及利用高空风能的发电系统，具体涉及一种姿态可控的高空做功系统及其做功方法。

背景技术

高空中蕴藏的风能具有风速大、分布广以及稳定性高等特点，超过人类社会总需能源的100多倍。通过做功绳将做功帆连接至地面系统，利用做功帆在空中的上行来带动地面系统发电，是现有的高空风能利用方式之一。

申请号为CN200910190150.2的中国发明专利公开了一种大功率伞型风力发电系统，其中的做功伞有两个耐磨滑块，使做功伞可以沿着轨道绳上下运动，上滑块在伞面的中心，下滑块让伞的所有细绳缠绕在一起，上下滑块还各附有一块磁铁，做功伞的运动区域在上挡块和下挡块之间。在一定的风速情况下，做功伞将处于打开状态，并带动做功绳一起向上运动。当上滑块到上挡块时将被其挡住停止运动，而伞的其他部分以及下滑块和做功绳将在风压和惯性的作用下继续向上运动，同时做功伞的有效受风面积不断减少，直到下滑块碰到上滑块为止。当伞处于闭合状态，伞的受风面积相对很小，可以很容易地通过回拉做功绳将做功伞往下拉。拉到下挡块位置时挡住上滑块，如果继续往下拉做功绳，两个滑块被迫分开，做功伞将再次自动打开，从而开始一个新的上下运动周期。

在上述技术方案中，通过做功绳拉动上滑块和下滑块在轨道绳上的滑动来控制做功伞的周期性开合，从而带动做功绳拉动地面系统做功。但该做功伞的迎风面仅由伞原本形状决定，不能够在做功过程中根据实际风况和海拔对伞的形状和迎风姿态做调整，不能获得最佳的做功效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题现有的高空做功系统不能对做功伞迎风面的形状和迎风姿态做调整。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种姿态可控的高空做功系统，包括做功模块，所述做功模块通过做功绳分别连接至地面模块和平衡模块，所述做功模块具有能够展开的、进行做功的迎风面，所述迎风面设有第一驱动件，所述第一驱动件带动所述迎风面在所述做功绳上进行上、下移动；

所述系统还包括至少两根穿过所述迎风面的副绳，所述副绳两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳，并分别设有能在其上进行上、下移动的第二驱动件，所述第二驱动件通过能够张紧或松弛的连接件连接至所述迎风面。

进一步地，所述第一驱动件设置在所述迎风面的中心，所述副绳均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳至所述中心的距离小于所述迎风面的外沿至所述中心的距离。

更进一步地，所述连接件包括绳索，每个所述第二驱动件上分别连接至少3根所述绳索，所述绳索的另一端连接至所述迎风面的外沿。

更进一步地，所述第二驱动件还设有卷扬机构，所述卷扬机构对所述绳索进行收紧或放松。

进一步地，所述绳索在靠近所述迎风面的一侧设有将各绳索连接的翼面。

更进一步地，所述做功模块包括用于记录海拔和风况的传感器模块、用于控制所述第一驱动件和所述第二驱动件的控制模块，所述控制模块通过无线传输模块连接至所述第一驱动件和第二驱动件；所述系统还包括为所述传感器模块、第一驱动件和第二驱动件供电的供电模块。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种姿态可控的高空做功系统的做功方法，包括以下步骤：

1)做功模块的迎风面上行至做功上限高度时，第二驱动件沿着副绳向上移动，连接在所述第二驱动件和所述迎风面之间的连接件松弛，所述迎风面向上翻折；

2)地面模块收回做功绳，所述做功模块继续下行，所述第二驱动件和连接在所述迎风面上的第一驱动件分别沿着副绳和做功绳同步向下移动至初始设置位置；

3)所述做功模块下降至做功下限高度时，所述第一驱动件沿着所述做功绳上行，所述连接件张紧，所述迎风面在风力吹动下再次展开；

4)所述做功模块在风力作用下上行，通过做功绳驱动所述地面模块做功；

5)重复上述步骤1)至4)；

其中，至少两根所述副绳穿过所述迎风面且两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳。

进一步地，所述第一驱动件设置在所述迎风面的中心，所述副绳均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳至所述中心的距离小于所述迎风面的外沿至所述中心的距离；每个所述第二驱动件设有至少3个连接至所述迎风面的外沿的连接件。

