CN116398356A - 一种风力做功系统及做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力做功系统及做功方法，做功系统包括做功绳和设置在所述做功绳上的做功模块，所述做功模块具有可展开的迎风面，所述做功绳的一端连接空中平衡模块，另一端连接至地面系统，所述迎风面的外沿通过若干第一连接件连接至所述做功绳，所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件连接至所述做功绳，所述做功绳上设有控制所述第二连接件长度的第一驱动器。将用于调整迎风面姿态的驱动器固定在做功绳上，对做功绳不会产生磨损等不利影响。此外，通过调节设置在迎风面外沿内侧的第二连接件的长度来调整迎风面，能够有效减小用于控制做功模块的功耗，整个系统稳健可靠。

Description

一种风力做功系统及做功方法

技术领域

本发明涉及利用高空风能做功技术领域，具体涉及一种风力做功系统和做功方法。

背景技术

高空风能是清洁的可再生能源且蕴含巨大的能量，将风能转换为电能是现有的利用风能的方式之一。而利用高空做功模块(如，做功伞/帆等)将风能先转换成机械能，再将机械能用于为地面系统(例如，发电机等)提供持续动力，是将风能转换为电能的方式之一。在该过程中，对做功模块的高效控制是提高风能转换效率的关键。

申请号为CN200910108994.8的中国发明专利申请公开了一种伞型风力系统，其包括固定绳、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；每一个所述的伞都与其相邻的伞之间保持有距离，所述伞的开孔上安装有滑动装置，所述滑动装置滑动套接于所述固定绳。

该方案采取的技术路线是通过绳上的行走驱动器即滑动装置，来控制做功模块的周期性开合并带动做功绳拉动地面系统做功，但滑动装置的反复使用易造成做功绳的磨损，做功绳具有断裂的风险，因此对做功绳的耐磨性/可靠性能存在较高要求。

申请号为CN201310618638.7的中国发明专利申请公开了一种用于风力发电装置的风筝组件，主要由主风帆、副风帆a、副风帆b、副风帆c、副风帆d、主风帆拉线、副风帆拉线、风筝拉线、主风帆支架、风筝拉杆、风筝飞行姿态切换装置构成。风筝装置在拉动卷扬机发电的时候，就会由风筝飞行姿态切换装置通过风帆拉线拉起几面副风帆，增大风阻面积，加大了风筝的受力，这样就可以同时拉动卷扬机、发电机进行风筝发电，当把卷扬机拉到终点时候，通过风筝飞行姿态切换装置，将几面副风帆降下，减少风筝所受的风阻力，由卷扬机将风筝拉回到初始位置。这样就可以使风筝往复运动，带动卷扬机以及发电机进行发电。

上述方案通过一个风筝飞行姿态切换装置控制风帆拉线拉起或降下几面副风帆的方式，实现做功与回收模式的切换。但由于外围副风帆拉线实际受力最大，控制该组风帆拉线需消耗大量的能量，可操作性低，且拉线易断裂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的对做功伞/帆姿态进行调整的装置和方法可靠性、功耗大且操作性差，导致获取高空风能的挑战较大。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种风力做功系统，包括做功绳和设置在所述做功绳上的做功模块，所述做功模块具有可展开的迎风面，所述做功绳的一端连接空中平衡模块另一端连接至地面系统，所述迎风面的外沿通过若干第一连接件连接至所述做功绳，所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件连接至所述做功绳，所述做功绳上设有控制所述第二连接件长度的第一驱动器。

优选地，所述第二连接件分别连接在所述迎风面距离迎风面中心不超过1/2半径处；更优选地，所述做功绳上设有控制所述第一连接件长度的第二驱动器。

优选地，所述做功模块的迎风面中心设有供所述做功绳穿过的开孔，所述开孔边缘通过若干第三连接件连接至位于所述迎风面中心处的做功绳；更优选地，位于所述迎风面中心处的做功绳设置有控制所述第三连接件长度的第三驱动器。

优选地，所述第一连接件、第二连接件和第三连接件包括绳索，所述第一驱动器、所述第二驱动器和所述第三驱动器包括卷扬机。

优选地，所述风力做功系统设有供电模块以及分别用于监测风况和海拔的传感器模块和GPS模块，所述供电模块为所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器供电；所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、所述监测模块和所述GPS模块分别通过无线接收模块连接至地面模块。

