CN119778155A - 一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，包括空中浮空器风力发电系统、空地电能传输及系留线缆和地面锚泊系统，其中空中浮空器风力发电系统包括飞翼构型薄壁桁架承力结构、多个浮力气囊、两个尾翼、蒙皮构件和三个风力发电机组，飞翼构型薄壁桁架承力结构具有多个沿翼展方向分布的约束空间；多个浮力气囊分别布设在多个约束空间内；两个尾翼分别布设在飞翼构型薄壁桁架承力结构后部两端；蒙皮构件套装在飞翼构型薄壁桁架承力结构和两个尾翼上；三个风力发电机组通过支撑结构安装在飞翼构型薄壁桁架承力结构的底部。本发明结构稳定、可长时滞空驻留稳定发电、低成本及自主可控。

Description

一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统

技术领域

本发明涉及空中风力发电技术领域，更具体的说是涉及一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统。

背景技术

风能是一种可再生的清洁自然资源。高空中蕴藏的风能超过人类社会能源总需求的100多倍，在1km～15km的高度范围风向稳定，且高度越高风能密度越大(高度每增加1m，风能密度增加0.25～0.37W/m²)，稳定性越好，特别是8km～12km的高空急流区全年风速达到30m/s～50m/s(风速每增大1倍风速，风能密度增加7倍)，风力发电时长、稳定性和质量都较佳。高空风能是具有很好发展前景的清洁能源。

目前对高空风能的开发与利用主要有三类技术途径：系留风筝式技术体系(包括滑翔伞类、伞梯组合类)、系留飞行器式技术体系(包括机载发电类、地面发电类)和系留浮空器式技术体系(包括发电载荷吊舱类、发电载荷与囊体一体化类)。其中，系留风筝式技术体系和系留飞行器式技术体系从产品研制到试验验证过程来看，基本都运行在1km高度以下(风能密度500W/m²以下，3km高度以下实际属于低空范畴)，具有安全可靠发放与回收困难、操控复杂(失控易跌落)、连续滞空驻留时间短、带载能力弱(飞行高度十分有限、单机发电功率仅有百kW级)等技术路线固有弊端属性，仅能利用不稳定的低空风能资源、全年可用发电时长低(2200h左右)。而高空空气密度适中、浮力效率较高(每立方米体积产生净浮力0.34kg～0.77kg)，特别适合系留浮空器式技术体系利用静浮力可安全稳定升空与回收维护(仅通过地面卷扬机拖动系留缆绳即可轻松实现)、长时稳定滞空驻留且操控简单(基本无需主动飞行控制)，带载能力潜力巨大等技术路线的天然优势属性，充分开发与利用高空充沛的风能资源(特别是万米高空的急流区，不间断稳定发电时长可达全年)。

飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统是利用动升力和静浮力相结合，产生较大带载能力的同时又缩减自身体积规模，实现高空低成本高功率风力发电，通过系留缆绳传输电能至地面。

但是，目前飞翼浮升一体化布局系留浮空器式风力发电技术较少，且均存在技术问题，如申请号200710304161.X，专利名称为气球悬挂高空风力发电设备发明专利核心阐述了系留浮空器将风力发电设备升空发电，其前部带有较大的水平翼辅组提供动升力、尾部设计较小的尾翼，由于水平翼产生的升力引起较大的不稳定的俯仰力矩，而尾翼面积小无法提供足够的稳定恢复力矩，无法实现整体气动姿态稳定；又如申请号201880024606.5，专利名称为拴在地面上的高空风力发电站的发明专利核心阐述了飞翼的结构形式，四周使用薄层的气囊包裹提供浮力(填充氦气，浮力体积较小，静浮力十分有限)，本质上属于系留飞行器式技术，存在系留飞行器式的固有弊端；而申请号201610326323.9，专利名称为一种高空热翼艇风力发电系统的发明专利核心阐述了带有机翼的半硬式热翼艇，通过刚性骨架承力，外部包裹柔性气囊材料(内部填充空气)，前期由地面供电通过多个燃烧炉加热空气提供静浮力，并驱动风轮叶片反向旋转提供动力升空，系统操控复杂、自重过大，且一旦供电系统故障，浮力无法产生，系统易跌落损毁，适用于低空500m～800m高度。

