CN116280314A - 一种系留式双翼型风力发电无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种系留式双翼型风力发电无人机，采用拱形的双翼布局，两个机翼在翼尖处通过翼型板连在一起形成环形机翼，上下机翼中间有多个渐缩渐扩型涵道，涵道内装有可变桨距涡轮风力发电机，上机翼与下机翼上均装有多个可逆电机及螺旋桨；本发明的涵道风力发电机可将稀薄的风能浓缩后驱动涡轮发电,可有效地提高风能密度,显著提高发电效率,同时使风力发电机运转平稳；本发明的首选俯冲发电模式是无人机先借助风力爬升将风能转化为重力势能，然后在高速俯冲过程中将重力势能转化为动能进而转化为电能，相当于将风能高度浓缩后进行发电，因此发电功率比传统风力发电机高出许多。

Description

一种系留式双翼型风力发电无人机

技术领域

本发明属于能源技术及航空飞行器领域, 涉及一种机载风力发电装置，具体涉及一种系留式双翼型风力发电无人机。

背景技术

风能，即空气流动所产生的动能；是由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均引起大气层压力分布不平衡，在水平气压梯度的作用下，空气沿水平方向运动形成的，故风能是太阳能的一种转化形式，是一种可再生清洁能源，取之不尽，用之不竭。据测算，全球的风能储量约为2.74X10 _^∧ 9MW，其中可利用的风能为2X10 _^∧ 7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国10米高度层的风能资源总储量为32.26亿千瓦（3.2 X 10 _^∧ 6MW），其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿千瓦(2.53 X10 _^∧ 5MW)。

风能与风速的三次方成正比，与空气密度成正比，空气密度越大、风速越高则风能越大，而海拔越高风速越大；研究机构对世界范围内海拔与风能资源分布关系进行研究时发现,高度为500米处, 平均风能密度约225 W/平米, 约为地面风能密度的2倍; 高度在1000米时, 风能密度能达到500 W/ 平米；根据气象资料显示，我国的高空风能主要集中在经济发达的华东地区，在东南沿海上空1万米处的最高风能密度能达到10 kW/平米,而在16000米左右的平流层，风速经常可达到60米/秒，风能密度高达30KW/平米，是低空风能密度的100倍以上，是地面风能密度的近300倍，是世界上风能密度最高的地区之一；斯坦福大学环境和气候科学家的研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍，可见风力发电的未来在于高空风力发电。

目前，高空风能发电的方式主要有两种：一种是将发电机悬浮在空中即空基发电机发电系统；另一种是将发电机设置在地面即地基发电机发电系统。空基发电系统主要有两种，一种是系留式机载发电系统, 即将永磁电机固定在飞行器上, 控制飞行器迎风飞行, 风力驱动叶轮转动使永磁电机发电, 并通过系留绳将电能引入地面储能设备；另一种是系留浮空器技术，即将风叶发电机组固定在一个筒形浮空器中, 漂浮在一定高度进行高空风能发电，或是将涡轮形浮空器上升到一定高度, 利用高空风吹动浮空器旋转, 从而带动浮空器两端的发电机发电。发电机设置在地面的高空发电系统主要有三种，一是系留滑翔伞技术, 即通过控制滑翔伞在高空按特定的“ 8” 字型或者“ 圆形” 轨迹运动从而拖动系留绳使地面发电机发电；二是系留阻力伞梯技术, 即通过控制多个阻力伞开闭, 实现伞上下循环运动, 进而拖动地面发电机发电；三是系留飞行器式技术，即控制固定翼飞行器在高空按特定的“ 8” 字型轨迹运动从而拖动系留绳使地面发电机发电。

