高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置及方法

本发明属于海上发电，具体涉及一种高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置及方法。

背景技术：

1、近年来，随着全球能源需求不断增长及应对气候变化的压力加大，高空风力发电具有发电效率高、稳定性强以及选址受限少等优点，正逐渐成为可再生能源领域的新兴方向，具有广阔的发展前景。但其目前尚处于发展阶段，保证设备在恶劣环境条件下的可靠性和耐久性，提高设备的发电效率等许多技术仍有待研究，与此同时，目前缺少个性化的适配于海上高空发电结构的储能系统。

2、现阶段，传统的发电式系留飞行器高空发电技术分为机载发电机式飞行器和地面发电式系留飞行器。机载发电机式飞行器通过调整飞行器迎风飞行带动固定于其上的永磁电机发电，但损失了飞行器自身具有的机械能。地面发电式系留飞行器通过控制飞行器按照“8”字型轨迹运动，牵引系留绳带动地面发电机发电，但损失了高空中的稳定风能。由此，两种飞行器对能量的利用均存在一定缺陷。且现有的储能方式多为将新型能源先转换为电能，再将电能转换为其他形式的能量储存起来，能量转换效率低。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置及方法，解决传统发电式系留飞行器能量损失大，能源利用率较低，稳定性差的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置，包括漂浮式双层平台、系留组件、系留飞行器发电组件、驱动电机、第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件、第四传动组件、第一缆绳组件、柔性储能介质、第二缆绳组件、气泵组件和释能发电组件；

3、所述系留组件固定在所述漂浮式双层平台的第一层上端，所述系留组件连接所述系留飞行器发电组件；所述驱动电机固定在所述漂浮式双层平台的第一层上端，所述驱动电机通过所述第一传动组件连接所述系留组件；

4、所述驱动电机通过所述第二传动组件配合所述第三传动组件，所述第三传动组件配合所述第四传动组件；所述第一缆绳组件固定在所述漂浮式双层平台的底部，所述第一缆绳组件连接所述第三传动组件，所述第二缆绳组件连接所述第四传动组件；所述第一缆绳组件通过第一缆绳本体连接所述柔性储能介质的上端，所述第二缆绳组件通过第二缆绳本体连接所述柔性储能介质的下端；

5、所述气泵组件固定在所述漂浮式双层平台的第二层上端，所述气泵组件通过输气管路连接所述柔性储能介质；所述柔性储能介质的侧部还设有海水通口，所述海水通口连接有流水孔控制阀；

6、所述释能发电组件固定在所述漂浮式双层平台的第二层上端，所述释能发电组件和所述第三传动组件咬合或分离以利用所述柔性储能介质的上浮进行发电。

7、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，所述系留组件包括系留架、系留转轴和系留绳，所述系留转轴连接所述系留架，所述系留绳一端缠绕在所述系留转轴上，所述系留绳的另外一端连接所述系留飞行器发电组件；

8、所述第一传动组件包括第一传动齿轮、第二传动齿轮和第一链条，所述第一传动齿轮连接在所述驱动电机的转轴上，所述第二传动齿轮连接在所述系留转轴上；所述系留转轴连接有齿轮换向器，所述第二传动齿轮连接所述齿轮换向器，所述齿轮换向器用于在所述系留绳收卷或展开过程中使所述第二传动齿轮的转动方向保存一致；所述第一链条连接在所述第一传动齿轮和所述第二传动齿轮之间。

9、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，所述系留飞行器发电组件的前端分布有风力发电组件，所述风力发电组件用于所述系留飞行器发电组件迎风飞行过程中进行发电；

10、所述漂浮式双层平台的第二层上端分布有储能蓄电池，所述储能蓄电池和所述风力发电组件电连接，所述储能蓄电池用于对所述风力发电组件发出的电能进行存储。

11、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，所述第二传动组件包括第三传动齿轮、第二链条、第四传动齿轮和第五传动齿轮；所述第三传动组件包括第六传动齿轮、第三链条、第七传动齿轮和第八传动齿轮；

12、所述第三传动齿轮连接所述驱动电机的转轴，所述第二链条连接在所述第三传动齿轮和所述第四传动齿轮之间，所述第四传动齿轮和所述第五传动齿轮之间同轴连接；所述第五传动齿轮咬合或分离于所述第六传动齿轮；

13、所述第六传动齿轮和所述第七传动齿轮之间同轴连接，所述第三链条连接在所述第七传动齿轮和所述第八传动齿轮之间。

14、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，所述第一缆绳组件包括第一缆绳卷轴，所述第二缆绳组件包括第二缆绳卷轴；所述第四传动组件包括第九传动齿轮、第四链条和第十传动齿轮；

15、所述第八传动齿轮和所述第九传动齿轮均连接在所述第一缆绳卷轴上，所述第十传动齿轮连接在所述第二缆绳卷轴上；所述第四链条连接在所述第九传动齿轮和所述第十传动齿轮之间；

16、所述释能发电组件包括发电机和第十一传动齿轮，所述发电机的转轴连接所述第十一传动齿轮；所述第十一传动齿轮咬合或分离于所述第六传动齿轮。

17、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，还包括主控制器，所述系留飞行器发电组件、所述气泵组件、所述流水孔控制阀、所述驱动电机、所述释能发电组件、所述储能蓄电池均和所述主控制器之间电连接；

