海上风力发电系统的制作方法

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是涉及一种海上风力发电系统。

背景技术：

海上风力发电装置，是利用海上风力资源发电的新型发电装置。在石油资源形势日益严峻的情况下，各国均将眼光投向了风力资源巨大的海域，海上资源丰富，而且相较于陆地风流湍急而言，海上风流较为平稳，因此欧洲多个国家已建立了多个海上风力发电装置而且规模巨大，中国也逐渐涉及海上风力发电领域。

然而，现有技术中在海面上建立风力发电平台主要存在以下缺陷：

一方面，若在海上配备塔台，由于海水很深，操作困难，且成本很高，工程量庞大，风力桨叶不会固定的太高，风力是在海面几百米以上才能达到最大值，因此低空区域设置固定风力发电装置的风力利用率很低。

另一方面，还有一些海上风力发电装置采用飞行器与海上平台结合的方式，这样做的缺点为：飞行器在飞行过程中会通过电缆拖动海上平台移动，导致海上平台沉入海底或者难以寻觅，若将海上平台设置的足够大不但增加了占用面积，而且增加成本。

鉴于此，提供一种新型的风力发电装置显得尤为重要。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种海上风力发电系统，以缓解现有技术的海上平台受飞行器牵引力过大而导致海上平台损毁或者增加成本等技术问题。

本发明提供的一种海上风力发电系统，包括：飞行器、组合线缆、配重物、集电装置以及控制装置；

所述组合线缆的上端与所述飞行器连接，下端与所述配重物、所述集电装置及所述控制装置分别连接；

所述配重物用于承载所述飞行器的牵引作用；

所述控制装置能够控制所述飞行器飞行；

所述集电装置能够为所述飞行器供电，或者，所述飞行器能够将在高空飞行发出的电能传输至所述集电装置进行存储或经由所述集电装置向外传输。

进一步的，所述组合线缆包括绳索、电缆和光纤缆；

所述绳索连接于所述飞行器与所述配重物之间，用于牵引所述飞行器；

所述电缆连接于所述飞行器与所述集电装置之间，用于传输电能，且所述电缆与所述绳索锁紧连接；

所述光纤缆连接于所述飞行器与所述控制装置之间，用于传输信号，且所述光纤缆与所述绳索锁紧连接。

进一步的，所述控制装置通过浮球漂浮在海平面或者设置在海上平台上；

所述集电装置通过浮碟漂浮在海平面上或者设置在海上平台上。

进一步的，所述飞行器包括机体以及安装于所述机体上的螺旋翼和可调节机翼；

当所述飞行器起飞或降落时，所述螺旋翼旋转，以为所述飞行器提供升力；

当所述飞行器升至百米高空时，在风力作用下，所述可调节机翼和所述螺旋翼能够维持所述飞行器处于飞行状态，且所述螺旋翼能够旋转发电。

进一步的，所述可调节机翼包括主翼和辅助翼；

所述主翼固定安装于所述机体上，所述辅助翼活动安装于所述主翼上，并能够与所述主翼之间形成夹角。

进一步的，所述主翼上转动连接有转动轴，所述辅助翼与所述转动轴连接；

所述主翼内设置有第一驱动件，所述第一驱动件与所述转动轴连接，用于驱动所述转动轴转动，并由所述转动轴带动所述辅助翼相对于所述主翼翻转。

进一步的，所述机体、螺旋翼和可调节机翼均采用碳纤维材质制成。

进一步的，所述飞行器包括一个所述机体；

所述螺旋翼安装于所述机体头部，所述可调节机翼对称安装于所述机体的两侧。

进一步的，所述飞行器包括多个所述机体；

所述螺旋翼分别对应安装于多个所述机体的头部，多个所述机体平行设置，且所述可调节机翼连接于相邻的所述机体之间。

进一步的，相邻的所述机体的所述螺旋翼之间穿插设置且同速转动。

进一步的，多个所述机体尾部分别连接所述组合线缆；

多个所述机体尾部的多股所述组合线缆连接形成一股，用于牵引所述飞行器并传输电信号。

进一步的，该海上风力发电系统包括多个飞行器，且多个所述飞行器分别通过多根组合线缆与一个或多个配重物连接。

与现有技术相比，采用本发明提供的海上风力发电系统具有以下有益效果：

本发明提供的一种海上风力发电系统，包括飞行器、组合线缆、位于海底的配重物、集电装置以及控制装置；组合线缆的上端与飞行器连接，下端与配重物、集电装置及控制装置分别连接，配重物能够通过组合线缆对飞行器进行牵引，控制装置能够通过组合线缆将控制信号发送至飞行器，以控制飞行器飞行，集电装置能够在飞行器飞行时对飞行器进行供电，以保证飞行器能够起飞、维持飞行和降落，并且，集电装置能够收集飞行器在高空中发送的电能并存储，还能够通过集电装置将飞行器发送的电能向外传输，以便于传入电网。

