CN115711202A - 一种高空风力发电系统及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空风力发电系统及其发电方法，该系统包括做功单元和与其连接的地面单元，所述做功单元包括做功主体和若干条连接至所述地面单元的做功绳，所述做功绳上设有平衡体；其中一根做功绳直接与所述做功主体的迎风面的中部连接，其余做功绳分别设有可沿绳上、下行走的驱动件，所述驱动件通过连接件连接至所述迎风面的中部外侧，所述连接件能够张紧和松弛。本发明通过调整驱动件在做功绳上的位置以及各个做功绳之间的相对位置能够更加灵活实现做功单元迎风面的面积和飞行姿态进行动态调整，从而保障输出功率的平稳性，且能够使做功单元上升到更高的海拔，有效利用高海拔处的巨大风能，也可以搭载巨型面积动力帆。

Description

一种高空风力发电系统及其发电方法

技术领域

本发明涉及利用高空风能的发电系统，具体涉及一种高空风能发电系统及其发电方法。

背景技术

目前利用高空风力进行发电的方式主要有两种，一种是将风力发电机通过氦气球等装置升到高空，高空风力带动风机发电，然后通过连接发电机和地面的电缆将电力传输回地面。另一种是通过高空风力带动伞梯或风筝运动，然后由伞梯或风筝拉动连接地面做功设备的绳索做功。

申请号为CN201610200583.1的发明专利申请公开了一种高空风能发电系统，发电系统包括至少一个高空风能发电装置，发电装置包括伞形风筝和高空发电部分，高空发电部分由涡轮机和发电机构成，伞形风筝的前端至后端呈渐缩结构，风筝的后端开口，开口处固定设置涡轮机；当发电系统包括至少两个高空风能发电装置时，所有的高空风能发电装置中的发电机串联设置。

这种方式由于电缆本身重量以及发电装置的尺寸和重量的缘故，使得系统升空高度非常有限，一般在1千米左右，无法获取更高海拔的巨大风能。

申请号为CN200910108994.8的发明专利申请公开了一种伞型风力系统，包括固定绳、升力导引体和至少一串伞，所述固定绳的一端穿过伞系住所述升力导引体，固定绳上固定有至少一串伞，另一端固定于受力物；所述升力导引体和所述伞之间要保持有距离；所述伞至少有三根细绳，每一根细绳的一端系住伞的边沿，另一端固定于所述固定绳上；每一个所述的伞都与其相邻的伞之间保持有距离，伞在生力导引体的导引下张开并形成向上的巨大的拉力。

但伞梯式和风筝式都比较难以实现迎风面和飞行姿态的动态调整，而且一般迎风面都难以做到太大从而难以获得更高更平稳的功率输出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的高空风力发电系统升空高度有限，无法有效利用高海拔处的巨大风能，以及难以对空中做功伞的迎风面和飞行姿态进行动态调整等。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种高空风力发电系统，包括做功单元和与其连接的地面单元，所述做功单元包括做功主体和若干条连接至所述地面单元的做功绳，所述做功绳上设有平衡体；其中一根做功绳直接与所述做功主体的迎风面的中部连接，其余做功绳分别设有可沿绳上、下行走的驱动件，所述驱动件通过连接件连接至所述迎风面的中部外侧，所述连接件能够张紧和松弛。

进一步地，所述其中一根做功绳穿过所述迎风面的中心并直接与所述中心连接，所述其余做功绳通过所述驱动件和所述连接件连接至所述迎风面的外边沿。

更进一步地，所述做功主体具有帆状构型，所述帆状构型的帆面构成所述迎风面。

进一步地，所述地面单元包括控制模块、分别与所述做功绳连接的绕卷装置和连接至所述绕卷装置的电机和发电装置，所述控制模块分别控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。

进一步地，所述做功单元设有监测风况和海拔的传感模块，所述传感模块与所述控制模块通过无线模块连接，所述控制模块根据所述传感模块传递的信息控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。

更进一步地，所述做功绳先经过地面导向装置再连接至所述绕卷装置，所述地面导向装置用于确定所述做功绳之间的间距。

进一步地，所述系统包括至少三根做功绳，所述平衡体包括氦气球。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种高空风力发电系统的发电方法，所述发电方法包括以下步骤：

