CN109917493A - 一种高空风能资源测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高空风能资源测量装置及方法。测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；测量方法通过建立高空氦气艇多个运动状态对应的力学模型，获取对应的风速风向测量公式；对系留绳索进行微元力学分析，确定系留氦气艇的位置信息、高空系留点处拉力及海拔信息之间的转换关系，获取氦气艇在有风静止状态下的风速数据的多种测量方案；针对因气艇运动与实际大气运动之间的差异、系留气艇的姿态角等因素导致的风速的测量误差，提出误差修正方法，完善所述风速风向测量公式。最终根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。

Description

一种高空风能资源测量装置及方法

技术领域

本发明涉及风能领域，特别是涉及一种高空风能资源测量装置及方法。

背景技术

风力发电作为一种获取能源的有效途径，与传统的化石能源发电方式相比，在时空特性上具有强随机性，因此，风能资源的准确测量与评估十分重要。

在高空风能资源的测量过程中，现有技术主要包括测风塔及轨迹测风法。测风塔因其建设成本高、周期长、建成后无法二次移动、无法满足突发性监测需求以及监测高度有限等缺陷，逐渐被以高空氦气艇为核心的轨迹测风法所取代。但是由于对氦气艇的运动轨迹的不完全跟踪、氦气艇的运动与实际大气的运动之间的差异等问题，轨迹测风法的测量误差较大，精确度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高风能资源测量方法的精确度的高空风能资源测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高空风能资源测量装置，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；

所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；

所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；

所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；

所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。

一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量装置，所述测量方法包括：

建立高空中所述氦气艇的多个运动模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；

获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；

根据实时采集的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。

可选的，所述建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型具体包括：

建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，所述力学参考坐标系包括地面坐标系、艇体坐标系和气流坐标系；

根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动；

根据所述氦气艇的运动状态建立所述氦气艇的多个运动状态模型；

根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个运动状态模型对应的力学模型；

根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式。

可选的，所述根据实时采集的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息具体包括：

根据所述氦气艇在空中的运动状态信息，选取对应的所述氦气艇的运动状态模型；

选取与所述氦气艇的运动状态模型对应的力学模型；

选取与所述的力学模型对应的风速风向测量公式，将所述氦气艇在空中的运动状态信息代入所述风速风向测量公式，获取实时风速与风向的测量值；

可选的，所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：

以地面系留点为O点，轴OX₁和OY₁与地面平行，轴OX₁指向东，轴OY₁指向南，OZ₁垂直地面向上，建立所述地面坐标系；

以氦气艇浮心为O点，OX₂轴沿氦气艇横轴方向，指向鼻部；OZ₂沿氦气艇的竖轴方向，垂直OX₂轴向上；OY₂按照右手法则定义，建立所述艇体坐标系；

以氦气艇浮心在地面的投影为O点，轴OX₃指向气流方向的反方向，OZ₃垂直OX₃轴向上，OY₃按照右手法则定义，建立所述气流坐标系。

可选的，所述根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动具体包括：

通过判断所述氦气艇的加速度是否为0，将所述运动状态分为稳态运动和非稳态运动，所述稳态运动状态为加速度为0的运动状态，所述非稳态运动状态为具有加速度的运动状态；

所述的稳态运动状态包括：无风静止状态、有风静止状态；

所述的非稳态运动状态包括：竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动、变轨运动、水平面的匀速圆周运动。

可选的，所述根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：

根据所述的稳态运动与非稳态运动，建立对应的运动状态力学模型，所述运动状态力学模型包括无风静止状态下的力学模型、有风静止状态下的力学模型、变轨运动情况下的力学模型、水平面的匀速圆周运动情况下的力学模型、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的力学模型；

根据所述地面坐标系，将所述氦气艇的受力情况在轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁方向上进行分解；

根据多个所述运动状态模型获得所述力学平衡方程：

所述的无风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的有风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的变轨运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的水平面的匀速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的竖直面的匀速、变速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

