一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法技术方案

本发明专利技术涉及风力发电技术领域，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，包括无人机和地面协作控制系统，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机连接的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。该无人机发电系统系统简化且控制低廉，限制高度并拓展空域，弱化地面实施功能且系统易拆装可移动使用。本发明专利技术还提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法。

【技术实现步骤摘要】
一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法
本专利技术涉及风力发电
，特别是一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及使用方法。
技术介绍
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。化石燃料发电成本将愈加昂贵，例如，有评估报告警告：如果澳大利亚不放弃使用化石燃料，到2020年，电价将达到现在的两倍，到2050年将达3倍。其主要原因是：世界能源价格的持续上涨和碳交易制度下的碳许可排放的代价在上涨。但是，风电的成本却随着经济规模的扩张而下降；并且，风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，因此，风力发电正在世界上形成一股热潮。通常的风力发电原理是：利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前风车技术3米/秒的微风、便可以开始发电。安装在地面的、以塔楼为基础的传统风力涡轮机，是全球发电中一个很小的组成部分，但目前正在迅速地增长。据政府支持下的国际性研究所REN21发布的数据显示，传统的风力发电机运营商2011年的总发电能力为238千兆瓦，相当于十年前24千兆瓦总发电能力的十倍。另据美国能源部下属能源信息署(EIA)发布的数据显示，全球范围内各种类型的发电方式的总发电能力大约为5000千兆瓦。然而，基于塔楼式传统风力涡轮机的风力发电系统，有较大的局限性：a)由于风力涡轮机必须尽量离地面高，因此，通常需要高达数十米的支杆来架设系统，因此，单个塔楼式涡轮机的生产成本就很高，并且受限于成本、其高度也存在极限，风力发电的效率无法进一步提升；b)存在严重的地域限制和较大的季节差异，因此，风力发电场必须设置在风力资源丰富的地域，但仍不能保证在所有季节中都提供风力发电；c)由于处于很大区域中的数十个风力涡轮机发电系统，需通过地下线缆连接成控制和电力传输网络，因此，附加的成本也非常高。显然，在海拔高度较高的地方，风力会变得更加强劲和持久，但建造一个100层楼高的涡轮机不符合成本效益。因此，工程师们正尝试使用风筝搭载发电机送往高空，提出一种新颖的风力发电方式是：风筝风力发电。风筝风力发电系统，与本专利技术提出的“一种风筝飞机融合构型无人机发电系统及系统”，均属于区别于地面塔楼式风电系统的、空中风力发电系统，其基本工作原理是：风筝在风力作用下，带动固定在地面的旋转木马式的转盘，转盘在磁场中旋转而产生电能。风筝发电的过程也是风筝来回牵动的过程。一开始，在强大风力的带动下，伸展开的风筝不断上升，直到牵着它的绳索到头，持续的时间为60秒左右；然后风筝自动收缩起来，不再招风，卷扬机开始倒转，把风筝拉下来。然后又是伸展、上升，如此往复不断，由此产生源源不断的电能。对于每个风筝而言，转盘都会放开一对高阻电缆，控制方向和角度。风筝并非是常见的那种类型，而是类似于风筝牵引冲浪的类型——重量轻、抵抗力超强、可升至2000米高空。风筝风力发电机的核心在于通过风筝的旋转运动来激活能够产生电流的大型交流发电机。自动驾驶仪的控制系统会最优化飞行模式，使其在不分昼夜飞行时所产生的电流达到最大化。假设受到干扰，例如，迎面而来的直升机或小型飞机、甚至一只鸟，一个雷达系统能够在几秒钟内重新调整风筝航行方向。风筝发电与一般的风力发电利用的都是风力资源，但其利用的高空的风力不但比地面上的风力要强很多，而且也更为持续稳定。据估计，风筝风力发电机每兆瓦时能产生10亿瓦的电力，而每兆瓦时的成本仅有1.5欧元。而欧洲国家每兆瓦时发电的成本平均为43欧元，显然，风筝风力发电机的成本是后者的近三十分之一。一般的涡轮式风力发电机都矗立在离地面80米处，那里具代表性的风速是每秒钟4.6米，而由风筝取代涡轮后，则可以在800米的高空中进行风力发电，那里的风速可以升高到每秒7.2米。同时，日风的可靠性(即，超过特定速度的风所发生的频数)也随着高度的增加而增加。由于可获得的风能与风速的立方紧密相关，所以风筝的高度是一个相当有吸引力的选项，这让它比涡轮机所在的高度多发电4倍。上升到离地1千米的高空，就能获得约为地面风电8倍的电能，你所需要做的就是用一根很长的线缆系住风筝。风筝风力发电系统，相比于塔楼式地面风力发电系统，尽管具有发电效率更高等突出优点(由于具有高度优势、其发电量得到成倍提高，并且能够通过自动驾驶仪的控制实现最优化飞行模式、使其在不分昼夜飞行时所产生的电流达到最大化)，但其缺点也很显著、包括如下：(1)系统庞大、造价高昂根据风筝风力发电系统的工作原理，该系统的空中风筝部分，尺寸重量都比较大、还需复杂的控制系统实现可控飞行；此外，该系统的地面(旋转)发电部分，尺寸重量更是庞大、且机构复杂，因此，造价十分昂贵。(2)影响民航、空域受限根据风筝风力发电系统的工作原理，该系统的空中风筝部分，为了获得更大的发电量、往往需要高度越高越好(至少1千米)，并且空中风筝的飞行范围也很大，将严重周围区域的民航运营，因此，会受到严格限制。(3)固定设施、不便拆装根据风筝风力发电系统的工作原理，系统主要依靠地面上(由风筝运动带动)的旋转机构产生电能，因此，属于固定实施、且由于尺寸重量均较大，无法实现经常性的拆装。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出风筝飞机融合构型无人机发电系统，该系统简化且控制低廉，限制高度并拓展空域，弱化地面实施功能且系统易拆装可移动使用。本专利技术还提出一种风筝飞机融合构型无人机发电系统的使用方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：在第一个技术方案中，一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件、发电机组件和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。在第一个技术方案中，作为优选的，所述无人机主体包括机身组件、机翼组件和尾翼组件，其中机身组件包括机头前舱、主机身和后机身，所述机翼组件包括左右对称设置在机身组件上的机翼主体，机翼主体包括内段机翼和外段机翼；尾翼组件包括一个水平尾翼以及一个垂直尾翼；所述电动机组件安装在机头前舱，发电机组件有两组，且左右对称的分别安装于内段机翼的下方。在第一个技术方案中，作为优选的，所述地面协作控制系统还包括可收放线缆滚轮，所述牵拉输电线缆的一端固定安装于无人机主机身中部，牵拉输电线缆的另一端与可收放线缆滚轮连接，所述可收放线缆滚轮用于实时控制放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件、发电机组件和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；/n所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；/n所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。/n

