[发明专利]可变翼展风筝风力机

摘要

本发明公开了一种可变翼展风筝风力机，包括由系留缆索组连接的铰链帆、地面主机；按风阻面的形心位置对系留缆索组的张力及所受风载力矩的影响，铰链帆按对称面重合分为张力帆和力矩帆；力矩帆基于结构实现传统板式风筝的滞空机理和滞空可靠性；张力帆基于自身风载和轴对称平面连杆机构的特性，即时响应地面主机对收卷动力的开/关控制和对联动的动力及位置的限定，使其受结构限定仅与系留缆索组的张力相关的风载随铰链帆的往复运动方向自适应的“收/小、放/大”；因而使可变翼展风筝风力机的风能转换高度与风载的受控变化无关、机群阵列密度与铰链帆的运动无关、占地面积的功率容限仅取决于可变风阻面积沿系留缆索组串接后的机械可靠性。

主权项

1.一种可变翼展风筝风力机，其特征在于，包括：铰链帆、系留缆索组以及地面主机；所述铰链帆和所述地面主机通过所述系留缆索组的连接传递动力和运动；所述系留缆索组的柔性约束限定承受风载的所述铰链帆始终位于所述地面主机的下游；所述铰链帆包括基于同一对称面的张力帆和力矩帆，所述铰链帆基于风阻使系留端被定位的所述系留缆索组产生张力；所述张力帆包括一组轴对称可变风阻单元；在所述轴对称可变风阻单元的对称轴垂面内，所述张力帆的特征为最小包络四边形为凸筝形的轴对称平面连杆机构；且所述凸筝形的两相邻长边及长对角线分别对应不同的缆索，两相邻短边共同对应所述轴对称可变风阻单元，短对角线对应所述张力帆的翼展；受缆索的柔性约束限定，承受风载的所述轴对称可变风阻单元位于所述凸筝形相邻长边的下游；当所述凸筝形的长对角线长度因短边交点或长边交点被限定为相对低速点而变化时，所述张力帆的翼展及其所决定的等效风阻面积受自身风载作用产生的变化，使所述张力帆的风载随即变化；所述力矩帆包括至少一个迎角安定结构；所述力矩帆的形心/质心均位于所述张力帆的形心所在对称轴垂面的下游；基于质心位置、风载的对称性以及所述系留缆索组的柔性约束，所述力矩帆的对称面与所述系留缆索组的滞空段质心重合并平行于风向；基于形心位置，通过所述系留缆索组的仰角自适应变化，所述力矩帆的风载与所述铰链帆、所述系留缆索组滞空段的自重形成力矩平衡，使所述铰链帆获得稳定的滞空高度；基于迎角及等效风阻面积的自适应变化，所述力矩帆以其风载变化抵减所述铰链帆的运动以及所述系留缆索组的滞空段长度、风速的变化对所述系留缆索组力矩平衡的影响；所述地面主机包括直立筒轴、转台、负载缆索卷筒、控制缆索卷筒、缆索导向机构、从动机、收卷机、两个单向联动变速轮、两组缆索长度检测单元以及两组缆索张力检测单元；所述转台安装在所述直立筒轴上并以其中心线为旋转轴线；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒均安装在所述转台上；所述从动机和所述收卷机均安装在所述转台上，并分别通过安装在各自转轴上的所述单向联动变速轮与所述负载缆索卷筒、控制缆索卷筒形成轮缘传动；所述单向联动变速轮分别以不同的轮径适应所述从动机、所述收卷机对传动比的要求；所述缆索导向机构沿所述转台半径方向安装在所述转台上并离心偏置；所述缆索导向机构包括轮轴架和两组导向轮组；两组所述导向轮组分别安装在所述轮轴架上；两组所述缆索长度检测单元和两组所述缆索张力检测单元均分别安装在两组所述导向轮组中；所述系留缆索组至少包括负载缆索和控制缆索；所述负载缆索在所述负载缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述负载缆索卷筒上，其滞空端穿过一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形短边交点的结构连接；所述控制缆索在所述控制缆索卷筒上卷绕后，其系留端固定在所述控制缆索卷筒上，其滞空端穿过另一组所述导向轮组后与所述张力帆中对应所述凸筝形长边交点的结构连接；受连接的位置和/或结构限定，所述系留缆索组的中心线始终与所述张力帆的形心重合；受结构和/或控制的限定，所述负载缆索卷筒与所述控制缆索卷筒的联动位置取决于转动方向；受所述单向联动变速轮基于结构的限定，所述负载缆索卷筒只能沿释放缆索方向驱动所述从动机，否则其输出侧空载；所述控制缆索卷筒只能沿回收缆索方向受所述收卷机驱动，否则其输入侧空载；基于所述缆索导向机构将位于缆索绕组最小包络圆上的等效系留点沿所述转台半径方向的离心偏置，所述铰链帆的风载相对于所述转台的旋转轴线所产生的力矩驱动所述转台产生自适应转动，使其旋转轴线始终保持与所述系留缆索组的中心线共面；所述缆索长度检测单元和所述缆索张力检测单元分别在缆索的长度和/或张力达到上限或下限时，直接和/或间接控制收卷机的启/停；共同承受风载的驱动或阻尼的所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒，因结构和/或控制对联动的动力和位置的不同限定，在释放缆索时由所述负载缆索卷筒传递所述从动机的阻尼，在回收缆索时由所述控制缆索卷筒传递所述收卷机的驱动；所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒因此形成的自持相对运动，限定所述系留缆索组对应绝对长度同步变化的收/放过程，分别自动以所述负载缆索与所述控制缆索的相对长度的增/减为前序；当所述地面主机通过对收卷动力的开关控制，收/放所述系留缆索组时，所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒首先发生相对转动，使所述张力帆的翼展因自身风载作用而按“收/小、放/大”的对应关系发生变化，所述系留缆索组的张力随即直接产生相应的变化；直至所述负载缆索卷筒和所述控制缆索卷筒同步转动后，所述铰链帆或由对应所述张力帆最大翼展的风载驱动，克服所述负载缆索卷筒传递的运动阻尼沿所述系留缆索组中心线顺流离心运动；或由所述控制缆索卷筒传递的收卷动力驱动，克服对应所述张力帆最小翼展的风载沿所述系留缆索组中心线逆流向心运动。