其中，m代表整个装置的总质量，a_x、a_y、a_z代表氦气艇加速度在地面坐标系轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁上的分量，D_x、D_y、D_z代表氦气艇所受空气阻力在地面坐标系轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁上的分量，G代表整个装置所受重力，B代表氦气提供的浮力，L代表系留氦气艇所受的空气升力，T代表绳索与氦气艇连接处的拉力，θ代表绳索与平面X₁OY₁的夹角，α代表风向角。

可选的，所述建立对应的多个运动状态力学模型还包括基于微元法的绳索力学模型：

建立绳索任意微元段有风静止状态对应的绳索力学平衡方程：

其中，为拉力T_i与地面坐标系中OY₁轴的夹角，r为缆绳半径，ρ_rope为缆绳线密度，D为单位面积的空气阻力；

根据所述的绳索力学平衡方程，绳索上每个微元段处的拉力大小T_i和与地面坐标系中OY₁轴的夹角的关系式为：

根据所述的微元法，将每段微元段的长度ds按照其方向角投影到地面坐标系的公式为：

基于微元法的绳索力学模型还包括系留氦气艇的高空系留点的拉力与氦气艇位置信息之间的对应关系，具体为：

根据高空系留点处的拉力大小T₀及方向可通过上述四式(顺推)确定氦气艇位置信息；根据所述氦气艇的位置信息，可通过上述四式(逆推)确定高空系留点处的拉力大小和方向。

所述高空系留点为所述绳索与所述氦气艇的连接处。

可选的，所述的导出氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：

根据多个所述力学模型，导出对应的风速风向测量公式：无风静止状态下的风速风向测量公式、有风静止状态下的风速风向测量公式、变轨运动情况下的风速风向测量公式、水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的风速风向测量公式，

所述的无风静止状态下的风速风向测量公式为：

v＝0

α＝0

所述的有风静止状态下的风速风向测量公式为：

所述的有风静止状态下的风速测量公式，除以上公式以外，还包括：

通过建立所述氦气艇位置信息(x,y,z)、绳索长度L、绳索与地面的夹角θ之间的关系：

z＝L·sinθ

将上述公式与所述有风静止状态下的第一种风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第二种风速测量方法；

将所述基于微元法的绳索力学模型与所述有风静止状态下的风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第三种风速测量方法；

所述的变轨运动情况下的风速风向测量公式为：

所述的水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

所述的竖直面的匀速、变速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

可选的，还包括：由于系留气艇的姿态角、气艇运动与实际大气运动之间的差异等因素，导致风速的测量值与真实值之间存在误差。测量误差的修正具体包括：

系留氦气艇的俯仰角、滚转角、航向角的存在将导致加速度的测量值与带入测量公式中的加速度值存在差异，具体修正方法为：

仅存在俯仰角γ₁时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₁±a_z2·sinγ₁

a_y＝a_y2

仅存在滚转角γ₂时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2

a_y＝a_y2·cosγ₂±a_z2·sinγ₂

仅存在航向角γ₃时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₃±a_y2·sinγ₃

a_z＝a_z2

其中，上述公式中的“±”、是由姿态角γ₁的范围决定的，a_xi、a_yi、a_zi是修正前的加速度测量值，a_x、a_y、a_z是修正后的加速度准确值。

通过对所述的加速度的准确值在时间域进行积分，获取t时刻系留氦气艇的运动速度，该运动速度即风速的真实值与测量值之间的误差值。

所述风速的真实值为v_真实风速＝v+v(t)_误差。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开一种高空风能资源测量装置及方法。所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；该方法建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；对系留绳索进行微元力学分析，确定系留氦气艇的位置信息、高空系留点处拉力及海拔信息之间的转换关系，在不额外增加硬件设备的基础上获取系留气艇在有风静止状态下的风速数据的多种测量方案；针对因气艇运动与实际大气运动之间的差异、系留气艇的姿态角等因素导致的风速的测量误差，提出误差修正方法，完善所述风速风向测量公式；根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的高空风能资源测量方法的流程图；