一方面，本发明提供的海上风力发电系统，飞行器升至百米高空后能够进行发电，由于百米高空的风速较低空区域更快，转化的电能较低空区域也就更多，因此本发明提供的海上风力发电系统的风能利用率与现有技术相比更高。

另一方面，配重物与飞行器之间通过组合线缆连接，在飞行器飞行的期间，主要的牵引力集中在配重物和飞行器之间的组合线缆上，由于受到牵引，飞行器的飞行轨迹始终在可控范围内，不会被大风吹跑以至遗失；另外，由于主要的牵引力集中在配重物和飞行器之间的组合线缆上，避免了现有技术中将飞行器牵引在海上平台上的问题，由此，就不需要海上平台承受牵引力，因此，本发明提供的海上风力发电系统不需要消耗过多的建筑物料来增大海上平台的面积以增加海上平台所承受的牵引力，甚至，在某种情况下，该海上风力发电系统还可能不需要建造海上平台，从而，本发明提供的海上风力发电系统解决了现有技术中海上平台受飞行器牵引力过大而被拖拽移动或者损毁的问题，同时，解决了海上平台建造材料用量大、建造成本高的问题。

附图说明

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

图1为本发明实施例提供的包括第一种海上平台以及第一种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的包括第一种海上平台以及第二种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的包括第二种海上平台以及第一种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的包括第二种海上平台以及第二种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的包括浮碟以及第一种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的包括浮碟以及第二种飞行器的海上风力发电系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的第一种飞行器的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的第一种飞行器中螺旋翼与机体的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的第二种飞行器的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的可调节机翼的第一示意图；

图11为本发明实施例提供的可调节机翼的第二示意图；

图12为本发明实施例提供的包括第一种飞行器的海上风力发电系统的飞行过程图；

图13为本发明实施例提供的包括第二种飞行器的海上风力发电系统的飞行过程图。

图标：100－飞行器；110－机体；120－螺旋翼；121－第二电机；122－第三电机；123－第一桨叶；124－第二桨叶；125－第一驱动轴；126－第二驱动轴；130－主翼；140－辅助翼；141－第一电机；142－转动轴；200－组合线缆；210－绳索；220－电缆；230－光纤缆；300－配重物；400－海上平台；410－固定桩；420－海缆；500－集电装置；600－控制装置；700－浮碟。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，而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“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

请参照图1－图13所示，下面将结合附图对本发明实施例提供的海上风力发电系统做详细说明。

本实施例提供的一种海上风力发电系统，包括飞行器100、组合线缆200、位于海底的配重物300、集电装置500以及控制装置600；组合线缆200的上端与飞行器100连接，下端分出三束，分别与配重物300、集电装置500和控制装置600连接，配重物300能够通过组合线缆200对飞行器100进行牵引；控制装置600通过组合线缆200能够将控制信号发送至飞行器100，以便于控制飞行器100起飞、降落或者维持飞行等；集电装置500具有集电、变压、供能等作用，从而使得集电装置500能够将飞行器在高空飞行所发送的电能进行收集、存储，以便于后续为飞行器100的飞行提供电能；并且，集电装置500还能够对飞行器100所发送的电进行升压，然后向外传输至电网，以便于通过电网进行传输。

一方面，本实施例提供的海上风力发电系统，飞行器100升至百米高空能够进行发电，由于百米高空的风速较低空区域更快，转化的电能较低空区域也就更多，因此本实施例提供的海上风力发电系统的风能利用率与现有技术相比更高。

