一种高空风力平衡系统及其平衡方法与流程

1.本发明涉及利用高空风能的发电系统，具体涉及一种高空风力平衡系统及其平衡方法。


背景技术：

2.高空风能是一种储量丰裕、稳定且分布广泛的可再生清洁能源，随着高度增加，平均风速会增加，而风能储量以近三次方的速度增加。对高空风能的有效利用可缓解传统能源例如化石燃料的使用带来的环境污染、资源枯竭等问题，符合可持续发展的理念。
3.申请号为2011101515270的中国专利公开一种伞型风力装置及风能动力系统，其包括：与地面成一角度设置的做功绳；从下至上依次连接在做功绳上的控制箱、滑筒、做功伞和平衡装置，且做功伞的开合不会影响空中平衡系统的稳定性，使该发明提出的风能动力系统的空中部分具有良好的稳定性能和控制性能。
4.但该发明中的平衡系统只能沿做功绳轴向提供作用力，做功绳的俯仰角度取决于外部风力环境。风力较小时，做功绳近似90
°
垂直于地面；风力较大时，缆绳的姿态较倾斜，俯仰角度较小。但做功绳的俯仰角度非常关键，它直接决定做功模组的攻角，从而影响模组的迎风面积和功率输出。为了获得稳定的输出，做功绳的俯仰角度需要根据实时风速进行可控调整。
5.申请号为2022107759883的中国专利公开了一种角度可变的伞型风力装置及伞型风能转换系统，该系统搭载了偏移主缆绳的伞型风力装置，伞型风力装置的伞面设有调节装置，该调节装置通过调节绳连接至缆绳，调节装置通过调节调节绳的长度来改变伞面相对于缆绳的偏离角度，使缆绳受到偏离其轴线的作用力，调整缆绳相对于地面的俯仰角度。
6.上述系统虽实现了在不同高空风力下对做功俯仰角的调节，但调节方式单一，不能很好适应适应不同地域、不同风况的使用要求。而将伞型风力装置直接作为做功伞梯使用时，需在每个做功伞上设置调节装置，增加了系统结构的复杂性，且多个调节装置的使用也增加了故障概率。


技术实现要素：

7.本发明旨在提供一种结构更加精简和稳固的高空风力平衡系统，以解决现有的高空风能做功系统的俯仰角调节装置稳固性不强以及结构复杂等问题。
8.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：提供一种高空风力平衡系统，包括连接至主绳的球状升力引导件，所述升力引导件沿其赤道方向部分连接至展开具有迎风面的平衡调节件，所述平衡调节件未与所述升力引导件连接的部分通过调节绳连接至设置在所述主绳上的调节驱动件，所述调节驱动件能够调节所述调节绳的长度；所述平衡调节件与所述升力引导、所述调节驱动件之间可拆卸连接，所述主绳连接至做功绳。
9.进一步地，所述升力引导件沿其赤道方向通过若干副绳连接至主绳；
其中，所述升力引导件沿其赤道方向设有凹凸间隔的裙边，所述裙边的凸起部通过若干所述副绳连接至所述主绳，部分所述裙边的凸起部还连接至所述平衡调节件。
10.进一步地，所述平衡调节件设为三角球面形，所述三角球面中未与所述裙边连接的角通过调节绳连接至所述调节驱动件；或者，所述平衡调节件至少设为四角球面形，其中未与所述裙边连接的角分别通过所述调节绳连接至所述调节驱动件，所述调节驱动件能够同时或分别调节各所述调节绳的长度。
11.更进一步地，所述平衡调节件的迎风面设有若干透气孔。
12.进一步地，所述调节驱动件包括与设置在其中的mcu相连的风况传感模块、gps和无线收发模块，所述调节驱动件还设有为其供电的供电模块，所述无线收发模块连接至地面模块；所述调节驱动件根据风况和/或位置信息直接调节所述调节绳的长度；或者，所述调节驱动件将风况和/或位置信息传输至所述地面模块再根据所述地面模块的调节指令再调节所述调节绳的长度。
13.更进一步地，所述调节驱动件设有卷扬机，并通过控制所述卷扬机来控制所述调节绳的长度。
14.进一步地，所述调节驱动件下部的所述主绳连接至周向旋转连接机构；所述周向旋转连接机构包括相连接的上连接件和下连接件，所述上连接件可相对于所述下连接件旋转；所述主绳连接所述上连接件，所述下连接件连接所述做功绳。