【技术特征摘要】
1.一种风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：包括无人机和地面协作控制系统，其中，无人机包括无人机主体、以及安装在无人机主体上的电动机组件、发电机组件和控制组件，地面协作控制系统通过牵拉输电线缆与无人机的控制组件连接，该地面协作控制系统用于控制无人机在飞行模式和悬停模式中切换；
所述无人机在飞行模式时，所述电动机组件作为动力使无人机主动飞行，直至无人机所在环境达到预期；
所述无人机在悬停模式时，所述电动机组件关闭并打开发电机组件，发电机组件通过牵拉输电线缆将其产生的电能传输到地面协作控制系统进行储存。


2.根据权利要求1所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述无人机主体包括机身组件、机翼组件和尾翼组件，其中机身组件包括机头前舱、主机身和后机身，所述机翼组件包括左右对称设置在机身组件上的机翼主体，机翼主体包括内段机翼和外段机翼；尾翼组件包括一个水平尾翼以及一个垂直尾翼；所述电动机组件安装在机头前舱，发电机组件有两组，且左右对称的分别安装于内段机翼的下方。


3.根据权利要求2所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述地面协作控制系统还包括可收放线缆滚轮，所述牵拉输电线缆的一端固定安装于无人机主机身中部，牵拉输电线缆的另一端与可收放线缆滚轮连接，所述可收放线缆滚轮用于实时控制放出的牵拉输电线缆的长度。


4.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述机头前舱前部安装电动机组件，电动机组件用于产生无人机飞行所需的向前拉力；在机头前舱后部安装为电动机组件提供能源的电池组。


5.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述主机身为平直舱段，控制组件安装在主机身，主机身中部连接牵拉输电线缆，主机身下方设有着陆装置，所述机翼组件连接在主机身处。


6.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述后机身通过插入方式置于主机身结构内，以便于调节无人机的整体长度；所述尾翼组件连接在后机身处。


7.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述机翼组件为大弯度、小厚度的壳状机翼，所述发电机组件外挂在内段机翼外侧下方，所述外段机翼外端翼形剖面的尾尖处安装有向后探出的且具有上翘构型的着陆装置。


8.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述内段机翼的平面形状为小展弦比矩形机翼，内段机翼横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型。


9.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述外段机翼平面形状为小展弦比、小根梢比的直角梯形机翼；横截面翼型为大弯度、超小厚度层流翼型；外段机翼后缘布置副翼，副翼形状为直角梯形，且副翼与外段机翼连接的转轴平行于机翼组件前缘，所述副翼用于飞行模式时提供横向控制的滚转操纵力矩。


10.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述平直水平尾翼和梯形垂直尾翼呈倒T型尾翼气动布局，平直水平尾翼和梯形垂直尾翼通过插入方式与后机身连接，所述直水平尾翼和梯形垂直尾翼用于飞行模式时所需的纵向和航向气动稳定性、以及纵向俯仰和航向偏航控制的操纵力矩。


11.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述水平尾翼平面形状为小展弦比矩形机翼，横截面翼型为小厚度对称翼型；水平尾翼后缘布置升降舵，且两侧水平尾翼的升降舵左右对称，升降舵用于飞行模式时提供纵向控制的俯仰操纵力矩；所述水平尾翼弦长与垂直尾翼的根弦长相等，水平尾翼在其对称轴处与垂直尾翼的根弦线相连，水平尾翼弦长与垂直尾翼的连接处流线整形，并形成可以与后机身连接的孔洞结构。


12.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述垂直尾翼平面形状为小展弦比、小根梢比、中等前缘后掠角直角梯形机翼；垂直尾翼横截面翼型为小厚度对称翼型；垂直尾翼后缘布置方向舵；方向舵用于飞行模式时提供航向控制的偏航操纵力矩。


13.根据权利要求3所述的风筝飞机融合构型无人机发电系统，其特征在于：所述电动机组件的动力装置为直流型电动机，电动机组件的动力输出端与拉力螺旋桨直接相连，拉力螺旋桨采用变桨距功率控制方式实现有效运行；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺笑颜，
申请(专利权)人：沈阳迪智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21