本發(fā)明涉及一種采用新型發(fā)電方式的風力發(fā)電無人機系統(tǒng)的設計，屬于航空飛行器設計和能源技術領域。

背景技術：

隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，化石能源的供應愈發(fā)緊張，世界能源結構正在發(fā)生重大轉變，即由化石能源向以可再生能源為基礎的可持續(xù)能源系統(tǒng)轉變。風能以其清潔、豐富成為得到最廣泛應用的可再生能源之一。據(jù)研究，隨著高度升高，風能儲量急劇的增加，高空風能的儲量遠大于地表。同時，相較于地表不穩(wěn)定的風力環(huán)境，高空中的風大且穩(wěn)定?，F(xiàn)今風力發(fā)電裝備多用于捕捉接近地面的風能，多由固定的風輪、塔架等組成，只能實現(xiàn)固定地點的風能轉化，導致風能有效利用率下降。此外，對于轉化風能起主要作用的是風車葉片的梢部，而建造風電機，一半以上的成本卻消耗在建造鐵塔等方面。塔架高度有限，且隨塔架高度的增加，建設成本、難度進一步增大，限制了對高空風能的利用。這些原因都導致風能資源開發(fā)利用的不徹底性，高空豐富風能資源幾乎無法被利用。

如何利用高空風能，已成為風力發(fā)電的研究熱點及前沿技術。由于傳統(tǒng)風電機的結構形式在高度上受到很大局限，因此國內(nèi)外相關機構在利用各類飛行器進行風力發(fā)電方面進行了研究。國外的Altaeros和KiteGen等公司分別嘗試了用熱氣球攜帶發(fā)電機到高空進行發(fā)電，或用風箏牽引地面上的發(fā)電機運作等方式。但他們都有風能利用效率低、重量過大、可靠性低等問題。如果能利用可靠性更強，可操縱性更高的無人機，并采用特殊的飛行方式進行高空風力發(fā)電，其性能將得到提升。

傳統(tǒng)風力發(fā)電機高度有限，無法利用到高空風能。現(xiàn)有高空風力發(fā)電機，主要發(fā)電方式是利用風箏、滑翔機或阻力傘的空氣阻力拉動纜繩升空，并拖動地面發(fā)電機發(fā)電，當風箏、滑翔機或阻力傘達到一定高度后，用纜繩拖回到低空，并重復上述過程。該方式氣動效率低，而且操作復雜?；谝陨锨闆r，有必要研究一種新型高空發(fā)電形式，提高發(fā)電效率，并簡化操作。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種系留式風力發(fā)電無人機系統(tǒng)，主要是通過對風力發(fā)電無人機的總體布局以及飛行方式來實現(xiàn)的。

本發(fā)明提供的系留式風力發(fā)電無人機，采用為上單翼布局，機身為流線型，機身前端裝有動力-發(fā)電一體化裝置，該動力-發(fā)電一體化裝置擁有電動機和發(fā)電機兩種模式，能夠在飛行時進行切換；機身底部設置系留掛點支架，系留掛點支架由四根撐桿匯合組成，系留纜繩的一端固定在四根撐桿的匯合點，所述匯合點位于無人機重心的正下方；另一端固定在纜繩絞盤上，所述的纜繩絞盤與地面底座之間轉動連接；機翼平面形狀為梯形，展弦比為10～15，機翼外側后緣設置有副翼；每只機翼翼展方向上的1/3處、2/3處設置側向增升翼面，側向增升翼面垂直于翼梁，于機翼翼面上下側對稱布置，帶有約10°～15°后掠角；尾部采用十字形尾翼，并在垂尾和平尾上設置方向舵和升降舵。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)無人機攜帶發(fā)電機升空，發(fā)電位置在空中，可以充分利用高空豐富、穩(wěn)定的風能資源，彌補現(xiàn)今風力發(fā)電技術只可利用有限海拔處風能的缺點。

(2)在系留纜繩底部設置纜繩絞盤，可通過纜繩絞盤改變系留纜繩長度，能夠滿足無人機飛行高度變化的要求，從而采集各海拔高度上的風能。

(3)無人機采用上單翼布局和十字形尾翼，并設計了系留掛點支架，這種特殊的布局形式，在進行圓形航線飛行時能夠提升無人機的穩(wěn)定性，降低了對控制系統(tǒng)的要求。