15.更进一步地，所述周向旋转连接机构包括壳体，所述壳体内设有可在其内旋转的上连接件，所述壳体的下部设有所述下连接件。
16.为解决上述技术问题，本发明还提供一种高空风力平衡系统的平衡方法，所述方法包括调整做功绳的俯仰角：做功绳的实时俯仰角大于预设的俯仰角时，主绳上的调节驱动件将连接在所述调节驱动件与展开具有迎风面的平衡调节件之间的调节绳的长度调短；做功绳的实时俯仰角小于预设的俯仰角时，所述调节驱动件将调节绳的长度调长；其中，所述主绳一端与所述做功绳连接，另一端连接至球状升力引导件；所述升力引导件沿其赤道方向部分连接至所述平衡调节件。
17.进一步地，所述方法还包括调整所述做功绳的方向：将所述平衡调节件至少设置为四角球面形；所述做功绳的方向需要改变时，所述调节驱动件分别调节连接在所述调节驱动件与平衡调节件的角之间的各调节绳的长度，使各所述调节绳具有不同的长度从而施予所述平衡调节件一个偏转力；所述升力引导件在所述偏转力带动下发生偏转，进而带动所述做功绳发生偏转。
18.本发明要求保护的技术方案取得了以下技术效果：1）平衡调节件沿着升力引导件的赤道方向设置，二者一起连接在做功绳的末端，仅通过调节调节绳的长短就能对做功模块的俯仰角进行调整，不需要对做功单元的其他结构进行调整，整个平衡系统结构简单和集成，易于控制和维护。
19.2）平衡调节件的迎风面面积和所受风力近似成正比，由于平衡调节件与升力引导件、调节驱动件之间可拆卸连接，因此可以根据风力状况灵活选择、更换合适面积或合适构型的平衡调节件，适应不同地域、不同风况的使用要求，调节方式灵活。
20.3）由于使用展开具有迎风面的构型，升空后的平衡调节件的迎风面会完全自主迎风展开，不存在无法展开的情形，使平衡调节件系统结构更加稳定。
21.4）当采用四角平衡调节件或其它类似构成的平衡调节件时，能通过调整各调节绳的长度来使做功绳偏转从而调节做功绳的方向，能在风向发生变化时，机动调整或保持做功绳的空域方位，避免做功绳随风形成过大范围的摆动，以及避免相邻做功绳出现互相干扰等风险。
附图说明
22.图1为高空风力平衡系统的第一种结构示意图。
23.图2为图1的a向结构示意图。
24.图3为绳索受力分析及做功绳俯仰角度示意图。
25.图4为周向旋转连接机构示意图。
26.图5为做功绳俯仰角度调节示意图。
27.图6为高空风力平衡系统的第二种结构示意图。
28.图7为图6中的平衡调节件方向调整示意图。
29.图8为做功绳和主绳的轴向旋转示意图。
30.图9为做功绳的地面投影及偏转示意图。
31.附图标记：100-升力引导件；101-裙边；102-副绳；200-平衡调节件；201-透气孔；300-调节绳； 400-调节驱动件；500-周向旋转连接机构；501-上连接件；502、503-深沟球轴承；504-平面轴承；505-下连接件；600-做功绳；601-主绳；700-做功单元；800-地面模块。
具体实施方式
32.以下结合附图和具体实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步清楚的描述。
33.实施例1如图1至5所示，本实施例提供的高空风力平衡系统包括连接至主绳601的球状升力引导件100，所述升力引导件100沿其赤道方向部分连接至展开具有迎风面的平衡调节件200，所述平衡调节件200未与所述升力引导件100连接的部分通过调节绳300连接至设置在所述主绳601上的调节驱动件400，所述调节驱动件400能够调节所述调节绳300的长度；所述平衡调节件200与所述升力引导件100、所述调节驱动件400之间可拆卸连接，所述主绳601连接至做功绳600。其中，所述升力引导件100可选用氦气球，做功绳600上连接有高空做功单元700，做功绳600的另一端连到地面模块800上，驱动地面模块如发电机等做功。
