可变翼展风筝风力机制造技术

本发明专利技术公开了一种可变翼展风筝风力机，包括由系留缆索组连接的铰链帆、地面主机；按风阻面的形心位置对系留缆索组的张力及所受风载力矩的影响，铰链帆按对称面重合分为张力帆和力矩帆；力矩帆基于结构实现传统板式风筝的滞空机理和滞空可靠性；张力帆基于自身风载和轴对称平面连杆机构的特性，即时响应地面主机对收卷动力的开/关控制和对联动的动力及位置的限定，使其受结构限定仅与系留缆索组的张力相关的风载随铰链帆的往复运动方向自适应的“收/小、放/大”；因而使可变翼展风筝风力机的风能转换高度与风载的受控变化无关、机群阵列密度与铰链帆的运动无关、占地面积的功率容限仅取决于可变风阻面积沿系留缆索组串接后的机械可靠性。

Variable Wingspan Kite Turbine

The invention discloses a variable wingspan kite windmill, which comprises hinged sail connected by mooring cable group and ground main engine; according to the influence of the centroid position of wind resistance surface on the tension of mooring cable group and wind load moment, hinged sail is divided into tension sail and moment sail according to the coincidence of symmetrical plane; moment sail realizes the air-holding mechanism and air-holding reliability of traditional plate kite based on structure; Based on the characteristics of its own wind load and axisymmetric planar linkage mechanism, it can respond to the open/close control of winding power and the restriction of linkage power and position of the ground mainframe in real time, so that the wind load, which is only related to the tension of the mooring cable group, is adaptive to the reciprocating motion direction of the hinged sail, so that the wind energy conversion of the variable wingspan kite wind turbine is high. It has nothing to do with the controlled change of wind load, the density of cluster arrays and the motion of hinged sails, and the power tolerance of the occupied area only depends on the mechanical reliability of the variable wind resistance area connected in series with the mooring cables.

【技术实现步骤摘要】
可变翼展风筝风力机
本专利技术涉及利用自然环境中的流体动能产生往复机械运动的原动机
，特别是涉及一种可变翼展风筝风力机。
技术介绍
风能是以空气为工质将太阳能转换为流体动能的可再生清洁能源。目前，风能利用主要集中在风力发电领域，一些能源工业发达国家的风力发电量已逾发电总量的30％。由于在地球大气对流层内，风能的密度及持续性普遍与距地表高度正相关，因而风能转换高度是目前影响风力发电能力的经济性、稳定性的首要非自然因素。但受工程和/或经济的能力制约，以固定在地面的刚性杆、塔顶端的水平轴风力涡轮机为代表的当前主流技术产品，其风能转换高度普遍在距地表高度200m以下。为突破风能转换高度的成本制约，以便在更广泛的地域范围内获取更廉价的风能，基于系留飘飞装置的高空风力发电技术备受关注。其核心目的是：利用缆索在长度和抗拉强度方面突出的性价比，显著增加风能转换高度，并同时向地面传递机械动能或电能。其技术方法主要分为：通过系留缆索的收放传递动能的飞行风力机，通过系留缆索传递电能的飞行/漂浮发电机。虽然，由于风载的单向性，使单一的飞行风力机只能通过拖曳系留缆索驱动系留缆索卷筒沿释放系留缆索方向单向转动，系留缆索的回收则需借助地面提供的收卷动力，但相对简单的轻质结构使飞行风力机较飞行发电机具有成本、工期和安全性优势，因而基于轻质非刚性滑翔翼的飞行风力机在欧洲已开始规模化实验。