上述两种发电模式中，地基发电系统中的系留滑翔伞的展弦比低，升阻比大，在空中无论是做8字形轨迹飞行还是做圆形轨迹飞行，都存在阻力过大的问题，风能的很大一部分能量用于克服飞行阻力，用于拖动地面发电机运动的能量减少，所以发电效率不高，更严重的是，飞行控制仅通过滑翔伞上面的张线与缆绳来完成，一旦遭遇空中乱流，很容易失控坠落。地基发电系统中的系留伞梯装置，做功伞采用阻力伞型式，随风上升过程中的阻力更大，而且为了系统平稳运行及防止意外坠落，需配置平衡伞及浮力气囊（球），导致运动过程中阻力进一步增大，无用功过多，发电效率也不高，而且系留缆绳与卷扬机轴存在高频率摩擦，阻力伞的收放机构与缆绳之间也存在频繁摩擦，导致缆绳的寿命及可靠性降低；地基发电系统中的系留飞行器大都采用低展弦比轻型无人机，而且飞行高度在几百米以下的低风速区域，一般仅限于小型发电系统，而且与系留式滑翔伞一样，因为缆绳持续处于受力状态，易发生材料疲劳，在遇到强湍流的情况下也存在易于失控的问题。

空基发电系统中，目前系留式机载发电装置的固定翼无人机大都采用单翼，机体结构强度偏低，再加上搭载的发电机重量，在做复杂运动轨迹如8字形飞行时，无人机承受较大的重力载荷及冲击，长期运行容易导致材料疲劳，影响机体寿命及安全性，另外，目前的机载发电装置大都为轻小型，搭载的发电机数量有限，发电机叶轮的尺寸偏小，发电功率不高。系留浮空器发电模式，采用轻质气体如氦气作为浮空介质，无论是筒型浮空器还是涡轮型浮空器，其装置的体积大，迎风面积大，须有专门的抗风措施，使得结构设计变得复杂，而且面临气体泄漏以及工作高度和发电规模受限的情况。

发明内容

为了克服现有高空风力发电技术中存在的缺陷，提高单台装置的发电功率，同时提高发电装置的发电效率、运行寿命及可靠性，本发明设计了一种系留式双翼型风力发电装置，具体技术路线如下：

一种系留式双翼型风力发电无人机，包括机身、尾翼、起落架、含导线缆绳、GPS定位系统、飞控系统及蓄电池，还包括刚性的上机翼与下机翼、夹在上下机翼中间的多个渐缩渐扩型涵道；上机翼与下机翼均为坦拱形机翼，矢跨比不大于1/10，两个拱形机翼在翼尖处通过翼型板连在一起，形成闭合的环形机翼，同时在多个涵道处通过支撑板相连；涵道内装有多个可变桨距风力发电机，发电机桨叶在飞行模式下处于顺浆位置，在发电模式的发电阶段处于正浆位置；上机翼与下机翼上装有多个可逆电机及螺旋桨，可逆电机可在飞行模式与发电模式之间进行切换；在飞行模式下可逆电机作为电动机驱动螺旋桨转动产生拉力，在发电模式下作为发电机将风力驱动的螺旋桨的机械能转化为电能；发电模式至少包括垂直面8字形轨迹发电模式，平面圆周盘旋发电模式及俯冲发电模式。

进一步的，所述的风力发电机装在渐缩渐扩型涵道的最小截面处。

进一步的，含导线缆绳一端与地面的绞盘连接，一端与无人机上的万向系留环连接，万向系留环位于系留架的顶端，所述系留架是由下机翼及机身上伸出的多根支撑杆组成的刚性立体承力架。

进一步的，可逆电机包含在电动回路与发电回路中，在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关、缆绳的供电线路连接；供电线路与地面的供电装置连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、缆绳的输电线路连接，输电线路与地面的充电装置及蓄电池连接。

进一步的，俯冲发电模式的执行程序为：1机头转向迎风方向,2放下襟翼，3机头向上保持高攻角，4将风力发电机的桨叶调为顺桨位置，5随风爬升至设定发电高度，6收起襟翼，7机头向下，8将风力发电机桨叶调为正桨位置，9断开电动回路同时连通发电回路, 10俯冲发电直至降到设定的平飞高度，11切换至飞行模式（意味着断开发电回路同时连通电动回路，风力发电机的桨叶调为顺桨位置）。