34.其中，所述升力引导件100沿其赤道方向通过若干副绳102连接至主绳601；具体地，所述升力引导件100沿其赤道方向设有凹凸间隔的裙边101，所述裙边101的凸起部通过若干所述副绳102连接至所述主绳601，部分所述裙边101的凸起部（例如一半的裙边101的凸起部）还连接至所述平衡调节件200。裙边的设计相比于副绳102和平衡调节件200直接单点连接到氦气球的方式，更利于副绳拉力均匀地作用在氦气球受力层，防止局部撕裂。如果
采用直接连接的方式，则需要在受力层接触点附近增加加强筋条，用以分散拉力。
35.在本实施例中，所述平衡调节件200设为三角球面形，所述三角球面中未与所述裙边101连接的角通过调节绳300连接至所述调节驱动件400。
36.其中，所述平衡调节件200的迎风面设有若干透气孔201，用来维持平衡调节件200的平衡，同时提升其升力。
37.具体地，所述调节驱动件400包括连接至设置在其中的mcu（microcontroller unit，微控制单元）的用于采集风速、风向等的风况传感模块、gps和无线收发模块，所述调节驱动件400还设有为其供电的供电模块（如小型风力发电装置），所述无线收发模块连接至地面模块800。所述调节驱动件400根据风况和/或位置信息直接调节所述调节绳300的长度；或者，所述调节驱动件400将风况和/或位置信息传输至所述地面模块800，再根据所述地面模块800的调节指令调节所述调节绳300的长度。其中，所述调节驱动件400设有卷扬机，并通过控制所述卷扬机来控制所述调节绳300的长度。
38.具体地，位于所述调节驱动件400下部的所述主绳601连接至周向旋转连接机构500；所述周向旋转连接机构500包括相连接的上连接件501和下连接件505，所述上连接件501可相对于所述下连接件505旋转；所述主绳601连接所述上连接件501，所述下连接件505连接所述做功绳600。
39.更具体地，如图4所示，所述周向旋转连接机构500包括壳体，所述壳体内设有可在其内旋转的上连接件501，所述壳体的下部设有所述下连接件505。上连接件501与壳体之间还上下间隔设有两个深沟球轴承502和503，位于下部的深沟球轴承下方还设有平面轴承504，当上连接件501及主绳601受氦气球或/和平衡调节件200扰动发生旋转时，下连接件505并不会一同旋转，这样可以保证主做功绳在任何时候都不会受到氦气球平衡系统的扰动发生扭曲旋转等风险，如图8所示。
40.本实施例提供的三角球面形平衡调节件适用于对空域使用方向没有限制的单绳系统。如图1所示，当氦气球升空后拉动主绳601及做功绳600以及安装其上的做功单元700逐步达到预定海拔高度时，调节驱动件400根据实时监控到的风力状况、实时俯仰角度和预设的做功俯仰角度，驱动卷扬机同步调整调节绳300的长度。
41.图2所示是绳索的受力分析及做功绳俯仰角度示意图，其中f1是氦气球所受风力和浮力以及平衡调节件200通过裙边施加到氦气球的拉力的合力，f2是调节绳300所受拉力，f3是做功绳及其附加模块的影响。实际上，在做功单元700展开做功的时间段，做功单元700以下的做功绳被做功单元700产生的巨大拉力拉动，做功单元上部的做功绳所受f3相对较小，因此主做功绳的俯仰角度主要受到f1和f2的控制和引导。
42.通常情况下，高空风主要是接近平流——水平方向吹。为了尽可能获取高空风能，做功绳的俯仰角度一般设定为30~60度之间，小于30度，有可能会对地面设施等造成潜在风险，大于60度，则难以获得最大的功率输出。本实施例提供的高空风力平衡系统的具体平衡过程如下：1）当高空风速过大时：升力引导件100和平衡调节件200将会带动做功绳600减小俯仰角度。这时调节驱动件400控制卷扬机延长调节绳300的长度l。在风力作用下，平衡调节件200将上扬，从而使其迎风面积减少。于是，升力引导件100和平衡调节件200整体所受横向力减少（即f1和f2的水平分力之和），但升力会增加（即平横调节驱动件所受向上的升
力），从而使得做功绳600的俯仰角度恢复到预设的区间。