另外，飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统的现有技术除已存在的系统气动稳定性、载重能力及飞行高度不足外，在实际工程应用中仍存在以下3大共性问题有待解决：

1)高空复杂环境适应性尚未考虑

高空复杂环境要素包括昼夜温度交变(由白天太阳光直射、云层散射等，夜晚地面红外辐射等引起；要求系统气囊白天受热膨胀超压安全，夜晚气囊受冷收缩保持浮力、高度不跌落)、长时大风及短时阵风或切变风(要求系统结构安全、高抗风能力)、雨/雪/结冰/雷电(要求系统不挂水、不积雪、防结冰、防雷电)、短时出现的冷云/寒流(要求系统保持浮力，高度不跌落)、季节性鸟类迁徙安全生态环境(要求系统具备探测鸟类及自动驱离能力)、民航航线安全运输环境(要求系统具备自动响应空中交通管制服务能力)，这是系留浮空器式高空风力发电系统未来作为友好型新能源发电站基础设施(20年设计寿命)必须考虑解决的问题，是该技术体系工程化、实用化的基础要求；

2)长时滞空驻留稳定发电尚未解决

高空充沛的风能资源已为风力稳定发电提供了客观环境条件，系留浮空器(载具平台，风力发电机组技术相对成熟)长时滞空驻留问题则成为关键技术短板，涉及3个方面：首先，现有技术均采用高压气囊(填充氦气)提供所需静浮力和维持气动外形刚度，实际应用中由于高空昼夜温度交变导致气囊内部氦气夜晚受冷需低压维持形状(保持浮力、但刚度较低)、白天受热产生高压(数千帕)，对轻质气囊材料强度要求高、难度大、成本高；其次，受限于气囊内氦气的泄漏损失(泄漏质量速度与所在高度的大气压强和气囊内外压差乘积的平方根成正比)，由于高空大气压强较大(数万帕)与气囊高压耦合下，氦气泄漏较快(大量氦气需求在线补充不可行)，导致滞空驻留时间仅有数月(距离20年的滞空寿命差距较大)；最后，长时滞空驻留自适应环境的弱控制(被动控制，无需复杂操控)，无人值守；

3)低成本与自主可控尚有差距

轻质高强气囊材料和氦气是系留浮空器式高空风力发电系统的主要成本来源，占比高达到70％左右。目前，现有技术若适应高空复杂环境，其高压气囊对轻质(面密度小)、高强度、气密性、耐揉搓、耐老化等性能要求较高，技术难度大，成本较高(一般达到700元/延米)；而我国氦气价格昂贵，供不应求，价格也居高不下。

因此，提供一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，以解决现有技术存在的系统气动稳定性、载重能力及飞行高度不足，及实际工程应用中存在高空复杂环境适应性、长时滞空驻留稳定发电、低成本与自主可控等问题解决技术不足问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，包括空中浮空器风力发电系统、空地电能传输及系留线缆和地面锚泊系统，所述空中浮空器风力发电系统通过所述空地电能传输及系留线缆与所述地面锚泊系统连接，所述空中浮空器风力发电系统包括飞翼结构和多个风力发电机组，所述飞翼结构包括飞翼构型薄壁桁架承力结构、多个浮力气囊、多个尾翼和蒙皮构件，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构具有多个沿翼展方向分布的约束空间；多个所述浮力气囊分别布设在多个所述约束空间内；多个所述尾翼分别布设在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构后部两端；所述蒙皮构件套装在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构和两个所述尾翼上，以在所述蒙皮构件与所述浮力气囊之间形成物理间隙通道；多个所述风力发电机组通过支撑结构安装在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构的底部。