图2为本发明提供的系留氦气艇测风装置模型图；

图3为本发明提供的高空运动系留氦气艇的3种参考坐标系图；

图4为本发明提供的无风静止状态的受力分析图；

图5-1为本发明提供的变轨运动状态的受力分析图；

图5-2为本发明提供的变轨运动状态的绳索拉力、空气阻力及水平面的合力分析图；

图6为本发明提供的水平面的匀速圆周运动状态的受力分析图；

图7为本发明提供的竖直面的匀速、变速圆周运动状态的受力分析图；

图8为本发明提供的有风静止状态下的受力分析图；

图9为本发明提供的绳索力学模型图；

图10-1为本发明提供的系留氦气艇的俯仰角示意图；

图10-2为本发明提供的系留氦气艇仅存在俯仰角情况的时加速度误差修正原理图；

图10-3为本发明提供的系留氦气艇的滚转角示意图；

图10-4为本发明提供的系留氦气艇仅存在滚转角情况时的加速度误差修正原理图；

图10-5为本发明提供的系留氦气艇的航向角示意图；

图10-6为本发明提供的系留氦气艇仅存在航向角情况时的加速度误差修正原理图；

图11为本发明提供的风速测量值与真实值间的关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高风能资源测量方法的精确度的高空风能资源测量装置及方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(1)如图2所示，一种高空风能资源测量装置，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；

所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；

所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；

所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；

所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。

(2)如图1所示，一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量装置，所述测量方法包括：

1)建立力学参考坐标系。

如图3所示，所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：

以地面系留点为O点，轴OX₁和OY₁与地面平行，轴OX₁指向东，轴OY₁指向南，OZ₁垂直地面向上，建立所述地面坐标系；

以氦气艇浮心为O点，OX₂轴沿氦气艇横轴方向，指向鼻部；OZ₂沿氦气艇的竖轴方向，垂直OX₂轴向上；OY₂按照右手法则定义，建立所述艇体坐标系；

以氦气艇浮心在地面的投影为O点，轴OX₃指向气流方向的反方向，OZ₃垂直OX₃轴向上，OY₃按照右手法则定义，建立所述气流坐标系。

2)对高空系留气艇进行力学分析。

所述的建立对应的多个力学模型，氦气艇高空所受力分为空气阻力、空气升力、浮力、重力及绳索拉力，具体包括：

①空气阻力

系留气艇所受空气阻力D是由系留气艇与气流的相对运动导致的。不失一般性，假设气流只存在于平面X₁OY₁内，在地面坐标系中，将平面X₁OY₁、轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁上的系留气艇与气流的相对运动速度分别记为v、v_x、v_y、v_z。v与v_x、v_y的关系满足公式1、2。

v_x＝vcosα (1)

v_y＝vsinα (2)

因此，空气阻力包含3个分量：水平方向的空气阻力D_x和D_y、竖直方向的空气阻力D_z，通过公式3-5可求出空气阻力在地面坐标系的3个坐标轴上的分量。

其中，ρ_air是空气密度。S_D是系留气艇物理最大横截面积，与气艇的体积、形状有关；C_D是与气艇材质有关的空气阻力系数，S_D、C_D均可由风洞实验测出精确值。

②空气升力

通过公式6可求出系留气艇所受的空气升力L。

其中，S_L是气艇双翼的投影面积；C_L是与气艇材质有关的升力系数，二者均可由风洞实验测出精确值。

③浮力

系留气艇所受浮力B，与所在飞行高度上空气密度ρ_air、氦气密度ρ_he、氦气体积V_ship及重力加速度g有关，满足公式7的关系。

B＝ρ_difference V_ship g (7)

其中，ρ_difference为空气与氦气的密度差值，可通过式8求得。

ρ_difference＝ρ_air-ρ_he (8)

