CN111911349B - 基于动态平衡扑翼的高空风能发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，包括发电机构，其包括发电机和变速器以及两套发电驱动装置，两套发电驱动装置之间通过换向离合器连接；导索机构一端连接在驱动装置上，另一端与扑翼连接；松紧索机构包括动力装置和松紧索，松紧索一端与导索机构连接，另一端与动力装置连接，通过动力装置控制其长度控制扑翼俯仰交替运动；扑翼通过导索机构与驱动装置连接，通过扑翼的俯仰交替运动带动驱动装置驱动发电机进行发电。本发明扑翼的气动力即可用于牵引地面发电机发电又可用于平衡自身重力，进一步利用双扑翼进行高空风能采集可以消除传统牵引发电的恢复段、实现全周期发电的目标，进而提高***能量采集的效率。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***。
背景技术
风能是仅次于太阳能的第二大可再生能源，全球风能储量约为2.84万亿kW，依据当前风能采集技术得到的可利用量约为600亿kW左右。风能储量巨大，同时也是当前占比最大和增长最快的可再生能源。中高空蕴藏大面积高能量密度的优质风能。但是受限于风能开发利用技术，当前可利用的风能资源占全球风能储量比例极低。因此，提高风能的开发利用水平是可再生能源领域发展的重点之一。
高空风能资源远离地面，塔架支撑的旋转透平风力机鞭长莫及，给高空风能的开发利用带来了巨大的技术挑战。为此，国家***和能源局在《能源技术革命创新行动计划(2016–2030年)》中将高空风能的开发利用列为重点方向之一。近年来，高空风能采集已成为新能源领域的研究热点，研究人员对当前的技术路线进行了汇总，并分成了两大类：空中发电和地面发电。空中发电方案中，高空悬浮的风力机与发电机相连，风能可直接转化为电能，这条技术包括两种具体的实现方案：浮力风力和飞行涡轮。该方案适合小规模风能采集，为诸如通讯装置等机载设备供电。地面发电方案中，风能首先通过高空风力机转化为机械能，机械能通过导索传递到地面发电机转化为电能。地面发电方案是大规模利用高空风能发电的发展方向，翼伞牵引是其中的典型代表。翼伞的运动轨迹包含了两个阶段：在发电段，翼伞通过牵引索带动发电机发电；在电动段地面电动机回卷牵引索，将翼伞拉回初始做功位置。翼伞牵引理论上可达MW级发电功率，但传统翼伞牵引存在一定局限性，其电动段降低能量采集效率的同时增加了***的复杂程度。
扑翼能量采集是一种不同于传统旋转透平的新型流体能转化方式，从扑翼能量采集原型机首次提出至今近40年间，扑翼能量采集效率从28％提高到了40％，扑翼的运动模式也从当初的主动运动发展成全被动运动。扑翼能量采集的相关研究表明，扑翼运动不仅具有高效的推进性能，还可以具有优秀的能量采集性能。扑翼能量采集技术已应用于水能的开发利用。除了优秀的能量采集性能，更重要的是扑翼具有平衡自身重力的天然特性。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状中问题，旨在提供一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，通过一对扑翼之间的相互配合，实现扑翼在高空中的动态平衡，通过控制索控制扑翼的俯仰运动，扑翼沉浮运动产生的动力通过动力索传递到地面，机电转化过程完全在地面完成，这种方法将风能的采集和风能的转化在空间上分离，使得风能的采集能在更高空中进行。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，包括
发电机构，其包括发电机和变速器以及两套发电驱动装置，所述两套发电驱动装置之间通过换向离合器连接，所述发电机和变速器设置在任意一套驱动装置端部与其同轴连接；
导索机构，其一端连接在驱动装置上，另一端与扑翼连接；
松紧索机构，其包括动力装置和松紧索，所述松紧索一端与所述导索机构连接，另一端与所述动力装置连接，通过所述动力装置控制其长度控制所述扑翼俯仰交替运动；
扑翼，其通过导索机构与驱动装置连接，通过所述扑翼的俯仰交替运动带动所述驱动装置驱动所述发电机进行发电。
进一步地，所述扑翼前缘和后缘之间设有俯仰轴，俯仰轴设置在扑翼的气动中心和前缘之间，扑翼的重心位于俯仰轴和尾缘之间，所述俯仰轴下方设有平衡轴，所述平衡轴与俯仰轴平行设置。
进一步地，所述导索机构包括动力索和控制索，所述驱动装置包括动力索卷扬机和控制索卷扬机；其中动力索一端连接所述动力索卷扬机，中间经过节点A后分成多股，每一股动力索穿过平衡轴后连接在扑翼的俯仰轴上；所述控制索经过平衡轴中间的滑轮后连接在扑翼尾缘处。
进一步地，所述动力装置包括电动机和松紧索卷扬机，所述电动机和松紧索卷扬机同轴设置，所述电动机驱动所述松紧索卷扬机对所述松紧索进行收放。