通过采取以上技术方案，本发明的有益效果：

本发明兼具系留浮空器式(静浮力)和系留飞行器式(动升力)技术体系协同优势，产生较大带载能力的同时又缩减自身体积规模，实现高空低成本高功率风力发电。

进一步的，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构呈后掠翼型或平直翼型。

进一步的，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构包括多个翼型平面承力桁架结构单元和多个展向桁架结构，沿翼展方向均匀分布的多个所述翼型平面承力桁架结构单元通过多个沿翼展方向分布的所述展向桁架结构连接在一起；每个所述翼型平面承力桁架结构单元均包括截面翼型桁架结构和多个垂向约束桁架，多个所述垂向约束桁架布设在所述截面翼型桁架结构内部且沿纵向间隔分布，多个所述展向桁架结构分别与所述截面翼型桁架结构的两端和位于中部的所述垂向约束桁架上下两端连接，以形成多个沿翼展方向分布的所述约束空间；多个所述尾翼分别布设在所述截面翼型桁架结构后部或通过延伸支撑桁架布设在所述截面翼型桁架结构后部；所述蒙皮构件套装在多个所述截面翼型桁架结构和多个展向桁架结构上；多个所述风力发电机组通过所述支撑结构分别与多个所述截面翼型桁架结构底部连接。

进一步的，所述蒙皮构件包括多个外蒙皮、多个密封拉链和多个尾翼蒙皮，所述外蒙皮数量比所述风力发电机组截面数量多一个，多个所述外蒙皮沿翼展方向依次套装在多个所述截面翼型桁架结构和多个所述展向桁架结构上，且相邻两个所述外蒙皮的接缝处与所述垂向约束桁架的环向截面位置相对应；相邻两个所述外蒙皮均通过所述密封拉链连接；多个所述尾翼蒙皮分别包覆在多个所述尾翼上。

进一步的，所述截面翼型桁架结构、所述垂向约束桁架、所述展向桁架结构和所述尾翼均采用轻质高强复合材料组件拼接而成；所述外蒙皮为轻质微透气性柔性薄膜材料。

进一步的，所述轻质高强复合材料组件与所述外蒙皮及所述浮力气囊相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜。

进一步的，所述支撑结构包括多个连接支撑桁架和多个支撑吊装桁架，多个所述风力发电机组通过多个所述连接支撑桁架连接；相邻两个所述连接支撑桁架的连接处均通过所述支撑吊装桁架与相对应的所述截面翼型桁架结构底部连接；所述支撑吊装桁架结构上安装有多个摄像头和振动测量装置。

进一步的，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括多个双余度主动阀门、多个热泵和多个鼓风机，所述截面翼型桁架结构前缘和位于前方的所述展向桁架结构以及所述尾翼前缘均铺设有加热膜带；位于所述截面翼型桁架结构前缘的所述外蒙皮具有多个开口，多个所述双余度主动阀门分别安装在多个所述截面翼型桁架结构前缘且与多个所述开口位置相对应；多个所述热泵分别安装在多个所述垂向约束桁架的中部且位于所述外蒙皮内部；多个所述鼓风机分别固定在位于中部的两个所述展向桁架结构上且靠近所述垂向约束桁架位置；每个所述鼓风机均贯穿所述外蒙皮。

进一步的，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括防雷杆、避雷针和避雷索，所述防雷杆分别固定在多个所述截面翼型桁架结构顶部；所述避雷针分别固定在所述尾翼顶端；所述避雷索布设在所述防雷杆上且延伸端分别与所述避雷针相连。

进一步的，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括第一设备舱和第二设备舱，位于中部位置的所述截面翼型桁架结构前端底部固定有三角支架，所述第一设备舱安装在所述三角支架上；所述第二设备舱安装在位于中部位置的所述截面翼型桁架结构顶部且位于所述外蒙皮的内部。

进一步的，所述飞翼结构的数量为多个，多个所述飞翼结构从上到下依次间隔排布且依次通过连接桁架连接。

一种如上所述的飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统的应用，通过搭载通信基站、导航、对地观测、气象监测、预警探测、干扰对抗任务载荷，应用于通信中继、导航增强、高分辨率对地观测、极端天气监测、预警探测、电子对抗领域。

由此可知，本发明提供了一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，与现有技术相较而言，本发明具有如下有益效果：

