一种高空太阳能发电单元及发电系统的制作方法

本实用新型涉及新能源技术领域，尤其是涉及一种高空太阳能发电单元及发电系统。

背景技术：

随着人类对能源环境要求的发展，太阳能逐渐成为了重要的绿色能源。太阳能具备蕴藏量大且无污染等特点，现有的太阳能采集通常在地面上进行且需要铺设大面积的太阳能电池板，占用大量空间选址比较困难且能量转换效率较低，导致太阳能发电成本较高。而且太阳能采集容易受到天气因素的影响，如阴天或者雨天则完全无法进行发电作业，使得现有的太阳能的应用受到了大大的限制。而在距离地面一万多米的高空，云量少，太阳光在白昼照射稳定，且高空太阳能的辐射能量更强，同时高空太阳能受气象条件和地域的影响也较小。

现有技术中，申请号为200910113875.1的中国发明专利公开了一种高空风-太阳能发电装置，该装置由牵引索和定高索维系在既定高空位置高度的升力体构成。其中升力体的上表面敷设太阳能电池，后部设有风力发电机组。由此该装置昼间可稳定地利用太阳能发电，同时可利用高空风昼夜稳定地发电。该方案采用在升力体的上表面铺设太阳能电池的方法进行高空太阳能发电，但该方法中升力体受风力作用影响较大，随着太阳不同时间角度不同，太阳能电池受阳光辐射的角度也不定。另外，由于升力体受风向影响非常大，甚至可能太阳能电池无法接受太阳辐照吸收太阳能发电。

申请号为201510281883.2的中国发明专利公开了一种伞梯组合高空太阳能发电系统，包括与地面成一角度的轨道绳和固定于轨道绳上的若干太阳能发电组；太阳能发电组包括从下至上依次固定连接在轨道绳上的滑筒、下挡块、上挡块和升降伞，升降伞伞形边缘与滑筒之间连接若干细绳且顶部中心套接在轨道绳上，升降伞表面上设置有一层太阳能薄膜，太阳能薄膜连接有太阳能储能装置。该发明在升降伞伞面上铺设太阳能薄膜并通过轨道绳将其升入高空进行太阳能采集发电，避免受到天气等因素影响，整个发电系统设置于高空中，基本不占用地面空间且光照更加强烈，能量转换率更高，同时还可以进行高空风能采集。但是由于升降伞在其做功过程中需要不断地开伞和关伞，而太阳能薄膜设置于升降伞的表面，其做功过程中吸收太阳能的效率低，且发电功率不稳定，因此该方案不适用于大量发电的情况，而只能仅仅作为升降伞的驱动的补充电力来使用。

同时该发明人还公开了另外一种技术方案，即申请号为201510281882.8的中国发明专利，公开了一种伞梯组合太阳能风能互补发电系统，包括：与地面成一角度的轨道绳以及若干固定于轨道绳上的发电组；发电组包括从下至上依次固定连接在轨道绳上的滑筒、下挡块、上挡块和升降伞，升降伞伞形边缘与滑筒之间连接若干细绳且顶部中心套接在轨道绳上，滑筒末端还连接有若干串接于轨道绳上的太阳能发电组。其中，太阳能发电组由串接于轨道绳上的若干圆筒状或者球状电池板、贴覆于其表面上的太阳能薄膜和储能电池组成。该发明通过升降伞将串接的太阳能发电组送入高空，于高空中采集太阳能，同时通过升降伞的上下驱动还可以采集高空风能，实现了高空太阳能和高空风能的综合利用。该方案中的太阳能发电组本身不具备升力，且其重量较重，必须采用较多的平衡伞才能平衡其重量。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种独立且发电效率高的高空太阳能发电单元及发电系统。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种高空太阳能发电单元，包括支架，所述支架设有转轴，所述转轴上安装有气球，所述气球的形状为旋转体，且安装在所述转轴上绕旋转体的旋转轴转动；所述气球的表面覆盖有薄膜太阳能，所述转轴设有用于带动气球转动的驱动装置。

本实用新型通过在气球上设置薄膜太阳能的方法实现高空太阳能的采集。同时，本实用新型还利用马格鲁斯效应（如图1所示），通过驱动装置驱动气球绕转轴旋转，由于旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小，而根据伯努利定理，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋转物体在横向的压力差，并形成横向力，因此当气球上部的旋转方向与风向相同，底部与风向相反时，根据马格鲁斯效应则能产生一个向上的力将气球托起，当转速足够快甚至能产生托起较重的物体。本实用新型就是利用了马格鲁斯效应，通过气球旋转将发电单元送至高空中，改变了现有技术中采用充有低密度气体的气球或风筝等将太阳能发电单元送至高空的现状，本方案结构简单，实现太阳能高空发电装置的独立。