另一方面，配重物300与飞行器100之间通过组合线缆200连接，在飞行器100飞行的期间，主要的牵引力集中在配重物300和飞行器100之间的组合线缆200上，由于受到牵引，飞行器100的飞行轨迹始终在可控范围内，不会被大风吹跑以至遗失；另外，由于主要的牵引力集中在配重物300与飞行器100之间的组合线缆200上，避免了现有技术中将飞行器100牵引在海上平台上的问题，由此，就不需要海上平台承受牵引力，因此，本实施例提供的海上风力发电系统不需要消耗过多的建筑物料来增大海上平台的面积以增加海上平台所承受的牵引力，甚至，在某种情况下，该海上风力发电系统还有可能不需要建造海上平台，从而，本实施例提供的海上风力发电系统解决了现有技术中海上平台受飞行器牵引力过大而被拖拽移动或者损毁的问题，同时，解决了海上平台建造材料用量大、建造成本高的问题。

进一步的，组合线缆200包括绳索210(优选地，绳索210为芳纶或高分子材料绳索)、电缆220和光纤缆230，而在组合线缆200除了靠近两端的位置，电缆220和光纤缆230均锁紧在绳索210上，而在组合线缆200的上端处，电缆220和光纤缆230的上端均与飞行器100的主板连接，而绳索210的上端与飞行器100的壳体连接，而组合线缆200的下端处，电缆220的下端与集电装置500连接，光纤缆230的下端与控制装置600连接，绳索210的下端与配重物300连接。由此一来，通过绳索210能够将飞行器100与配重物300连接在一起，从而，通过配重物300承受来自飞行器100的牵引力，以防止飞行器100被风吹跑，或者牵引飞行器100的海上平台被拖拽走乃至损坏；通过电缆220连接飞行器100与集电装置500，一方面，飞行器100飞行所发的电能能够通过电缆220传输至集电装置500进行收集、存储，或者通过集电装置500升压后传输至电网，另一方面，集电装置500内存储的电能还能够向飞行器100供应，以便于为飞行器100的升降、维持飞行提供能源补充；通过光纤缆230连接飞行器100与控制装置600，从而，通过控制装置600能够实时控制飞行器100的飞行状态，进而实现控制飞行器100起飞、降落或者在高空中平稳飞行。

更进一步的，控制装置600通过浮球漂浮在海平面上，还可以设置在海上平台400上，当然，集电装置500通过浮碟700漂浮在海平面上，还可以设置在海上平台400上，而控制装置600和集电装置500的设置方式需要根据实际要求进行选取。

当控制装置600和集电装置500的设置不需要海上平台400时，则控制装置600通过浮球漂浮在海平面上，集电装置500通过浮碟700漂浮在海平面上，由此，既能够保证控制装置600和集电装置500在海平面以上，又能够节省建造海上平台400的成本，如图5、6所示。需要说明的是，浮球和浮碟700是指能够漂浮在海平面上的结构，并能够分别承载控制装置600和集电装置500，而具体形状不受限制。

当控制装置600和集电装置500至少一个需要设置在海上平台400上时，则需要建造海上平台400，而由于海上平台400不需要承受飞行器100的牵引力，由此，本实施例中的海上平台400可以漂浮在海平面上，然后通过海缆420牵引在配重物300上，根据大水面线方案，海上平台400浸入海水中的体积较大，通过海水的浮力作用能够使海上平台400漂浮在海平面上，如图1、2所示；当然，还可以是海上平台400的底部通过若干根固定桩410进行固定，固定桩410采用钢筋，根据小水面线方案，海上平台400被底部固定桩410支撑，浸入海水中的体积较小，主要通过固定桩410对海上平台400进行限制，如图3、4所示。与现有技术中几十根甚至上百根钢筋相比，大大降低了耗材用量和资金；同时，由于海上平台400不会受到飞行器100的牵引力，使得海上平台400的建造面积可以适当缩小，从而大大降低了建造成本。

本实施例中，为了使飞行器100降落后能够漂浮在海平面上，使得飞行器100的重心靠下，因此能保证螺旋翼120始终处于海平面以上，且每个机体110是完全密封的；当飞行器100落入水中后，机体110大部分位于海平面以下，螺旋翼120以及驱动其转动的轴是完全处于海平面以上的，以避免受到海水的腐蚀和海浪的影响。此外，飞行器100的漂浮原理一方面是依靠其自身的形状(呈梭形)，中间体积较大，因此排水量会加大，使其能够漂浮在海平面上，另一方面，飞行器100采用碳纤维等轻质材料制成，可以促使其漂浮在海平面上。