进一步地，所述方法还包括调整所述连接件的长度的步骤。

进一步地，所述做功方法还包括调整所述第一驱动件和第二驱动件之间的相对位置的步骤。

本发明要求保护的技术方案取得了以下技术效果：

1)通过调整第一驱动件和第二驱动件的相对位置，可以实现根据高空风况调整做功模块迎风面的大小和形状姿态，从而实现做功功率的平稳输出，使系统具有最佳输出功率。

2)通过调整第一驱动件和第二驱动件的相对位置，还可以实现快速收起做功模块的迎风面。

3)做功模块将风能转化成机械能，并汇聚在同一根做功绳上，从而可以有效简化地面模块的结构(如发电机系统)。

4)通过副绳上第二驱动件上的卷扬机够能够调整连接至迎风面外沿的连接件的长度，进而实现根据风况对迎风面攻角α的灵活调整，使整个系统具有最佳的输出功率。

附图说明

图1为高空做功系统的结构示意图；

图2为高空做功系统位于初始或下行位置的状态示意图；

图3为高空做功系统迎风面展开状态示意图；

图4为高空做功系统调整迎风面大小示意图；

图5为第二驱动件局部结构示意图；

图6为第二驱动件通过调整副绳实现对迎风面攻角α进行调整的示意图。

附图标记：101-平衡模块；201-副绳；301-做功模块；302-翼面；401-绳索；501-第一驱动件；502-第二驱动件；601-做功绳。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步清楚的描述。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供的姿态可控的高空做功系统包括做功模块301，所述做功模块301通过做功绳601分别连接至地面模块和平衡模块101，该平衡模块101为连接在做功绳601末端的氦气球。平衡模块主要用来平衡整个系统的重量，同时控制系统的运行方位和初始攻角等。所述做功模块301具有能够展开的、进行做功的迎风面，具体地，所述迎风面上设有第一驱动件501，所述第一驱动件501带动所述迎风面在所述做功绳601上进行上、下移动。

所述系统还包括至少两根穿过所述迎风面的副绳201，所述副绳201两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳601，并分别设有能在其上进行上、下移动的第二驱动件502，所述第二驱动件502通过能够张紧或松弛的连接件连接至所述迎风面。其中，做功模块可具有帆状构型，该帆状构型的帆面形成所述迎风面。

具体地，所述第一驱动件501设置在所述迎风面的中心，所述副绳201均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳201至所述中心的距离小于所述迎风面外沿至所述中心的距离。

具体地，所述连接件可选用绳索401，每个所述第二驱动件502上分别连接至少3根所述绳索401，所述绳索401的另一端连接至所述迎风面的外沿。所述绳索401在靠近所述迎风面的一侧设有将各绳索连接的翼面302，翼面的设置能够在迎风面展开时有效防止迎风面出现旋转等状况。

具体地，所述做功模块包括用于记录海拔和风况的传感器模块、用于控制所述第一驱动件501和所述第二驱动件502的控制模块，所述控制模块通过无线传输模块连接至所述第一驱动件501和第二驱动件502；所述系统还包括为所述传感器模块、第一驱动件501和第二驱动件502供电的供电模块。

其中，传感器模块将做功模块所处位置的海拔和风况等信息通过无线模块传输至控制模块(可设置在地面模块上)，控制模块再控制第一驱动件501、第二驱动件502的运作。供电模块为设置于做功模块附近的风力发电装置，系统电力可以通过包裹在做功绳601芯部或置于做功绳外的供电线传输。

在本实施例中，迎风面展开状态主要是通过第一驱动件501和第二驱动502件的相对位置进行调节。当三者运动到合适的相对位置时，高空风能将迎风面完全吹开，将风能转化成拉力并通过绳索401、第一驱动件501、第二驱动件502最终汇聚在做功绳601上，然后作用在601做功绳上的巨大拉力即可带动地面模块(如发电机)等实现做功。具体的做功过程如下：

1)如图2所示，当做功模块301运行到预设的做功(海拔)上限高度时，第二驱动件502解开卡紧在副绳201上的卡锁，通过高空风力的带动并结合自动行走上行，绳索401处于松弛状态，这时迎风面会快速折叠翻转，迎风面迅速减小，做功模块301失去向上的动力。这时地面模块可轻易快速拉动做功绳601使整个做功模块下行；