更优选地，所述地面模块根据所述监测模块和所述GPS模块传输的数据控制自动所述第一驱动器，和/或第二驱动器，和/或第三驱动器；或者，地面操作人员根据所述数据手动控制所述第一，和/或第二，和/或第三驱动器。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种风力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上限高度时，缩短第二连接件的长度使所述迎风面向内凹以减小所述迎风面的面积；

2)地面系统收回所述做功绳，所述做功模块下行；

3)所述做功模块下行至下限高度时，释放所述第二连接件的长度使迎风面展开；

4)地面系统释放做功绳，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系统做功；

5)重复上述步骤1)至4)；

其中，所述迎风面的外沿通过若干第一连接件连接至所述做功绳，所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件连接至所述做功绳。

优选地，所述方法还包括调整第一连接件的长度的步骤：

所述做功模块的迎风面上行至上限高度时，释放所述第一连接件的长度；所述做功模块的迎风面下行至下限高度时，缩短并锁定所述第一连接件的长度。

优选地，所述做功方法还包括同时调整所述第一连接件和所述第二连接件的长度。

更优选地，所述做功绳穿过所述迎风面中心的开孔，所述开孔通过若干第三连接件连接至位于所述开孔中心的做功绳，所述做功方法还包括调整所述开孔大小的步骤：

所述做功模块下行至下限高度时，缩短所述第三连接件的长度以缩小所述开孔；

所述做功模块上行至上限高度时，释放所述第三连接件的长度以扩大所述开孔，释放所述迎风面的压力。

本发明要求保护的技术方案取得了以下有益效果：

1)本申请设置的用于调整做功模块迎风面姿态的驱动器固定在做功绳上，与现有技术中设置在做功绳上的行走驱动器相比，对做功绳不会产生磨损等不利影响。

2)本申请主要通过调节设置在迎风面外沿内侧的第二连接件的长度来调整迎风面，相比于迎风面的外沿，连接在此位置的第二连接件受力较小，因此相比于调节外沿伞绳(帆绳)的控制方式，本申请能够大大减小用于控制做功模块的功耗，整个系统稳健可靠。

3)本申请还可以将对第二连接件的控制与对连接至迎风面外沿的第一连接件的控制相结合，利用对第二连接件长度的控制来辅助微调迎风面的姿态，可以实现做功模块迎风面大小的机动调整，从而保障系统功率的平稳输出。

4)本申请还通过对做功模块迎风面中心开孔孔径大小的调节来来释放迎风面的压力，从而有效减小在收缩做功模块的迎风面时第二连接件的载荷，这时第一驱动器仅需消耗更小的功率即可拉回第二连接件，进一步减小用于控制做功模块的功耗，使整个系统更加稳健可靠。

附图说明

图1为风力做功系统主要结构示意图；

图2为迎风面收缩瞬间示意图；

图3为迎风面收缩完成状态示意图；

图4为迎风面调整示意图；

图5为第三驱动器示意图；

图6为第三驱动器为迎风面泄压示意图。

附图标记：

101-空中平衡模块；201-做功绳；301-做功模块；401-第一驱动器；501-第二驱动器；601-第二连接件；701-第一连接件；801-第三驱动器；901-第三连接件。

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做进一步清楚的描述。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供的风力做功系统包括做功绳201和设置在所述做功绳上的做功模块301，所述做功模块301具有可展开的迎风面，所述做功绳201的一端连接空中平衡模块101另一端连接至地面系统，空中平衡模块101可以包括氦气球、平衡伞或巨型风筝等，用来平衡空中系统的配重。

所述迎风面的外沿通过若干第一连接件701连接至所述做功绳201，其中，所述外沿设有伞耳，第一连接件701一端连接在伞耳上，一端连接至做功绳201。所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件601连接至所述做功绳201，所述做功绳201上设有控制所述第二连接件601长度的第一驱动器401，其中第一驱动器401可选用卷扬机或类似设备。

具体地，所述第二连接件601分别连接在所述迎风面距离迎风面中心不超过1/2半径处。第二连接件601在迎风面上的连接的点分布在同一圆周上，这个圆周的半径可以适度调整，一般来说，适当缩小这个圆周半径对迎风面的关闭更有利；所述做功绳201上还设有控制所述第一连接件701长度的第二驱动器501，其中第二驱动器501可选用卷扬机或类似设备。