任何气体密度ρ与大气压力P和大气热力学温度T有关，具体关系为公式9。

其中，通过公式10可求出参数K。

其中，M_V＝1.8×10^-2kg/mol是水的摩尔质量，M_a是干燥空气的平均摩尔质量，Z是空气压缩系数，R＝8.314J/(mol·K)是摩尔气体常数，x_V是水蒸气的摩尔分数。

在空气中的CO₂含量x_CO2可以被测得的前提下，通过公式11可计算出干燥空气的摩尔质量M_a。

通过公式12可计算出水蒸气摩尔分数x_V。

其中，通过公式13、公式14可求得p_sv和f(p,t)。

f＝α+βP+γt² (14)

通过公式15可求得空气压缩系数Z。

其中，h是空气相对湿度，P是空气压力，t是温度，f(P,t)是增强因子，p_sv是饱和空气压力，T是热力学温度，其他均为常数(详见CIPM-2007公式表)，K是与空气中CO₂含量、空气湿度有关的参数。

由上述公式可知，只要通过仪器精确取得温度、湿度、压力以及CO₂含量参数就可以准确测算出任意空间状态下的空气密度。

④重力

系留气艇所受重力G，与气艇质量m_ship、氦气质量m_he、系留绳索质量m_rope、包括传感器在内的其他器件的质量m_sensor及重力加速度g有关，具体关系为公式16。

G＝(m_ship+m_he+m_rope+m_sensor)g (16)

其中，通过公式17可求得氦气质量m_he。

m_he＝ρ_heV_ship (17)

⑤拉力

系留气艇所受绳索拉力T可被分解为竖直方向的分量T_z、水平方向的分量T_x、T_y，并且满足公式18-20的关系：

T_x＝Tcosθcosα (18)

T_y＝Tcosθsinα (19)

T_z＝Tsinθ (20)

其中，θ是系留绳索与地面的夹角，α是风向角。

3)建立高空中所述氦气艇的多个运动模型。

根据系留氦气艇的受力是否平衡(通过加速度是否为0来判断)，可将其高空运动状态分为稳态(加速度为0)、非稳态(加速度不为0)两种。稳态包含2种状态：无风静止、有风静止状态；非稳态包含4种状态：竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动、变轨运动、水平面的匀速圆周运动。

根据所述的稳态运动与非稳态运动，建立对应的运动状态力学模型，所述运动状态力学模型包括无风静止状态下的力学模型、有风静止状态下的力学模型、变轨运动情况下的力学模型、水平面的匀速圆周运动情况下的力学模型、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的力学模型。

稳态:当系留氦气艇处于无风静止状态时，受到竖直向上的浮力B、竖直向下的重力G、竖直向下的拉力T，如图4所示；当系留氦气艇处于有风静止状态时，除上述3个力以外，将额外受到气流提供的升力L、绳索拉力T在水平方向的分量、空气阻力D_xoy，如图8所示。

非稳态：当系留氦气艇处于水平面的匀速圆周运动时，受到竖直向上的浮力B、竖直向下的重力G、绳索拉力T在水平及竖直方向的分量、空气阻力D_xoy，气流提供的升力L，如图6所示；当系留氦气艇处于变轨运动、竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动时，受力情况均相同，但相比于上述6个力以外，将额外受到空气阻力D_z，分别如图5-1、7所示。

各个模型的受力情况如表1所示。

表1高空系留氦气艇受力情况分类表

4)建立多个运动状态模型对应的力学模型，获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式。

根据所述地面坐标系，将所述氦气艇的受力情况在轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁方向上进行分解，得到氦气艇的多个运动模型对应的力学模型。

所述的导出氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：

根据多个所述力学模型，导出对应的风速风向测量公式：无风静止状态下的风速风向测量公式、有风静止状态下的风速风向测量公式、变轨运动情况下的风速风向测量公式、水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的风速风向测量公式。

