浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统及状态切换方法与流程

本发明涉及新能源、能量转换，尤其涉及浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统及状态切换方法。

背景技术：

1、高空风能利用系统指将高空风能转换为机械能、电能、重力势能等其他能量形式的间接或直接能量转换系统。由于能量长距离传输、便捷使用等需求，绝大多数情况下，高空风能利用系统最终将风能转换成电能，称为高空风能发电系统或装置。

2、以高空风能发电系统为例，根据能量转换装置安装位置，主要分为系留空基和系留陆基两种，系留空基高空风能发电系统指最终能量转换装置（如发电机）安装于浮空器上，发出的电能经电缆传输至地面经逆变、升压等供电网使用，其浮空器一般为地面缆绳拖拽的飞行器式浮空器；系留陆基高空风能发电系统的最终能量转换装置（如发电机）安装于地面，其风能接收装置一般为滑翔伞式或降落伞式，前者采用固定轨迹拖动系留缆绳发电，无浮空器辅助，后者利用风吹伞面斜向上行运动拖动系留缆绳发电，需气球等浮空器辅助。

3、系留空基式能量转换稳定，但受限于能量转换装置等的重量及浮空器稳定性等问题，功率受到限制，不利于大规模投产应用；系留陆基式中滑翔伞式运动控制复杂，且功率较低，当前阶段同样不适合大规模应用。系留陆基式中伞梯式，结构简单，能量转换功率瓶颈小，具备大规模推广应用前景。

4、随着新材料、新设备的不断发展，在伞梯式高空风能发电领域已取得了一定进展，但仍有许多技术问题仍待解决。中国专利（200910190150.2）提供一种大功率伞型风力发电系统，提出利用浮空器带动伞梯起飞，升空后，通过打开做功伞，实现风能拉动缆绳拖动发电机转化为电能的装置，为提升其可行性，中国专利（201110151527.0）提供一种伞型风力装置及风能动力系统，在前述发明基础上，增设卷扬机与传动装置，通过卷扬机拖动发电机发电，存在连续发电能力不足，中国专利（201110151521.3）提供一种串接式双向驱动的风能动力系统，提出使用双挑式发电机，利用两组伞梯串联实现不间断发电；进一步公开发明细节，并提升连续发电能力，中国专利（201610800547.9）提供一种中高空风能地面发电动力总成及发电机组，详细设计了伞梯式高空风能地面能量转换装置，以便实现高空风能连续利用，并有利于并网应用。

5、上述系列发明中，通过不断改进，逐步提升了地面能量转换装置的实用性以及连续发电能力，但是各种伞梯式需要给每个伞梯顶部配浮空器，浮空器升高到一定高度后开伞，风力推动做功伞上升，浮空器同时继续升高，当到达一定高度后闭伞，由卷扬机拖动系留缆绳，回收伞梯及浮空器，这种通过浮空器的上升下拉带动做功伞进行风能转换，存在以下问题：

6、1.由于需要对浮空器进行频繁的上升下拉进行风能转换，因此风能转化效率对浮空器耐久性有很大依赖；

7、2.由于受浮空器材料强度、体积等影响，浮空器在被下拉过程中，浮空器允许的下降速度受限，进一步制约高空风能转化效率；

8、3.下拉浮空器还需额外配置电动机，消耗电能，降低了整体系统的风能有效利用率。

9、因此，亟需浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统及状态切换方法，能够克服上述问题，有效提高高空风能利用系统的能量转换效率，提高其风能有效利用率。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供的浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统，包括：控制部、能量转换部以及至少一套驱动部；

2、所述驱动部用于驱动风能转化；每套驱动部包括系留部、浮空器部、滑轮组部、第一卷扬部、第二卷扬部、第一传动部、第二传动部、第一伞梯组以及第二伞梯组；

3、所述浮空器部包括通过绳索连接的空中部分的浮空器和地面部分的单筒卷扬机，所述浮空器用于提供伞梯组；所述第一伞梯组以及所述第二伞梯组通过伞的开合和上下滑行，进行风能转化；

4、所述滑轮组部吊装连接于所述浮空器的下方，通过所述系留部将第一伞梯组和第二伞梯组分别连接于所述浮空器的两侧，第一卷扬部的一端连接所述第一伞梯组，第二卷扬部的一端连接所述第二伞梯组，第一卷扬部的另一端依次连接第一传动部、能量转换部、第二传动部以及第二卷扬部的另一端，形成封闭式伞梯高空风能利用系统。