当需要再次使用时，向飞行器100供电，使螺旋翼120旋转，从而使飞行器100直接从海平面上起飞即可，不需要回收飞行器100，操作流程简便。

为了使飞行器100在发电时保持飞行状态，飞行器100包括机体110以及安装于机体110上的螺旋翼120和可调节机翼；机体110、螺旋翼120和可调节机翼均采用轻质材料制成，例如碳纤维。当飞行器100起飞时，飞行器100得电，螺旋翼120旋转，使飞行器100上升；当飞行器100升至百米高空时，在风力作用下，通过可调节机翼和螺旋翼120能够维持飞行器100处于飞行状态，并且，风能够驱动螺旋翼120旋转用于发电。

其中，对于可调节机翼而言，参考图7、9、10、11，可调节机翼包括主翼130和辅助翼140；主翼130固定安装于机体110上，辅助翼140活动安装于主翼130上，并与主翼130之间形成夹角，当辅助翼140相对于主翼130不发生转动时，整个可调节机翼呈流线型，风阻小。更加具体的，主翼130上转动连接有转动轴142，辅助翼140与转动轴142连接，主翼130内设置有第一驱动件，第一驱动件与转动轴142连接，用于驱动转动轴142转动，并由转动轴142带动辅助翼140相对于主翼130翻转。

具体的，第一驱动件采用第一电机141，第一电机141通过链条传动带动转动轴142转动，实现辅助翼140的翻转。进一步的，如图11所示，在主翼130的宽度较长的情况下，为了使得辅助翼140稳定的翻折，将辅助翼140分为若干段，转动轴142两端分别固定安装辅助翼140，并转动连接在主翼130上，通过相应数量的第一电机141驱动转动轴142，带动两侧的辅助翼140进行翻折。更加具体的，主翼130设置为内凹型，辅助翼140嵌入其中，方便翻折。

优选的，设置三个第一电机141，三个转动轴142并对应三段辅助翼140，三个第一电机141分别与三个转动轴142通过链条传动连接，三个转动轴142同轴设置，由此，通过三个第一电机141带动三个转动轴142同步转动，以驱动三段辅助翼140同时翻转。

需要指出的是，根据实际需求，可以设置不同数量的第一电机141、转动轴142和辅助翼140，具体原理、结构布置等与上述相似，此处不再列举。

由此可知，在飞行器100攀升或者向上调整飞行方向时，第一电机141带动转动轴142转动，以将辅助翼140向下翻折，使辅助翼140与主翼130之间能够进行兜风，从而使飞行器100向上飞行；在飞行器100下降或者向下调整飞行方向时，第一电机141带动转动轴142反向转动，以将辅助翼140向上翻折，使辅助翼140与主翼130之间能够进行兜风，以便于飞行器100向下飞行。

对于螺旋翼120而言，可以在机体110上设置单排螺旋翼120或者双排螺旋翼120：当设置单排螺旋翼120时，螺旋翼120直接通过位于机体110内部的第二驱动件驱动螺旋翼120旋转即可；当设置双排螺旋翼120时，如图7－图8所示，第二驱动件包括第二电机121和第三电机122，螺旋翼120包括第一桨叶123和第二桨叶124；第二电机121驱动第一桨叶123沿第一方向转动，第三电机122驱动第二桨叶124沿第二方向转动；第一方向和第二方向为相反设置。具体的，第二电机121通过第一驱动轴125带动第一桨叶123转动，第三电机122通过第二驱动轴126带动第二桨叶124转动，而第二驱动轴126直接穿过第一驱动轴125内部(第一驱动轴125和第二驱动轴126转动时互不干涉)，第二桨叶124位于第一桨叶123上方且二者各自所在的平面相互平行，第一桨叶123和第二桨叶124转向相反。另外，其原理也可以参照直升机螺旋桨或者机械表指针转动，此处不再赘述。

在飞行器100飞行的过程中，若采用单排螺旋翼120，螺旋翼120旋转会使飞行器100产生转动惯性力，使其自身产生扭转，为了使飞行器100不产生扭转，就需要一个反向的转动惯性力来抵消螺旋翼120的转动惯性力，因此设置双排螺旋翼120，并使双排螺旋翼120反向旋转，产生相反的转动惯性力，从而平衡飞行器100的机身。上述第二驱动件均由控制装置控制启停。

