基于无人机平台的高空风力发电系统的制作方法

本发明属于发电系统领域，具体涉及一种基于无人机平台的高空风力发电系统。

背景技术：

风能作为一种清洁的可再生能源，被人们越来越多的重视。高空风力发电是一种新型的风能利用方式，与传统风机相比存在着多方面的优势，其中最为显著的优势就是高空中蕴藏着巨大的风能储量。

随着现代无人飞行器、智能控制等技术的发展，高空风力发电已非常有希望成为现实。近年来涌现出多种形式的高空风力发电系统，被越来越多的研究机构和公司所关注，其中的相关技术问题已成为当前科学和工程领域的研究热点。

但是高空风力发电是一种新型的风能利用技术，我们不能完全套用已有的传统风力机的发电原理，需要基于空气动力学原理，同时结合材料、控制、通信、人工智能等方面的新兴技术，对高空风能利用方法进行概念创新，设计新的高空风力发电系统，提高风能利用效率并降低发电成本。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对现有水平轴风力机发电效率不高，基于无人机设计新型高空风力发电系统，实现高效的风力发电能力。

本发明的技术方案是：

基于无人机平台的高空风力发电系统，其包括：

设置在地面的发电机；

大翼面高升力高升阻比无人飞行器，其驱动所述发电机发电。飞机以较大攻角上升飞行，飞机牵引绳索带动发电机发电；当到达一定高度后改变姿态向下俯冲，发电机回收绳索，此时需要消耗一些能量；当飞机俯冲向下一定距离后再改变姿态向上爬升，重复发电过程。飞机俯冲过程消耗的电能远小于爬升过程所发电能，从而整个过程达到发电效果。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，大翼面高升力高升阻比无人飞行器和发电机之间通过牵引绳连接；飞行器的姿态控制通过与飞行器前、后端连接的牵引绳索实现，结构简单可靠性强。

所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器的前端和后端分别固定有第一迎角调节绳和第二迎角调节绳。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器的飞行轨迹为直线。飞行器的飞行轨迹选择了直线往复轨迹，避免了多台高空型风力发电机的飞行器之间的相互干扰，减小了每台风机对空域和占地的需求。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器的飞行轨迹与水平面之间的角度为47°，使整个系统实现了非常高的风能利用效率。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器上行速度为风速的0.4～0.45倍，下降速度为风速1～2倍。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器呈菱形，机翼弦长根稍比为10，翼展长度为根部弦长的2倍。飞行器布局选用了大翼面、大厚度、高升力、高升阻比飞翼布局方案，可高效利用风能并具有良好的结构强度。

优选的是，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，机翼各截面选用同一种翼型，均为EPPLER399翼型。

本发明与现有技术相比的优点在于：1、风资源方面，随着离地高度增加风能储量增加，在高空风能密度可以达到地面附近的数十倍甚至百倍，同时高空风能的分布也与我国的用电格局存在天然匹配；2、建造方面，由于高空风的速度比地面大很多，这就意味着要捕获相同功率的风能，风轮不需要做得那么大，同时高空风力机直接利用飞行器在空中收集风能，省去了建造巨型塔台，这些都可以大大降低结构设计难度和制造成本；3、安装维护方面，由于飞行器可以降落到地面，所以安装和维护都可以在地面进行，因此可以大大降低安装和维护的难度；4、抗灾能力方面，在遭遇台风等恶劣天气时可将其收回，从而壁面风机暴露在台风等灾害天气中受到的损失，提高系统的抗灾能力和使用寿命；5、此外在环境方面，高空风力机风轮尺寸小或没有风轮，还可以减少对鸟类的伤害。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明提供的基于无人机平台的高空风力发电系统飞行器处于上升状态时的示意图；

图2为本发明提供的基于无人机平台的高空风力发电系统飞行器处于下降状态时的示意图；

图3为本发明提供的基于无人机平台的高空风力发电系统中的飞行器布局示意图；

图4为本发明提供的基于无人机平台的高空风力发电系统中的飞行器姿态控制示意图；

图5为本发明提供的基于无人机平台的高空风力发电系统中轨迹角为47°时的Cp分布等值线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于无人机平台的高空风力发电系统，其包括：

设置在地面的发电机1；

大翼面高升力高升阻比无人飞行器2，其驱动所述发电机1发电。

所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，大翼面高升力高升阻比无人飞行器2和发电机1之间通过牵引绳3连接；

如图4所示，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器2的前端和后端分别固定有第一迎角调节绳4和第二迎角调节绳5。

所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器的飞行轨迹为直线。

所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器的飞行轨迹与水平面之间的角度为47°。

所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器上行速度为风速的0.4～0.45倍，下降速度为风速1～2倍。

如图3所示，所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，所述大翼面高升力高升阻比无人飞行器2呈菱形，机翼弦长根稍比为10，翼展长度为根部弦长的2倍。

所述的基于无人机平台的高空风力发电系统中，机翼各截面选用同一种翼型，均为EPPLER399翼型。飞行器的布局方案采用了飞翼布局，飞翼布局具有高升力、高升阻比、结构强度好等优点，非常适合用于高空风力发电机。整个飞行器呈一个大的菱形，机翼弦长根稍比为10，翼展为根部弦长的2倍。

本发明的技术解决方案是：将发电机置于地面上，采用小飞机驱动。飞机以较大攻角上升飞行，飞机牵引绳索带动发电机发电；当到达一定高度后改变姿态向下俯冲，发电机回收绳索，此时需要消耗一些能量；当飞机俯冲向下一定距离后再改变姿态向上爬升，重复发电过程。飞机俯冲过程消耗的电能远小于爬升过程所发电能，从而整个过程达到发电效果。该系统主要由两部分组成：1、大翼面高升力高升阻比无人飞行器；2、地面放置发电机部分。

机翼各截面选用了同一种翼型，均为EPPLER399翼型，该翼型同样具有高升力、高升阻比的特点。同时相对厚度也较大，这样更适于增加整个机翼的结构强度。

为了便于控制，同时减少用地和飞行器之间的相互干扰，飞行轨迹沿直线方向上升，上升到最高点后改变姿态，按照与上升轨迹相反的路径俯冲下来。

对于飞行器姿态的控制依靠改变与飞行器直接相连的两根绳索的长度来实现：当需要减小飞机迎角时，回收与飞行器前端相连的绳索，同时释放与飞行器后端相连的绳索；当需要增大飞机迎角时，执行相反操作，释放与飞行器前端相连的绳索，同时回收与飞行器后端相连的绳索。

从图5可以看出，当飞行器的飞行轨迹选择与水平面呈47度角的直线飞行轨迹，上行速度为风速的0.4～0.45倍，下降速度为风速1～2倍时，整个系统在全周期内的风能利用效率可以达到0.25以上。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。