5、所述控制部用于监测所述系统的运行情况，根据所述系统的工作模式进行对应的控制。

6、作为本技术的一种实施方式，所述能量转换部为双挑式，第一传动部和第二传动部分别轴连接能量转换部的两侧的机械能输入端。

7、作为本技术的一种实施方式，还包括第三传动部；

8、第一传动部包括轴连接的离合器a和变速箱a，第二传动部包括轴连接的离合器b和变速箱b，第三传动部包括三轴换向齿轮箱和离合器c；

9、三轴换向齿轮箱分别轴连接离合器a、离合器b以及离合器c，其中离合器c的另一端连接能量转换部进行风能转化的高度的机械能输入端。

10、作为本技术的一种实施方式，所述系统包括2套驱动部，每套所述驱动部的离合器c分别轴连接能量转换部的两侧的机械能输入端。

11、作为本技术的一种实施方式，所述系留部包括连接第一卷扬部和第一伞梯组的第一卷扬系留绳，连接第二卷扬部和第二伞梯组的第二卷扬系留绳，连接第一伞梯组和第二伞梯组的第三卷扬系留绳，以及连接浮空器和单筒卷扬机的第四卷扬系留绳。

12、作为本技术的一种实施方式，所述每套驱动部还包括转向部，所述转向部包括至少3个转向天轮：

13、第一卷扬系留绳和第二卷扬系留绳分别经转向天轮缠绕在第一卷扬部和第二卷扬部的滚筒上；

14、第四卷扬系留绳经转向天轮缠绕在单筒卷扬机的滚筒上。

15、作为本技术的一种实施方式，第一卷扬系留绳、第二卷扬系留绳以及第四卷扬系留绳的出绳孔所在位置为等腰钝角三角形，其中第一卷扬系留绳和第二卷扬系留绳的出绳孔所在位置的连线为所述等腰钝角三角形的底边。

16、作为本技术的一种实施方式，所述第一卷扬部、第二卷扬部、控制部、第一传动部、第二传动部以及能量转换部布置在室内的能量转换生产车间；所述能量转换生产车间布设在所述等腰钝角三角形的重心以下底边垂直中心线上。

17、作为本技术的一种实施方式，分别在第一伞梯组、第二伞梯组以及浮空器装设定位终端，进行高度监测。

18、作为本技术的一种实施方式，第一卷扬部、第二卷扬部以及地面单筒卷扬机分别装设三滑轮传感器，计算对应卷筒上系留绳的移动速度、收绳长度以及放绳长度，并监测对应卷筒上系留绳拉力。

19、本发明还提供浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用状态切换方法，其特征在于，所述状态切换方法基于上述任一项所述的浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统实现，所述状态切换方法包括：系统由预备与检修状态切换至启动与待机状态、系统由启动与待机状态进入正常工作状态、系统由正常工作状态进入停止状态、系统由停止状态进入启动与待机状态、系统由正常工作状态转为启动与待机状态的方法、系统由启动与待机状态进入调高状态、系统由启动与待机状态进入预备与检修状态。

20、作为本技术的一种实施方式，所述系统由预备与检修状态切换至启动与待机状态，包括以下步骤：

21、步骤s1-1：进行状态检查，包括系统状态检查、气象条件检查，检查结果满足工作条件，则进入步骤s1-2；

22、步骤s1-2：设置浮空器的预定浮空高度h，根据预定浮空高度h及风力条件，计算第一卷扬系留绳和第二卷扬系留绳的初始释放长度l初始，以及第四卷扬系留绳的释放速度v4；

23、步骤s1-3：缓慢释放单筒卷扬机的刹车机构，控制第四卷扬系留绳的释放速度不超过v4；同时，释放第一卷扬部的刹车机构；

24、步骤s1-4：当第一卷扬系留绳的实际释放长度达到l1初始后，释放第二卷扬部的刹车机构，同时，控制第一卷扬部的刹车机构刹车，记录第一卷扬系留绳的最终初始释放长度l1初始’；