①非稳态——变轨运动：如图5-1所示，系留氦气艇在竖直方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·sinθ、重力G、浮力B、升力L及竖直方向的空气阻力D_z，5个力未达到平衡，导致系留氦气艇在竖直方向上产生运动加速度；系留氦气艇在水平方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·cosθ以及水平方向的空气阻力D_xoy，2个力未达到平衡，导致系留氦气艇在水平方向上产生运动加速度。

由于系留氦气艇此时在X₁OY₁平面受力不平衡。具体表现为：在X₁OY₁平面上，空气阻力D_xoy与绳索拉力分量T·cosθ不共线，导致系留氦气艇出现变轨运动。

可建立系留氦气艇的力学方程如公式21所示。

在X₁OY₁平面内，拉力T的分量为Tcosθ、空气阻力D_xoy的分量可通过公式22求得。

η₁＝η₃ (25)

η₄＝180°-η₂-η₃ (26)

η₅＝η₆-η₂ (29)

拉力T的分量Tcosθ、空气阻力D及合力ma_xoy的关系如图5-2所示，利用三角形的几何关系，通过公式23-29，可得出风速的测量公式如公式30所示。

风向的测量公式如公式31所示。

②非稳态——水平面的匀速圆周运动

如图6所示，水平面的匀速圆周运动与变轨运动的受力有2点差异：第一，由于前者不存在竖直方向上的运动，因此不受竖直方向的空气阻力D_z；第二，水平面的匀速圆周运动的加速度方向与Tcosθ同向，变轨运动的水平面合力方向与Tcosθ不同向，具体体现在图5-2中，变轨运动满足η₆≠0，水平面的匀速圆周运动满足η₆＝0。水平面的匀速圆周运动的其他的受力情况与变轨运动一致。

由于系留氦气艇此时在X₁OY₁平面受力不平衡，如图6所示。具体表现为：在X₁OY₁平面上，空气阻力D_xoy与绳索拉力在X₁OY₁的分量T·cosθ共线(要求风速大小不变、风向改变速率与匀速圆周运动角速度一致)，此时合力方向与T·cosθ同向，大小恒定，导致系留氦气艇在X₁OY₁平面出现匀速圆周运动。

可建立系留氦气艇的力学方程如公式32所示。

与变轨运动相比，对于水平面的匀速圆周运动而言，图5-2中的η₆满足η₆＝0，此外还满足a_z＝0、D_z＝0。将上述3个条件带入公式47、48，可得出风速、风向的测量公式如公式33、34所示。

③非稳态——竖直面的匀速、变速圆周运动

如图7所示，系留氦气艇在竖直方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·sinθ、重力G、浮力B、升力L及竖直方向的空气阻力D_z，5个力未达到平衡，导致系留氦气艇在竖直方向上产生运动加速度；系留氦气艇在水平方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·cosθ以及水平方向的空气阻力D_xoy，2个力未达到平衡，导致系留氦气艇在水平方向上产生运动加速度。水平、竖直方向上的加速度的矢量和组成了圆周运动的加速度。

可建立系留氦气艇的力学方程如公式35所示。

与变轨运动相比，对于竖直面的匀速、变速圆周运动而言，图5-2中的η₆满足η₆＝0，将此条件带入公式30、31，可得出风速、风向的测量公式如公式36、37所示。

④稳态运动——有风静止

如图8所示，系留氦气艇在竖直方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·sinθ、重力G、浮力B、升力L，4个力达到平衡；系留氦气艇在水平方向上受到拉力T在竖直方向上的分量T·cosθ以及水平方向的空气阻力D_xoy，2个力达到平衡。

可建立系留氦气艇的力学方程如公式38所示。

与变轨运动相比，对于有风静止状态而言，图5-2中的η₆满足η₆＝0，此外还满足a_z＝0、a_x＝0、a_y＝0、D_z＝0，将上述条件带入公式30、31，可得出风速、风向的测量公式如39、40所示。

