一种低空约束风力发电系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种低空约束风力发电系统。

背景技术

当前，人们对能源的需求越来越大，也越来越推崇绿色能源。风能就是一种潜力非常大的绿色能源，与石油、煤炭等化石能源相比，风能储量丰富，清洁可再生，对环境没有污染，更有利于全球生态环境。天空是一种可以利用的空间资源，将平台置于空中可以很大程度地节省地面资源，减少地面资源的浪费。

随着科学技术的进步和智能化的发展，空中平台的研究得到了飞速的发展。除了典型的无人机无人艇等之外，绳索系留空中平台的研究也逐渐深入了。绳索系留空中平台是一种无动力的空中平台。它依靠气球内气体获得浮力与升力，靠整体的重力以及绳索的拉力使得空中平台在上空中处于平衡状态。绳索系留空中平台相比于其他空中飞行器具有其不可比拟的优点。首先，绳索系留空中平台可以在空中长时间滞留；其次，绳索系留空中平台造价较低，也更有利于维护；此外，绳索系留空中平台的存储空间更大，可以实现更多高空资源的利用，便于搭载发电设备，实现空中发电。

空中发电系统相关的现有技术中，多在1000米以上的高空设置风力发电设备，虽然高空风能充足，但是空域使用权限问题限制了其应用，并且过高的高度也使得用于系留的绳索的自重成为问题，且整个系统难以控制。其次，空中发电系统相关的现有技术中大多使用卷扬装置和绳索系留空中的风力发电设备，但是却没有实现对风力发电设备实现完全约束，设备会随风摇摆，风险高。

发明内容

本发明的目的是提供一种低空约束风力发电系统，解决发电设备不稳定，不易控制的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种低空约束风力发电系统，包括发电平台，发电平台的上方至少设置有2个浮力件，浮力件与发电平台通过连接绳连接，发电平台的下方至少设置有3根牵引绳，牵引绳与驱动设备连接；发电平台上设置有监测设备，监测设备与位于地面的控制设备电连，控制设备与驱动设备电连，监测设备包括用于监测发电平台位置和姿态的姿态传感器和风速风向传感器，驱动设备上设置有监测牵引绳长度的拉绳传感器，拉绳传感器、驱动设备均与控制设备电连。

优选的，所述浮力件为气球或浮囊，气球或浮囊的内部填充有氢气或氦气。

优选的，所述连接绳和牵引绳选用航空钢丝绳。

优选的，所述发电平台包括安装杆，发电设备固定设置在安装杆上，安装杆的顶端设置有桁架，连接绳固定在桁架上，安装杆的底端设置有连接架，牵引绳固定在连接架上。

优选的，所述安装杆、桁架和连接架均采用碳纤维材料。

优选的，所述发电设备为水平轴发电设备或竖直轴发电设备。

优选的，所述姿态传感器和风速风向传感器设置在连接杆、桁架或连接架上。

优选的，所述驱动设备为绞车。

本发明所述的一种低空约束风力发电系统的优点和积极效果是：

1、本发明所述的发电系统的结构简单，成本低，能够满足水平轴发电设备和竖直轴发电设备的安装和使用要求。

2、本发明中发电平台至少通过3根牵引绳与驱动设备连接，驱动设备与牵引绳一一对应，从而提高了发电平台的可控性。

3、本发明至少设置有2个浮力件，浮力件之间连接在一起，并且浮力件分别通过连接绳与发电平台连接，提高了发电平台的稳定性和可靠性。

4、通过在发电平台上设置监测设备，对发电平台的位置和状态进行监测，通过风速和风向传感器对空中的风速风向进行监测，拉绳传感器对牵引绳的长度进行监测，从而通过控制设备控制驱动设备对牵引绳进行收放，进而对发电平台的位置和姿态进行调整，有利于提高发电系统的发电效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种低空约束风力发电系统实施例一的结构示意图；