25、步骤s1-5：判断第二卷扬系留绳的实际释放长度，达到l2初始后控制第二卷扬部的刹车机构刹车，记录第二卷扬系留绳的最终初始释放长度l2初始’；

26、步骤s1-6：判断第四卷扬系留绳的实际释放速度，当其降至0后控制单筒卷扬机的刹车机构刹车车，记录第四卷扬系留绳最终释放长度l4’；

27、步骤s1-7：结束控制，所述系统完成由预备与检修状态切换至启动与待机状态。

28、作为本技术的一种实施方式，当正常工作状态为间歇运行模式，所述系统由启动与待机状态进入正常工作状态包括：

29、步骤s2a-1：再次进行状态检查，包括系统状态检查、气象条件检查，检查结果满足工作条件，则进入步骤s2a-2；

30、步骤s2a-2：设置系留绳的出绳速度v1和出绳长度s1，以及最大出绳阈值s1max；

31、步骤s2a-3：控制离合器a和离合器b均闭合，离合器c为开启状态，变速箱a和变速箱b均切换为正向；

32、步骤s2a-4：释放第一卷扬部的刹车机构和第二卷扬部的刹车机构，同时，打开第一伞梯组；

33、步骤s2a-5：通过三滑轮传感器，监测第一卷扬系留绳的实际出绳速度v1’及实际出绳长度s1’，当v1’等于v1时，通过控制第一卷扬部的刹车机构的刹车力度，使得v1’保持等于v1，匀速出绳；

34、步骤s2a-6：当s1’超过设定值s1时，打开第二伞梯组，通过控制第一卷扬部的刹车机构和第二卷扬部的刹车机构的刹车力度，使s1不超过阈值smax；

35、步骤s2a-7：当v1’降至0，控制变速箱a和变速箱b均换向；

36、步骤s2a-8：释放第一卷扬部的刹车机构和第二卷扬部的刹车机构，同时，关闭第一伞梯组；

37、步骤s2a-9：通过三滑轮传感器，监测第二卷扬系留绳的实际出绳速度v2’及实际出绳长度s2’，当v2’等于v1时，通过控制第二卷扬部的刹车机构的刹车力度，使得v2’保持等于v1，匀速出绳；

38、步骤s2a-10：当s2’超过设定值s时，打开第二伞梯组，通过控制第一卷扬部的刹车机构和第二卷扬部的刹车机构的刹车力度，使s1不超过阈值smax；

39、步骤s2a-11：当v1’降至0，控制变速箱a和变速箱b均换向；

40、步骤s2a-12：释放第一卷扬部的刹车机构和第二卷扬部的刹车机构，同时，关闭第二伞梯组；

41、步骤s2a-13：在系统未接收其他指令情况下，执行步骤s2a-4，系统进入正常工作状态。

42、作为本技术的一种实施方式，所述系统由启动与待机状态进入正常工作状态的过程中，变速箱a和变速箱b方向相同，第一卷扬部的和第二卷扬部均为底部出绳且出绳方向相反；变速箱a和变速箱b方向相反，第一卷扬部的和第二卷扬部的出绳方向相同。

43、作为本技术的一种实施方式，在步骤s2a-5中，第一卷扬系留绳匀速出绳，第一伞梯组受风力向上逐步加速，带动第一卷扬系留绳牵引第一卷扬部正向转动，从而驱动能量转换部及第二卷扬部正向转动，以与第一卷扬部相同转速回收第二卷扬系留绳，牵引第二伞梯组沿第二卷扬系留绳斜向下运动；

44、同理，在步骤s2a-9中，第二卷扬系留绳匀速出绳，受风力第二伞梯组向上逐步加速，以与第二卷扬部相同转速回收第一卷扬系留绳，牵引第一伞梯组沿第一卷扬系留绳斜向下运动。

45、作为本技术的一种实施方式，当正常工作状态为连续运行模式，所述系统由启动与待机状态进入正常工作状态包括：

46、步骤s2b-1：再次进行状态检查，包括系统状态检查、气象条件检查，检查结果满足工作条件，则进入步骤s2b-2；

47、步骤s2b-2：设置系留绳的出绳速度v1和出绳长度s1，以及最大出绳阈值s1max；并设置2套驱动部的启动间隔时间t；其中t小于任一套驱动部中第一卷扬系留绳或第二卷扬系留绳持续匀速出绳的时间；

48、步骤s2b-3：开启第一套驱动部的离合器c，关闭第二套驱动部的离合器c；同时，按照步骤s2a-3至步骤s2a-13启动运行第一驱动部，在执行步骤s2a-3时记录第一驱动部的运行时间t’；