1)本方案所构建的外蒙皮、飞翼构型薄壁承力桁架结构和多个浮力气囊组成刚柔混合稳定承力结构体系，利用动升力和静浮力相结合，产生较大带载能力的同时又缩减自身体积规模，技术路线的扩展性高，单机发电功率可做到数兆瓦至十兆瓦级，能够高效开发与利用高空风能(特别是万米高空的急流区)。

2)能够安全抵抗长时大风及短时阵风或切变风而不失稳，内部浮力气囊和外部蒙皮间通过飞翼构型薄壁承力桁架结构建立稳定的物理间隙通道(填充空气)，可使内部浮力气囊始终工作的零压状态(保证浮升气体基本不泄露)，且可随外界环境昼夜温度交变自由呼吸变形(膨胀、收缩)，适应外界环境昼夜温度交变；冲压空气(双余度主动阀门打开后接收外界大风)+微透气外蒙皮材料形成的飞翼外表面吹扫现象，能够有效疏水、防积雪、防结冰，配合加热膜、双余度主动阀门、鼓风机、热泵等加热内部气体循环，高效融冰、融雪、干燥及保持浮力，另外第一设备舱功能能够有效支撑空中交通航空管制与提供示警、不干扰民航航线运输安全，及时探测抵近鸟群并驱离、保护空中生态环境，具有较好的高空复杂环境适应能力。

3)冲压空气+微透气外蒙皮材料形成空气滞压压差，自然保持外蒙皮的一定内外压力，保证外蒙皮飞翼构型的光滑(低阻力)，并在其表面形成持续的吹扫现象，能够提高飞翼构型的升阻比(流动控制技术)，尾翼与飞翼构型气动外形构成了一个低阻、高升阻比、俯仰与滚转姿态自稳定、航向自主迎风的气动布局，实现长时滞空过程可无人值守，操纵简单，能够稳定驻留发电。

4)刚柔混合稳定承力结构体系维持飞翼构型，使得浮力气囊可工作在零压状态，外蒙皮仅用来整流及提供浮力体积(承压要求很低)，对柔性薄膜多层复合材料的性能要求(如拉伸强度、撕裂强度、变形伸长率、气密性等)大大降低，易实现低成本生产和替代选型。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为实施例1一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统的整体结构示意图；

图2附图为实施例1空中浮空器风力发电系统的结构示意图；

图3附图为实施例1空中浮空器风力发电系统的侧视图；

图4附图为实施例1飞翼构型薄壁桁架承力结构的结构示意图；

图5附图为实施例2一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统的整体结构示意图；

图6附图为实施例2空中浮空器风力发电系统的结构示意图；

图7附图为实施例2空中浮空器风力发电系统的侧视图；

图8附图为实施例2飞翼构型薄壁桁架承力结构的结构示意图；

图9附图为本发明提供的浮力气囊的结构示意图；

图10附图为实施例3空中浮空器风力发电系统的结构示意图；

图11附图为实施例4空中浮空器风力发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-4、9所示，本发明实施例公开了一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，包括空中浮空器风力发电系统1、空地电能传输及系留线缆2和地面锚泊系统3，空中浮空器风力发电系统1通过空地电能传输及系留线缆2与地面锚泊系统3连接，空中浮空器风力发电系统1稳定捕获风能并转化为电能，经由空地电能传输及系留线缆2锚泊固定在地面，收集电能直接并网、供电或存储，其中空中浮空器风力发电系统1包括飞翼结构和多个风力发电机组15，飞翼结构包括飞翼构型薄壁桁架承力结构11、多个浮力气囊12、多个尾翼13和蒙皮构件14，在本实施例中，飞翼构型薄壁桁架承力结构11呈后掠翼型，飞翼构型薄壁桁架承力结构11具有多个沿翼展方向分布的约束空间；多个浮力气囊12分别布设在多个约束空间内，浮力气囊12内部填充轻质浮升气体，如试验验证阶段可使用氦气、工程化应用阶段可使用氢气混合安全气体，实现低成本和自主可控；多个尾翼13分别布设在飞翼构型薄壁桁架承力结构11后部两端，提供气动恢复力矩，与飞翼构型气动外形构成了一个低阻、高升阻比、俯仰与滚转姿态自稳定、航向自主迎风的气动布局；蒙皮构件14套装在飞翼构型薄壁桁架承力结构11和两个尾翼13上，以在蒙皮构件14与浮力气囊12之间形成物理间隙通道，使得浮力气囊12工作在零压状态，能够随外界环境昼夜温度交变自由膨胀与收缩，即浮力气囊12提供静浮力，功能上相互冗余、安全性高，零压工作模式可使浮升气体泄漏微乎其微，保持长时滞空浮力，并且降低对气囊材料气密性、强度、加工工艺等的性能要求，易实现低成本生产，不局限于气囊材料的选择和构型形式；多个风力发电机组15通过支撑结构16安装在飞翼构型薄壁桁架承力结构11的底部。本发明兼具系留浮空器式(静浮力)和系留飞行器式(动升力)技术体系协同优势，产生较大带载能力的同时又缩减自身体积规模，实现高空低成本高功率风力发电。