43.2）当高空风速过小时，升力引导件100和平衡调节件200将会带动做功绳600增大俯仰角度。这时调节驱动件400控制卷扬机缩短调节绳300的长度l，这时平衡调节件200将被下拉，从而使得平衡调节件200的迎风面积增加。于是，升力引导件100和平衡调节件200整体所受横向力增加（即f1和f2的水平分力之和），从而使得做功绳600的俯仰角度恢复到预设的区间。
44.此外，系统也可以根据做功地区空中管制要求和风力状况，由地面模块800的控制系统发出合适的俯仰角度指令，由调节驱动件400灵活地对俯仰角进行调整。图5所示是在同样的风况下，通过调节调节绳300的长度l或更换合适的平衡调节件200，使做功绳600获得更小的俯仰角度的示意图。
45.实施例2如图6至7所示，本实施例提供的高空风力平衡系统包括连接至主绳601的球状升力引导件100，所述升力引导件100沿其赤道方向部分连接至展开具有迎风面的平衡调节件200，所述平衡调节件200未与所述升力引导件100连接的部分通过调节绳300连接至设置在所述主绳601上的调节驱动件400，所述调节驱动件400能够调节所述调节绳300的长度；所述平衡调节件200与所述升力引导件100、所述调节驱动件400之间可拆卸连接，所述主绳601连接至做功绳600。其中，所述升力引导件100可选用氦气球，做功绳600上连接有高空做功单元700，做功绳600的另一端连到地面模块800上，驱动地面模块如发电机等做功。
46.其中，所述升力引导件100沿其赤道方向通过若干副绳102连接至主绳601；具体地，所述升力引导件100沿其赤道方向设有凹凸间隔的裙边101，所述裙边101的凸起部通过若干所述副绳102连接至所述主绳601，部分所述裙边101的凸起部（例如一半的裙边101的凸起部）还连接至所述平衡调节件200。裙边的设计相比于副绳102和平衡调节件200直接单点连接到氦气球的方式，更利于副绳拉力均匀地作用在氦气球受力层，防止局部撕裂。如果采用直接连接的方式，则需要在受力层接触点附近增加加强筋条，用以分散拉力。
47.在本实施例中，所述平衡调节件200至少设为四角球面形，其中未与所述裙边101连接的角分别通过所述调节绳300连接至所述调节驱动件400，所述调节驱动件400能够同时或分别调节各所述调节绳300的长度。当所述做功绳的方向需要改变时，所述调节驱动件分别调节连接在所述调节驱动件与平衡调节件之间的各调节绳的长度，使各所述调节绳具有不同的长度，此时平衡调节件200的迎风面不再相对风向对称，从而会有一个侧向的分力作用在平衡调节件200上，所述分力会通过平衡调节件在升力引导件上形成一个偏转力，所述升力引导件在所述偏转力带动下发生偏转，进而带动所述做功绳发生偏转。相对地面锚点而言，这个力会带动整个空中系统发生偏转，并在一定角度达到平衡。在本实施例中，当所述各调节绳300的长度差值逐渐增大时，所述偏转角也将越大，但不会超过一个上限值。其中，本实施例所述的“偏转”是指做功绳在地面投影角度的变化——实际上也是空域指向发生转变，如图9所示。
48.其中，所述平衡调节件200的迎风面还设有若干透气孔201，用来维持平衡调节件200的平衡，同时提升其升力。
49.具体地，所述调节驱动件400包括连接至设置在其中的mcu的用于采集风速、风向等的风况传感模块、gps和无线收发模块，所述调节驱动件400还设有为其供电的供电模块
（如小型风力发电装置），所述无线收发模块连接至地面模块800。所述调节驱动件400根据风况和/或位置信息直接调节所述调节绳300的长度；或者，所述调节驱动件400将风况和/或位置信息传输至所述地面模块800，再根据所述地面模块800的调节指令调节所述调节绳300的长度。其中，所述调节驱动件400设有分别与每根调节绳300相对应的卷扬机，并通过所述卷扬机分别控制所述调节绳300的长度。
50.具体地，位于所述调节驱动件400下部的所述主绳601连接至周向旋转连接机构500；所述周向旋转连接机构500包括相连接的上连接件501和下连接件505，所述上连接件501可相对于所述下连接件505旋转；所述主绳601连接所述上连接件501，所述下连接件505连接所述做功绳600。