5)建立稳态-有风静止下的绳索力学模型

高空系留氦气艇采用高弹性模量材料，在拉力作用下轴向拉伸变形很小，因此在进行缆绳拉力计算时，可忽略缆绳的拉伸变形。本发明假设缆绳所受气流均匀分布，且气流始终保持水平方向。

将长度为S_rope的缆绳分为N个长度均为ds的微元段，微元段之间只传递力而不传递力矩，任一微元段ab的受力分析。当系留氦气艇处于有风静止状态时，ab微元段在上下端点的拉力、重力和空气阻力作用下处于平衡状态，建立力学平衡方程如公式41所示。

其中，为拉力T_i与地面坐标系中OY₁轴的夹角，r为缆绳半径，ρ_rope为缆绳线密度，D为单位面积的空气阻力。

如图9所示，给定高空系留点(系留氦气艇与绳索的连接点)处的拉力大小为T₀，与地面坐标系中OY₁轴的夹角为对每个微元段进行受力分析，同时考虑微元段间的受力传递，由系留氦气艇系留点处，逐段积分计算到地面系留点处，确定缆绳上每个微元段处的拉力大小T_i及与地面坐标系中OY₁轴的夹角具体关系如公式42、公式43所示。

将每段微元段的长度ds按照其方向角通过公式44、45投影到地面坐标系中。

确定高空系留点的坐标为

根据高空系留点处的拉力大小T₀及方向可通过上述四式(顺推)确定氦气艇位置信息；根据所述氦气艇的位置信息，可通过上述四式(倒推)确定高空系留点处的拉力大小和方向。所述高空系留点为所述绳索与所述氦气艇的连接处。

将所述基于微元法的绳索力学模型与所述有风静止状态下的风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第二种风速测量方法。

通过建立所述氦气艇位置信息(x,y,z)、绳索长度L、绳索与地面的夹角θ之间的关系，如公式46、47所示。

z＝L·sinθ (46)

将上述两个公式与所述有风静止状态下的第一种风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第三种风速测量方法；

6)测量误差的修正

根据权利要求4所述的获取实时风速与风向的准确测量值，还包括：由于系留气艇的姿态角、气艇运动与实际大气运动之间的差异等因素，导致风速的测量值与真实值之间存在误差。测量误差的修正具体包括：

系留氦气艇的俯仰角、滚转角、航向角的存在将导致加速度的测量值与带入测量公式中的加速度值存在差异，具体修正方法为：

①如图10-1所示，仅存在俯仰角γ₁时，地面坐标系与艇体坐标系存在夹角，具体体现为：OX₁与OX₂、OZ₁与OZ₂均存在角度为γ₁的夹角，OY₁与OY₂之间不存在夹角。此时在艇体坐标系下，三轴加速度的测量值分别记为a_x2、a_y2、a_z2，并将其在地面坐标系中的投影分别记为a_x、a_y、a_z。如图10-2所示，a_x与a_x2、a_y与a_y2、a_z与a_z2之间的关系满足公式48-50，式中的“±”、是由姿态角γ₁的范围决定的。将修正后的a_x、a_y、a_z带入力学模型中，即可保证风速测量结果的准确性。误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₁±a_z2·sinγ₁ (48)

a_y＝a_y2 (49)

②如图10-3所示，仅存在滚转角γ₂时，地面坐标系与艇体坐标系存在夹角，具体体现为：OZ₁与OZ₂、OY₁与OY₂均存在角度为γ₂的夹角，OX₁与OX₂之间不存在夹角。此时在艇体坐标系下，三轴加速度的测量值分别记为a_x2、a_y2、a_z2，并将其在地面坐标系中的投影分别记为a_x、a_y、a_z，如图10-4所示，a_x与a_x2、a_y与a_y2、a_z与a_z2之间的关系满足公式51-53，式中的“±”、是由姿态角γ₂的范围决定的。将修正后的a_x、a_y、a_z带入力学模型中，即可保证风速测量结果的准确性。误差修正公式为：

a_x＝a_x2 (51)

a_y＝a_y2·cosγ₂±a_z2·sinγ₂ (52)