1)做功单元上升至做功上限高度时，断开所述高空做功单元与发电装置的连接，并回收连接至所述高空做功单元的迎风面中部的做功绳；

2)同时向驱动件发出上行指令，所述驱动件沿着其余做功绳向上行走使连接在所述迎风面和所述驱动件之间的连接件处于松弛状态，此时所述迎风面在风力作用下向上翻折，所述连接件连接至所述迎风面的中部外侧；

3)回收所述其余做功绳，所述做功单元下降；

4)所述做功单元下降至做功下限高度时，停止对所有做功绳的回收并使所述做功单元与所述发电装置建立连接；

5)向驱动件发出下行指令，所述驱动件沿着所述其余做功绳向下行走使所述连接件处于张紧状态，在风力作用下所述迎风面重新展开，在所述迎风面的拉动下所述高空做功单元再次上升；

6)重复步骤1)至步骤5)。

进一步地，在上升过程中，还包括根据风况控制所述驱动件的位置和/或各做功绳之间的相对位置来调整所述迎风面的面积的步骤。

更进一步地，在上升过程中，还包括当所述风况稳定时向所述驱动件发出状态保持指令，停止所述驱动件的运动的步骤。

本发明要求保护的技术方案取得了以下技术效果：

1)相较于现有的单绳伞型方案，本发明采用若干做功绳，通过调整驱动件在做功绳上的位置以及各个做功绳之间的相对位置能够更加灵活实现对做功单元迎风面的面积和飞行姿态进行动态调整，从而保障输出功率的平稳性。

2)本发明与现有的将发电机升到空中的技术相比，能够使做功单元上升到更高的海拔，有效利用高海拔处的巨大风能；与伞梯结构相比，可以搭载巨型面积动力帆，从而有效提升地面系统的发电能力。

附图说明

图1为高空做功单元主要结构示意图；

图2为地面单元主要结构示意图；

图3为高空做功单元帆面翻折示意图；

图4为高空做功单元调整帆面展开面积示意图；

图5为第一驱动件和第二驱动件的局部示意图；

图6为通过第一驱动件和第二驱动件调整各连接件相对长度而改变帆面攻角的示意图。

附图标记：100-第一平衡体；101-第二平衡体；102-第三平衡体；200-第一做功绳；201-第二做功绳；202-第三做功绳；300-做功主体；401-第一驱动件；402-第二驱动件；403-连接件；500-第一地面导向装置；501-第二地面导向装置；502-第三地面导向装置；600-控制模块；700-发电装置；801-第一电机；801′-第二电机；801″-第三电机；802-第一电离离合器；802′-第二电离离合器；802″-第三电离离合器；803-第一减速箱；803′-第二减速箱；803″-第三减速箱；804-第一绕卷装置；804′-第二绕卷装置；804″-第三绕卷装置；805-第一单向离合器；805′-第二单向离合器；805″-第三单向离合器。

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，本实施例提供的高空风力发电系统包括做功单元和与其连接的地面单元，所述做功单元包括一个做功主体300和若干条连接至所述地面单元的做功绳，所述做功绳上设有平衡体；其中一根做功绳直接与所述做功主体300的迎风面的中部连接，其余做功绳分别设有可沿绳上、下行走的驱动件，所述驱动件通过连接件403连接至所述迎风面的中部外侧，所述连接件能够张紧和松弛。

其中，驱动件的主要作用是通过在做功绳上穿梭，带动连接件403调整迎风面的形态，以及将迎风面所受风力通过连接件403转移到做功绳上。驱动件消耗的电力可以来源于设置在做功单元附近的风力发电装置，电力可以通过包裹在做功绳芯部或置于做功绳外部的供电线传输。需要行走时，驱动件解开卡紧在做功绳上的卡锁。

进一步地，所述其中一根做功绳穿过所述迎风面的中心并直接与所述中心连接，所述其余做功绳通过所述驱动件和所述连接件连接至所述迎风面的外边沿。

具体地，本实施例的高空风力发电系统至少设有三根做功绳：第一做功绳200、第二做功绳201和第三做功绳202。其中，第一做功绳200穿过所述迎风面的中心并直接与所述中心连接，第二做功绳201、第三做功绳202分别通过第一驱动件401、第二驱动件402和连接件403接至所述迎风面的两侧的外边沿。第一做功绳200、第二做功绳201和第三做功绳202端部分别设有第一平衡体100、第二平衡体101和第三平衡体102，平衡体可采用氦气球。

