一种高空风能发电无人机系统及其控制方法与流程

本发明涉及高空发电，具体涉及一种高空风能发电无人机系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着人类社会对能源需求和环境要求的发展，清洁的可再生能源逐渐成为重要的能源资源。风能是当前比较重视的绿色能源，风力发电是这种能源最主要的利用形式。但是由于目前的风能发电设备均在距离地面或海面上空两百米以下的低空，因此会受到地域，季节和气象等诸多因素的影响，随机性较强，且风力时强时弱，甚至时有时无，难以稳定高效地加以利用。

2、地球等行星由于球体外形受到的恒星热辐射极度不均匀，加之行星自身的高速自转特性，形成了多条带状分布的强烈行星风系，尽管地球由于固体表面的凸凹不平造成行星风系的局部破坏，但是地球的行星风系仍然十分强劲，由于地球大气的透明度较高，在外太空几乎看不到行星风系的分布和形状，但是通过观测大气速度和能量的科学装置可以清晰地发现地球大气的带状环流状态，而对于其他行星，例如木星、土星等，由于其行星风系的过于强劲，导致灰尘等杂质被裹挟于环流之中无法沉降，在外太空或者天文望远镜即可清晰地发现其强烈的带状分布大气环流，永不停歇。而在地球上的此类能源属于极其绿色的能源。

3、高空风能是指地表300米以上12000米以下的风能，相对地表风能具有能量密度更高且更加稳定的显著优势，高空风能功率密度可达常规的地表风能10倍以上，其稳定性因其来源于行星风系甚至可达全年，而地表风能的年发电时间相对有限，地球上高空风能的总功率甚至可达地球当前人类全部所需能源总功率的100倍以上，故高空风能是一种十分具有开发潜力的可再生能源，具有极佳的绿色低碳潜能；因此，如何将高空风能加以利用是如今绿色可再生能源研究的重要方向和必然趋势。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种高空风能发电无人机系统及其控制方法，解决了目前难以对高空风能加以利用的问题。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、第一方面，提供一种高空风能发电无人机系统，其包括：置于高空并利用高空风能进行发电的发电式无人机、用于系留牵引发电式无人机并输送电能的输电式系留绳、用于收放以及固定输电式系留绳的地面固定绞盘、用于使输电式系留绳双向传输电能的双向式电源器、可拆卸的安装在发电式无人机上并为其供电的燃油发电装置。

4、进一步地，发电式无人机包括双体机身以及连接双体机身的平直翼，燃油发电装置可拆卸的安装在双体机身内，平直翼的前侧设置有若干机翼螺旋桨，双体机身的前端均设置有机身螺旋桨，双体机身的后端均设置有十字形垂平尾，十字形垂平尾包括两个竖直的垂尾以及两个水平的平尾，垂尾和平尾上分别设置有用于调整飞行姿态的方向舵和升降舵，平直翼的上翼面设置有若干可调涡流发生器。

5、进一步地，输电式系留绳的两端分别与平直翼和地面固定绞盘连接，输电式系留绳包括用于承受张力的套绳，且套绳内部中空，套绳内设置有三根输电线，输电线上包裹有绝缘层，套绳的内部还填充有承力材料。

6、进一步地，机翼螺旋桨和机身螺旋桨均通过输电线与双向式电源器电性连接，双向式电源器包括用于输电线双向传输电能的切换开关，双向式电源器与地面电网电性连接。

7、进一步地，双体机身上设置有若干支撑杆组件，且若干支撑杆组件对称设置在平直翼的两侧，支撑杆组件包括分别铰接在双体机身前端和中部的主伸缩杆和副伸缩杆，副伸缩杆的伸缩端铰接在主伸缩杆上。

8、第二方面，提供一种高空风能发电无人机系统的控制方法，其包括：

9、s1：当发电式无人机需要投入发电时，则执行步骤s2；当发电式无人机需要例行检修时，则执行步骤s3；当发电式无人机需要远程迁移时，则执行步骤s4；

10、s2：控制发电式无人机起飞，直至发电式无人机带着输电式系留绳飞行至指定的高度后，地面固定绞盘通过输电式系留绳系留悬停发电式无人机并利用高空风能进行发电；

11、s3：控制发电式无人机下降高度，直至发电式无人机着陆后，再对发电式无人机进行例行检修；

12、s4：将发电式无人机与输电式系留绳断开，在发电式无人机上安装燃油发电装置并为其供电，控制发电式无人机飞行至指定位置后，拆除燃油发电装置并将发电式无人机与输电式系留绳连接。

