一种高空风能资源测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种高空风能资源测量装置及方法。测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；测量方法通过建立高空氦气艇多个运动状态对应的力学模型，获取对应的风速风向测量公式；对系留绳索进行微元力学分析，确定系留氦气艇的位置信息、高空系留点处拉力及海拔信息之间的转换关系，获取氦气艇在有风静止状态下的风速数据的多种测量方案；针对因气艇运动与实际大气运动之间的差异、系留气艇的姿态角等因素导致的风速的测量误差，提出误差修正方法，完善所述风速风向测量公式。最终根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。

【技术实现步骤摘要】
一种高空风能资源测量装置及方法
本专利技术涉及风能领域，特别是涉及一种高空风能资源测量装置及方法。
技术介绍
风力发电作为一种获取能源的有效途径，与传统的化石能源发电方式相比，在时空特性上具有强随机性，因此，风能资源的准确测量与评估十分重要。在高空风能资源的测量过程中，现有技术主要包括测风塔及轨迹测风法。测风塔因其建设成本高、周期长、建成后无法二次移动、无法满足突发性监测需求以及监测高度有限等缺陷，逐渐被以高空氦气艇为核心的轨迹测风法所取代。但是由于对氦气艇的运动轨迹的不完全跟踪、氦气艇的运动与实际大气的运动之间的差异等问题，轨迹测风法的测量误差较大，精确度较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够提高风能资源测量方法的精确度的高空风能资源测量装置及方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种高空风能资源测量装置，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量装置，所述测量方法包括：建立高空中所述氦气艇的多个运动模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；根据实时采集的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。可选的，所述建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型具体包括：建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，所述力学参考坐标系包括地面坐标系、艇体坐标系和气流坐标系；根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动；根据所述氦气艇的运动状态建立所述氦气艇的多个运动状态模型；根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个运动状态模型对应的力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式。可选的，所述根据实时采集的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息具体包括：根据所述氦气艇在空中的运动状态信息，选取对应的所述氦气艇的运动状态模型；选取与所述氦气艇的运动状态模型对应的力学模型；选取与所述的力学模型对应的风速风向测量公式，将所述氦气艇在空中的运动状态信息代入所述风速风向测量公式，获取实时风速与风向的测量值；可选的，所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：以地面系留点为O点，轴OX1和OY1与地面平行，轴OX1指向东，轴OY1指向南，OZ1垂直地面向上，建立所述地面坐标系；以氦气艇浮心为O点，OX2轴沿氦气艇横轴方向，指向鼻部；OZ2沿氦气艇的竖轴方向，垂直OX2轴向上；OY2按照右手法则定义，建立所述艇体坐标系；以氦气艇浮心在地面的投影为O点，轴OX3指向气流方向的反方向，OZ3垂直OX3轴向上，OY3按照右手法则定义，建立所述气流坐标系。可选的，所述根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动具体包括：通过判断所述氦气艇的加速度是否为0，将所述运动状态分为稳态运动和非稳态运动，所述稳态运动状态为加速度为0的运动状态，所述非稳态运动状态为具有加速度的运动状态；所述的稳态运动状态包括：无风静止状态、有风静止状态；所述的非稳态运动状态包括：竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动、变轨运动、水平面的匀速圆周运动。可选的，所述根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：根据所述的稳态运动与非稳态运动，建立对应的运动状态力学模型，所述运动状态力学模型包括无风静止状态下的力学模型、有风静止状态下的力学模型、变轨运动情况下的力学模型、水平面的匀速圆周运动情况下的力学模型、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的力学模型；根据所述地面坐标系，将所述氦气艇的受力情况在轴OX1、轴OY1、轴OZ1方向上进行分解；根据多个所述运动状态模型获得所述力学平衡方程：所述的无风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：所述的有风静止状态对应的氦气艇力学平衡方程为：所述的变轨运动对应的氦气艇力学平衡方程为：所述的水平面的匀速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：所述的竖直面的匀速、变速圆周运动对应的氦气艇力学平衡方程为：其中，m代表整个装置的总质量，ax、ay、az代表氦气艇加速度在地面坐标系轴OX1、轴OY1、轴OZ1上的分量，Dx、Dy、Dz代表氦气艇所受空气阻力在地面坐标系轴OX1、轴OY1、轴OZ1上的分量，G代表整个装置所受重力，B代表氦气提供的浮力，L代表系留氦气艇所受的空气升力，T代表绳索与氦气艇连接处的拉力，θ代表绳索与平面X1OY1的夹角，α代表风向角。