一种伞型风能转换系统及其控制系统的制作方法

本实用新型涉及高空风能转换领域，尤其是涉及一种伞型风能转换系统及其控制系统。

背景技术：

风能是一种清洁的可再生能源，将高空风能充分能利用起来为人类所用，是科学研究工作者一直关注的热点话题。高空风及高空风能的特点是：风速大、平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、常年不断。高空风能的利用是在高空中采集风能，将风能转化为机械能，最后将机械能转换为电能或其它形式的能量。

申请号为200910190150.2的中国发明专利公开了一种大功率伞型风力发电系统，包括轨道绳、升力导引体、伞梯和发电装置，轨道绳的一端穿过伞梯系住升力导引体，另一端紧固于重物；升力导引体拉直轨道绳，形成一个伞轨道；升力导引体和伞之间保持有距离。伞梯由一个或多个伞组成；相邻的伞之间保持有距离；伞的中心有一开孔让轨道绳穿过；伞张开时，由于风力的作用能形成一个向上的巨大的拉力。按作用伞分为承力伞和做功伞；承力伞紧固于轨道绳上作系统平衡之用；做功伞上下运动做功；做功伞连有做功绳，做功绳一端紧固连接做功伞，另一端连接发电装置，拉动发电装置做机械运动从而将风能转换为电能。该发明主要利用磁铁或粘胶垫实现做功伞开合，该方法虽然简单，但对于所采用的磁铁的吸力或粘胶垫的粘接力的要求较高：如果太弱，就无法保证将处于闭合状态的做功伞拉回到其做功行程的最初点；如果太强，就很难将吸在一起的上下滑块分开。因此，该方法的控制难度大。

申请号为201110151527.0的中国发明专利公开了一种伞型风力装置，其包括：与地面成一角度设置的做功绳；从下至上依次连接在做功绳上的控制箱、滑筒、做功伞和平衡装置，且控制箱固定做功绳上且无线连接中央控制装置；连接在做功伞的伞形边缘与滑筒之间的若干细绳；连接在控制箱与滑筒之间，且由控制箱控制其伸长量变化的伞控制绳。本发明还公开一种采用上述伞型风力装置实现的风能动力系统。该发明主要是通过驱动器控制伞绳的拉紧和放松来实现做功伞的开合，该方法非常简单，但在实现做功伞的空中开合稳定性较差，且在实施过程往往因开伞需要收卷较长的控制绳而导致占用过多做功时间，进而导致发电效率降低。

同时，本申请人也对该方法做出了改进，即申请号为201110322204.3的中国发明专利，公开了一种伞型风能转换装置及系统，所述装置包括：轨道绳；从下至上依次固定连接在轨道绳上的下驱动器、下挡块和上挡块，下驱动器通过至少一根伞控制绳与滑筒连接；伞形边缘与滑筒之间连接若干细绳的做功伞；上驱动器与链条啮合传动；当下驱动器到达相对地面的工作下限位置时，发出第一提示信号使下驱动器收短伞控制绳，使做功伞在风力作用下开伞；当下驱动器到达相对地面的工作上限位置时，发出第二提示信号使下驱动器释放伞控制绳，且使上驱动器沿链条下行，带动做功伞的顶部下行移动而使做功伞收拢。该发明使做功伞在空中的开合更稳定，能够有效防止做功伞开合时绳具过多而出现缠绕现象，可以实现稳定的大功率风能转换。但是该控制做功伞开合的方法主要是通过上驱动器在链条上上下传动及下驱动器收放伞绳实现，并不能迅速实现做功伞开合，并没有完全解决过多占用做功时间的问题。

技术实现要素：

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种发电效率更高、开合更稳定且发电功率可根据所需作出调整的伞型风能转换系统。

本发明还提供了一种上述伞型风能转换系统的控制系统。

为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种伞型风能转换系统，包括缆绳、升力引导体、发电装置和至少一组伞梯，其中，所述伞梯包括做功伞和平衡伞；所述做功伞包括开关伞和/或开口可调伞，所述平衡伞包括开口可调伞；所述开关伞通过伞体的打开和关闭来改变伞体的迎风面积；所述开口可调伞通过调节伞体的开口大小来改变伞体的迎风面积。