其中，所述做功模块301的迎风面中心设有供所述做功绳201穿过的开孔，该开孔用于保持迎风面姿态的稳定。为了避免迎风面在做功绳201上移动，所述开孔边缘还通过若干第三连接件901连接至位于所述迎风面中心处的做功绳201。

在本实施例中，所述第一连接件701、第二连接件601和第三连接件901可设置为绳索。迎风面承受的巨大风力主要通过第一连接件701传递给做功绳201，从而带动地面设备做功。

此外，所述风力做功系统设有供电模块以及分别用于监测风况和海拔的传感器模块和GPS模块，所述供电模块为所述第一和第二驱动器供电；所述第一驱动器和第二驱动器、所述监测模块和所述GPS模块分别通过无线接收模块连接至地面模块。供电模块包括设置于做功模块附近的风力发电装置(也可包括设置于做功模块附近的太阳能发电装置)，系统电力可以通过包裹在做功绳201芯部或置于做功绳外的供电线传输。

所述地面模块根据所述监测模块和所述GPS模块传输的数据控制自动所述第一驱动器，和/或第二驱动器来控制迎风面的姿态；或者，地面操作人员根据所述数据手动控制所述第一驱动器，和/或第二驱动器来控制迎风面的姿态。

本实施例中的风力做功系统的做功过程如下：

1)做功模块301的迎风面在最大展开程度的状态下，第一驱动器401控制第二连接件601使其处于合适拉升状态并锁紧，同时第二驱动器501控制第一连接件701使其处于合适拉升状态并锁紧。

2)当做功模块运行至预设海拔高度上限时，第一驱动器401快速拉回第二连接件601以缩短其长度，这时做功模块的301的迎风面在第二连接件601拉力和高空风力作用下将会呈现内凹外松状态，有效迎风面迅速降低，且第一连接件701所受迎风面的拉力将消失，如图2所示。

同时第二驱动器501也可以适度释放第一连接件701的长度，加速做功模块301的迎风面的减小。当第二连接件601长度进一步缩短，做功模块301的迎风面自与第二连接件601连接处至迎风面边沿的整个伞面将会在空中风力作用下翻折，其中迎风面顶部中心至与第二连接件的连接处的环面大致缩变成锥状口袋结构，如图3所示。

这时地面系统切换为回拉做功绳模式，仅需消耗较少功率，便可将空中系统拉回至预设海拔下限高度。

3)当空中系统回到下限高度以后，地面系统停止回拉做功绳201并重新切换为做功模式。同时，第二驱动器501根据风力状况调整第一连接件701的预留长度并锁紧；第一驱动器401解开锁紧装置，使得第二连接件601处于松弛状态。做功模块301迎风面上的锥状口袋结构将在高空风力作用下迅速展开，同时带动整个迎风面张开形成迎风状态。当第二连接件601的释放长度达到预设值以后，第一驱动器401再次锁紧第二连接件601。做功模块301迎风面上所受风力将通过第一连接件701(特定情况下可能有少量通过第二连接件601)传递到做功绳，做功绳再次拉动地面系统做功。

4)如果空中风力的做功功率超过预设额定功率，第一驱动器401和第二驱动器501配合回拉第二连接件和第一连接件，这时做功模块301的迎风面将适度减小，从而使得系统做功功率回到预设区间，达到系统功率平稳输出的效果，如图4所示。

实施例2

如图1-6所示，本实施例提供的风力做功系统包括做功绳201和设置在所述做功绳上的做功模块301，所述做功模块301具有可展开的迎风面，所述做功绳201的一端连接空中平衡模块101另一端连接至地面系统，空中平衡模块101可以包括氦气球、平衡伞或巨型风筝等，用来平衡空中系统的配重。

所述迎风面的外沿通过若干第一连接件701连接至所述做功绳201，其中，所述外沿设有伞耳，第一连接件701一端连接在伞耳上，一端连接至做功绳201。所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件601连接至所述做功绳201，所述做功绳201上设有控制所述第二连接件601长度的第一驱动器401，其中第一驱动器401可选用卷扬机或类似设备。