由于飞行风力机最初包含了传统板式风筝的滞空机理，因而相关的风力发电方法被习惯性的称为“风筝发电”。传统板式风筝基于系留缆索的柔性约束、平面风阻结构的对称性及其质心/形心各自分别相对于系留点和系留缆索中心线的位置所产生的力矩，通过系留缆索仰角的自适应变化，使其风载与包括系留缆索滞空段在内的所有滞空质量形成力矩平衡，并以即时负反馈方式自持纠偏，因而其平衡自持稳定；这不仅使其平面风阻结构因系留缆索的仰角而获得滞空高度，也使其仅以缆索收放控制即可改变系留缆索的长度；这种基于结构的滞空可靠性、简捷的控制及时间、空间、结构、质量、力学等方面的效费比，至今仍是预期往复式飞行风力机(尤其是往复式风筝风力机)具有先进性的依据。但也正是因系留缆索的稳态张力变化基于力矩平衡而与系留缆索的摆动相关，使其不适应具有“变向变载”特征的一维往复做功运动对系留缆索稳态张力即时受控变化的需求。针对传统板式风筝的机理性缺陷，现有飞行风力机基于非对称翼型的飞行器沿球坐标系内单向循环轨迹的受控飞行，通过以飞行速度为主、以结构风阻为辅产生的牵引力实现系留缆索的张力受控变化及其与长度变化的时序相关。但首先，该技术必须由一台自动驾驶仪实时测控迎风角、侧风角、航向、航速、航程历时、缆索长度、缆索张力等多个独立参数，既增加了控制的复杂性和成本，又使其行程效率和空间利用率低于仅需缆索长度变化所对应的预期目标；其次，受限于响应延迟而必须与飞行器近距离随行的自动驾驶仪，将同样面临馈电缆索或空中发电等能源供给难题；更为堪忧的机理隐患是：由于运动中的滞空姿态完全受优先级最高的随行自动驾驶仪控制，因而其滞空可靠性无法同传统板式风筝一样仅基于结构完整性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种可变翼展风筝风力机，旨在以传统板式风筝的滞空机理及其滞空可靠性为基础，在系留缆索的稳态张力不与其摆动直接相关的前提下，通过地面主机对收卷动力的开/关控制，使系留缆索的稳态张力随其滞空端的运动方向即时产生基于风阻面积的自适应“变向变载”。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种可变翼展风筝风力机，包括：铰链帆、系留缆索组以及地面主机；铰链帆和地面主机通过系留缆索组的连接传递动力和运动；系留缆索组的柔性约束限定承受风载的铰链帆始终位于地面主机的下游；铰链帆包括基于同一对称面的张力帆和力矩帆，铰链帆基于风阻使系留端被定位的系留缆索组产生张力；张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；在轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内，张力帆的特征为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构；且凸筝形的两相邻长边及长对角线分别对应不同的缆索，两相邻短边共同对应轴对称可变风阻单元，短对角线对应张力帆的翼展；受缆索的柔性约束限定，承受风载的轴对称可变风阻单元位于凸筝形相邻长边的下游；当凸筝形的长对角线长度因短边交点或长边交点被限定为相对低速点而变化时，张力帆的翼展及其所决定的等效风阻面积受自身风载作用产生的变化，使张力帆的风载随即变化；力矩帆包括至少一个迎角安定结构；力矩帆的形心/质心均位于张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；基于质心位置、风载的对称性以及系留缆索组的柔性约束，力矩帆的对称面与系留缆索组的滞空段质心重合并平行于风向；基于形心位置，通过系留缆索组的仰角自适应变化，力矩帆的风载与铰链帆、系留缆索组滞空段的自重形成力矩平衡，使铰链帆获得稳定的滞空高度；基于迎角及等效风阻面积的自适应变化，力矩帆以其风载变化抵减铰链帆的运动以及系留缆索组的滞空段长度、风速的变化对系留缆索组力矩平衡的影响；地面主机包括直立筒轴、转台、负载缆索卷筒、控制缆索卷筒、缆索导向机构、从动机、收卷机、两个单向联动变速轮、两组缆索长度检测单元以及两组缆索张力检测单元；转台安装在直立筒轴上并以其中心线为旋转轴线；负载缆索卷筒和控制缆索卷筒均安装在转台上；从动机和收卷机均安装在转台上，并分别通过安装在各自转轴上的单向联动变速轮与负载缆索卷筒、控制缆索卷筒形成轮缘传动；单向联动变速轮分别以不同的轮径适应从动机、收卷机对传动比的要求；缆索导向机构沿转台半径方向安装在转台上并离心偏置；缆索导向机构包括轮轴架和两组导向轮组；两组导向轮组分别安装在轮轴架上；两组缆索长度检测单元和两组缆索张力检测单元均分别安装在两组导向轮组中；系留缆索组至少包括负载缆索和控制缆索；负载缆索在负载缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在负载缆索卷筒上，其滞空端穿过一组导向轮组后与张力帆中对应凸筝形短边交点的结构连接；控制缆索在控制缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