图2为本发明一种低空约束风力发电系统实施例二的结构示意图。

附图标记

1、浮力件；2、连接绳；3、桁架；4、安装杆；5、连接架；6、发电设备；7、牵引绳；8、驱动设备。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例一

如图1所示，一种低空约束风力发电系统，包括发电平台，发电平台的上方至少设置有2个浮力件1，浮力件1为气球或浮囊。2个或以上的浮力件1为整个发电系统提供更充足的浮力，使得发电系统更可靠。气球或浮囊采用软性防爆材料，比如聚氯乙烯或聚氨酯材料。气球或浮囊的内部填充有密度比空气轻的气体，使得气球或浮囊为整个发电系统提供升力。

本实施例中，气球或浮囊的内部填充有氢气或氦气。气球或浮囊的个数为4个，气球或浮囊的形状为球形，气球或浮囊之间通过轻质的绳索、绑带或网布等两两的固定在一起，使得气球或浮囊形成一个整体，保证气球或浮囊漂浮的稳定性，有利于提高发电平台的稳定性和可靠性。

浮力件1与发电平台通过连接绳2连接，连接绳2的一端通过扣件固定在发电平台上，连接绳2的另一端通过扣件固定在发电平台上。浮力件1通过连接绳2保证发电平台的漂浮。连接绳2与气球或浮囊一一对应，即每个气球或浮囊均各自的通过连接绳2与发电平台连接，有利于提高气球或浮囊对发电平台提供浮力的可靠性，避免连接绳2的断裂造成发电平台的严重失稳。

发电平台的下方至少设置有3根牵引绳7，牵引绳7与驱动设备8连接。牵引绳7与驱动设备8一一对应，即每台驱动设备8对应一根牵引绳7，从而便于对每根牵引绳7进行独立的控制。本实施例中驱动设备8为绞车，绞车固定在地面上。牵引绳7的一端固定在发电平台的底端，牵引绳7的另一端缠绕在绞车上，通过绞车上绳筒的转动，实现牵引绳7的收放。牵引绳7的数量根据需要进行设置。牵引绳7设置为3根或以上，对发电平台三维空间的三个轴向分别进行约束，从而实现对发电平台的位置进行约束；牵引绳7设置为6根或以上，对发电平台三维空间的三个轴向和三个夹角进行约束，从而实现对发电平台的位置和姿态的约束；发电平台的可控性更高。

依据绳索牵引并联机器人的运动学理论，设置为3根牵引绳7或以上对发电平台三维空间的三个轴向分别进行约束时，所有牵引绳7在发电平台的底端的固定点需尽量靠近，进而可由所有牵引绳7的长度确定发电平台底端的绳索固定点在三维空间的唯一位置，实现对发电平台三维空间的三个轴向分别进行约束。设置为6根牵引绳7或以上对发电平台三维空间的三个轴向和三个夹角进行约束时，所有牵引绳7在发电平台的底端的固定点可灵活选择，可由所有牵引绳7的长度确定发电平台在三维空间的三个轴向和三个夹角的唯一取值，实现对发电平台三维空间的三个轴向和三个夹角进行约束。

本实施例中，连接绳2和牵引绳7均选用航空钢丝绳，具有质量强和强度高的优点，能够为整个发电系统提供可靠的牵引。

发电平台包括安装杆4，发电设备6固定设置在安装杆4上。安装杆4的顶端固定设置有桁架3，安装杆4位于桁架3的中心位置。连接绳2通过卡扣固定在桁架3的端头上，并且连接绳2均匀的固定在桁架3上，有利于提高桁架3的稳定性和可靠性。

安装杆4的底端固定设置有连接架5，安装杆4位于连接架5的中心位置。牵引绳7的顶端固定在连接架5上。安装杆4为框架结构，满足牵引绳7安装和强度要求的同时，有利于降低发电平台的质量。本实施例中，安装杆4、桁架3和连接架5均采用碳纤维材料，碳纤维材料具有质量轻、强度高的特点，有利于提高发电平台的强度，降低发电平台的质量，也有利于提高对发电平台的控制性和稳定性。