其中，所述缆绳的一端穿过伞梯系住所述升力导引体，另一端与所述发电装置连接；所述升力导引体和所述平衡伞拉直缆绳形成一个伞轨道。

现有技术中，伞梯通常包括做功伞和平衡伞，其中做功伞的作用是在风力作用下拉动缆绳做功发电，平衡伞的作用是平衡整个空中系统（包括伞、缆绳、其他辅助器件等）的重量。本发明所提供的伞型风能系统采用了两种不同的伞型风力装置组成伞梯，其中开关伞通过伞体的开关实现伞体迎风面积的改变，另一种开口可调伞则通过调节伞体的开口大小来改变伞体的迎风面积。本方案中开关伞主要作为做功伞使用，而开口可调伞既可作为做功伞，又可作为平衡伞，在实际应用过程中可根据风速大小和需要的发电功率作出调整，比如：当风力较小，而所需发电功率较大时，可将部分开口可调伞由平衡伞改为做功伞，而其迎风面积只需通过增大或缩小其开口即可；当风力较大，而所需的发电功率较小时，可将部分作为做功伞使用的开口可调伞改为平衡伞使用。另外，开口可调伞作为平衡伞使用时，也可根据当时的风力大小调节伞体的开口大小以适应实际需要。因此，本发明所提供的伞型风能转换系统能够非常灵活地调整伞梯中伞型风力装置的作用分布，即能灵活的控制伞梯中做功伞和平衡伞的比例，能更好地适应不同情况和不同的实际需要。

进一步地，所述开关伞为单驱动伞型风能转换装置，所述单驱动伞型风能转换装置包括：由下至上依次固定连接于缆绳上的第一挡块和第二挡块；顶部中心套接在缆绳上的第一伞体；所述第一挡块和所述第二挡块之间由下而上依次为套接于缆绳上的第一伞头装置、第一驱动器和第一伞尾装置；所述第一伞头装置通过第一伞绳与所述第一伞体连接，且所述第一伞绳连接于所述第一伞体的边缘，所述第一驱动器在所述第一伞头装置和所述第一伞尾装置之间来回运动，所述第一伞尾装置设置在所述第一伞体的顶部中心套接在缆绳上；所述第一挡块和/或所述第一伞头装置设有能锁定所述第一挡块和所述第一伞头装置的第一锁定机构；所述第一驱动器和/或所述第一伞尾装置设有能锁定所述第一驱动器和所述第一伞尾装置的第二锁定机构。

本方案主要采用伞头装置、驱动器以及伞尾装置在缆绳上来回运动来实现伞型风能转换装置的开合，伞体开合过程只需几个的动作就能实现伞型风能转换装置的开合，尤其是伞体的合起过程所需不到一秒，且开合过程中充分利用风力作用，大大减少了驱动器运动过程中对电能消耗。同时本发明所包含的装置较少且装置的结构简单，能够大大减少对缆绳增重，从而大大提高伞型风能转换装置的风能转换效率。

进一步地，所述开关伞为双驱动伞型风能转换装置，所述双驱动伞型风能转换装置包括：固定于缆绳上的第三挡块；顶部中心套接在缆绳上的第二伞体；套接于缆绳上且能在缆绳上来回运动的两个驱动器，包括：与第二伞体顶部中心连接的第二驱动器；位于第三挡块和第二驱动器之间的第三驱动器；第三驱动器与第二伞体通过第二伞绳连接，且所述第二伞绳连接于所述第二伞体的边缘；第三驱动器和/或所述第三挡块设有能锁定所述第三驱动器和所述第三挡块的第三锁定机构。

本方案主要采用两个驱动器在缆绳上来回运动来实现伞型风能转换装置的开合，伞体开合过程只需几个的动作就能实现伞型风能转换装置的开合，且开合过程中利用风力作用，大大减少了驱动器对电能消耗。同时本发明所包含的装置较少且装置的结构简单，能够大大减少对缆绳增重，从而大大提高伞型风能转换装置的风能转换效率。