更进一步的，俯冲发电模式执行程序中的随风爬升方式包括直线爬升与盘旋爬升，俯冲发电方式包括直线俯冲发电与盘旋俯冲发电。

进一步的，所述蓄电池布设在机身内，用于给无人机各个动作机构提供电力，同时作为应急降落时的动力，蓄电池自带整流充电装置，可随时由发电机进行充电。

本发明相对于现有技术的有益效果如下：:

一，两个刚性机翼在翼尖处连为一体,大幅降低了诱导阻力,使发电无人机具有很高的升阻比。

二, 发电无人机上下机翼形成的环形机翼具有近乎两倍于单翼的升力, 使无人机具有很大的起飞重量,，可搭载更多数量的风力发电机.，大幅提高发电功率。

三，采用拱形机翼，克服了传统平直机翼易于变形扭曲的缺陷，显著增强了机翼的抗弯扭强度，可适应高速及复杂轨迹运动。

四,多个涵道作为支撑体将上下机翼连在一起，进一步提高了无人机的结构强度,可耐受强风环境下的高速运动如俯冲运动。

五，双翼型无人机失速速度本来就很低，所形成的环形机翼在转弯时更不易失速，故在地面缆绳的牵引下，非常适合在水平风中做盘旋发电运动而保持升力。

六，采用渐缩渐扩型涵道可将稀薄的风能浓缩后驱动涡轮发电,故可有效地提高风能密度, 发电效率显著提高, 同时改善了风能的不稳定性,使风力发电机运转平稳，承受的冲击载荷小。

七，相邻涵道的风力发电机的流场无互相干扰，故可紧密布设多个风力发电机，显著提高风力发电机的总功率。

八，采用俯冲发电模式时，含导线缆绳只在爬升阶段承受张力，在俯冲发电阶段处于无应力状态，故可使缆绳的可靠性与寿命大大延长。

九，该发电无人机的首选发电模式是先借助风力做功爬升，不断提升无人机的高度直到设定的发电高度，然后进行高速俯冲，将重力势能转化为螺旋桨及涡轮叶片的旋转机械能，再将机械能转化为电能，实质相当于将风能高度浓缩后进行发电，所以发电功率比传统风力发电机大得多，多个发电无人机组合可达到非常大的发电规模。

十，发电无人机上的所有部件包括机翼、机身、起落架、电动机、螺旋桨、涵道、风力发电机、蓄电池及缆绳，在随风爬升过程重力势能均同步提高，俯冲发电时均可转化为电能，质量越大，重力势能越大，发电越多，所以，该装置不存在废质量，故在设计阶段不必过于强调轻质材料的应用，而更多注重装置的结构强度及承载力，因此该发电无人机的翼载荷可比现有机载风力发电装置大很多。

附图说明

图1是本发明实施例的正视图。

图2是本发明实施例俯视图。

图中，1-机身，11-机头，2-尾翼，3-起落架，4-缆绳，51-上机翼，52-下机翼，53-翼型板，6-涵道，61-支撑板，7-系留架，71-万向系留环，8-风力发电机，9-可逆电机螺旋桨。

实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述，显然，所描述的实施例仅是本发明优选的实施方式之一，是为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，不可理解为对本发明权利保护范围的限定，相反，对于本领域的普通科研人员而言，凡利用本发明进行的任何非实质性的改动或调整，均应落入本发明权利要求书的保护范围之内。