本实施例中发电设备6为水平轴发电设备6，发电设备6直接固定在安装杆4上。安装杆4上根据需要可以呈线性阵列的设置多个水平轴发电设备6。发电设备6通过导线与地面的储能设备连接，通过导线将发电设备6的电能输送到地面的储能设备中进行储存。储能设备还可以为整个发电系统提供电能。导线可以依附在牵引绳7上，导线不连接的外露部分外部设置有绝缘层。

发电平台上设置有监测设备，监测设备与位于地面的控制设备电连。监测设备与控制设备之间可以采用无线电连的方式或采用有线电连的方式。有线电连的线缆依附在牵引绳7上。监测设备通过无线或有线的方式将信号传输给控制设备。

驱动设备8上设置有监测牵引绳7长度的拉绳传感器，拉绳传感器、驱动设备8均与控制设备电连，拉绳传感器将监测到的牵引绳7的长度信号发送给控制设备。控制设备将接收到的监测设备和拉绳传感器的信号进行处理，并根据处理结构控制驱动设备8进行转动，从而通过驱动设备8对各个牵引绳7分别进行收放，对发电平台的位置和姿态进行调整。

监测设备包括用于监测发电平台位置和姿态的姿态传感器和风速风向传感器。姿态传感器固定设置在安装杆4上，姿态传感器用于实时监测发电平台的高度、倾角、运动方向等姿态参数，并将监测的姿态参数信息发送给地面的控制设备。姿态传感器根据需要可以选用陀螺仪、三轴加速度计或三轴电子罗盘等。

风速风向传感器在桁架3、安装杆4、连接架5上均可以设置，用于测量空中不同位置的风速和风向。风速风向传感器将监测的风速和风向信息发送给地面的控制设备，控制设备根据接收到的风速风向信息、姿态传感器的信息以及拉绳传感器的信息进行处理，根据处理的结果控制驱动设备8收放牵引绳7，从而对发电平台的位置和姿态进行调整，使得发电平台调整为有利于发电的位置和姿态，提高发电系统的发电效率。

本实施例中，姿态传感器、风速风向传感器、拉绳传感器、绞车与控制设备的电连方式根据需要采用现有的技术进行具体的设置。

实施例二

如图2所示，一种低空约束风力发电系统，包括发电平台，发电平台的上方至少设置有2个浮力件1，浮力件1为气球或浮囊。2个或以上的浮力件1为整个发电系统提供更充足的浮力，使得发电系统更可靠。气球或浮囊采用软性防爆材料，比如聚氯乙烯或聚氨酯材料。气球或浮囊的内部填充有密度比空气轻的气体，使得气球或浮囊为整个发电系统提供升力。

本实施例中，气球或浮囊的内部填充有氢气或氦气。气球或浮囊的个数为4个，气球或浮囊的形状为球形，气球或浮囊之间通过轻质的绳索、绑带或网布等两两的固定在一起，使得气球或浮囊形成一个整体，保证气球或浮囊漂浮的稳定性，有利于提高发电平台的稳定性和可靠性。

浮力件1与发电平台通过连接绳2连接，连接绳2的一端通过扣件固定在发电平台上，连接绳2的另一端通过扣件固定在发电平台上。浮力件1通过连接绳2保证发电平台的漂浮。连接绳2与气球或浮囊一一对应，即每个气球或浮囊均各自的通过连接绳2与发电平台连接，有利于提高气球或浮囊对发电平台提供浮力的可靠性，避免连接绳2的断裂造成发电平台的严重失稳。