进一步地，所述气球呈圆柱体形或椭球形或橄榄形或球形。

优选地，所述气球呈椭球形。气球设置为圆柱体形，气球绕转轴旋转时气球表面各个点的角速度相同，则能保证旋转时气球表面同一轴线上的气流流速各处相同，且受力方向相同，降低了气球在上升过程中出现偏转的可能性，但是由于圆柱体型的底面的阻风面积过大，导致气球受到较大的横向作用力；气球设置为球形则很有可能出现其运动轨迹呈弧形的现象。因此，综合考虑采用椭球形的方案为优选方案。

进一步地，所述转轴上设有用于控制气球转速的减速装置。在气球两端设置减速装置用于控制气球的转速，当高空风速增大时，气球在较低转速下所产生的升力就能克服自身重力时通过减速装置降低气球的转速即可。

进一步地，所述气球内充有密度小于或等于空气的气体。

进一步地，所述薄膜太阳能串联，并通过电缆将电能输送至地面。

一种高空太阳能发电系统，包括底座、缆绳以及上述的高空太阳能发电单元，所述缆绳的一端固定于底座上，所述高空太阳能发电单元通过其支架固定在缆绳上，沿缆绳分布。本方案将多个高空太阳能发电单元通过缆绳串连得到高空太阳能发电系统，建立了一个独立的高空太阳能发电系统，通过气球的旋转产生的升力克服自身重力。另外，本系统通过将多个发电单元串联提高了整个发电系统的发电效率。

进一步地，上述系统还包括风向风速测量装置和控制系统；所述控制系统分别与所述风向风速测量装置、所述驱动装置和减速装置控制连接，所述风向风速测量装置安装于缆绳上。本系统可通过风向风速测量装置和控制系统，由控制系统根据风向风速测量装置所获取的风速信息来对气球的转向、转速以及气球的方位进行调整，以实现对发电单元的自动控制。优选地，所述风向风速测量装置安装于缆绳的上部和中部。

进一步地，所述控制系统包括信息采集模块、分析模块和动作模块；所述信息采集模块用于获取所述风向风速测量装置所测得的风向风速信息并将获取的风向风速信息发送给分析模块；所述分析模块用于将所述信息采集模块所获取的风向风速信息进行分析，根据风向风速信息得出气球克服发电系统自重所需要的转向和转速，并将转向和转速与气球当前的转向和转速进行比较，得出控制命令并发送给动作模块；所述动作模块根据所接收到的控制命令控制所述驱动装置和减速装置。

优选地，所述发电系统中最上面的高空太阳能发电单元的气球内充的气体的密度小于空气。本方案有利于将发电系统升向高空时无需外加其他升力系统便能升空：首先，由最上面的发电单元将其后连接部分发电单元拉升至空中；然后，这部分升空的发电系统启动驱动器使气球旋转，由于马格鲁斯效应产生的升力即可将整个系统拉升至高空中；最后，当系统完全升空后，系统根据实时的风速风向进行调整。

进一步地，所述高空太阳能发电单元通过电缆串联，且所述电缆延缆绳铺设。

优选地，所述底座可旋转。

一种上述的高空太阳能发电系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：控制系统读取风向风速测量装置测得的风向风速信息；

S2：控制系统分析得出垂直于气球旋转轴的横截面的风向风速信息中的水平风向、垂直风向、水平风速和垂直风速，驱动装置控制气球正/反转，使气球最高点运动方向与水平风向同向，最低点运动方向与水平风向逆向；

S3：根据垂直风向、水平风速、垂直风速和发电系统自重，通过驱动装置和减速装置控制气球转速，保持气球悬浮在空中。

进一步地，还包括步骤S4：控制系统根据垂直于气球旋转轴的横截面的水平风速调整转轴的角度：当所述水平风速为0时，控制系统则通过控制支架转动，使得水平风速大于0。所述支架的左右两端安装有类似飞机方向舵的装置，可以通过控制该装置控制支架的水平转动方向。

与现有技术比较，本实用新型提供了一种高空太阳能发电单元及其组成的发电系统，结构简单，发电效率高，是一种完全独立的高空太阳能发电系统，同时能通过控制系统对发电单元进行自我调整，实现自动控制。

附图说明

图1为马格鲁斯效应的原理图；

图2为本实用新型提供的高空太阳能发电单元的结构示意图；

图3为本实用新型提供的高空太阳能发电系统的示意图；

图4为本系统的控制方法中确定气球转向的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。

实施例

如图2所示，本实施例提供了一种高空太阳能发电系统，包括支架301，所述支架301设有转轴302，所述转轴302上安装有气球303，所述气球303的形状为旋转体，且安装在所述转轴302上绕旋转体的旋转轴转动；所述气球303的表面覆盖有薄膜太阳能304（未在图2中示出），所述转轴302设有用于带动气球转动的驱动装置。