进一步地，所述开关伞包括单驱动伞型风能转换装置和双驱动伞型风能转换装置。

进一步地，所述开口可调伞包括：固定于缆绳上的第二伞头装置；顶部中心套于与缆绳上的第三伞体；套于缆绳上并与第三伞体的顶部中心连接的第二伞尾装置；套接于缆绳且位于第二伞头装置和第二伞尾装置之间的开口调节装置；所述第二伞头装置通过第三伞绳与第三伞体的边缘连接；所述开口调节装置通过第四伞绳与第三伞体的边缘连接，所述开口调节装置用于调节第三伞体的开口大小。

本方案采用了开口调节装置收卷第四伞绳来实现伞型风力装置的开口的调节，从而实现调整装置的迎风面积，进而调节装置的拉力大小。本方案提供的伞型风力装置结构简单，仅需通过开口调节装置即可改变伞型风力装置的迎风面积，调节伞型风力装置的拉力，该调节方法简单高效，容易控制，同时非常容易实现。

进一步地，所述开关伞和开口可调伞的比例为3~5 : 1。由于开关伞实际应用中作为做功伞使用，且开关伞的受风面积的变化大于开口可调伞，因此开关伞的发电效率大于开口可调伞，因此本方案优选采用开关伞的数量大于开口可调伞。

进一步地，所述开口可调伞间隔分布于所述开关伞的队列中。开口可调伞穿插在开关伞中有利于开口可调伞作为平衡伞时平衡整个空中系统（包括伞、缆绳、其他辅助器件等）的重量。

进一步地，所述伞梯中第一个伞到最后一个伞的距离由其中点分为上半部和下半部，且所述伞梯中伞的分布为上半部的分布数量大于或等于下半部的分布数量。

一种上述的伞型风能转换系统的控制系统，包括风速采集模块、分析模块和控制模块；所述风速采集模块用于采集实时高空风速，并将采集的实时高空风速传送至分析模块；所述分析模块用于根据风速采集模块采集的实时高空风速计算出实时高空风速下的发电功率，并通过比较实时高空风速下的发电功率和系统预设的发电功率，并根据实时高空风速分析得出做功伞的数量以及做功伞中开关伞和开口可调伞的数量、作为平衡伞使用的开口可调伞的开口大小，并将分析结果发送至控制模块；所述控制模块用于根据分析模块的分析结果控制开关伞的开合以及开口可调伞的开口大小。

本发明通过控制系统的风速采集模块采集发电地区的实时高空风速，并将所采集的实时高空风速信息传送至控制系统的分析模块，由分析模块根据发电地区的实时高空风速和系统预设发电功率确定做功伞的大小、数量以及做功伞与平衡伞的比例，得出分析结果后将分析结果发送给控制系统的控制模块，由控制模块控制各开关伞的开合以及开口可调伞的开口，以达到控制伞型风能转换系统的发电功率符合系统预设的发电功率的效果。如此，本发明所提供的控制系统能在不同的风速下仍能有效地控制伞型风能转换系统的发电功率符合预设发电功率，能提高所述伞型风能转换系统的发电的稳定性，且更能满足不同时段为电网供电，灵活性非常高。

进一步地，上述控制系统还包括位置信息采集模块，所述位置信息采集模块用于采集做功伞距离地面的高度，并将所述高度信息传送给所述分析模块；所述分析模块根据所述高度信息以及系统预设的相对于地面的工作上限位置和工作下限位置，控制开关伞打开或者关闭，以及调整作为做功伞使用的开口可调伞的开口；所述控制模块根据所述分析模块得出的分析结果控制开关伞的开合以及作为做功伞使用的开口可调伞的开口大小。

本发明的方案主要是：对于开关伞，由于开关伞主要作为做功伞使用，当位置信息采集模块采集到开关伞的位置到达工作上限位置时，分析模块接收到后及作出将开关伞关闭的命令，并将该命令发送给控制模块，控制模块则控制开关伞，将其关闭；当位置信息采集模块采集到开关伞的位置到达工作下限位置时，分析模块接收到后及作出将开关伞打开的命令，并将该命令发送给控制模块，控制模块则控制开关伞，将开关伞打开。而对于开口可调伞，当开口可调伞作为做功伞使用时，当位置信息采集模块采集到开口可调伞的位置到达工作上限位置，分析模块接收到后及作出将开口可调伞的开口调至最小的命令，控制模块控制将开口可调伞的开口调至最小；当位置信息采集模块采集到开口可调伞的位置到达工作下限位置，分析模块接收到后及作出将开口可调伞的开口调至最大的命令，控制模块控制将开口可调伞的开口调至最大。