发电平台的下方至少设置有3根牵引绳7，牵引绳7与驱动设备8连接。牵引绳7与驱动设备8一一对应，即每台驱动设备8对应一根牵引绳7，从而便于对每根牵引绳7进行独立的控制。本实施例中驱动设备8为绞车，绞车固定在地面上。牵引绳7的一端固定在发电平台的底端，牵引绳7的另一端缠绕在绞车上，通过绞车上绳筒的转动，实现牵引绳7的收放。牵引绳7的数量根据需要进行设置。牵引绳7设置为3根或以上，对发电平台三维空间的三个轴向分别进行约束，从而实现对发电平台的位置进行约束；牵引绳7设置为6根或以上，对发电平台三维空间的三个轴向和三个夹角进行约束，从而实现对发电平台的位置和姿态的约束；发电平台的可控性更高。

本实施例中，连接绳2和牵引绳7均选用航空钢丝绳，具有质量强和强度高的优点，能够为整个发电系统提供可靠的牵引。

发电平台包括安装杆4，发电设备6固定设置在安装杆4上。安装杆4的顶端固定设置有桁架3，安装杆4位于桁架3的中心位置。连接绳2通过卡扣固定在桁架3的端头上，并且连接绳2均匀的固定在桁架3上，有利于提高桁架3的稳定性和可靠性。

安装杆4的底端固定设置有连接架5，安装杆4位于连接架5的中心位置。牵引绳7的顶端固定在连接架5上。安装杆4为框架结构，满足牵引绳7安装和强度要求的同时，有利于降低发电平台的质量。本实施例中，安装杆4、桁架3和连接架5均采用碳纤维材料，碳纤维材料具有质量轻、强度高的特点，有利于提高发电平台的强度，降低发电平台的质量，也有利于提高对发电平台的控制性和稳定性。

本实施例中发电设备6为竖直轴发电设备6，发电设备6直接固定在安装杆4上，发电设备6的中心轴与安装杆4同轴，有利于提高发电设备6安装和工作的稳定性。安装杆4上根据需要可以呈线性阵列的设置多个水平轴发电设备6。发电设备6通过导线与地面的储能设备连接，通过导线将发电设备6的电能输送到地面的储能设备中进行储存。储能设备还可以为整个发电系统提供电能。导线可以依附在牵引绳7上，导线不连接的外露部分外部设置有绝缘层。

发电平台上设置有监测设备，监测设备与位于地面的控制设备电连。监测设备与控制设备之间可以采用无线电连的方式或采用有线电连的方式。有线电连的线缆依附在牵引绳7上。监测设备通过无线或有线的方式将信号传输给控制设备。

驱动设备8上设置有监测牵引绳7长度的拉绳传感器，拉绳传感器、驱动设备8均与控制设备电连，拉绳传感器将监测到的牵引绳7的长度信号发送给控制设备。控制设备将接收到的监测设备和拉绳传感器的信号进行处理，并根据处理结构控制驱动设备8进行转动，从而通过驱动设备8对各个牵引绳7分别进行收放，对发电平台的位置和姿态进行调整。

监测设备包括用于监测发电平台位置和姿态的姿态传感器和风速风向传感器。姿态传感器固定设置在安装杆4上，姿态传感器用于实时监测发电平台的高度、倾角、运动方向等姿态参数，并将监测的姿态参数信息发送给地面的控制设备。姿态传感器根据需要可以选用陀螺仪、三轴加速度计或三轴电子罗盘等。

风速风向传感器在桁架3、安装杆4、连接架5上均可以设置，用于测量空中不同位置的风速和风向。风速风向传感器将监测的风速和风向信息发送给地面的控制设备，控制设备根据接收到的风速风向信息、姿态传感器的信息以及拉绳传感器的信息进行处理，根据处理的结果控制驱动设备8收放牵引绳7，从而对发电平台的位置和姿态进行调整，使得发电平台调整为有利于发电的位置和姿态，提高发电系统的发电效率。

本实施例中，姿态传感器、风速风向传感器、拉绳传感器、绞车与控制设备的电连方式根据需要采用现有的技术进行具体的设置。

因此，本发明采用上述低空约束风力发电系统，能够解决发电设备不稳定，不易控制的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。