2)在做功模块301下降至做功下限高度的过程中，第一驱动件501和第二驱动件502同步快速下行到预定位置并分别卡紧在副绳201和做功绳601的初始设定位置上；

3)如图3所示，当做功模块301下行到预设的系统做功下限高度后，第一驱动件501主动上行，这时绳索401处于张紧状态，做功模块301的迎风面将在高空风力的吹动下再次展开，并恢复到图1所示的做功状态，拉动做功绳601驱动地面模块做功；

3.1)在做功过程中，在同样的风速下，系统输出功率与做功模块的迎风面积成正比。如果高空风速超过额定风速，系统可以降低做功海拔区间到合适的风速区间。但在步骤3)中，也可以通过调整第二驱动件502和第一驱动件501的相对位置，从而调整迎风面的姿态，适度减少迎风面，从而达到功率平稳输出的目的。如图4所示，这时做功模块的迎风面面积显然小于图1姿态下的迎风面面积。

4)不断重复上述1)-3)过程进行风能的转换。

实施例2

如图1-4所示，本实施例提供的姿态可控的高空做功系统包括做功模块301，所述做功模块301通过做功绳601分别连接至地面模块和平衡模块101，该平衡模块101为连接在做功绳601末端的氦气球。平衡模块主要用来平衡整个系统的重量，同时控制系统的运行方位和初始攻角等。所述做功模块301具有能够展开的、进行做功的迎风面，具体地，所述迎风面上设有第一驱动件501，所述第一驱动件501带动所述迎风面在所述做功绳601上进行上、下移动。

所述系统还包括至少两根穿过所述迎风面的副绳201，所述副绳201两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳601，并分别设有能在其上进行上、下移动的第二驱动件502，所述第二驱动件502通过能够张紧或松弛的连接件连接至所述迎风面。其中，做功模块可具有帆状构型，该帆状构型的帆面形成所述迎风面。

具体地，所述第一驱动件501设置在所述迎风面的中心，所述副绳201均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳201至所述中心的距离小于所述迎风面外沿至所述中心的距离。

具体地，所述连接件可选用绳索401，每个所述第二驱动件502上分别连接至少3根所述绳索401，所述绳索401的另一端连接至所述迎风面的外沿。所述绳索401在靠近所述迎风面的一侧设有将各绳索连接的翼面302，翼面的设置能够在迎风面展开时有效防止迎风面出现旋转等状况。

更具体地，所述第二驱动件502还设有卷扬机构，所述卷扬机构对所述绳索401进行收紧或放松。通过调整绳索的长度，可以根据高空风况及系统的运行需要调整迎风面的攻角α(如图5-6所示)。

具体地，所述做功模块包括用于记录海拔和风况的传感器模块、用于控制所述第一驱动件501和所述第二驱动件502的控制模块，所述控制模块通过无线传输模块连接至所述第一驱动件501和第二驱动件502；所述系统还包括为所述传感器模块、第一驱动件501和第二驱动件502供电的供电模块。

其中，传感器模块将做功模块所处位置的海拔和风况等信息通过无线模块传输至控制模块(可设置在地面模块上)，控制模块再控制第一驱动件501、第二驱动件502以及卷扬机构的运作。供电模块为设置于做功模块附近的风力发电装置，系统电力可以通过包裹在做功绳601芯部或置于做功绳外部的供电线传输。

在本实施例中，迎风面展开状态主要是通过第一驱动件501和第二驱动502件的相对位置进行调节。当三者运动到合适的相对位置时，高空风能将迎风面完全吹开，将风能转化成拉力并通过绳索401、第一驱动件501、第二驱动件502最终汇聚在做功绳601上，然后作用在601做功绳上的巨大拉力即可带动地面模块(如发电机)等实现做功。具体的做功过程如下：

1)如图2所示，当做功模块301运行到预设的做功(海拔)上限高度时，第二驱动件502解开卡紧在副绳201上的卡锁，通过高空风力的带动并结合自动行走上行，绳索401处于松弛状态，这时迎风面会快速折叠翻转，迎风面迅速减小，做功模块301失去向上的动力。这时地面模块可轻易快速拉动做功绳601使整个做功模块下行；

2)在做功模块301下降至做功下限高度的过程中，第一驱动件501和第二驱动件502同步快速下行到预定位置并分别卡紧在副绳201和做功绳601的初始设定位置上；

3)如图3所示，当做功模块301下行到预设的系统做功下限高度后，第一驱动件501主动上行，这时绳索401处于张紧状态，做功模块301的迎风面将在高空风力的吹动下再次展开，并恢复到图1所示的做功状态，拉动做功绳601驱动地面模块做功；