进一步地，所述松紧索连接松紧索卷扬机的另一端连接在滑轮组上，所述滑轮组包含两并列设置的单滑轮，所述滑轮组挂在所述控制索上，控制索设置在两并列的单滑轮中间。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1.本发明利用扑翼进行高空风能采集的优势在于扑翼的气动力即可用于牵引地面发电机发电又可用于平衡自身重力，进一步利用双扑翼进行高空风能采集可以消除传统牵引发电的恢复段、实现全周期发电的目标，进而提高***能量采集的效率。
2.本发明合理地选择扑翼的俯仰轴位置及重心位置，利用扑翼气动力矩和重力力矩相互平衡，将扑翼的攻角锁定在一个合适的位置，进而保证在扑翼俯仰角控制***失效的情况下，扑翼仍然能维持一个正攻角而不至于下坠。
3.本发明利用动力索卷扬机带动控制索卷扬机，保证控制索能跟随动力索同步变化长短，在此基础上利用松紧索拉动控制索，改变控制索的有效长度，即改变扑翼尾缘到控制索卷扬机的距离和扑翼的俯仰角。俯仰运动控制器***在控制俯仰角时无需考虑控制索在空中的长度。
4.本发明采用平衡轴降低俯仰轴弯曲力矩，将俯仰轴的弯曲应力转化为平衡轴的压应力，从而使得扑翼的展弦比可以更大，***做功能力也因此更强。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明发电***的受力及运动状态，其中(a)为第一冲程两扑翼受力和运动状态图，(b)为第二冲程两扑翼受力和运动状态图；
图3为本发明扑翼受力分析图；
图4为本发明平衡轴受力分析图；
图中，1-发电机；2-变速器；3-第一动力索卷扬机；4-第一控制索卷扬机；5-换向离合器；6-第二动力索卷扬机；7-第二控制索卷扬机，8-第一电动机；9-第一松紧索卷扬机；10-滑轮；11-滑轮组；12-第一动力索；13-第一控制索；14-第一松紧索；15-平衡轴；16-俯仰轴；17-第一扑翼；18-第二扑翼；19-第二松紧索；20-第二控制索；21-第二动力索。
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。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请提供基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，包括发电机构、导索机构、松紧索机构和扑翼，其中扑翼设置在空中，发电机构设置在地面，导索机构用于连接地面的发电机构和空中的扑翼，松紧机构由动力装置驱动用于控制导索机构从而控制扑翼俯仰交替运动。在本实施例中，发电机构包括发电机1和变速器2以及两套发电驱动装置，两套发电驱动装置之间通过换向离合器5连接，所述发电机1和变速器2设置在任意一套驱动装置端部与其同轴连接，对应地，本实施例中，扑翼以及导索机构和松紧机构均设置两套，两个扑翼之间进行俯仰交替运动实现全周期发电。
如图1所示，本实施例中包含两部分：地面部分和空中部分。其中空中部分负责将风能转化为机械能，地面部分负责将机械能转化为电能。地面部分包括依次设置的发电机1、变速器2、第一动力索卷扬机3、第一控制索卷扬机4、换向离合器5、第二动力索卷扬机6、第二控制索卷扬机7，第一电动机8同轴连接第一松紧索卷扬机9，第二电动机(图中未示出)同轴连接第二松紧索卷扬机(图中未示出)，第一松紧索14一端连接第一松紧索卷扬机9，一端通过滑轮组11连接第一控制索13；第二松紧索19一端连接第二松紧索卷扬机，一端通过滑轮组11连接第二控制索20，第一电动机8和第二电动机由独立电源供电，控制器独立控制两个松紧索卷扬机的转速和方向。在上述实施例中，控制索穿过滑轮组11中两并列设置的单滑轮之间，由于扑翼受到向上的升力，因此可以保证松紧索始终保持绷直状态，滑轮组11设置在控制索上不会掉落。
第一动力索卷扬机3、第一控制索卷扬机4和第一松紧索卷扬机9上分别缠绕有第一动力索12、第一控制索13和第一松紧索14。第一动力索12经过节点A后分成多股，每一股动力索穿过第一扑翼17平衡轴15后连接在第一扑翼17的俯仰轴16上。第一控制索13经过第一扑翼17平衡轴15上的滑轮10后连接在第一扑翼17的尾缘处。同上，第二动力索卷扬机6、第二控制索卷扬机7和第二松紧索卷扬机上分别缠绕有第二动力索21、第二控制索20和第二松紧索19。第二动力索21经过节点A后分成多股，每一股动力索穿过第二扑翼18平衡轴15后连接在第二扑翼18的俯仰轴16上。第二控制索20经过第二扑翼18平衡轴15上的滑轮10后连接在第二扑翼18的尾缘处。
在启动阶段，将换向离合器5调节到同向旋转档位，两台动力索卷扬机和两台控制索卷扬机可同步同向旋转。然后利用旋翼无人机将扑翼送至空中指定位置。两只扑翼和将在重力力矩和气动力矩的作用下自动调整到一个合适的正攻角。扑翼的升力将平衡空中部分的重力。之后将换向离合器5的档位调到异向旋转，并撤回无人机。