(4)無人機沿圓形航線飛行，無人機的實際前飛速度為無人機相對地面的速度和風速的疊加，大大提高了風能轉化效率。

(5)在機翼上設置側向增升翼面，可在無人機飛行到圓形軌跡頂部和底部的時候提供足夠的側向升力，保證飛行航線的標準程度，從而保證風能轉化效率。

(6)由于無人機起飛地點、起飛時間的可控制性，可以根據(jù)風能資源的大小選擇最優(yōu)發(fā)電位置、最佳發(fā)電時間，最大限度利用風能。

(7)該風力發(fā)電無人機系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)風力發(fā)電裝置成本較低。

(8)該小型風力發(fā)電無人機不占用固定面積，在無可利用風能時收回，節(jié)約土地資源。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系留式風力發(fā)電無人機的整體外形示意圖。

圖2為本發(fā)明提供的無人機在起飛狀態(tài)系留纜繩控制示意圖。

圖中：

1.機身；2.機翼；3.側向增升翼面；4.副翼；5.動力-發(fā)電一體化裝置；6.垂尾；7.平尾；8.方向舵；9.升降舵；10.系留掛點支架；11.系留纜繩；12.地面底座；13.纜繩絞盤。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明提供一種系留式風力發(fā)電無人機，如圖1所示，所述的無人機采用為上單翼布局，機身1為流線型，機身1前端裝有動力-發(fā)電一體化裝置5，該動力-發(fā)電一體化裝置5擁有電動機和發(fā)電機兩種模式，可在飛行時進行切換。機身1底部設置系留掛點支架10，如圖2，系留掛點支架10由四根撐桿匯合組成，系留纜繩11的一端固定在四根撐桿的匯合點，另一端固定在纜繩絞盤13上，所述的纜繩絞盤13與地面底座12之間轉動連接。機翼2平面形狀為梯形，展弦比約為10～15，機翼2外側后緣設置有副翼4。每只機翼2翼展方向上的1/3處、2/3處設置側向增升翼面3。尾部采用十字形尾翼，并在垂尾6和平尾7上設置方向舵8和升降舵9。

所述的四根撐桿在機身1上的位置分別為：左右機翼2上距離翼根1/3個半翼展長度的兩個位置，機身上重心前后兩個位置，與重心的距離為一個平均氣動弦長。

所述的電動機模式是指由電池驅動螺旋槳旋轉產(chǎn)生無人機飛行的動力。所述的發(fā)電機模式是指由風力驅動螺旋槳旋轉，旋轉機械能轉換成電能儲存在電池或者通過系留纜繩11傳輸?shù)降孛妗Ｋ龅南盗衾|繩11的長度可以根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，一般根據(jù)無人機巡航高度以及不同高度的風能進行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的系留式風力發(fā)電無人機，隨著纜繩絞盤13的轉動，可改變系留纜繩11的長度，從而實現(xiàn)無人機飛行高度的變化。在進行航線飛行時，無人機處于下風區(qū)，飛行航線為與水平面成一定傾角的圓形航線。上升階段將風能轉化為重力勢能，下降階段將重力勢能轉化為動能，由于無人機一直保持有實際前飛速度，因此螺旋槳一直保持轉動進行發(fā)電。

階段一：起飛階段；

起飛時，無人機為機腹迎風姿態(tài)，如圖2所示。無人機上攜帶有備用電池，保證起降階段動力供應。在該起飛階段，動力-發(fā)電一體化裝置5處于電動機模式，由電池驅動螺旋槳提供上升動力，無人機垂直起飛，地面基站不斷放長系留纜繩11長度，無人機在系留纜繩11的牽引下，飛行高度逐漸上升至合適的最高點，此時無人機擁有一定初動能以及重力勢能。

階段二：風力發(fā)電階段；

無人機到達合適高度后，通過操縱面的控制使無人機姿態(tài)改變，進入圓形軌跡飛行。切斷電池供電，進入無動力飛行模式，動力-發(fā)電一體化裝置5切換為發(fā)電機模式，利用風能驅動螺旋槳旋轉發(fā)電。無人機在系留纜繩11的系留下，進行航線飛行，航線為傾斜平面內(nèi)圓形。此時，地面基站隨著無人機所處位置適當收放系留纜繩11，無人機在操縱面的控制下實現(xiàn)特定航線飛行，作用于發(fā)電機上的風速與無人機相對地面的速度疊加形成無人機的實際前飛速度，從而產(chǎn)生電能。所述的電能儲存在電池中或者通過系留纜繩11傳輸?shù)降孛鎯Υ妗?/p>

階段三：降落階段；

降落時，在無人機飛行到航跡最高點時，進行狀態(tài)轉換。將動力-發(fā)電一體化裝置5切換為電動機模式，由電池提供動力，通過各操縱面的控制使無人機進入垂直懸停狀態(tài)。收縮系留纜繩11，牽引無人機逐步降低高度，最終降落。