本發明屬于發電系統領域，具體涉及一種基于無人機平臺的高空風力發電系統。

背景技術：

風能作為一種清潔的可再生能源，被人們越來越多的重視。高空風力發電是一種新型的風能利用方式，與傳統風機相比存在著多方面的優勢，其中最為顯著的優勢就是高空中蘊藏著巨大的風能儲量。

隨著現代無人飛行器、智能控制等技術的發展，高空風力發電已非常有希望成為現實。近年來涌現出多種形式的高空風力發電系統，被越來越多的研究機構和公司所關注，其中的相關技術問題已成為當前科學和工程領域的研究熱點。

但是高空風力發電是一種新型的風能利用技術，我們不能完全套用已有的傳統風力機的發電原理，需要基于空氣動力學原理，同時結合材料、控制、通信、人工智能等方面的新興技術，對高空風能利用方法進行概念創新，設計新的高空風力發電系統，提高風能利用效率并降低發電成本。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：針對現有水平軸風力機發電效率不高，基于無人機設計新型高空風力發電系統，實現高效的風力發電能力。

本發明的技術方案是：

基于無人機平臺的高空風力發電系統，其包括：

設置在地面的發電機；

大翼面高升力高升阻比無人飛行器，其驅動所述發電機發電。飛機以較大攻角上升飛行，飛機牽引繩索帶動發電機發電；當到達一定高度后改變姿態向下俯沖，發電機回收繩索，此時需要消耗一些能量；當飛機俯沖向下一定距離后再改變姿態向上爬升，重復發電過程。飛機俯沖過程消耗的電能遠小于爬升過程所發電能，從而整個過程達到發電效果。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，大翼面高升力高升阻比無人飛行器和發電機之間通過牽引繩連接；飛行器的姿態控制通過與飛行器前、后端連接的牽引繩索實現，結構簡單可靠性強。

所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器的前端和后端分別固定有第一迎角調節繩和第二迎角調節繩。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器的飛行軌跡為直線。飛行器的飛行軌跡選擇了直線往復軌跡，避免了多臺高空型風力發電機的飛行器之間的相互干擾，減小了每臺風機對空域和占地的需求。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器的飛行軌跡與水平面之間的角度為47°，使整個系統實現了非常高的風能利用效率。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器上行速度為風速的0.4～0.45倍，下降速度為風速1～2倍。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器呈菱形，機翼弦長根稍比為10，翼展長度為根部弦長的2倍。飛行器布局選用了大翼面、大厚度、高升力、高升阻比飛翼布局方案，可高效利用風能并具有良好的結構強度。

優選的是，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，機翼各截面選用同一種翼型，均為EPPLER399翼型。

本發明與現有技術相比的優點在于：1、風資源方面，隨著離地高度增加風能儲量增加，在高空風能密度可以達到地面附近的數十倍甚至百倍，同時高空風能的分布也與我國的用電格局存在天然匹配；2、建造方面，由于高空風的速度比地面大很多，這就意味著要捕獲相同功率的風能，風輪不需要做得那么大，同時高空風力機直接利用飛行器在空中收集風能，省去了建造巨型塔臺，這些都可以大大降低結構設計難度和制造成本；3、安裝維護方面，由于飛行器可以降落到地面，所以安裝和維護都可以在地面進行，因此可以大大降低安裝和維護的難度；4、抗災能力方面，在遭遇臺風等惡劣天氣時可將其收回，從而壁面風機暴露在臺風等災害天氣中受到的損失，提高系統的抗災能力和使用壽命；5、此外在環境方面，高空風力機風輪尺寸小或沒有風輪，還可以減少對鳥類的傷害。

本發明的其它優點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發明提供的基于無人機平臺的高空風力發電系統飛行器處于上升狀態時的示意圖；

圖2為本發明提供的基于無人機平臺的高空風力發電系統飛行器處于下降狀態時的示意圖；

圖3為本發明提供的基于無人機平臺的高空風力發電系統中的飛行器布局示意圖；

圖4為本發明提供的基于無人機平臺的高空風力發電系統中的飛行器姿態控制示意圖；

圖5為本發明提供的基于無人機平臺的高空風力發電系統中軌跡角為47°時的Cp分布等值線圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1和圖2所示，本發明提供一種基于無人機平臺的高空風力發電系統，其包括：

設置在地面的發電機1；

大翼面高升力高升阻比無人飛行器2，其驅動所述發電機1發電。

所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，大翼面高升力高升阻比無人飛行器2和發電機1之間通過牽引繩3連接；

如圖4所示，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器2的前端和后端分別固定有第一迎角調節繩4和第二迎角調節繩5。

所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器的飛行軌跡為直線。

所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器的飛行軌跡與水平面之間的角度為47°。

所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器上行速度為風速的0.4～0.45倍，下降速度為風速1～2倍。

如圖3所示，所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，所述大翼面高升力高升阻比無人飛行器2呈菱形，機翼弦長根稍比為10，翼展長度為根部弦長的2倍。

所述的基于無人機平臺的高空風力發電系統中，機翼各截面選用同一種翼型，均為EPPLER399翼型。飛行器的布局方案采用了飛翼布局，飛翼布局具有高升力、高升阻比、結構強度好等優點，非常適合用于高空風力發電機。整個飛行器呈一個大的菱形，機翼弦長根稍比為10，翼展為根部弦長的2倍。

本發明的技術解決方案是：將發電機置于地面上，采用小飛機驅動。飛機以較大攻角上升飛行，飛機牽引繩索帶動發電機發電；當到達一定高度后改變姿態向下俯沖，發電機回收繩索，此時需要消耗一些能量；當飛機俯沖向下一定距離后再改變姿態向上爬升，重復發電過程。飛機俯沖過程消耗的電能遠小于爬升過程所發電能，從而整個過程達到發電效果。該系統主要由兩部分組成：1、大翼面高升力高升阻比無人飛行器；2、地面放置發電機部分。

機翼各截面選用了同一種翼型，均為EPPLER399翼型，該翼型同樣具有高升力、高升阻比的特點。同時相對厚度也較大，這樣更適于增加整個機翼的結構強度。

為了便于控制，同時減少用地和飛行器之間的相互干擾，飛行軌跡沿直線方向上升，上升到最高點后改變姿態，按照與上升軌跡相反的路徑俯沖下來。

對于飛行器姿態的控制依靠改變與飛行器直接相連的兩根繩索的長度來實現：當需要減小飛機迎角時，回收與飛行器前端相連的繩索，同時釋放與飛行器后端相連的繩索；當需要增大飛機迎角時，執行相反操作，釋放與飛行器前端相連的繩索，同時回收與飛行器后端相連的繩索。

從圖5可以看出，當飛行器的飛行軌跡選擇與水平面呈47度角的直線飛行軌跡，上行速度為風速的0.4～0.45倍，下降速度為風速1～2倍時，整個系統在全周期內的風能利用效率可以達到0.25以上。

盡管本發明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發明并不限于特定的細節和這里示出與描述的圖例。