51.更具体地，如图4所示，所述周向旋转连接机构500包括壳体，所述壳体内设有可在其内旋转的上连接件501，所述壳体的下部设有所述下连接件505。上连接件501与壳体之间还上下间隔设有两个深沟球轴承502和503，位于下部的深沟球轴承下方还设有平面轴承504，当上连接件501及主绳601受氦气球或/和平衡调节件200扰动发生旋转时，下连接件505并不会一同旋转，这样可以保证主做功绳在任何时候都不会受到氦气球平衡系统的扰动发生扭曲旋转等风险。
52.本实施例提供的多角球面形平衡调节件不仅适用于实施例1适用的场合，还适用于对空域使用方位有限制，和/或风向易变，和/或多组做功绳等复杂场合。
53.以较简单的四角球面形平衡调节件为示例，如图6所示，升力引导件100升空后拉动主绳601及做功绳600以及安装其上的做功单元700逐步达到预定海拔高度。同时调节驱动件400根据实时监控的风力状况、实时俯仰角度和预设的做功俯仰角度，驱动两个卷扬机同步调整两根调节绳300的长度，或单独驱动其中一个卷扬机调整其中一根调节绳的长度。
54.具体地，本实施例中的高空风力平衡系统的具体平衡过程如下：1）当高空风速过大时，升力引导件100和平衡调节件200将会带动做功绳600减小俯仰角度。这时调节驱动件400控制卷扬机同步延长两根调节绳300的长度l1和l2。在风力作用下，平衡调节件200将上扬，从而使得平衡调节件200的迎风面积减小。于是，升力引导件100和平衡调节件200整体所受横向力减少，但升力会增加，从而使得做功绳600的俯仰角度恢复到预设的区间。
55.2）当高空风速过小时，升力引导件100和平衡调节件200将会带动做功绳600增大俯仰角度。这时调节驱动件400控制卷扬机同步缩短两根调节绳300的长度l1和l2。这时平衡调节件200将被下拉，使得平衡调节件200的迎风面积增加。于是，升力引导件100和平衡调节件200整体所受横向力增加，从而使得做功绳600的俯仰角度恢复到预设的区间。
56.3）当需要对做功绳的方向进行调整时，调节驱动件400将驱动两个卷扬机分别调节两根调节绳300的长度l1和l2。当l1和l2的长度不相等时，迎风面将会受到一个偏转力，这个力会通过裙边101施加到升力引导件100上，使得升力引导件在空中发生偏转，并带动副绳102、主绳601、周向旋转连接机构500及其下端的做功绳600及附加在做功绳600上的做功单元700等全部部件一起会整体绕地面模块800发生一定的角度偏转，从而实现了整个空中系统做功方向（空域）的调整。
57.以图7所示为例，当其中一根调节绳300的长度l1大于另外一根调节绳300的长度l2时，平衡调节件200将会受到一个绕地面模块800逆时针方向的偏转力（从上往下的视
角），这时平衡调节件200与升力引导件100一起会带动主绳601、周向旋转机构500及其下端的做功绳600，以及附加在做功绳600上的做功单元700等全部部件一起绕地面模块800发生一个逆时针的偏转（从上往下的视角），并在一定角度达到平衡。反之，当其中一根调节绳300的长度l1小于另外一根调节绳300的长度l2时，平衡调节件200将会受到一个绕地面模块800顺时针方向的偏转力（从上往下的视角），这时平衡调节件200与升力引导件100一起会带动主绳601、周向旋转机构500及其下端的做功绳600，以及附加在做功绳600上的做功单元700等全部部件一起绕地面模块800发生一个顺时针的偏转（从上往下的视角），并在一定角度达到平衡。
58.此外，与实施例1相同，系统也可以根据做功地区空中管制要求和风力状况，由地面模块800的控制系统发出合适的俯仰角度指令，由调节驱动件400灵活地对俯仰角和方向进行调整。
59.以上所述的实施例仅是对本发明做示例性描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。