具体地，所述第二连接件601分别连接在所述迎风面距离迎风面中心不超过1/2半径处。第二连接件601在迎风面上的连接的点分布在同一圆周上，这个圆周的半径可以适度调整，一般来说，适当缩小这个圆周半径对做迎风面的关闭更有利；所述做功绳201上还设有控制所述第一连接件701长度的第二驱动器501，其中第二驱动器501可选用卷扬机或类似设备。

其中，所述做功模块301的迎风面中心设有供所述做功绳201穿过的开孔，该开孔用于保持迎风面姿态的稳定。为了避免迎风面在做功绳201上移动，所述开孔边缘还通过若干第三连接件901连接至位于所述迎风面中心处的做功绳201，位于所述迎风面中心处的做功绳201还设置有控制所述第三连接件901长度的第三驱动器801，其中第三驱动器801可选用卷扬机或类似设备。

如图5所述，第三驱动器801用来增大做功伞伞顶开孔以降低迎风面压力，从而有效减小第一驱动器401在缩短第二连接件601的长度时的载荷。具体地，在做功模块迎风面的中心处的开孔圆周上均匀配置数个环孔，例如可设置4组或其它数量，第三连接件901穿梭在这些环孔上再连接至第三驱动器801。第三驱动器801通过调节第三连接件901的长度实现对开孔孔径的控制。

在本实施例中，所述第一连接件701、第二连接件601和第三连接件901可设置为绳索。迎风面承受的巨大风力主要通过第一连接件701传递给做功绳201，从而带动地面设备做功。

此外，所述风力做功系统设有供电模块以及分别用于监测风况和海拔的传感器模块和GPS模块，所述供电模块为所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器供电；所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、所述监测模块和所述GPS模块分别通过无线接收模块连接至地面模块。供电模块包括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201芯部或置于做功绳外的供电线传输。

所述地面模块根据所述监测模块和所述GPS模块传输的数据控制自动所述第一驱动器，和/或第二驱动器，和/或第三驱动器来控制迎风面的姿态；或者，地面操作人员根据所述数据手动控制所述第一驱动器，和/或第二驱动器，和/或第三驱动器来控制迎风面的姿态。

本实施例中的风力做功系统的做功过程如下：

1)做功模块301的迎风面在最大展开程度的状态下，第一驱动器401控制第二连接件601使其处于合适拉升状态并锁紧，同时第二驱动器501控制第一连接件701使其处于合适拉升状态并锁紧。

2)当做功模块运行至预设海拔高度上限时，第一驱动器401快速拉回第二连接件601以缩短其长度，这时做功模块的301的迎风面在第二连接件601拉力和高空风力作用下将会呈现内凹外松状态，有效迎风面迅速降低，且第一连接件701所受迎风面的拉力将消失，如图2所示。

同时第二驱动器501也可以适度释放第一连接件701的长度，加速做功模块301的迎风面的减小。当第二连接件601长度进一步缩短，做功模块301的迎风面自与第二连接件601连接处至迎风面边沿的整个伞面将会在空中风力作用下翻折，其中迎风面顶部中心至与第二连接件的连接处的环面大致缩变成锥状口袋结构，如图3所示。

这时地面系统切换为回拉做功绳模式，仅需消耗较少功率，便可将空中系统拉回至预设海拔下限高度。

3)当空中系统回到下限高度以后，地面系统停止回拉做功绳201并重新切换为做功模式。同时，第二驱动器501根据风力状况调整第一连接件701的预留长度并锁紧；第一驱动器401解开锁紧装置，使得第二连接件601处于松弛状态。做功模块301迎风面上的锥状口袋结构将在高空风力作用下迅速展开，同时带动整个迎风面张开形成迎风状态。当第二连接件601的释放长度达到预设值以后，第一驱动器401再次锁紧第二连接件601。做功模块301迎风面上所受风力将通过第一连接件701(特定情况下可能有少量通过第二连接件601)传递到做功绳，做功绳再次拉动地面系统做功。

4)如果空中风力的做功功率超过预设额定功率，第一驱动器401和第二驱动器501配合回拉第二连接件和第一连接件，这时做功模块301的迎风面将适度减小，从而使得系统做功功率回到预设区间，达到系统功率平稳输出的效果，如图4所示。