③如图10-5所示，仅存在航向角γ₃时，地面坐标系与艇体坐标系存在夹角，具体体现为：OX₁与OX₂、OY₁与OY₂均存在角度为γ₃的夹角，OZ₁与OZ₂之间不存在夹角。此时在艇体坐标系下，三轴加速度的测量值分别记为a_x2、a_y2、a_z2，并将其在地面坐标系中的投影分别记为a_x、a_y、a_z，如图10-6所示，a_x与a_x2、a_y与a_y2、a_z与a_z2之间的关系满足公式54-56，式中的“±”、是由姿态角γ₃的范围决定的。将修正后的a_x、a_y、a_z带入力学模型中，即可保证风速测量结果的准确性。误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₃±a_y2·sinγ₃ (54)

a_z＝a_z2 (56)

其中，上述公式中的“±”、是由姿态角γ₁的范围决定的，a_xi、a_yi、a_zi是修正前的加速度测量值，a_x、a_y、a_z是修正后的加速度准确值。

通过对所述的加速度的准确值在时间域进行积分，获取t时刻系留氦气艇的运动速度，该运动速度即风速的真实值与测量值之间的误差值。

如图11所示，所述风速的真实值为v_真实风速＝v+v(t)_误差。

7)测风过程。

根据所述氦气艇在空中的运动状态信息，选取对应的所述氦气艇的运动状态模型；

选取与所述氦气艇的运动状态模型对应的力学模型；

选取与所述的力学模型对应的风速风向测量公式，将实时采集的运动状态信息代入所述风速风向测量公式，获取实时风速与风向的测量值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种高空风能资源测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；

所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；

所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；

所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；

所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。

2.一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量方法包括：

建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；

获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；

根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。

3.根据权利要求2所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型具体包括：

建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，所述力学参考坐标系包括地面坐标系、艇体坐标系和气流坐标系；

根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动；

根据所述氦气艇的运动状态建立所述氦气艇的多个运动状态模型；

根据多个所述运动状态模型，建立多个运动状态模型对应的力学模型；

根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式。

4.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据所述氦气艇在空中的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息具体包括：

根据所述氦气艇在空中的运动状态信息，选取对应的所述氦气艇的运动状态模型；

选取与所述氦气艇的运动状态模型对应的力学模型；

选取与所述的力学模型对应的风速风向测量公式，将所述氦气艇在空中的运动状态信息代入所述风速风向测量公式，获取实时风速与风向的测量值。

5.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：

以地面系留点为O点，轴OX₁和OY₁与地面平行，轴OX₁指向东，轴OY₁指向南，OZ₁垂直地面向上，建立所述地面坐标系；

以氦气艇浮心为O点，OX₂轴沿氦气艇横轴方向，指向鼻部；OZ₂沿氦气艇的竖轴方向，垂直OX₂轴向上；OY₂按照右手法则定义，建立所述艇体坐标系；

以氦气艇浮心在地面的投影为O点，轴OX₃指向气流方向的反方向，OZ₃垂直OX₃轴向上，OY₃按照右手法则定义，建立所述气流坐标系。

6.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动具体包括：

通过判断所述氦气艇的加速度是否为0，将所述运动状态分为稳态运动和非稳态运动，所述稳态运动状态为加速度为0的运动状态，所述非稳态运动状态为具有加速度的运动状态；

所述的稳态运动状态包括：无风静止状态、有风静止状态；

所述的非稳态运动状态包括：竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动、变轨运动、水平面的匀速圆周运动。