进一步，在上述实施例中，第一电动机8和第二电动机在控制器的作用下交替拉动第一松紧索14和第二松紧索19，进而分别改变第一控制索13和第二控制索20的有效长度，达到控制扑翼俯仰运动的目的。如图2所示，应用本实施例的基于动态平衡扑翼的高空风能发电***攻包含两个冲程，其中在第一个冲程，第一电动机8带动第一松紧索卷扬机9旋转，第二电动机不工作，其中第一控制索13沿图中B方向运动、第二控制索20沿图中C方向运动，从而导致第一控制索13的有效长度减小、第二控制索20的有效长度增大，第一控制索13末段沿方向G运动、第二控制索20末段沿方向E运动，此时第一扑翼17维持较大攻角、在气动力f1的作用下沿方向F远离发电机1，第二扑翼18维持较小攻角、在第二动力索21的牵引下靠近发电机1，由于第一扑翼17攻角大于第二扑翼18的攻角，因此气动力f1大于气动力f2；在第二个冲程中，第一扑翼17和第二扑翼18交换角色，第一电动机8首先反转将第一松紧索14伸长至第一控制索13回复至拉直状态后停止工作，第二电动机启动，其中第一控制索13沿图中N方向运动、第二控制索20沿图中M方向运动，从而导致第一控制索13的有效长度增大、第二控制索20的有效长度减小，第一控制索13末段沿方向P运动、第二控制索20末段沿方向R运动，此时第一扑翼17维持较小攻角、在气动力f3的作用下沿方向O靠近发电机1，第二扑翼18维持较大攻角、在第二动力索21的牵引下远离发电机1，由于第一扑翼17攻角小于第二扑翼18的攻角，因此气动力f3小于气动力f4。第一冲程和第二冲程构成一个完整的发电周期，在这个周期内第一扑翼17和第二扑翼18依次带动第一动力索卷扬机3和第二动力索卷扬机6旋转，从而通过变速器2带动发电机1发电。在整个周期内发电机1始终处于发电状态，消除了传统牵引发电的“恢复段”。
如图3所示，俯仰中心S设置在扑翼的气动中心T和前缘之间，扑翼的重心V位于俯仰中心S和尾缘之间。当扑翼处于合适的正攻角时，重力力矩Tg与气动力矩Ta相互平衡。当扑翼逆时针旋转减小攻角时，重力力矩会增大、气动力矩会减小，形成的顺时针力矩会阻止攻角继续减小；当扑翼顺时针旋转增大攻角时，重力力矩会减小、气动力矩会增大，形成的逆时针力矩会阻止攻角继续增大。扑翼的气动力矩和重力力矩会将扑翼维持在这个合适的正攻角上。
图4给出动力索的分布示例，动力索在节点A处分成多股，每一股均穿过平衡轴15后与扑翼的俯仰轴16连接。平衡轴15位于俯仰轴16的下部、并与俯仰轴16平行，图4给出了平衡轴的受力状态，平衡轴的存在可以降低俯仰轴16弯曲力矩，将俯仰轴16的弯曲应力转化为平衡轴的压应力，从而使得***扑翼的展弦比可以更大。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (3)
1.一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，其特征在于：包括
发电机构，其包括发电机和变速器以及两套发电驱动装置，所述两套发电驱动装置之间通过换向离合器连接，所述发电机和变速器设置在任意一套驱动装置端部与其同轴连接；
导索机构，其一端连接在驱动装置上，另一端与扑翼连接；
松紧索机构，其包括动力装置和松紧索，所述松紧索一端与所述导索机构连接，另一端与所述动力装置连接，通过所述动力装置控制其长度控制所述扑翼俯仰交替运动；
扑翼，其通过导索机构与驱动装置连接，通过所述扑翼的俯仰交替运动带动所述驱动装置驱动所述发电机进行发电；所述扑翼前缘和后缘之间设有俯仰轴，俯仰轴设置在扑翼的气动中心和前缘之间，扑翼的重心位于俯仰轴和尾缘之间，所述俯仰轴下方设有平衡轴，所述平衡轴与俯仰轴平行设置；
所述导索机构包括动力索和控制索，所述驱动装置包括动力索卷扬机和控制索卷扬机；其中动力索一端连接所述动力索卷扬机，中间经过节点A后分成多股，每一股动力索穿过平衡轴后连接在扑翼的俯仰轴上；所述控制索经过平衡轴中间的滑轮后连接在扑翼尾缘处。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，其特征在于：所述动力装置包括电动机和松紧索卷扬机，所述电动机和松紧索卷扬机同轴设置，所述电动机驱动所述松紧索卷扬机对所述松紧索进行收放。
3.根据权利要求1所述的一种基于动态平衡扑翼的高空风能发电***，其特征在于：所述松紧索连接松紧索卷扬机的另一端连接在滑轮组上，所述滑轮组包含两并列设置的单滑轮，所述滑轮组挂在所述控制索上，控制索设置在两并列的单滑轮中间。
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