进一步地，所述控制模块包括控制装置，所述控制装置设置于所述开关伞的驱动器以及所述开口可调伞的开口调节器上。

进一步地，所述风速采集模块包括风速采集装置，所述风速采集装置安装于升力引导体的下方。由于升力引导体的作用是拉直缆绳形成伞轨道，因此升力引导体相对较为稳定，本方案将风速采集装置安装于升力引导体的下方，有利于提高风速采集数据的精度。

一种上述的伞型风能转换系统的控制方法，具体以下步骤：

S1：采集实时高空风速；

S2：根据实时高空风速、实时高空风速下的发电功率以及系统预设的发电功率，控制做功伞的数量以及做功伞中开关伞和开口可调伞的数量、作为平衡伞使用的开口可调伞的开口大小。

进一步地，步骤S2具体为：

S21：当风速增大，且系统预设的发电功率高于实时高空风速下的发电功率时，则增加做功伞的数量：当做功伞的数量小于开关伞时，增加开关伞的使用数量，同时缩小平衡伞的开口；当做功伞的数量大于等于开关伞时，调整部分平衡伞用作为做功伞；

S22：当风速增大，且系统预设的发电功率等于实时高空风速下的发电功率时，保持做功伞的数量不变，同时缩小平衡伞的开口；

S23：当风速增大，且系统预设的发电功率低于实时高空风速下的发电功率时，则减少做功伞的数量，同时缩小平衡伞的开口：当做功伞的数量大于等于开关伞时，将部分开口可调伞由做功伞调整为平衡伞使用；当做功伞的数量小于开关伞时，关闭部分开关伞；

S24：当风速减小，且系统预设的发电功率高于实时高空风速下的发电功率时，则增加做功伞的数量，同时增大平衡伞的开口：当做功伞的数量小于开关伞时，增加开关伞的使用数量；当做功伞的数量大于等于开关伞时，调整部分平衡伞用作为做功伞；

S25：当风速减小，且系统预设的发电功率等于实时高空风速下的发电功率时，保持做功伞的数量不变，同时增大平衡伞的开口；

S26：当风速减小，且系统预设的发电功率低于实时高空风速下的发电功率时，则减少做功伞的数量：当做功伞的数量大于等于开关伞时，将部分开口可调伞由做功伞调整为平衡伞使用；当做功伞的数量小于开关伞时，关闭部分开关伞，同时增大平衡伞的开口。

进一步地，还包括以下步骤：当做功伞到达系统预设的相对于地面的工作上限位置时，控制将开关伞关闭，同时控制作为做功伞使用的开口可调伞的开口调至最小；当做功伞到达系统预设的相对于地面的工作下限位置时，控制将开关伞开启，同时控制作为做功伞使用的开口可调伞的开口调至最大。

与现有技术比较，本发明提供了一种伞型风能转换系统，本系统可根据实际需要非常灵活地调整伞梯中做功伞的数量以及做功伞和平衡伞的比例分布，能更好地适应不同发电地区、不同的风力条件和不同的实际发电需求。

附图说明

图1为本发明的实施例的伞全开的示意图；

图2为本发明的实施例的伞全关的示意图；

图3为单驱动伞型风能转换装置的结构示意图；

图4为双驱动伞型风能转换装置的结构示意图；

图5为开口可调伞的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。

实施例

一种伞型风能转换系统，包括缆绳1、升力引导体2、发电装置3和至少一组伞梯，其中，所述伞梯包括做功伞和平衡伞；所述做功伞包括开关伞和/或开口可调伞，所述平衡伞包括开口可调伞；所述开关伞通过伞体的打开和关闭来改变伞体的迎风面积；所述开口可调伞通过调节伞体的开口大小来改变伞体的迎风面积。

