CN202971044U - 高空风筝发电装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种高空风筝发电装置，其包括地面发电装置和一对高空风筝，地面发电装置包括操作台及设在操作台上的发电机，所述高空风筝由线缆拖曳，线缆与发电机转子联动，当高空风筝上下往复移动时，由线缆带动发电机转子转动进行发电。此外，还设有防缠绕装置，其包括高空风筝位置监控装置、地面控制装置和电控装置，高空风筝位置监控装置安装在高空风筝上，电控装置包括与高空风筝连接的飞行姿态调节装置以及安装在操作台上的底盘控制装置。本实用新型发电装置的结构简单、工艺成本低，同时能够保证连续做功成本低从而有效地提高风能利用率。

Description

高空风筝发电装置
技术领域
本实用新型属于风能利用技术领域，涉及一种发电装置，具体涉及一种高空风筝发电装置。
背景技术
高空风能是人类迄今基本上没有开发利用的新能源，这是一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源。有研究指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多倍。其中，高空的风能与风速的立方成正比，一般来说风速增加1倍，风能增加8倍，因此高空风能可高出地面上的数倍、十数倍、数十倍乃至成百上千倍。在高空位置达到较为理想的情况下，高空风电的理论发电时间可以超过全年时间的95%，年发电时间可高达8200小时以上。因此，采集高空风能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。
当前高空风能发电主要有以下几种方式：一是制作大型风筝携带螺旋桨、发电机升入高空并使用电缆将发电机产生的电能输送到地面。在这种方法中，风筝需要拖曳大量的电缆和发电机、螺旋桨等设备，因而具有负重较大、升空高度有限、能量转化效率低的缺陷，而且发电设备在高空不利于维护；二是将发电机置于地面，使用高空风筝的线缆带动发电机的转子发电，并且在地面安装卷扬机用于在高空风筝下降时回收线缆，但是这种方法只能在风筝上升阶段产生电能，并且需要消耗能源驱动卷扬机回收风筝，因此风能利用率较低；此外，国外研究人员还提出利用多组连接在支架上的风筝拉动地面上的圆盘转动，通过电动卷扬机来控制风筝拉线的收放，实现空中风筝发电，但是这种方式结构复杂、工艺成本高，而且多组风筝一起放飞并不容易控制进而产生缠绕现象。针对上述问题，专利号为ZL201020105122.4的中国实用新型专利公布了一种减少电缆拖曳耗能、大幅增加风能转换效率的高空风筝发电机，尽管其实现了在高空风筝运行任何阶段都能产生电能，然而风筝直线上下移动的方式还没有完全彻底地改善能量转化效率不足够高的问题，此外双线风筝在高空复杂气流条件下可能出现相互缠绕的问题。
发明内容
为弥补现有技术的缺陷，本实用新型旨在设计一种高空风筝发电装置，其特点是结构简单、工艺成本低、连续做功成本低、有效提高风能利用率，解决背景技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本实用新型是通过如下技术方案来实现的：提供了一种高空风筝发电装置，其包括地面发电装置和一对高空风筝，地面发电装置包括操作台及设在操作台上的发电机，所述高空风筝由线缆拖曳，线缆与发电机转子联动，当高空风筝上下往复移动时，由线缆带动发电机转子转动进行发电。此外，还设有防缠绕装置，其包括高空风筝位置监控装置、地面控制装置和电控装置，高空风筝位置监控装置安装在高空风筝上，电控装置包括与高空风筝连接的飞行姿态调节装置以及安装在操作台上的底盘控制装置。
优选的是，地面控制装置包括信号接收装置、计算单元以及控制信号发射装置，其中信号接收装置接收来自于高空风筝位置监控装置发射的高空风筝位置信息，控制信号发射装置将计算单元计算获得的控制指令发送给电控装置，分别对高空风筝的飞行姿态及操作台的底盘进行控制。
在上述任一方案中可选的是，操作台设置在水平面上。
可选的是，操作台与水平面呈30—60度的倾角，例如，33°、35°、38°、40°、43°、45°、48°、50°、53°、55°、58°等。