18、所述主控制器用于控制所述系留飞行器发电组件进行发电；所述主控制器还用于通过控制所述气泵组件向所述柔性储能介质充入空气；所述主控制器还用于通过所述流水孔控制阀控制所述海水通口的通断；所述主控制器还用于控制所述驱动电机的运转；所述主控制器还用于控制所述释能发电组件的运转；所述主控制器还用于控制所述储能蓄电池进行电能存储。

19、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能装置优选方案，所述漂浮式双层平台配置有第一伸缩式舷梯和第二伸缩式舷梯；所述第二缆绳组件的底部连接有船锚。

20、本发明还提供一种高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能方法，包括储能模式和释能模式；

21、所述储能模式的储能步骤包括：

22、获取外界工作环境信息，所述外界工作环境信息包括系留飞行器发电组件的实际发电量、电网负荷曲线及电能需求量，指定深度、指定时刻海洋洋流速度，及柔性储能介质在指定深度时所受的流体阻力、压力阻力、湿表面阻力、涡激振动阻力；

23、根据电网负荷曲线及系留飞行器发电组件的实际发电量，确定当前时刻电网的电能需求量，将系留飞行器发电组件所产生电能首先分配至电网，判断当前时刻是否处于电网用电低谷期或系留飞行器发电组件发电高峰期，若当前时刻处于电网用电低谷期或系留飞行器发电组件发电高峰期，则控制储释能装置进入储能状态；

24、当储释能装置进入储能状态后，向柔性储能介质中充入海水，系留飞行器发电组件在海面设定高度沿设定轨迹移动；柔性储能介质下沉至海水中指定深度后锁定；

25、所述释能模式的释能步骤包括：

26、获取外界工作环境信息，所述外界工作环境信息包括系留飞行器发电组件的实际发电量、电网负荷曲线及电能需求量，指定深度、指定时刻海洋洋流速度，及柔性储能介质在指定深度时所受的流体阻力、压力阻力、湿表面阻力、涡激振动阻力；

27、根据电网负荷曲线及系留飞行器发电组件的实际发电量，确定当前时刻电网的电能需求量，将系留飞行器发电组件所产生电能首先分配至电网，判断当前时刻是否处于电网用电高峰期或系留飞行器发电组件发电低谷期，若当前时刻处于电网用电高峰期或系留飞行器发电组件发电低谷期，则控制储释能装置进入释能状态；

28、当储释能装置进入释能状态后，根据电网电能需求量及柔性储能介质上浮过程中在设定时刻所受的流体阻力、压力阻力、湿表面阻力、涡激振动阻力的阻力之和，确定实际能量释放量，释能过程中：若柔性储能介质不能在安全运行范围内上浮，则先利用储能蓄电池内储存的电能，若柔性储能介质在安全运行范围内上浮，则先利用柔性储能介质内储存的能量，向柔性储能介质内注入空气并解除柔性储能介质的约束，使柔性储能介质上浮。

29、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能方法优选方案，所述储能模式中：

30、通过指定时刻洋流速度大小及方向，判断洋流对于柔性储能介质连接第一缆绳组件、第二缆绳组件的作用力，若洋流对于第一缆绳组件、第二缆绳组件的作用力大于第一缆绳组件、第二缆绳组件自身所能承受的应力大小时，解除第一缆绳组件、第二缆绳组件与柔性储能介质的连接，停止进入储能阶段。

31、作为高空风力发电系统用重力耦合浮力的储释能方法优选方案，所述释能模式中：

32、在柔性储能介质上浮过程中，若洋流对第一缆绳组件、第二缆绳组件的作用力超过第一缆绳组件、第二缆绳组件自身的应力承受范围，约束柔性储能介质连接的第二缆绳组件固定不动，解除释能发电组件和第三传动组件的咬合关系，并通过气泵组件向柔性储能介质内充入气体，使柔性储能介质自身所受重力与浮力平衡。

33、本发明具有如下优点：设有漂浮式双层平台、系留组件、系留飞行器发电组件、驱动电机、第一传动组件、第二传动组件、第三传动组件、第四传动组件、第一缆绳组件、柔性储能介质、第二缆绳组件、气泵组件和释能发电组件；系留组件固定在漂浮式双层平台的第一层上端，系留组件连接系留飞行器发电组件；驱动电机固定在漂浮式双层平台的第一层上端，驱动电机通过第一传动组件连接系留组件；驱动电机通过第二传动组件配合第三传动组件，第三传动组件配合第四传动组件；第一缆绳组件固定在漂浮式双层平台的底部，第一缆绳组件连接第三传动组件，第二缆绳组件连接第四传动组件；第一缆绳组件通过第一缆绳本体连接柔性储能介质的上端，第二缆绳组件通过第二缆绳本体连接柔性储能介质的下端；气泵组件固定在漂浮式双层平台的第二层上端，气泵组件通过输气管路连接柔性储能介质；柔性储能介质的侧部还设有海水通口，海水通口连接有流水孔控制阀；释能发电组件固定在漂浮式双层平台的第二层上端，释能发电组件和第三传动组件咬合或分离以利用柔性储能介质的上浮进行发电。本发明直接将系留飞行器发电组件的机械能转换至重力耦合浮力储能结构中存储，无需通过电能的二次转化，有效减少了能量的损失，极大程度地提高了运行的稳定性及高空风能、飞行器机械能的利用率。