在控制缆索卷筒上，其滞空端穿过另一组导向轮组后与张力帆中对应凸筝形长边交点的结构连接；受连接的位置和/或结构限定，系留缆索组的中心线始终与张力帆的形心重合；受结构和/或控制的限定，负载缆索卷筒与控制缆索卷筒的联动位置取决于转动方向；受单向联动变速轮基于结构的限定，负载缆索卷筒只能沿释放缆索方向驱动从动机，否则其输出侧空载；控制缆索卷筒只能沿回收缆索方向受收卷机驱动，否则其输入侧空载；基于缆索导向机构将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿转台半径方向的离心偏置，铰链帆的风载相对于转台的旋转轴线所产生的力矩驱动转台产生自适应转动，使其旋转轴线始终保持与系留缆索组的中心线共面；缆索长度检测单元和缆索张力检测单元分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，直接和/或间接控制收卷机的启/停；共同承受风载的驱动或阻尼的负载缆索卷筒和控制缆索卷筒，因结构和/或控制对联动的动力和位置的不同限定，在释放缆索时由负载缆索卷筒传递从动机的阻尼，在回收缆索时由控制缆索卷筒传递收卷机的驱动；负载缆索卷筒和控制缆索卷筒因此形成的自持相对运动，限定系留缆索组对应绝对长度同步变化的收/放过程，分别自动以负载缆索与控制缆索的相对长度的增/减为前序；当地面主机通过对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变翼展风筝风力机，其特征在于，包括：铰链帆、系留缆索组以及地面主机；所述铰链帆和所述地面主机通过所述系留缆索组的连接传递动力和运动；所述系留缆索组的柔性约束限定承受风载的所述铰链帆始终位于所述地面主机的下游；所述铰链帆包括基于同一对称面的张力帆和力矩帆，所述铰链帆基于风阻使系留端被定位的所述系留缆索组产生张力；所述张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；在所述轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内，所述张力帆的特征为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构；且所述凸筝形的两相邻长边及长对角线分别对应不同的缆索，两相邻短边共同对应所述轴对称可变风阻单元，短对角线对应所述张力帆的翼展；受缆索的柔性约束限定，承受风载的所述轴对称可变风阻单元位于所述凸筝形相邻长边的下游；当所述凸筝形的长对角线长度因短边交点或长边交点被限定为相对低速点而变化时，所述张力帆的翼展及其所决定的等效风阻面积受自身风载作用产生的变化，使所述张力帆的风载随即变化；所述力矩帆包括至少一个迎角安定结构；所述力矩帆的形心/质心均位于所述张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；基于质心位置、风载的对称性以及所述系留缆索组的柔性约束，所述力矩帆的对称面与所述系留缆索组的滞空段质心重合并平行于风向；基于形心位置，通过所述系留缆索组的仰角自适应变化，所述力矩帆的风载与所述铰链帆、所述系留缆索组滞空段的自重形成力矩平衡，使所述铰链帆获得稳定的滞空高度；基于迎角及等效风阻面积的自适应变化，所述力矩帆以其风载变化抵减所述铰链帆的运动以及所述系留缆索组的滞空段长度、风速的变化对所述系留缆索组力矩平衡的影响；所述地面主机包括直立筒轴、转台、负载缆索卷筒、控制缆索卷筒、缆索导向机构、从动机、收卷机、两个单向联动变速轮、两组缆索长度检测单元以及两组缆索张力检测单元；所述转台安装在所述直立筒轴上并以其中心线为旋转轴线；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒均安装在所述转台上；所述从动机和所述收卷机均安装在所述转台上，并分别通过安装在各自转轴上的所述单向联动变速轮与所述负载缆索卷筒、控制缆索卷筒形成轮缘传动；所述单向联动变速轮分别以不同的轮径适应所述从动机、所述收卷机对传动比的要求；所述缆索导向机构沿所述转台半径方向安装在所述转台上并离心偏置；所述缆索导向机构包括轮轴架和两组导向轮组；两组所述导向轮组分别安装在所述轮轴架上；两组所述缆索长度检测单元和两组所述缆索张力检测单元均分别安装在两组所述导向轮组中；所述系留缆索组至少包括负载缆索和控制缆索；所述负载缆索在所述负载缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述负载缆索卷筒上，其滞空端穿过一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形短边交点的结构连接；所述控制缆索在所述控制缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述控制缆索卷筒上，其滞空端穿过另一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形长边交