在上述任一方案中优选的是，高空风筝位置监控装置为GPS定位装置、多普勒宽频雷达或者激光雷达。
在上述任一方案中优选的是，所述飞行姿态调节装置通过控制线与高空风筝连接，飞行姿态调节装置接收来自地面控制装置的控制信号，对高空风筝的飞行姿态进行调整。
在上述任一方案中优选的是，控制线为四根，前端两根控制线穿过飞行姿态调节装置实现联动；后端两根控制线也通过该飞行姿态调节装置，所述飞行姿态调节装置可以伸长或缩紧该后端控制线。
在上述任一方案中优选的是，所述飞行姿态调节装置为伺服电机，也可以是步进电机、普通电机或是锁机。
在上述任一方案中优选的是，与地面控制装置连接有雷达装置，该雷达装置配置地用于测定以地面为基准面垂直向上每五米高度的实时风速，并将测定的风速信息传输给地面控制装置。
       在上述任一方案中优选的是，雷达装置是多普勒宽频雷达或者激光雷达。
       在上述任一方案中优选的是，地面控制装置中还设有显示单元，该显示单元配置地用于显示以地面为基准垂直向上每五米高度的风速信息以及所划分每个风层的平均风速信息，同时可以显示通过地面控制装置中计算单元的计算而得到高空风筝相应的位置坐标。
在上述任一方案中优选的是，显示单元是LED屏幕或者可触摸屏幕。
根据本实用新型的又一个目的，提供一种改进型高空风筝发电装置的使用方法，其中所述改进型高空风筝发电装置包括地面发电装置和一对高空风筝，地面发电装置包括可移动的操作台及设在操作台上的发电机，所述高空风筝由线缆拖曳，线缆与发电机转子联动，当高空风筝上下往复移动时，由线缆带动发电机转子转动进行发电。此外，还设有防缠绕装置，其包括高空风筝位置监控装置、地面控制装置和电控装置，高空风筝位置监控装置安装在高空风筝上，电控装置包括与高空风筝连接的飞行姿态调节装置以及安装在操作台上的底盘控制装置。具体地，该发电装置的使用方法包括如下步骤：
1. 将两风筝依次放飞至空中，通过飞行姿态调节装置改变高空风筝迎风角使风筝可以独自停留在空中，然后继续通过飞行姿态调节装置控制使两个风筝继续上升直至把两端线缆拉直；
2. 通过风筝a的飞行姿态调节装置使得其迎风角减小，风筝a通过线缆的牵引由原有相对于操作台斜上方向运动至正上方，相应地，通过连接在风筝b的飞行姿态调节装置使得风筝b在放飞区域内以8字型轨迹往复运动拉动线缆继续上升并通过线缆带动发电机转子转动产生电能，同时拉动风筝a直线下降；
3. 当风筝a下降至一定高度后，地面控制装置向底盘控制装置发出控制信号使得操作台旋转一定角度，使得被放飞风筝a的牵引线缆所处区域的高度低于被收回风筝b的牵引线缆所处区域的高度，随后采用与步骤2中相反的方式分别控制风筝a和风筝b完成如下操作：即通过风筝b的飞行姿态调节装置使得其迎风角减小，风筝b通过线缆的牵引由原有相对于操作台斜上方向运动至正上方，相应地，通过连接在风筝a的飞行姿态调节装置使得风筝a在放飞区域内以8字型轨迹往复运动拉动线缆继续上升并通过线缆带动发电机转子转动产生电能，同时拉动风筝b直线下降；
4. 重复以上步骤2和3，在每次风筝的收放循环中操作台均通过底盘控制装置相对上一次反向旋转一定的角度，使得被放飞风筝的牵引线缆所处区域的高度低于被收回风筝b的牵引线缆所处区域的高度。
       优选的是，在以上步骤中，通过防缠绕装置实时控制高空风筝的飞行姿态。其中地面控制装置包括信号接收装置、计算单元以及控制信号发射装置，其中信号接收装置接收来自于高空风筝位置监控装置发射的高空风筝位置信息，控制信号发射装置将计算单元计算获得的控制指令发送给电控装置，分别对高空风筝的飞行姿态及操作台的底盘进行控制。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：发电装置的结构简单、工艺成本低，同时能够保证连续做功成本低从而有效地提高风能利用率。
附图说明
    为了使本实用新型便于理解，现在结合附图描述本实用新型的具体实施例。
    图1为根据本实用新型一优选实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例运行过程中高空风筝运行轨迹示意图；