更具体地，所述做功主体具有帆状构型，所述帆状构型的帆面构成所述迎风面。此时，连接件403可以设为若干根帆绳。

更具体地，所述地面单元包括控制模块600、分别与所述第一做功绳200、第二做功绳201和第三做功绳202连接的第一绕卷装置804、第二绕卷装置804′和第三绕卷装置804″和分别连接至各个绕卷装置的第一电机801、第二电机801′、第三电机801″电机和发电装置700。所述控制模块600分别控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。

其中，第一绕卷装置804的一端通过第一单向离合器805连接到发电装置700，另一端连接到第一减速装置803，第一减速装置803通过第一电离离合器802连接至第一电机801。第二绕卷装置804′的一端通过第二单向离合器805′连接到发电装置700，另一端连接到第二减速装置803′，第二减速装置803′通过第二电离离合器802′连接至第二电机801′。第三绕卷装置804″的一端通过第三单向离合器805″连接到发电装置700，另一端连接到第三减速装置803″，第三减速装置803″通过第三电离离合器802″连接至第三电机801″。三台电动机的主要作用是分别控制三个绕卷装置，从而实现三根做功绳的位置控制和周期性回收。

具体地，所述做功单元设有监测风况和海拔的传感模块，还包括GPS和温度传感器，所述传感模块与所述控制模块600通过无线模块连接，所述控制模块600根据所述传感模块传递的信息控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。同时，驱动件也向控制模块反馈行走状态。

更具体地，所述第一做功绳200、第二做功绳201和第三做功绳202分别先经过第一地面导向装置500、第二地面导向装置501和第三地面导向装置502转向后再经地面导向管或导向支架连接至各自对应的绕卷装置。地面导向装置可选用地面锚点，用于确定所述各做功绳之间的间距，根据不同距离可设计具有不同面积的帆面。

本实施例提供的高空风力发电系统帆面的展开与折叠主要通过控制第一做功绳200和第二做功绳201、第三做功绳202的相对位置，以及第一驱动件401、第二驱动件402和帆面的相对位置来实现。主要发电方法如下：

1)当空中传感模块监测到高空做功单元运行到做功上限高度时，控制模块600控制第一单向离合器805断开与发电装置700的连接，然后控制第一电机801收回第一做功绳200；

2)同时，第一驱动件401和第二驱动件402收到控制模块600发出的上行指令后分别上行到合适位置(使得驱动件不再受到帆绳拉力即可)。在空中巨大风力作用下，帆面将向上翻折，从而极大减小迎风面的面积，使得做功绳200～202都失去向上的巨大拉力；

3)接着，控制模块600通过第二单向离合器805′和第三单向离合器805″断开与发电装置700的连接，并控制第二电机801′和第三电机801″快速回收第二做功绳201和第三做功绳202；

经过上述动作，空中部分将快速下降到做功下限高度。

4)当传感器模块监测到高空做功单元下降到做功下限高度后，控制模块600控制第一电机801、第二电机801'和第三电机801″停止回收第一做功绳200、第二做功绳201和第三做功绳202，并使其处于可以自由拉升的状态，同时控制模块600控制第一单向离合器805、第二单向离合器805′和第三单向离合器805″关联发电装置700，恢复发电状态；

5)这时第一驱动件401和第二驱动件402收到控制模块发出的下行指令并快速下行，在空中风力的作用下，帆面将会被快速展开，待第一驱动件401和第二驱动件402运行到合适位置(帆绳张紧)后，通过驱动件的卡锁卡紧在做功绳上；

做完上述动作，系统将达到图1所示的做功状态，并在空中巨大风力的驱动下，通过帆面拉动做功绳200～203，从而驱动地面发电系统开启下一轮的做功。

在做功过程中，传感模块实时监测空中风力和风向的状态，控制模块接收信息后可自主调整第一驱动件401和第二驱动件402的位置或通过控制各电机来控制第一做功绳200相对第二做功绳201和第三做功绳202的位置，从而达到实时调整迎风面大小的目的，实现地面系统的平稳做功，如图4所示。

在上升过程中，当所述风况稳定时控制模块还可以向所述驱动件发出状态保持指令，停止所述驱动件的运动。当帆面需要根据风速或风向等调整帆面做功攻角时，只需要通过第一驱动件401和第二驱动件402上的卷扬机构调整连接件403连到帆面上的相对长度，即可实现帆面攻角α的调整，如图5和图6所示。

