一种卷扬式伞型风能开合方法、转换装置以及发电系统与流程

本发明涉及高空风能领域，更具体地，涉及一种卷扬式伞型风能开合方法、转换装置以及发电系统。

背景技术：

1、高空风能是一种分布广泛、储量丰富的可再生清洁能源。有研究指出：高空的风能与风速的立方成正比，一般来说风速增加1倍，风能增加8倍，因此高空风能可高出地面风能的数十倍乃至成百上千倍。在较为理想的高空位置，高空风电的理论发电时间可以达到全年时间的95％，年发电时间高达8200小时以上，即使是小功率的10兆瓦级高空风能发电系统的年发电时间也在5000小时以上。因此，高空风能发电具有平均能量密度高、地域分布广、稳定性高、单位成本低等优点。

2、常见的一种高空风能发电系统包括伞型风能转换装置(或高空风筝)、主缆绳、卷扬机和发电机。伞型风能转换装置在空中打开并保持稳定，在高空风力作用下上升并拉动主缆绳，主缆绳上拉时带动地面的卷扬机转动，进而带动发电机发电，实现风能转换为机械能，机械能转换为电能的过程。伞型风能转换装置上升到终止高度后需要闭合，然后由卷扬机收卷主缆绳，拉动伞型风能转换装置下降回到起始高度，进而重新在空中打开，进行下一轮发电过程，以此往复。具体可参考中国专利cn102220938b-伞型风力装置及风能动力系统。

3、伞型风能转换装置需要反复地打开和闭合，简单、高效、可靠的开合方式显得尤为重要。中国专利cn106523273b-一种双驱动式伞型风能转换装置及其开合方法，该装置包括：缆绳；固定于缆绳上的挡块；顶部中心套接在缆绳上的伞体；与伞体顶部中心连接的第一驱动器；位于挡块和第一驱动器之间的第二驱动器；第二驱动器与伞体通过伞绳连接，且所述伞绳连接于所述伞体的边缘；第二驱动器和/或所述挡块设有能锁定所述第二驱动器和所述挡块的锁定机构。该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。类似的还有中国专利cn106523274b-一种单驱动式伞型风能转换装置及其开合方法。由于上述方案的驱动器需要在缆绳上来回运动和保持固定，因此对驱动器结构的可靠性要求较高、对缆绳的强度和耐磨性要求较高。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术至少一项的不足，提供一种卷扬式伞型风能开合方法、转换装置以及发电系统，用于解决伞型风能转换装置的开合问题，达到简单、高效、可靠的效果。

2、本发明采取的技术方案是，一种卷扬式伞型风能开合方法，第一缆绳一端收卷于第一卷筒上，另一端系于做功伞的伞面边缘；第二缆绳一端收卷于第二卷筒上，另一端系于做功伞的伞面顶部；包括以下阶段：

3、上升阶段，高空风能驱动做功伞上升，第一缆绳和第二缆绳放绳，第一缆绳拉动第一卷筒旋转，第二缆绳拉动第二卷筒旋转；做功伞上升至一定高度后停止；

4、关伞阶段，做功伞继续上升至第一高度，第一缆绳保持放绳，第二缆绳停止放绳，做功伞的伞面边缘继续上升并向上翻折，做功伞闭合；

5、下降阶段，电动机带动第一卷筒和第二卷筒同时旋转，第一缆绳和第二缆绳收绳，第一卷筒收卷第一缆绳，第二卷筒收卷第二缆绳，第一缆绳和第二缆绳拉动做功伞下降；做功伞下降至一定高度后停止；

6、开伞阶段，做功伞继续下降至第二高度，第一缆绳保持收绳，第二缆绳停止收绳，做功伞的伞面边缘继续下降并向下翻折，做功伞打开；

7、所述第一缆绳需要解除锁止状态后才能放绳。

8、本方案的卷扬式伞型风能开合方法适用于上述的地面发电形式的高空风能发电系统，第一卷筒、第二卷筒和电动机均固定在主缆绳上。做功伞由第一缆绳和第二缆绳进行牵引控制开伞和关伞。做功伞在空中完成开伞并保持稳定后，能够拉动主缆绳上升，进而带动地面发电机组发电。本方案的开合方法具体包括以下阶段：