    图3为设置在高空风筝发电装置中防缠绕装置的结构关系图；
    图4为飞行姿态调节装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
如图1所示：一种高空风筝发电装置，其包括地面发电装置和一对高空风筝a和b，地面发电装置包括操作台1及设在操作台上的发电机2，其中操作台1可以通过外部驱动或自驱动的方式移动，所述高空风筝由线缆3拖曳，线缆3与发电机转子联动，当高空风筝上下往复移动时，由线缆带动发电机转子转动进行发电。此外，还设有防缠绕装置，其包括高空风筝位置监控装置4、地面控制装置5和电控装置6，高空风筝位置监控装置4安装在高空风筝上（如图3、图4所示），电控装置6包括分别与两个高空风筝连接的飞行姿态调节装置601、602以及安装在操作台上的底盘控制装置603。
参考图1和图2，整个发电装置的操作方法及工作流程包括如下步骤：
1.将两风筝依次放飞至空中，通过飞行姿态调节装置改变高空风筝迎风角使风筝可以独自停留在空中，然后继续通过飞行姿态调节装置控制使两个风筝继续上升直至把两端线缆拉直；
2.通过风筝a的飞行姿态调节装置601使得其迎风角减小，风筝a通过线缆的牵引由原有相对于操作台斜上方向运动至正上方，相应地，通过连接在风筝b的飞行姿态调节装置602使得风筝b在放飞区域内以8字型轨迹往复运动拉动线缆继续上升并通过线缆带动发电机转子转动产生电能，同时拉动风筝a直线下降；
3.当风筝a下降至一定高度后，地面控制装置8向底盘控制装置603发出控制信号使得操作台旋转一定角度，使得被放飞风筝a的牵引线缆所处区域的高度低于被收回风筝b的牵引线缆所处区域的高度，随后采用与步骤2中相反的方式分别控制风筝a和风筝b完成如下操作：即通过风筝b的飞行姿态调节装置602使得其迎风角减小，风筝b通过线缆的牵引由原有相对于操作台斜上方向运动至正上方，相应地，通过连接在风筝a的飞行姿态调节装置601使得风筝a在放飞区域内以8字型轨迹往复运动拉动线缆继续上升并通过线缆带动发电机转子转动产生电能，同时拉动风筝b直线下降；
4.重复以上步骤2和3，在每次风筝的收放循环中操作台均通过底盘控制装置603相对上一次反向旋转一定的角度，使得被放飞风筝的牵引线缆所处区域的高度低于被收回风筝b的牵引线缆所处区域的高度。
在以上实施例中，操作台可以设置在水平面上，也可以与水平面设置成30—60度的倾角，例如倾角设置为：33°、35°、38°、40°、43°、45°、48°、50°、53°、55°、58°、60°等。其中设置倾角可以在将操作台旋转比较小角度的情况下，即可保证被放飞风筝的牵引线缆所处区域的高度低于被收回风筝b的牵引线缆所处区域的高度，从而避免被放飞风筝以8字型轨迹做往复运动时其牵引线缆不会与被收回风筝的牵引线缆发生缠绕。
高空风筝的飞行姿态调节装置工作流程如下：在上述实施例中，如图4所示，高空风筝上连有四根控制线，分别为前端控制线101、102和后端控制线103、104。这四根控制线穿过飞行姿态调节装置601，该飞行姿态调节装置可以是伺服电机，也可以是步进电机、普通电机或是锁机，飞行姿态调节装置外部与线缆3相连。上述控制线接入飞行姿态调节装置，前端控制线101、102通过飞行姿态调节装置实现联动，即其中一根控制线伸长的同时另一根缩紧。后端控制线103、104也接入飞行姿态调节装置中，控制线103、104在飞行姿态调节装置的控制下既可以实现同步运动，即同时伸长或同时缩紧；也可以实现联动，即类似前端控制线101、102一样一根控制线伸长的同时另一根缩紧。飞行姿态调节装置中有信号接收设备，可以接收地面控制装置的控制信号，根据控制信号调节控制线的状态。例如：伸长控制线101同时缩紧控制线102，使得风筝飞行方向向右偏转；反之向左偏转。同时伸长控制线103和104，使得风筝飞行的垂直角增大；反之风筝飞行的垂直角减小。利用上述飞行姿态调节装置，可以使得高空风筝按照入之前工作流程所述以8字型轨迹往复运动在放飞区域内放出并且从正上方收回的形式进行往复循环运动。