其中，升力引导体可以使氦气球、风筝等，升力引导体的作用吊起最开始的空中系统，当第一个伞打开后起保险作用。

本实施例中，开关伞包括单驱动伞型风能转换装置4和/或双驱动伞型风能转换装置5；

其中，单驱动伞型风能转换装置4包括：由下至上依次固定连接于缆绳1上的第一挡块402和第二挡块403；顶部中心套接在缆绳上的第一伞体404；所述第一挡块402和所述第二挡块403之间由下而上依次为套接于缆绳1上的第一伞头装置405、第一驱动器406和第一伞尾装置407；所述第一伞头装置405通过第一伞绳408与所述第一伞体404连接，且所述第一伞绳408连接于所述第一伞体404的边缘，所述第一驱动器406在所述第一伞头装置405和所述第一伞尾装置407之间来回运动，所述第一伞尾装置407设置在所述第一伞体404的顶部中心套接在缆绳上；所述第一挡块402和/或所述第一伞头装置405设有能锁定所述第一挡块402和所述第一伞头装置405的第一锁定机构409；所述第一驱动器406和/或所述第一伞尾装置407设有能锁定所述第一驱动器406和所述第一伞尾装置407的第二锁定机构410。

其中，所述双驱动伞型风能转换装置5包括：固定于缆绳1上的第三挡块502；顶部中心套接在缆绳1上的第二伞体503；套接于缆绳上且能在缆绳1上来回运动的两个驱动器504，包括：与第二伞体503顶部中心连接的第二驱动器541；位于第三挡块502和第二驱动器541之间的第三驱动器542；第三驱动器542与第二伞体503通过第二伞绳505连接，且所述第二伞绳505连接于所述第二伞体503的边缘；第三驱动器542和/或所述第三挡块502设有能锁定所述第三驱动器542和所述第三挡块502的第三锁定机构506。

本实施例中，所述开口可调伞6包括：固定于缆绳1上的第二伞头装置602；顶部中心套于与缆绳1上的第三伞体603；套于缆绳1上并与第三伞体603的顶部中心连接的第二伞尾装置604；套接于缆绳1且位于第二伞头装置602和第二伞尾装置604之间的开口调节装置605；所述第二伞头装置602通过第三伞绳606与第三伞体603的边缘连接；所述开口调节装置605通过第四伞绳607与第三伞体603的边缘连接，所述开口调节装置605用于调节第三伞体603的开口大小。

优选地，所述开关伞和开口可调伞的比例为3~5 : 1，且开口可调伞间隔分布于所述开关伞的队列中。另外，将伞梯中第一个伞到最后一个伞的距离由其中点分为上半部和下半部，且所述伞梯中伞的分布为上半部的分布数量大于或等于下半部的分布数量。

一种上述的伞型风能转换系统的控制系统，包括风速采集模块、分析模块和控制模块；所述风速采集模块用于采集实时高空风速，并将采集的实时高空风速传送至分析模块；所述分析模块用于根据风速采集模块采集的实时高空风速计算出实时高空风速下的发电功率，并通过比较实时高空风速下的发电功率和系统预设的发电功率，并根据实时高空风速分析得出做功伞的数量以及做功伞中开关伞和开口可调伞的数量、作为平衡伞使用的开口可调伞的开口大小，并将分析结果发送至控制模块；所述控制模块用于根据分析模块的分析结果控制开关伞的开合以及开口可调伞的开口大小。

上述控制系统还包括位置信息采集模块，所述位置信息采集模块用于采集做功伞距离地面的高度，并将所述高度信息传送给所述分析模块；所述分析模块根据所述高度信息以及系统预设的相对于地面的工作上限位置和工作下限位置，控制开关伞打开或者关闭，以及调整作为做功伞使用的开口可调伞的开口；所述控制模块根据所述分析模块得出的分析结果控制开关伞的开合以及作为做功伞使用的开口可调伞的开口大小。

其中，所述控制模块包括控制装置，所述控制装置设置于所述开关伞的驱动器以及所述开口可调伞的开口调节器上；所述风速采集模块包括风速采集装置，所述风速采集装置安装于升力引导体的下方。