3.1)在做功过程中，在同样的风速下，系统输出功率与做功模块的迎风面积成正比。如果高空风速超过额定风速，系统可以降低做功海拔区间到合适的风速区间。但在步骤3)中，也可以通过调整第二驱动件502和第一驱动件501的相对位置，从而调整迎风面的姿态，适度减少迎风面，从而达到功率平稳输出的目的。如图4所示，这时做功模块的迎风面面积显然小于图1姿态下的迎风面面积。

进一步地，在本实施例的步骤3)过程中，还包括第二驱动件502可通过卷扬机构对绳索401的长度进行调整的步骤。该步骤可以改变迎风面的迎风角度，实现对做功模块的攻角的调整，以使空中风能状况与系统功率输出的设定要求相匹配，如图6所示。

4)不断重复上述1)-3)过程进行风能的转换。

以上所述的实施例仅是对本发明做示例性描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种姿态可控的高空做功系统，包括做功模块(301)，所述做功模块(301)通过做功绳(601)分别连接至地面模块和平衡模块(101)，所述做功模块(301)具有能够展开的、进行做功的迎风面，其特征在于，所述迎风面设有第一驱动件(501)，所述第一驱动件(501)用于带动所述迎风面在所述做功绳(601)上进行上、下移动；

所述系统还包括至少两根穿过所述迎风面的副绳(201)，所述副绳(201)两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳(601)，并分别设有能在其上进行上、下移动的第二驱动件(502)，所述第二驱动件(502)通过能够张紧或松弛的连接件连接至所述迎风面。

2.根据权利要求1所述的高空做功系统，其特征在于，所述第一驱动件(501)设置在所述迎风面的中心，所述副绳(201)均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳(201)至所述中心的距离小于所述迎风面的外沿至所述中心的距离。

3.根据权利要求1所述的高空做功系统，其特征在于，所述连接件包括绳索(401)，每个所述第二驱动件(502)上分别连接至少3根所述绳索(401)，所述绳索(401)的另一端连接至所述迎风面的外沿。

4.根据权利要求3所述的高空做功系统，其特征在于，所述第二驱动件(502)还设有卷扬机构，所述卷扬机构对所述绳索(401)进行收紧或放松。

5.根据权利要求3所述的高空做功系统，其特征在于，所述绳索(401)在靠近所述迎风面的一侧设有将各绳索连接的翼面(302)。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高空做功系统，其特征在于，所述做功模块包括用于记录海拔和风况的传感器模块、用于控制所述第一驱动件(501)和所述第二驱动件(502)的控制模块，所述控制模块通过无线传输模块连接至所述第一驱动件(501)和第二驱动件(502)；所述系统还包括为所述传感器模块、第一驱动件(501)和第二驱动件(502)供电的供电模块。

7.一种姿态可控的高空做功系统的做功方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)做功模块(301)的迎风面上行至做功上限高度时，第二驱动件(502)沿着副绳(201)向上移动，连接在所述第二驱动件(502)和所述迎风面之间的连接件松弛，所述迎风面向上翻折；

2)地面模块收回做功绳(601)，所述做功模块(301)继续下行，所述第二驱动件(502)和连接在所述迎风面上的第一驱动件(501)分别沿着副绳(201)和做功绳(601)同步向下移动至初始设置位置；

3)所述做功模块(301)下降至做功下限高度时，所述第一驱动件(501)沿着所述做功绳(601)上行，所述连接件张紧，所述迎风面在风力吹动下再次展开；

4)所述做功模块(301)在风力作用下上行，通过做功绳(601)驱动所述地面模块做功；

5)重复上述步骤1)至4)；

其中，至少两根所述副绳(201)穿过所述迎风面且两端分别连接至位于所述迎风面上侧和下侧的做功绳(601)。

8.根据权利要求7所述的做功方法，其特征在于，所述第一驱动件(501)设置在所述迎风面的中心，所述副绳(201)均匀地围绕所述中心的外围设置，且所述副绳(201)至所述中心的距离小于所述迎风面的外沿至所述中心的距离；每个所述第二驱动件(502)设有至少3个连接至所述迎风面的外沿的连接件。

9.根据权利要求7或8所述的做功方法，其特征在于，所述方法还包括调整所述连接件的长度的步骤。

10.根据权利要求7或8所述的做功方法，其特征在于，所述做功方法还包括调整所述第一驱动件(501)和第二驱动件(502)之间的相对位置的步骤。

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