可选的，所述建立对应的多个运动状态力学模型还包括基于微元法的绳索力学模型：建立绳索任意微元段有风静止状态对应的绳索力学平衡方程：其中，为拉力Ti与地面坐标系中OY1轴的夹角，r为缆绳半径，ρrope为缆绳线密度，D为单位面积的空气阻力；根据所述的绳索力学平衡方程，绳索上每个微元段处的拉力大小Ti和与地面坐标系中OY1轴的夹角的关系式为：根据所述的微元法，将每段微元段的长度ds按照其方向角投影到地面坐标系的公式为：基于微元法的绳索力学模型还包括系留氦气艇的高空系留点的拉力与氦气艇位置信息之间的对应关系，具体为：根据高空系留点处的拉力大小T0及方向可通过上述四式(顺推)确定氦气艇位置信息；根据所述氦气艇的位置信息，可通过上述四式(逆推)确定高空系留点处的拉力大小和方向。所述高空系留点为所述绳索与所述氦气艇的连接处。可选的，所述的导出氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：根据多个所述力学模型，导出对应的风速风向测量公式：无风静止状态下的风速风向测量公式、有风静止状态下的风速风向测量公式、变轨运动情况下的风速风向测量公式、水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的风速风向测量公式，所述的无风静止状态下的风速风向测量公式为：v＝0α＝0所述的有风静止状态下的风速风向测量公式为：所述的有风静止状态下的风速测量公式，除以上公式以外，还包括：通过建立所述氦气艇位置信息(x,y,z)、绳索长度L、绳索与地面的夹角θ之间的关系：z＝L·sinθ将上述公式与所述有风静止状态下的第一种风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第二种风速测量方法；将所述基于微元法的绳索力学模型与所述有风静止状态下的风速测量公式相结合，获得有风静止状态下的第三种风速测量方法；所述的变轨运动情况下的风速风向测量公式为：所述的水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高空风能资源测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。

【技术特征摘要】
1.一种高空风能资源测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块。2.一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量方法包括：建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息。3.根据权利要求2所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型具体包括：建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，所述力学参考坐标系包括地面坐标系、艇体坐标系和气流坐标系；根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动；根据所述氦气艇的运动状态建立所述氦气艇的多个运动状态模型；根据多个所述运动状态模型，建立多个运动状态模型对应的力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式。4.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据所述氦气艇在空中的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息具体包括：根据所述氦气艇在空中的运动状态信息，选取对应的所述氦气艇的运动状态模型；选取与所述氦气艇的运动状态模型对应的力学模型；选取与所述的力学模型对应的风速风向测量公式，将所述氦气艇在空中的运动状态信息代入所述风速风向测量公式，获取实时风速与风向的测量值。5.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：以地面系留点为O点，轴OX1和OY1与地面平行，轴OX1指向东，轴OY1指向南，OZ1垂直地面向上，建立所述地面坐标系；以氦气艇浮心为O点，OX2轴沿氦气艇横轴方向，指向鼻部；OZ2沿氦气艇的竖轴方向，垂直OX2轴向上；OY2按照右手法则定义，建立所述艇体坐标系；以氦气艇浮心在地面的投影为O点，轴OX3指向气流方向的反方向，OZ3垂直OX3轴向上，OY3按照右手法则定义，建立所述气流坐标系。6.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据所述氦气艇力学参考坐标系分析所述氦气艇的运动状态，所述运动状态包括稳态运动和非稳态运动具体包括：通过判断所述氦气艇的加速度是否为0，将所述运动状态分为稳态运动和非稳态运动，所述稳态运动状态为加速度为0的运动状态，所述非稳态运动状态为具有加速度的运动状态；所述的稳态运动状态包括：无风静止状态、有风静止状态；所述的非稳态运动状态包括：竖直面的匀速圆周运动、竖直面的变速圆周运动、变轨运动、水平面的匀速圆周运动。7.根据权利要求3所述的一种高空风能资源测量方法，其特征在于，所述根据多个所述运动状态模型，建立对应的多个力学模型；根据所述力学模型，建立对应的力学平衡方程，导出所述氦气艇在不同运动状态下的风速风向测量公式，具体包括：根据所述的稳态运动与非稳态运动，建立对应的运动状态力学模型，所述运动状态力学模型包括无风静止状态下的力学模型、有风静止状态下的力学模型、变轨运动情况下的力学模型、水平面的匀速圆周运动情况下的力学模型、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的力学模型；根据所述地...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小强，崔砚鹏，郭铮，高传义，高强，翟鹏亮，
申请(专利权)人：西安邮电大学，西安碧海蓝天电子信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61