其中，所述气球303呈圆柱体形或椭球形或橄榄形或球形。优选地，气球303呈椭球形。

优选地，所述转轴302上设有用于控制气球转速的减速装置；所述气球303内充有密度小于或等于空气的气体；所述薄膜太阳能304串联，并通过电缆将电能输送至地面。

其中，气球303包括软材料部分和硬材料部分，软材料部分覆盖有薄膜太阳能304，硬材料部分用于将气球303 安装于转轴302上；转轴302上安装的驱动装置和减速装置安装于气球的两端。

一种高空太阳能发电系统，包括底座1、缆绳2以及上述的高空太阳能发电单元3，所述缆绳2的一端固定于底座1上，所述高空太阳能发电单元3通过其支架301固定在缆绳2上，沿缆绳2分布。

其中，上述系统还包括风向风速测量装置和控制系统；所述控制系统分别与所述风向风速测量装置、所述驱动装置和减速装置控制连接，所述风向风速测量装置安装于缆绳2上。优选地，风向风速测量装置安装于缆绳2上部和中部。

所述控制系统包括信息采集模块、分析模块和动作模块；所述信息采集模块用于获取所述风向风速测量装置所测得的风向风速信息并将获取的风向风速信息发送给分析模块；所述分析模块用于将所述信息采集模块所获取的风向风速信息进行分析，根据风向风速信息得出气球克服发电系统自重所需要的转向和转速，并将转向和转速与气球当前的转向和转速进行比较，得出控制命令并发送给动作模块；所述动作模块根据所接收到的控制命令控制所述驱动装置和减速装置。

优选地，所述发电系统中最上面的高空太阳能发电单元的气球内充的气体的密度小于空气。

优选地，所述高空太阳能发电单元通过电缆串联，且所述电缆延缆绳铺设；所述底座可旋转。

一种上述的高空太阳能发电系统的控制方法，包括以下步骤：

S1：控制系统读取风向风速测量装置测得的风向风速信息；

S2：控制系统分析得出垂直于气球旋转轴的横截面的风向风速信息中的水平风向、垂直风向、水平风速和垂直风速，驱动装置控制气球正/反转，使气球最高点运动方向与水平风向同向，最低点运动方向与水平风向逆向；

S3：根据垂直风向、水平风速、垂直风速和发电系统自重，通过驱动装置和减速装置控制气球转速，保持气球悬浮在空中。

其中，步骤S2具体如图4所示，其中图中的圆为气球的横截面，图中所示“水平风向”所指的是垂直于气球旋转轴的横截面的水平风向。当水平风向为自左向右时，气球绕转轴正传；当水平风向为自右向左时，气球绕转轴反转。

进一步地，还包括步骤S4：控制系统根据垂直于气球旋转轴的横截面的水平风速调整转轴的角度：当所述水平风速为0时，控制系统则通过控制支架转动，使得水平风速大于0。所述支架的左右两端安装有类似飞机方向舵的装置，可以通过控制该装置控制支架的水平转动方向。

本实施例所提供的高空太阳能发电系统的具体工作原理如下：

1.将系统升至高空：

当最上面的发电单元的气球中所充气体密度等于空气时：首先由风筝或氦气球等升力体拉着发电系统升至高空，然后发电单元启动驱动器使气球旋转，由于马格鲁斯效应产生的升力平衡发电系统自身的重力后则可直接将用于辅助系统升空的升力体卸下，发电系统根据实时的风速风向进行调整。

当最上面的发电单元的气球中所充气体密度小于空气时：首先，由最上面的发电单元将其后连接部分发电单元拉升至空中；然后，升空的发电单元启动驱动器使气球旋转，由于马格鲁斯效应产生的升力即可将整个系统拉升至高空中；最后，当发电系统完全升空后，系统根据实时的风速风向进行调整。

2.系统的实时调整

系统的实时调整主要由系统中的控制系统、风向风速测量装置、驱动器以及减速装置完成：风向风速测量装置测得风向信息及风速信息，并将风向信息及风速信息发送给控制系统，由控制系统计算出垂直于气球旋转轴的横截面的水平风向、垂直风向以及水平风速和垂直风速，并由上述信息得出气球的转向和转速，然后由控制系统控制驱动器和减速装置使得气球的转向和转速达到计算值。

另外，当转轴的方向与水平风向平行，也就是垂直于气球旋转轴的横截面的水平风速为零时，则由控制系统控制支架偏转，使得转轴方向与水平风向不再平行。