[发明专利]可变翼展风筝风力机

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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技术领域，特别是涉及一种可变翼展风筝风力机。

背景技术

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。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明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”。