需要指出的是，上述第一电机141、第二电机121和第三电机122均由控制装置通过组合线缆200传输控制信号控制启停。

本实施例的第一种可选方案中，如图7和图8所示，飞行器100包括一个上述的机体110；螺旋翼120安装于机体110头部，可调节机翼对称安装于机体110的两侧。

本实施例的第二种可选方案中，如图9所示，飞行器100包括多个上述的机体110；螺旋翼120分别对应安装于多个机体110的头部，多个机体110平行设置，且可调节机翼连接于相邻机体110之间，多个机体110飞行发电，能够提供更大的功率和动力，传输更多的电能至储能装置。进一步的，该海上风力发电系统包括多个上述飞行器100，多个飞行器100分别通过多根组合线缆200与配重物300相连，多组飞行器100组合发电，提高发电效率。

其中，相邻机体110的螺旋翼120之间穿插设置且同速转动。一方面，单个叶片的长度约为75米，即叶片的旋转直径约为150米，相邻两个机体110的螺旋翼120之间若存在较大的间距，整个飞行器100的宽度就会超过300米，在空中飞行发电时，宽度过长会导致飞行器100体积增大，带来很多操作上的不变，且不利于平稳飞行，因此将相邻机体110的螺旋翼120之间穿插设置，能够减少两个机体110之间的间距，同时减少整个飞行器100的体积并节约成本；另一方面，相邻两个机体110之间的螺旋翼120同速设置，在螺旋翼120转动的时候，相邻机体110的螺旋翼120之间互不干涉，防止高空飞行时，相邻螺旋翼120的叶片之间相撞，损坏飞行器100。

另外，多个机体110尾部分别连接一股组合线缆200；多股组合线缆200连接形成一股组合线缆200用于牵引飞行器100并传输电信号。一方面，配重物300上连接单股组合线缆200，减少了配重物300连接用组合线缆200的股数，避免配重物300上接线杂乱，使接线变得有序，提高作业效率；另一方面，若多股组合线缆200均与配重物300相连，会导致配重物300和飞行器100受到的牵引力不均匀，而不利于飞行器100平稳飞行，采用一股组合线缆200与配重物300相连，能够将二者之间的牵引力均衡到同一股组合线缆200上。

请继续参考图12－图13所示，本实施例的工作过程：

soo1，飞行器100起飞阶段：集电装置500通过组合线缆200中的电缆220向飞行器100供电，螺旋翼120在供电状态下旋转，在螺旋翼120的作用下，使飞行器100起飞；

soo2，飞行器100上升阶段(进入百米高空前)：集电装置500仍处于供电状态，螺旋翼120继续旋转，此时在风力作用下，飞行器100随风倾斜，使得飞行器100沿类似抛物线的方式缓慢上升；

so03，飞行器100进入百米高空(风速在8－24m/s之间，5－9级风，百米高空的高度约为300－500米)：集电装置500停止供电，风力带动螺旋翼120旋转发电并储存至集电装置500内，此时，螺旋翼120和可调节机翼受到风力产生的作用力之和提供升力，使得飞行器100在百米高空内飞行，并且，在飞行过程中，还可以通过控制装置600控制调节辅助翼140与主翼130之间的角度，以便于调节飞行器100的受风状态，从而调节飞行器100的飞行状态。

so04，飞行器100准备降落：由控制装置600控制第一电机141带动辅助翼140调整飞行角度，在风力作用下，螺旋翼120转动发电并储存至集电装置500，此时飞行器100沿抛物线缓慢下降；

so05，飞行器100降落：控制装置600控制螺旋翼120启动，在螺旋翼120的作用下，飞行器100缓慢降落。

so06，飞行器100降落后：飞行器100降落在海平面后，呈漂浮状态，无需回收，等待下次发电直接起飞。

需要指出的是，飞行器100在飞行前，提前根据天气预报等进行风速预估，当天风速在8－24m/s时，能够利用飞行器100进行空中发电，风速小于8m/s时，飞行器100的发电效率低，风速大于24m/s时，容易破坏飞行器100。当飞行器100升到百米高空后，风速大于8m/s，可正常发电，一段时间内风速小于8m/s，螺旋翼120启动，维持飞行器100在百米高空，超过一段时间后风速仍小于8m/s，飞行器100准备降落；风速大于24m/s时，与上述原理相似。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实施例各实施例技术方案的范围。