[发明专利]一种高空风能资源测量装置及方法

权利要求书

1.一种高空风能资源测量方法，所述测量方法应用于一种高空风能资源测量装置，所述测量装置包括：氦气艇、系留绳索、地面绞盘、传感器组件和数据传输模块；所述传感器组件设置在所述氦气艇上，所述氦气艇将所述传感器组件升至指定高度的空中；所述地面绞盘设置在地面上，所述系留绳索的一端固定在所述地面绞盘上，所述系留绳索的另一端与所述氦气艇连接；所述传感器组件包括万向拉力传感器、温湿度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器、电子罗盘及北斗定位传感器，用于采集所述氦气艇在空中的运动状态信息；所述数据传输模块与所述传感器组件连接，所述传感器组件用于将所述氦气艇在空中的运动状态信息发送至所述数据传输模块，其特征在于，所述测量方法包括：

建立高空中所述氦气艇的多个运动状态模型，获得多个运动状态模型对应的力学模型；建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系，所述力学参考坐标系包括地面坐标系、艇体坐标系和气流坐标系；所述建立所述氦气艇在空中运动状态的力学参考坐标系具体包括：以地面系留点为O点，轴OX₁和OY₁与地面平行，轴OX₁指向东，轴OY₁指向南，OZ₁垂直地面向上，建立所述地面坐标系；

获取多个所述力学模型下的风速风向测量公式；

根据实时采集的氦气艇的运动状态信息和所述风速风向测量公式，测量高空实时的风力资源信息；

风速风向测量公式包括：无风静止状态下的风速风向测量公式、有风静止状态下的风速风向测量公式、变轨运动情况下的风速风向测量公式、水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式、竖直面的匀速及变速圆周运动情况下的风速风向测量公式；

所述的无风静止状态下的风速风向测量公式为：

v＝0

α＝0

其中，α代表风向角；

所述的有风静止状态下的风速风向测量公式通过三种风速测量方法获得，第一种风速测量方法是通过公式计算，具体公式为：

其中，ρ_air是空气密度，S_D是系留气艇物理最大横截面积，与气艇的体积、形状有关；C_D是与气艇材质有关的空气阻力系数，S_L是气艇双翼的投影面积；C_L是与气艇材质有关的升力系数，G代表整个装置所受重力，B代表氦气提供的浮力；

所述的有风静止状态下的风速测量公式，除以上公式以外，还包括：

通过建立所述氦气艇位置信息(x,y,z)、绳索长度Srope、绳索与地面的夹角θ之间的关系：

z＝Srope·sinθ

将公式z＝Srope·sinθ和公式与公式相结合，获得有风静止状态下的第二种风速测量方法；

将基于微元法的绳索力学模型与公式相结合，获得有风静止状态下的第三种风速测量方法；

所述的变轨运动情况下的风速风向测量公式为：

其中，m代表整个装置的总质量，

所述的水平面的匀速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

所述的竖直面的匀速、变速圆周运动情况下的风速风向测量公式为：

其中，D_z代表氦气艇所受空气阻力在地面坐标系轴OZ₁上的分量；

所述测量高空实时的风力资源信息，之后还包括：数据测量误差的修正，所述数据测量误差的修正具体包括：

系留氦气艇的俯仰角、滚转角、航向角的存在将导致加速度的测量值与带入测量公式中的加速度值存在差异，具体修正方法为：

仅存在俯仰角γ₁时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₁±a_z2·sinγ₁

a_y＝a_y2

仅存在滚转角γ₂时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2

a_y＝a_y2·cosγ₂±a_z2·sinγ₂

仅存在航向角γ₃时，误差修正公式为：

a_x＝a_x2·cosγ₃±a_y2·sinγ₃

a_z＝a_z2

其中，上述公式中，仅存在俯仰角γ₁时误差修正公式中的“±”、是由姿态角γ₁的范围决定的，仅存在仅存在滚转角γ₂时误差修正公式中的“±”、是由滚转角γ₂的范围决定的，仅存在航向角γ₃时误差修正公式中的“±”、是由航向角γ₃的范围决定的，a_x2、a_y2、a_z2是在艇体坐标系下三轴加速度的测量值，a_x、a_y、a_z是修正后的加速度准确值；

通过对所述的加速度的准确值在时间域进行积分，获取t时刻系留氦气艇的运动速度，该运动速度即风速的真实值与测量值之间的误差值；

所述风速的真实值为v_真实风速＝v+v(t)_误差；其中，v表示将平面X₁OY₁上的系留汽艇与气流的相对运动速度。