实施例

如图1-2所示，本发明的系留式双翼型风力发电无人机，包括机身1、尾翼2、起落架3、含导线缆绳4、GPS定位系统、飞控系统及蓄电池，还包括刚性的上机翼51与下机翼52、夹在上下机翼中间的多个渐缩渐扩型涵道6。其中，揽绳4由高抗拉强度的超高分子量聚乙烯纤维制成，缆绳4中包含供电线路与输电线路，缆绳4的一端与地面的绞盘连接，另一端与无人机上可360度自由转动的万向系留环71连接，该系留环71位于无人机的系留架7的顶端，所述系留架7是由下机翼52及机身1上伸出的多根支撑杆组成的刚性立体承力架；缆绳4在万向系留环71处引出供电线与输电线分别与无人机上的电动回路及发电回路的快接头连接；GPS定位系统用于实时接收无人机坐标数据以确定其高度，在发电模式下，当确认无人机的高度达到设定的发电高度时立即进入发电步骤。

上机翼51与下机翼52均为坦拱形机翼，矢跨比不大于1/10，本实施例选择1/12；拱形机翼具有良好的抗弯扭能力，其承压与承拉能力均明显强于平直机翼；两个拱形机翼在翼梢处通过翼型板53连在一起，形成闭合的环形机翼，同时在多个涵道处6通过支撑板61相连，这种设计使得机翼的结构强度得到极大提高，承重能力大幅增加，抗冲击能力显著提高，形成的环形机翼具有近乎两倍于单翼的升力, 使无人机具有很大的起飞重量,可搭载更多数量的风力发电机8。涵道6为渐缩渐扩型涵道，风力发电机8的桨叶安装在涵道的最小截面处，该处的风速比涵道6外自由空间的风速有明显提高，故可以有效提高发电功率；风力发电机8的桨叶在飞行模式及发电模式的爬升段均处于顺浆位置，以最大限度地降低空气阻力，在发电模式的俯冲发电阶段处于正浆位置。

作为重载风力发电平台，除了多个涵道风力发电机外，上机翼51与下机翼上52也装有多个可逆电机螺旋桨9，分别装在机翼前缘及机头11上，螺旋桨9在任何情况下都不与系留缆绳4接触；可逆电机可在飞行模式与发电模式之间进行切换，在飞行模式下时作为电动机驱动螺旋桨9转动产生拉力以保持升力，在发电模式的发电步骤中作为发电机将风力驱动的螺旋桨9的机械能转化为电能；无人机在起降阶段及低风速环境中，多个电动螺旋桨9可提供足够的升力，发电阶段可最大限度的将风能及重力势能转化为电能。

无人机在起降阶段及发电的前期阶段均处于飞行模式下，发电模式至少包括垂直面8字形轨迹发电模式，平面圆周盘旋发电模式及俯冲发电模式，而俯冲发电模式又包括直线俯冲发电方式及盘旋俯冲发电方式。俯冲发电模式为首选发电模式，因为该发电模式适应各种风速环境且控制简单，可靠性高；该发电模式的另一个重要特点在于，它将风能首先转化为重力势能，再将重力势能转化为机械能，然后将机械能转化为电能，实质是先对风能进行浓缩，发电阶段集中释放能量而发电，所以发电功率可以很高。

具体的，蓄电池布设在机身1内，用于给无人机各个动作机构提供电力，同时作为应急降落时的动力，蓄电池自带整流充电装置，可随时由发电机进行充电。

实施例

下面以实施例2来详细描述本发明的首选发电模式—俯冲发电模式的整个流程。

起飞准备阶段：将发电无人机牵引至绞盘前面的风场跑道上，把绞盘上缆绳4的一端与无人机万向系留环71连接，在该处将缆绳4中的供电线路与输电线路分别与无人机上的电动回路与发电回路连接，缆绳4的另一端的供电线路与输电线路分别与地面供电装置、充电装置及蓄电池连接；将无人机设定为飞行模式（风力发电机8的桨叶自动调至顺浆位置）。