图3示出了本实用新型的发电装置中防缠绕装置的结构关系图，防缠绕装置，其包括高空风筝位置监控装置4、地面控制装置5和电控装置6，高空风筝位置监控装置4安装在高空风筝上，电控装置6包括分别与两个高空风筝连接的飞行姿态调节装置601、602以及安装在操作台2上的底盘控制装置603。其中，地面控制装置5进一步包括信号接收装置501、计算单元502以及控制信号发射装置503。信号接收装置501用于接收来自于高空风筝位置监控装置4发射的高空风筝位置信息，控制信号发射装置503将计算单元502计算获得的控制指令发送给飞行姿态调节装置601、602以及操作台2上的底盘控制装置603，分别对高空风筝的飞行姿态及操作台的底盘进行控制。此外与地面控制装置5还连接有雷达装置7，其中雷达装置可以是多普勒宽频雷达或者激光雷达，雷达装置7配置地用于测定以地面为基准面垂直向上每5米高度的实时风速，然后将测定的风速信息传输给地面控制装置5中的信号接收装置501。
此外，地面控制装置5中还设有显示单元504，该显示单元504可显示上述以地面为基准垂直向上每5米的风速信息以及所划分每个风层的平均风速信息，同时可以显示通过地面控制装置中计算单元的计算而得到高空风筝相应的位置坐标。其中，显示单元504优选的可以是LED屏幕或者可触摸屏幕。
需要说明的是，本实用新型所举实施例只是为了更清楚地表达本实用新型方法，并不用于限制本实用新型。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本实用新型技术方案的范围。

Claims (10)

1.高空风筝发电装置，其包括地面发电装置和一对高空风筝，地面发电装置包括操作台及设在操作台上的发电机，所述高空风筝由线缆拖曳，线缆与发电机转子联动，当高空风筝上下往复移动时，由线缆带动发电机转子转动进行发电，其特征在于：还设有防缠绕装置，所述防缠绕装置包括高空风筝位置监控装置、地面控制装置和电控装置，高空风筝位置监控装置安装在高空风筝上，电控装置包括与高空风筝连接的飞行姿态调节装置以及安装在操作台上的底盘控制装置。
2.如权利要求1所述的高空风筝发电装置，其特征在于：地面控制装置包括信号接收装置、计算单元以及控制信号发射装置，其中信号接收装置接收来自于高空风筝位置监控装置发射的高空风筝位置信息，控制信号发射装置将计算单元计算获得的控制指令发送给电控装置，分别对高空风筝的飞行姿态及操作台的底盘进行控制。
3.如权利要求2所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述操作台设置在水平面上。
4.如权利要求2所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述操作台与水平面呈30—60度的倾角。
5.如权利要求3或4所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述高空风筝位置监控装置为GPS定位装置。
6.如权利要求3或4所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述高空风筝位置监控装置为多普勒宽频雷达。
7.如权利要求3或4所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述高空风筝位置监控装置为激光雷达。
8.如权利要求1-4中任一项所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述飞行姿态调节装置通过控制线与高空风筝连接，飞行姿态调节装置接收来自地面控制装置的控制信号，对高空风筝的飞行姿态进行调整。
9. 如权利要求8所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述控制线为四根，前端两根控制线穿过飞行姿态调节装置实现联动；后端两根控制线也通过该飞行姿态调节装置，所述飞行姿态调节装置可以伸长或缩紧该后端控制线。
10.如权利要求9所述的高空风筝发电装置，其特征在于：所述飞行姿态调节装置为电机。
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