点的结构连接；受连接的位置和/或结构限定，所述系留缆索组的中心线始终与所述张力帆的形心重合；受结构和/或控制的限定，所述负载缆索卷筒与所述控制缆索卷筒的联动位置取决于转动方向；受所述单向联动变速轮基于结构的限定，所述负载缆索卷筒只能沿释放缆索方向驱动所述从动机，否则其输出侧空载；所述控制缆索卷筒只能沿回收缆索方向受所述收卷机驱动，否则其输入侧空载；基于所述缆索导向机构将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿所述转台半径方向的离心偏置，所述铰链帆的风载相对于所述转台的旋转轴线所产生的力矩驱动所述转台产生自适应转动，使其旋转轴线始终保持与所述系留缆索组的中心线共面；所述缆索长度检测单元和所述缆索张力检测单元分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，直接和/或间接控制收卷机的启/停；共同承受风载的驱动或阻尼的所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒，因结构和/或控制对联动的动力和位置的不同限定，在释放缆索时由所述负载缆索卷筒传递所述从动机的阻尼，在回收缆索时由所述控制缆索卷筒传递所述收卷机的驱动；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒因此形成的自持相对运动，限定所述系留缆索组对应绝对长度同步变化的收/放过程，分别自动以所述负载缆索与所述控制缆索的相对长度的增/减为前序；当所述地面主机通过对收卷动力的开关控制，收/放所述系留缆索组时，所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒首先发生相对转动，使所述张力帆的翼展因自身风载作用而按“收/小、放/大”的对应关系发生变化，所述系留缆索组的张力随即直接产生相应的变化；直至所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒同步转动后，所述铰链帆或由对应所述张力帆最大翼展的风载驱动，克服所述负载缆索卷筒传递的运动阻尼沿所述系留缆索组中心线顺流离心运动；或由所述控制缆索卷筒传递的收卷动力驱动，克服对应所述张力帆最小翼展的风载沿所述系留缆索组中心线逆流向心运动。...

【技术特征摘要】
1.一种可变翼展风筝风力机，其特征在于，包括：铰链帆、系留缆索组以及地面主机；所述铰链帆和所述地面主机通过所述系留缆索组的连接传递动力和运动；所述系留缆索组的柔性约束限定承受风载的所述铰链帆始终位于所述地面主机的下游；所述铰链帆包括基于同一对称面的张力帆和力矩帆，所述铰链帆基于风阻使系留端被定位的所述系留缆索组产生张力；所述张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；在所述轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内，所述张力帆的特征为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构；且所述凸筝形的两相邻长边及长对角线分别对应不同的缆索，两相邻短边共同对应所述轴对称可变风阻单元，短对角线对应所述张力帆的翼展；受缆索的柔性约束限定，承受风载的所述轴对称可变风阻单元位于所述凸筝形相邻长边的下游；当所述凸筝形的长对角线长度因短边交点或长边交点被限定为相对低速点而变化时，所述张力帆的翼展及其所决定的等效风阻面积受自身风载作用产生的变化，使所述张力帆的风载随即变化；所述力矩帆包括至少一个迎角安定结构；所述力矩帆的形心/质心均位于所述张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；基于质心位置、风载的对称性以及所述系留缆索组的柔性约束，所述力矩帆的对称面与所述系留缆索组的滞空段质心重合并平行于风向；基于形心位置，通过所述系留缆索组的仰角自适应变化，所述力矩帆的风载与所述铰链帆、所述系留缆索组滞空段的自重形成力矩平衡，使所述铰链帆获得稳定的滞空高度；基于迎角及等效风阻面积的自适应变化，所述力矩帆以其风载变化抵减所述铰链帆的运动以及所述系留缆索组的滞空段长度、风速的变化对所述系留缆索组力矩平衡的影响；所述地面主机包括直立筒轴、转台、负载缆索卷筒、控制缆索卷筒、缆索导向机构、从动机、收卷机、两个单向联动变速轮、两组缆索长度检测单元以及两组缆索张力检测单元；所述转台安装在所述直立筒轴上并以其中心线为旋转轴线；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒均安装在所述转台上；所述从动机和所述收卷机均安装在所述转台上，并分别通过安装在各自转轴上的所述单向联动变速轮与所述负载缆索卷筒、控制缆索卷筒形成轮缘传动；所述单向联动变速轮分别以不同的轮径适应所述从动机、所述收卷机对传动比的要求；所述缆索导向机构沿所述转台半径方向安装在所述转台上并离心偏置；所述缆索导向机构包括轮轴架和两组导向轮组；两组所述导向轮组分别