起飞阶段：接通电动回路启动电动螺旋桨9，滑跑起飞，滑跑及爬升过程中，绞盘中的缆绳4迅速释放，待无人机飞至预设的平飞高度，指令无人机盘旋于地面绞盘的下风口位置。

发电阶段：将无人机切换为发电模式，在飞控系统的指令下，按照设定程序进行如下操作：1，机头11转向正面迎风角度；2，放下后缘襟翼511；3，机头11向上保持高攻角；4，确认风力发电机8的桨叶为顺桨位置，5，随风爬升（爬升过程中绞盘不断释放缆绳）至设定发电高度；6，收起襟翼511；7，机头11向下；8，将风力发电机9的桨叶调为正桨位置；9，断开电动回路同时连通发电回路；10，俯冲发电直至降到预设平飞高度；11，切换为飞行模式（意味着断开发电回路同时连通电动回路，风力发电机9的桨叶调为顺桨位置）

在飞行模式下无人机飞到原来位置及预设的平飞高度，然后再次切换为发电模式，重复以上1-11步骤不断进行发电。

当遇到供电线路故障，飞机失去地面提供的电力时，立即启动备用蓄电池进行供电，若短时间内不能排除故障恢复供电，无人机选择降落。

本发明发电无人机，可适用于陆地风场发电，也可适用于海上风场发电，如果在海上风场，绞盘设置在海岸或海上平台，发电无人机安装浮筒式起落装置，缆绳系留架7做专门的设计。

Claims (10)

1.一种系留式双翼型风力发电无人机，包括机身（1）、尾翼（2）、起落架（3）、含导线缆绳（4）、GPS定位系统、飞控系统及蓄电池，其特征在于，还包括拱形的上机翼（51）与下机翼（52）、夹在上下机翼中间的多个渐缩渐扩型涵道（6），所述涵道（6）的上下端通过支撑板（61）与上下机翼相连，涵道（6）内装有多个可变桨距风力发电机（8）；上下机翼上均装有多个可逆电机及螺旋桨（9）；所述机身（1）的下方装有一个可360度自由转动的万向系留环（71），系留环（71）边上装有电动回路与发电回路的快接头。

2.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述刚性机翼为坦拱形机翼，矢跨比不大于1/10；两个拱形机翼在翼尖处通过翼型板（53）连在一起，形成闭合的环形机翼。

3.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述的风力发电机（8）装在渐缩渐扩型涵道（6）的最小截面处。

4.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述可逆电机在正常飞行时作为电动机驱动螺旋桨（9）转动产生拉力，在发电模式的发电阶段作为发电机将风力驱动的螺旋桨（9）的机械能转化为电能。

5.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述含导线缆绳（4）一端与地面的绞盘连接，一端与无人机上的万向系留环连（71）接，万向系留环（71）位于系留架（7）的顶端，所述系留架（7）是由下机翼（52）及机身（1）上伸出的多根支撑杆组成的刚性立体承力架。

6.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述可逆电机包含在电动回路与发电回路中；在电动回路中，永磁直流电机的电源输入端依次与自动切换开关、缆绳的供电线路连接，供电线路与地面的供电装置连接；在发电回路中，永磁直流电机的电力输出端依次与自动切换开关、缆绳的输电线路连接，输电线路与地面的充电装置及蓄电池连接。

7.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述发电模式至少包括垂直面8字形轨迹发电模式，平面圆周盘旋发电模式及俯冲发电模式。

8.根据权利要求7所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述俯冲发电模式的执行程序为：1机头（11）转向迎风方向,2放下襟翼（511），3机头（11）向上保持高攻角，4将变桨距风力发电机（8）的桨叶调为顺桨位置，5随风爬升至设定发电高度，6收起襟翼（511），7机头（11）向下，8将风力发电机（8）桨叶调为正桨位置，9断开电动回路同时连通输电回路, 10俯冲发电至预设平飞高度，11切换为飞行模式。

9.根据权利要求8所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述俯冲发电模式执行程序中的随风爬升方式包括直线爬升与盘旋爬升，俯冲发电方式包括直线俯冲发电与盘旋俯冲发电。

10.根据权利要求1所述的一种系留式双翼型风力发电无人机，其特征在于，所述蓄电池布设在机身（1）内，用以给无人机各个动作机构提供电力，同时作为应急起降时的动力，蓄电池自带整流充电装置，可随时由发电机进行充电。

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