49、步骤s2b-4：当t’达到t，则按照步骤s2a-3~s2a-13，启动第二套驱动部；

50、步骤s2b-5：运行过程中，监测第一套驱动部和第二套驱动部运行状态，当任一套驱动部执行步骤s2a-5或步骤s2a-9，并保持出绳速度为v后，闭合对应驱动部的离合器c，当任一套驱动部执行结束步骤s2a-5或步骤s2a-9，断开对应驱动部的离合器c；

51、步骤s2b-6：当系统未接收其他指令情况下，执行步骤s2b-3，系统进入正常工作状态。

52、作为本技术的一种实施方式，所述由正常运行状态进入停止状态的切换方法包括：

53、步骤s3-1，打开所有的第一伞梯组以及第二伞梯组，启动所有第一卷扬部、第二卷扬部的刹车机构；

54、步骤s3-2，当第一卷扬系留绳和第二卷扬系留绳的速度降为0时，闭合所有的第一伞梯组以及第二伞梯组。

55、作为本技术的一种实施方式，所述由停止状态进入启动与待机状态，包括：

56、步骤s4-1：分别判断l1初始’和l1初始’是否超过l初始：

57、若都没有超过，则执行步骤s4-7，否则进入步骤s4-2；

58、步骤s4-2：判断各套驱动部是否设置第三传动部：

59、若有设置第三传动部，则断开第三传动部的离合器c；

60、若没有设置第三传动部，则进入步骤s4-3；

61、步骤s4-3：闭合每套驱动部中离合器a和离合器b，将离合器a和变速箱a，第二传动部包括轴连的离合器b变速箱1和变速箱2切换到正向；

62、步骤s4-4：闭合各卷扬部1内部离合器，使电动机与滚筒轴连；

63、步骤s4-5：启动卷扬部1内部电动机，拖动卷扬部1匀速回收卷扬系留绳1，并实时判断卷扬系留绳1出绳长度；

64、步骤s4-6：当某一驱动部卷扬系留绳1出绳长度为l1’时，关闭对应卷扬部1内部电动机，启动对应各卷扬部1与卷扬部2刹车，断开卷扬部1内部离合器；

65、步骤s4-7：所有驱动部执行完上述步骤后，系统进入启动与待机状态。

66、作为本技术的一种实施方式，所述系统由启动与待机状态进入预备与检修状态的方法为：

67、步骤s7-1：断开离合器a、离合器b、离合器3，同时闭合闭合第一卷扬部、第二卷扬部的内部离合器；

68、步骤s7-2：设置变速箱a为正向，变速箱b为反向；

69、步骤s7-3：启动单筒卷扬机回收第四卷扬系留绳，拉动浮空器下降，同时，启动第一卷扬部、第二卷扬部分别回收第一卷扬系留绳和第二卷扬系留绳；

70、步骤s7-4：浮空器回收至地面；第一伞梯组与第一卷扬系留绳的连接部位回收至第一卷扬系留绳的出绳孔所在位置；第二伞梯组与第二卷扬系留绳的连接部位分别回收至第二卷扬系留绳的出绳孔所在位置；完成所述系统由启动与待机状态进入预备与检修状态。

71、本发明实施例具有以下技术效果：

72、1.本发明中的浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统，通过浮空器提供伞梯组进行风能转化的高度，2组伞梯组以浮空器互为对称，通过滑轮组部，使用系留部将第一伞梯组、第二伞梯组分别连接于浮空器的两侧，第一卷扬部的一端连接第一伞梯组，第二卷扬部的一端连接第二伞梯组，第一卷扬部的另一端依次连接第一传动部、能量转换部、第二传动部以及第二卷扬部的另一端，共同形成封闭式伞梯高空风能利用系统。在风能转化的过程中，第一伞梯组以及第二伞梯组通过伞的开合和上下滑行进行风能转化，浮空器只是提供伞梯组进行风能转化的高度，不需要进行频繁的上升下拉，克服了对浮空器耐久性的依赖，避免了浮空器下拉速度受限带来的高空风能转化效率制约问题，节省了频繁下拉浮空器消耗的电能，从而进一步提高整体系统的风能有效利用率。

73、2.本发明提供的浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用系统，包括至少一套驱动部，使用一套驱动部实现风能转化，两套配合使用能够将风能转化的能量进行稳定输出，进一步提升了风能转化的效能和稳定性。

74、3.本技术还提供浮空器定高封闭式伞梯高空风能利用状态切换方法，实现上述系统不同工作状态的安全、快速、稳定切换，快捷、稳健完成对风能的转化。