一种上述的伞型风能转换系统的控制方法，具体以下步骤：

S1：采集实时高空风速；

S2：根据实时高空风速、实时高空风速下的发电功率以及系统预设的发电功率，控制做功伞的数量以及做功伞中开关伞和开口可调伞的数量、作为平衡伞使用的开口可调伞的开口大小。

其中，步骤S2具体为：

S21：当风速增大，且系统预设的发电功率高于实时高空风速下的发电功率时，则增加做功伞的数量：当做功伞的数量小于开关伞时，增加开关伞的使用数量，同时缩小平衡伞的开口；当做功伞的数量大于等于开关伞时，调整部分平衡伞用作为做功伞；

S22：当风速增大，且系统预设的发电功率等于实时高空风速下的发电功率时，保持做功伞的数量不变，同时缩小平衡伞的开口；

S23：当风速增大，且系统预设的发电功率低于实时高空风速下的发电功率时，则减少做功伞的数量，同时缩小平衡伞的开口：当做功伞的数量大于等于开关伞时，将部分开口可调伞由做功伞调整为平衡伞使用；当做功伞的数量小于开关伞时，关闭部分开关伞；

S24：当风速减小，且系统预设的发电功率高于实时高空风速下的发电功率时，则增加做功伞的数量，同时增大平衡伞的开口：当做功伞的数量小于开关伞时，增加开关伞的使用数量；当做功伞的数量大于等于开关伞时，调整部分平衡伞用作为做功伞；

S25：当风速减小，且系统预设的发电功率等于实时高空风速下的发电功率时，保持做功伞的数量不变，同时增大平衡伞的开口；

S26：当风速减小，且系统预设的发电功率低于实时高空风速下的发电功率时，则减少做功伞的数量：当做功伞的数量大于等于开关伞时，将部分开口可调伞由做功伞调整为平衡伞使用；当做功伞的数量小于开关伞时，关闭部分开关伞，同时增大平衡伞的开口。

其中，所述控制方法还包括以下步骤：当做功伞到达系统预设的相对于地面的工作上限位置时，控制将开关伞关闭，同时控制作为做功伞使用的开口可调伞的开口调至最小；当做功伞到达系统预设的相对于地面的工作下限位置时，控制将开关伞开启，同时控制作为做功伞使用的开口可调伞的开口调至最大。

本实施例的实际工作如图1和图2所示，开关伞分布于伞梯中的数量多于开口可调伞，且开口可调伞间隔分布于开关伞中。其中，开关伞作为做功伞，而开口可调伞既可作为做功伞，也可作为平衡伞。当风力变大，预设的发电功率变小或不变时，则将部分作为做功伞使用的开口可调伞改为平衡伞，且同时将作为平衡伞使用的开口可调伞的开口调小；当风力变小，而预设发电功率不变或变大时，则可将作为平衡伞使用的开口可调伞的开口调大，同时将部分作为平衡伞使用的开口可调伞改为做功伞。另外，本实施例还可控制伞梯中的部分伞一直关闭，当需要更多伞做功时，就控制其投入使用；而当不需要太多伞时，则将部分伞关闭。如此能够灵活控制伞梯中开关伞和开口可调伞的数量及比例，以适应不同的风力条件和不同的发电需求。

本实施例所提供的伞型风能系统采用了两种不同的伞型风力装置组成伞梯，其中开关伞通过伞体的开关实现伞体迎风面积的改变，另一种开口可调伞则通过调节伞体的开口大小来改变伞体的迎风面积。本方案中开关伞主要作为做功伞使用，而开口可调伞既可作为做功伞，又可作为平衡伞，在实际应用过程中可根据风速大小和需要的发电功率作出调整，比如：当风力较小，而所需发电功率较大时，可将部分开口可调伞由平衡伞改为做功伞，而其迎风面积只需通过增大或缩小其开口即可；当风力较大，而所需的发电功率较小时，可将部分作为做功伞使用的开口可调伞改为平衡伞使用。另外，开口可调伞作为平衡伞使用时，也可根据当时的风力大小调节伞体的开口大小以适应实际需要。因此，本实施例所提供的伞型风能转换系统可非常灵活地调整伞梯中伞型风力装置的作用分布，即能灵活的控制伞梯中做功伞和平衡伞的比例，能更好地适应不同情况和不同的实际需要。