9、上升阶段，风力驱动做功伞上升，解锁第一缆绳放绳，做功伞拉动第一缆绳和第二缆绳上升；第一缆绳拉动第一卷筒旋转，第二缆绳拉动第二卷筒旋转。做功伞上升至一定高度后，锁止第一缆绳放绳，第一缆绳拉紧做功伞，做功伞停止上升。此时，做功伞在空中完成开伞并保持稳定，可以向外发出完成开伞的信号。

10、关伞阶段，在接收到关伞的信号后，解锁第一缆绳放绳，风力驱动做功伞继续上升至第一高度。第二卷筒停止旋转，第二缆绳停止放绳并拉紧做功伞的伞面顶部；风力驱动做功伞的伞面边缘继续上升并向上翻折，第一缆绳保持放绳，第一卷筒保持旋转，直至做功伞完成闭合。做功伞闭合后，锁止第一缆绳放绳。

11、下降阶段，电动机启动并带动第一卷筒和第二卷筒同时旋转，第一卷筒收卷第一缆绳，第二卷筒收卷第二缆绳；第一缆绳和第二缆绳同时拉动闭合后的做功伞下降。做功伞下降至一定高度后，电动机关闭，第一缆绳和第二缆绳停止收绳，做功伞停止下降。此时，做功伞在空中完成关伞，可以向外发出完成关伞的信号。

12、开伞阶段，在接收到开伞的信号后，电动机再次启动，第一缆绳和第二缆绳同时拉动闭合后的做功伞继续下降至第二高度。第二卷筒停止旋转，第二缆绳停止收绳，风力驱动做功伞的伞面顶部向上运动；同时电动机保持带动第一卷筒旋转，第一缆绳保持收绳并拉动做功伞的伞面边缘继续下降并向下翻折，做功伞完成打开。做功伞打开后，电动机关闭，第一卷筒停止旋转，第一缆绳停止收绳。

13、本方案通过位于伞面边缘的第一缆绳和位于伞面顶部的第二缆绳之间差异化的收绳时机、放绳时机，利用传统的卷筒、电动机组合工作，使做功伞借助风力作用实现打开和闭合；并通过适时对第一缆绳的放绳锁止，使做功伞能够保持开伞的状态和关伞的状态；进而解决了伞型风能转换装置的开合问题，达到简单、高效、可靠的效果。

14、优选地，还包括锁止机构，锁止状态时，所述第一缆绳只能收绳；解锁状态时，所述第一缆绳能够收绳和放绳。本方案通过锁止机构实现所述第一缆绳需要解除锁止状态后才能放绳。从上述的四个阶段可以看出，第一缆绳只需要锁止放绳，不需要锁止收绳。因此，锁止机构可以设计成单向锁止的形式，即锁止状态下锁止放绳，允许收绳，解锁状态下允许放绳和收绳。相比于双向锁止的形式，第一缆绳收绳时，锁止机构不需要消耗电能进行解锁，进而减少了发电系统的自身损耗，提高了其发电效率。

15、进一步，所述锁止机构位于所述做功伞与所述第一卷筒之间，所述第一缆绳串接锁止机构后收卷于第一卷筒上。本方案中，风力驱动做功伞上升，第一缆绳传递拉力拉动主缆绳上升发电。针对大型的做功伞，为了能可靠地锁止第一缆绳，传递较大的拉力，锁止机构需要单独设置在做功伞与第一卷筒之间。第一缆绳连接做功伞的伞面边缘后，先通过锁止机构，再收卷于第一卷筒上。

16、优选地，所述做功伞的伞面边缘系于所述第一缆绳上；其中一处通过滚轮连接至主缆绳上，做功伞沿主缆绳上升和下降。本方案中，伞面边缘固定连接第一缆绳，其中一处活动连接主缆绳，一方面可以限制做功伞沿主缆绳运动，保持较好的空中姿态；另一方面则可以使做功伞在开伞、关伞时，在风力作用下绕主缆绳旋转，开合更容易、高效、可靠。使用滚轮进行活动连接，则可以降低做功伞的伞面边缘与主缆绳之间的磨损。