安装在所述轮轴架上；两组所述缆索长度检测单元和两组所述缆索张力检测单元均分别安装在两组所述导向轮组中；所述系留缆索组至少包括负载缆索和控制缆索；所述负载缆索在所述负载缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述负载缆索卷筒上，其滞空端穿过一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形短边交点的结构连接；所述控制缆索在所述控制缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述控制缆索卷筒上，其滞空端穿过另一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形长边交点的结构连接；受连接的位置和/或结构限定，所述系留缆索组的中心线始终与所述张力帆的形心重合；受结构和/或控制的限定，所述负载缆索卷筒与所述控制缆索卷筒的联动位置取决于转动方向；受所述单向联动变速轮基于结构的限定，所述负载缆索卷筒只能沿释放缆索方向驱动所述从动机，否则其输出侧空载；所述控制缆索卷筒只能沿回收缆索方向受所述收卷机驱动，否则其输入侧空载；基于所述缆索导向机构将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿所述转台半径方向的离心偏置，所述铰链帆的风载相对于所述转台的旋转轴线所产生的力矩驱动所述转台产生自适应转动，使其旋转轴线始终保持与所述系留缆索组的中心线共面；所述缆索长度检测单元和所述缆索张力检测单元分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，直接和/或间接控制收卷机的启/停；共同承受风载的驱动或阻尼的所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒，因结构和/或控制对联动的动力和位置的不同限定，在释放缆索时由所述负载缆索卷筒传递所述从动机的阻尼，在回收缆索时由所述控制缆索卷筒传递所述收卷机的驱动；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒因此形成的自持相对运动，限定所述系留缆索组对应绝对长度同步变化的收/放过程，分别自动以所述负载缆索与所述控制缆索的相对长度的增/减为前序；当所述地面主机通过对收卷动力的开关控制，收/放所述系留缆索组时，所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒首先发生相对转动，使所述张力帆的翼展因自身风载作用而按“收/小、放/大”的对应关系发生变化，所述系留缆索组的张力随即直接产生相应的变化；直至所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒同步转动后，所述铰链帆或由对应所述张力帆最大翼展的风载驱动，克服所述负载缆索卷筒传递的运动阻尼沿所述系留缆索组中心线顺流离心运动；或由所述控制缆索卷筒传递的收卷动力驱动，克服对应所述张力帆最小翼展的风载沿所述系留缆索组中心线逆流向心运动。2.如权利要求1所述的可变翼展风筝风力机，其特征在于，所述张力帆还包括V形缆索组、轮轨式汇接滑车以及至少两组Y形缆索组；所述轴对称可变风阻单元包括动翼铰接轴以及两张动翼；两张所述动翼对称铰接在所述动翼铰接轴上；所述动翼在额定载荷下形状自持；所述V形缆索组包括定心汇接件以及至少两根定心缆索；所有所述定心缆索的中心线共面；所述定心汇接件的中心与所述V形缆索组的最小包络三角形的一个顶点重合；所述定心汇接件为所述V形缆索组对外连接的点铰接端；所有所述定心缆索的第一端均分别按中心线重合于所述定心汇接件中心的形式与所述定心汇接件连接，第二端均分别重合在所述V形缆索组的最小包络三角形中与所述定心汇接件相对的边上，构成所述V形缆索组对外连接的轴铰接端组；在所述V形缆索组的最小包络三角形内，所有两相邻边均分别与所述定心缆索的中心线重合的三角形等高；所述Y形缆索组包括一组所述V形缆索组以及一根转接缆索；所述转接缆索的中心线与所述V形缆索组的最小包络三角形共面；所述转接缆索的第一端按中心线重合于所述V形缆索组的所述定心汇接件中心的形式与所述V形缆索组的所述定心汇接件连接；所述转接缆索的第二端为所述Y形缆索组对外连接的点铰接端；所述V形缆索组的轴铰接端组为所述Y形缆索组对外连接的轴铰接端组；所述Y形缆索组以不同长度的所述转接缆索对应所述张力帆中不同连接部位的点线间距；所述动翼铰接轴与一组所述V形缆索组的轴铰接端组连接；所述V形缆索组的点铰接端与所述负载缆索的滞空端连接；所述动翼在平行于所述动翼铰接轴的另一侧与至少一组所述Y形缆索组的轴铰接端组分别连接，所述Y形缆索组的点铰接端与所述轮轨式汇接滑车同侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：白毅，
申请(专利权)人：白毅，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15