在本实施例的方案中，从机电性能的可靠性来讲，系统一般可以在500～8000米左右高度甚至更高海拔工作。但出于对切入风速和切出风速的考虑(一般切入风速设定在3m/s，切出风速设定在35m/s)，系统将根据高空风况选择合适的做功海拔区间。

由于系统输出功率与迎风面面积成正比，与风速的立方成正比，根据现有测试数据及理论计算，以80mx50m＝4000m²的帆面，在13.5m/s额定风速下，预计可以获得2MW以上的功率输出。如果需要获得更高的功率输出，只需从帆面面积和做功海拔区间进行调整。

高空做功单元的上限高度和下限高度由几个主要参数综合确定：1)切入风速；2)切出风速；3)系统设计额定风速；4)做功周期(即上行时间+下行时间)。

以CN200910190150.2中公开的伞梯技术进行参考，在同样的风速下，要达到2MW以上的输出功率，需要搭配2个20米伞，及4个行走驱动，且无法做到根据风速进行伞面迎风面的动态调整，而调整做功攻角则需要额外搭配平衡伞系统。

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)

1.一种高空风力发电系统，包括做功单元和与其连接的地面单元，其特征在于，所述做功单元包括做功主体和若干条连接至所述地面单元的做功绳，所述做功绳上设有平衡体；其中一根做功绳直接与所述做功主体的迎风面的中部连接，其余做功绳分别设有可沿绳上、下行走的驱动件，所述驱动件通过连接件连接至所述迎风面的中部外侧，所述连接件能够张紧和松弛。

2.根据权利要求1所述的高空风力发电系统，其特征在于，其中一根做功绳穿过所述迎风面的中心并直接与所述中心连接，所述其余做功绳通过所述驱动件和所述连接件连接至所述迎风面的外边沿。

3.根据权利要求2所述的高空风力发电系统，其特征在于，所述做功主体具有帆状构型，所述帆状构型的帆面构成所述迎风面。

4.根据权利要求1所述的高空风力发电系统，其特征在于，所述地面单元包括控制模块、分别与所述做功绳连接的绕卷装置和连接至所述绕卷装置的电机和发电装置，所述控制模块分别控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。

5.根据权利要求4所述的高空风力发电系统，其特征在于，所述高空做功单元设有监测风况和海拔的传感模块，所述传感模块与所述控制模块通过无线模块连接，所述控制模块根据所述传感模块传递的信息控制所述驱动件、所述绕卷装置、所述电机和所述发电装置。

6.根据权利要求4所述的高空风力发电系统，其特征在于，所述做功绳先经过地面导向装置再连接至所述绕卷装置，所述地面导向装置用于确定所述做功绳之间的间距。

7.根据权利要求1至6任一项所述的高空风力发电系统，其特征在于，所述系统包括至少三根做功绳，所述平衡体包括氦气球。

8.一种高空风力发电系统的发电方法，其特征在于，所述发电方法包括以下步骤：

1)做功单元上升至做功上限高度时，断开所述做功单元与发电装置的连接，并回收连接至所述做功单元的迎风面中部的做功绳；

2)同时向驱动件发出上行指令，所述驱动件沿着其余做功绳向上行走使连接在所述迎风面和所述驱动件之间的连接件处于松弛状态，此时所述迎风面在风力作用下向上翻折，所述连接件连接至所述迎风面的中部外侧；

3)回收所述其余做功绳，所述做功单元下降；

4)所述做功单元下降至做功下限高度时，停止对所有做功绳的回收并使所述高空做功单元与所述发电装置建立连接；

5)向驱动件发出下行指令，所述驱动件沿着所述其余做功绳向下行走使所述连接件处于张紧状态，在风力作用下所述迎风面重新展开，在所述迎风面的拉动下所述高空做功单元再次上升；

6)重复步骤1)至步骤5)。

9.根据权利要求8所述的高空风力发电系统的发电方法，其特征在于，在上升过程中，还包括根据风况控制所述驱动件的位置和/或做功绳之间的相对位置来调整所述迎风面的面积的步骤。

10.根据权利要求9所述的高空风力发电系统的发电方法，其特征在于，在上升过程中，还包括当所述风况稳定时向所述驱动件发出状态保持指令，停止所述驱动件的运动的步骤。

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