17、本方案还提供一种卷扬式伞型风能转换装置，其固定于主缆绳上并采用上述卷扬式伞型风能开合方法进行开伞和关伞；包括双筒缆绳卷扬装置。

18、所述双筒缆绳卷扬装置包括卷扬本体和安装在卷扬本体上的所述第一卷筒、所述第二卷筒、卷扬转轴、切换组件；所述第一卷筒、切换组件和第二卷筒依次并列套设于卷扬转轴上；所述切换组件切换为第一状态时，第一卷筒与卷扬转轴同步转动；切换组件切换为第二状态时，第二卷筒与卷扬转轴同步转动；切换组件切换为中间状态时，第一卷筒、第二卷筒与卷扬转轴同步转动；卷扬转轴与所述电动机连接。

19、优选地，所述切换组件包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、齿环、拨叉和线性驱动件；第一齿轮固定于所述第一卷筒的一侧，第二齿轮固定于所述第二卷筒的一侧，第三齿轮固定于所述卷扬转轴的中部，齿环套设于第三齿轮的外部；所述线性驱动件通过推动拨叉拨动齿环移动，使得第一齿轮、齿环、第三齿轮相互啮合或第二齿轮、齿环、第三齿轮相互啮合或第一齿轮、第二齿轮、齿环、第三齿轮相互啮合。

20、进一步，所述线性驱动件包括切换电机和连杆机构；切换电机固定于所述卷扬本体上；连杆机构连接切换电机与所述拨叉，连杆机构用于将切换电机的旋转运动转换为拨叉的直线运动。

21、本方案还提供另一种卷扬式伞型风能转换装置，其固定于主缆绳上并采用上述卷扬式伞型风能开合方法进行开伞和关伞；包括绳梯和绳梯锁止装置；绳梯锁止装置为所述锁止机构；所述第一缆绳通过绳梯串接绳梯锁止装置后收卷于所述第一卷筒上。

22、所述绳梯锁止装置包括锁止本体以及安装在锁止本体上的绳梯通道、锁柱组件、锁舌组件和驱动组件；锁柱组件的顶部伸入至绳梯通道内绳梯的梯级之间，驱动组件驱动锁舌组件锁止和解锁锁柱组件；锁止状态时，锁柱组件只能单向摆动，绳梯只能单向通过绳梯通道；解锁状态时，锁柱组件能够双向摆动，绳梯能够双向通过绳梯通道。

23、优选地，所述锁柱组件包括锁止柱和锁止支座；锁止支座安装在所述绳梯通道的一侧；锁止柱的根部铰接在锁止支座上，锁止柱的顶部伸入所述绳梯的梯级之间，锁止柱能够在锁止支座上自由摆动；所述锁舌组件包括锁止舌和导向槽；导向槽位于所述绳梯通道的一侧，锁止舌安装在导向槽内并能够伸缩移动；锁止舌伸出导向槽时能够单向阻挡所述锁止柱摆动。

24、本方案还提供一种卷扬式伞型风能发电系统，包括主缆绳、升力引导体、地面卷扬机、地面发电机组以及上述的卷扬式伞型风能转换装置。卷扬式伞型风能转换装置开伞后，拉动主缆绳上升，主缆绳拉动地面卷扬机旋转，进而带动地面发电机组发电。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

26、本方案通过位于伞面边缘的第一缆绳和位于伞面顶部的第二缆绳之间差异化的收绳时机、放绳时机，利用传统的卷筒、电动机组合工作，使做功伞借助风力作用实现打开和闭合；并通过适时对第一缆绳的放绳锁止，使做功伞能够保持开伞的状态和关伞的状态；进而解决了伞型风能转换装置的开合问题，达到简单、高效、可靠的效果。

27、本方案通过第一卷筒和第二卷筒分别容纳两条缆绳，在切换组件的状态切换下，使第一卷筒、第二卷筒适时地与卷扬转轴进行动力耦合，实现第一卷筒和第二卷筒分别或同时收放卷其各自的缆绳。

28、本方案通过锁柱组件与绳梯梯级之间的形状配合，以及锁舌组件对锁柱组件摆动的单向限制，使通过的绳梯能够被单向锁止，达到稳定可靠的锁止效果。