5)在做功状态下，第三连接件901被锁定在相对较短的长度，这时做功模块301顶部中心的开孔孔径相对较小，用来实现迎风面的稳定，同时维持迎风面的迎风升力。

在第2)步收缩迎风面的指令发出后，第三驱动器801立即解除第三连接件901的锁紧装置，在空中风力作用下，第三连接件901的长度将被快速释放，从而使得做功模块301迎风面中心处的开孔扩大并快速释放迎风面的压力。这时第一驱动器401仅需消耗更小的功率即可拉回第二连接件601，实现收缩做功模块301的迎风面的目的。扩孔泄压效果图如图6所示。

以上所述的实施例仅对本发明做示例性描述，并非对本发明要求保护的范围进行限定，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)

1.一种风力做功系统，包括做功绳(201)和设置在所述做功绳上的做功模块(301)，所述做功模块(301)具有可展开的迎风面，所述做功绳(201)的一端连接空中平衡模块(101)另一端连接至地面系统，其特征在于，所述迎风面的外沿通过若干第一连接件(701)连接至所述做功绳(201)，所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件(601)连接至所述做功绳(201)，所述做功绳(201)上设有控制所述第二连接件(601)长度的第一驱动器(401)。

2.根据权利要求1所述的风力做功系统，其特征在于，所述第二连接件(601)分别连接在所述迎风面距离迎风面中心不超过1/2半径处；所述做功绳(201)上设有控制所述第一连接件(701)长度的第二驱动器(501)。

3.根据权利要求2所述的风力做功系统，其特征在于，所述做功模块(301)的迎风面中心设有供所述做功绳(201)穿过的开孔，所述开孔边缘通过若干第三连接件(901)连接至位于所述迎风面中心处的做功绳(201)；位于所述迎风面中心处的做功绳(201)设置有控制所述第三连接件(901)长度的第三驱动器(801)。

4.根据权利要求3所述的风力做功系统，其特征在于，所述第一连接件(701)、第二连接件(601)和第三连接件(901)包括绳索，所述第一驱动器(401)、所述第二驱动器(501)和所述第三驱动器(801)包括卷扬机。

5.根据权利要求3所述的风力做功系统，其特征在于，所述风力做功系统设有供电模块以及分别用于监测风况和海拔的传感器模块和GPS模块，所述供电模块为所述第一驱动器、第二驱动器和第三驱动器供电；所述第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器、所述监测模块和所述GPS模块分别通过无线接收模块连接至地面模块。

6.根据权利要求5所述的风力做功系统，其特征在于，所述地面模块根据所述监测模块和所述GPS模块传输的数据自动控制所述第一驱动器，和/或第二驱动器，和/或第三驱动器；或者，地面操作人员根据所述数据手动控制所述第一驱动器，和/或第二驱动器，和/或第三驱动器。

7.一种风力做功系统的做功方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)做功模块的迎风面上行至上限高度时，缩短第二连接件(601)的长度使所述迎风面向内凹以减小所述迎风面的面积；

2)地面系统收回做功绳(201)，所述做功模块下行；

3)所述做功模块下行至下限高度时，释放所述第二连接件(601)的长度使迎风面展开；

4)地面系统释放做功绳(201)，所述做功模块(301)在风力作用下上行，通过做功绳(201)驱动所述地面系统做功；

5)重复上述步骤1)至4)；

其中，所述迎风面的外沿通过若干第一连接件(701)连接至所述做功绳(201)，所述外沿内侧的迎风面通过若干第二连接件(601)连接至所述做功绳(201)。

8.根据权利要求7所述的做功方法，其特征在于，还包括调整第一连接件(701)的长度的步骤：

所述做功模块的迎风面上行至上限高度时，释放所述第一连接件(701)的长度；所述做功模块的迎风面下行至下限高度时，缩短或调整所述第一连接件(701)的长度。

9.根据权利要求8所述的做功方法，其特征在于，所述做功方法还包括同时调整所述第一连接件(701)和所述第二连接件(601)的长度。

10.根据权利要求7至9任一项所述的做功方法，其特征在于，所述做功绳(201)穿过所述迎风面中心的开孔，所述开孔通过若干第三连接件(901)连接至位于所述开孔中心的做功绳(201)，所述做功方法还包括调整所述开孔大小的步骤：

所述做功模块下行至下限高度时，缩短所述第三连接件(901)的长度以缩小所述开孔；

所述做功模块上行至上限高度时，释放所述第三连接件(901)的长度以扩大所述开孔，释放所述迎风面的压力。

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