7.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：

根据所述的稳态运动与非稳态运动，建立对应的运动状态力学模型，所述运动状态力学模型包括无风静止状态下的力学模型、有风静止状态下的力学模型、变轨运动情况下的力学模型、水平面的匀速圆周运动情况下的力学模型、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的力学模型；

根据所述地面坐标系，将所述氦气艇的受力情况在轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁方向上进行分解；

根据多个所述运动状态模型获得所述力学平衡方程：

所述的无风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的有风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的变轨运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的水平面的匀速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

所述的竖直面的匀速、变速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：

其中，m代表整个装置的总质量，a_x、a_y、a_z代表氦气艇加速度在地面坐标系轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁上的分量，D_x、D_y、D_z代表氦气艇所受空气阻力在地面坐标系轴OX₁、轴OY₁、轴OZ₁上的分量，G代表整个装置所受重力，B代表氦气提供的浮力，L代表系留氦气艇所受的空气升力，T代表绳索与氦气艇连接处的拉力，θ代表绳索与平面X₁OY₁的夹角，α代表风向角。

8.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述建立对应的多个运动状态力学模型还包括基于微元法的绳索力学模型：

建立绳索任意微元段有风静止状态对应的绳索力学平衡方程：

其中，为拉力T_i与地面坐标系中OY₁轴的夹角，r为缆绳半径，ρ_rope为缆绳线密度，D为单位面积的空气阻力；

根据所述的绳索力学平衡方程，绳索上每个微元段处的拉力大小T_i和与地面坐标系中OY₁轴的夹角的关系式为：

根据所述的微元法，将每段微元段的长度ds按照其方向角投影到地面坐标系的公式为：

基于微元法的绳索力学模型还包括系留氦气艇的高空系留点的拉力与氦气艇位置信息之间的对应关系，具体为：

根据高空系留点处的拉力大小T₀及方向可通过上述四式(顺推)确定氦气艇位置信息；根据所述氦气艇的位置信息，可通过上述四式(倒推)确定高空系留点处的拉力大小和方向。

所述高空系留点为所述绳索与所述氦气艇的连接处。

9.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述的导出氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：

根据多个所述力学模型，导出对应的风速风向测量公式：无风静止状态下的风速风向测量公式、有风静止状态下的风速风向测量公式、变轨运动情况下的风速风向测量公式、水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的风速风向测量公式。

所述的无风静止状态下的风速风向测量公式为：

v＝0

α＝0

所述的有风静止状态下的风速风向测量公式为：

所述的有风静止状态下的风速测量公式，除以上公式以外，还包括：

通过建立所述氦气艇位置信息(x,y,z)、绳索长度L、绳索与地面的夹角θ之间的关系：

z＝L·sinθ

将上述公式与所述有风静止状态下的第一种风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第二种风速测量方法；

将所述基于微元法的绳索力学模型与所述有风静止状态下的风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第三种风速测量方法；

所述的变轨运动情况下的风速风向测量公式为：

所述的水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

所述的竖直面的匀速、变速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

10.根据权利要求4所述的获取实时风速与风向的准确测量值，还包括：数据测量误差的修正，具体包括：

系留氦气艇的俯仰角、滚转角、航向角的存在将导致加速度的测量值与带入测量公式中的加速度值存在差异，具体修正方法为：

仅存在俯仰角γ₁时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₁±a_z2·sinγ₁

a_y＝a_y2

仅存在滚转角γ₂时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2

a_y＝a_y2·cosγ₂±a_z2·sinγ₂

仅存在航向角γ₃时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₃±a_y2·sinγ₃

a_z＝a_z2

其中，上述公式中的“±”、是由姿态角γ₁的范围决定的，a_xi、a_yi、a_zi是修正前的加速度测量值，a_x、a_y、a_z是修正后的加速度准确值；

通过对所述的加速度的准确值在时间域进行积分，获取t时刻系留氦气艇的运动速度，该运动速度即风速的真实值与测量值之间的误差值；

所述风速的真实值为v_真实风速＝v+v(t)_误差。