13、本发明的有益效果为：

14、1.本方案的发电式无人机通过输电式系留绳可系留悬停至高空，使机翼螺旋桨和机身螺旋桨利用高空风能进行发电，并通过输电式系留绳内的输电线将电能输送至地面电网；同时地面电网通过输电线也可为发电式无人机进行供电，从而为发电式无人机的起飞和着陆供能；这种发电方式充分利用了高空丰富且稳定的风力资源，且受到地形、季节以及生产生活的影响较小。

15、2.本方案的发电式无人机通过双体机身后端的十字形垂平尾，可实现发电式无人机的竖直起飞和竖直着陆，同时通过支撑杆组件可对起飞前和着陆后的发电式无人机进行加强支撑，避免因野外地表风力过大而导致发电式无人机发生倾倒。

16、3.本方案的发电式无人机可安装燃油发电装置为其供电，使发电式无人机可自动飞行至进行高空发电的指定位置，从而避免了发电式无人机因体积过大而造成难以运输的问题；同时发电式无人机在进行高空悬停发电时，可拆除燃油发电装置，并且没有多余的燃料、油箱和电池系统，使得发电式无人机较为轻便，有利于发电式无人机的高空悬停发电。

17、4.本方案通过可调涡流发生器偏转角度的控制，使平直翼的表面流动产生不同强度的涡流，用于抑制机翼后缘分离流，调节平直翼产生的升力，使发电式无人机可应对不同的高空风速，从而增强发电式无人机在高空悬停发电时的稳定可靠性。

技术特征：

1.一种高空风能发电无人机系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高空风能发电无人机系统，其特征在于，所述发电式无人机包括双体机身以及连接双体机身的平直翼，所述燃油发电装置可拆卸的安装在双体机身内，所述平直翼的前侧设置有若干机翼螺旋桨，所述双体机身的前端均设置有机身螺旋桨，所述双体机身的后端均设置有十字形垂平尾，所述十字形垂平尾包括两个竖直的垂尾以及两个水平的平尾，所述垂尾和平尾上分别设置有用于调整飞行姿态的方向舵和升降舵，所述平直翼的上翼面设置有若干可调涡流发生器。

3.根据权利要求2所述的高空风能发电无人机系统，其特征在于，所述输电式系留绳的两端分别与平直翼和地面固定绞盘连接，所述输电式系留绳包括用于承受张力的套绳，且套绳内部中空，所述套绳内设置有三根输电线，所述输电线上包裹有绝缘层，所述套绳的内部还填充有承力材料。

4.根据权利要求3所述的高空风能发电无人机系统，其特征在于，所述机翼螺旋桨和机身螺旋桨均通过输电线与双向式电源器电性连接，所述双向式电源器包括用于输电线双向传输电能的切换开关，所述双向式电源器与地面电网电性连接。

5.根据权利要求2所述的高空风能发电无人机系统，其特征在于，所述双体机身上设置有若干支撑杆组件，且若干支撑杆组件对称设置在平直翼的两侧，所述支撑杆组件包括分别铰接在双体机身前端和中部的主伸缩杆和副伸缩杆，所述副伸缩杆的伸缩端铰接在主伸缩杆上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高空风能发电无人机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤s2具体包括：

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤s3具体包括：

9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，若干所述支撑杆组件进行加强支撑的方法包括：

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述发电式无人机在高空系留悬停时，可调涡流发生器的控制方法包括：当高空风速低于设定值时，则增大可调涡流发生器的偏转角度；而当高空风速高于设定值时，则减小可调涡流发生器的偏转角度。

技术总结
本发明公开了一种高空风能发电无人机系统及其控制方法，其包括置于高空并利用高空风能进行发电的发电式无人机、用于系留牵引发电式无人机并输送电能的输电式系留绳、用于收放以及固定输电式系留绳的地面固定绞盘、用于使输电式系留绳双向传输电能的双向式电源器、可拆卸的安装在发电式无人机上并为其供电的燃油发电装置；本方案的发电式无人机通过输电式系留绳可系留悬停至高空，使机翼螺旋桨和机身螺旋桨利用高空风能进行发电，并通过将电能输送至地面电网；同时地面电网也可为发电式无人机进行供电，从而为发电式无人机的起飞和着陆供能；通过变弯度的平直翼与可调涡流发生器的配合，使发电无人机可适应一定速度范围的高空风流。

技术研发人员：雷国东,瞿丽霞,徐悦
受保护的技术使用者：中国航空研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4