具体的，当空地电能传输及系留线缆2数量为多个时，多个空地电能传输及系留线缆2在靠近空中浮空器风力发电系统1一侧套设有承力滑环4。

具体的，飞翼构型薄壁桁架承力结构11包括多个翼型平面承力桁架结构单元111和多个展向桁架结构112，沿翼展方向均匀分布的多个翼型平面承力桁架结构单元111通过多个沿翼展方向分布的展向桁架结构112连接在一起，在本实施例中，翼型平面承力桁架结构单元111数量为5个；每个翼型平面承力桁架结构单元111均包括截面翼型桁架结构1111和多个垂向约束桁架1112，在本实施例中，垂向约束桁架1112数量为3个，多个垂向约束桁架1112布设在截面翼型桁架结构1111内部且沿纵向间隔分布，多个展向桁架结构112分别与截面翼型桁架结构1111的两端和位于中部的垂向约束桁架1112上下两端连接，以形成多个沿翼展方向分布的约束空间，在本实施例中，形成4个约束空间；多个尾翼13分别布设在位于截面翼型桁架结构1111后部，每个尾翼13后可选带舵面；蒙皮构件14套装在多个截面翼型桁架结构1111和多个展向桁架结构112上；多个风力发电机组15通过支撑结构16分别与多个截面翼型桁架结构1111底部连接。

具体的，蒙皮构件14包括多个外蒙皮141、多个密封拉链142和两个尾翼蒙皮，外蒙皮141数量比风力发电机组15截面数量多一个，在本实施例中，外蒙皮141数量为4个，4个外蒙皮141沿翼展方向依次套装在多个截面翼型桁架结构1111和多个展向桁架结构112上，且相邻两个外蒙皮141的接缝处与垂向约束桁架1112的环向截面位置相对应；相邻两个外蒙皮141均通过密封拉链142连接，便于后续总装集成及回收时无损拆卸维护，另外外蒙皮141与截面翼型桁架结构1111以及外蒙皮141与展向桁架结构112接触部位设置若干个带状帘布接口固定，形成一个完整的光滑涵道构型气动外形；多个尾翼蒙皮分别包覆在多个尾翼13上且与相邻外蒙皮141连接为一体，在本实施例中，外蒙皮141和尾翼蒙皮均为轻质微透气性柔性薄膜材料。

具体的，截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13均采用轻质高强复合材料组件拼接而成，以连接编织成一个大跨度立体的飞翼构型薄壁稳定承力结构体系，轻质高强复合材料组件为碳纤维管材或铝合金管材或高压柔性气柱或混合使用，在本实施例中，选用碳纤维管材，以降低成本与重量。

具体的，轻质高强复合材料组件与外蒙皮141及浮力气囊12相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜，能够避免组件受热后升温，破坏与之接触的柔性复合材料强度。

具体的，支撑结构16包括多个连接支撑桁架161和多个支撑吊装桁架162，多个风力发电机组15通过多个连接支撑桁架161连接；相邻两个连接支撑桁架161的连接处均通过支撑吊装桁架162与相对应的截面翼型桁架结构1111底部连接，从而风力发电机组15能够以高的刚度吊装在飞翼内稳定捕获风能，特别是大风下的结构刚度，不会产生晃动和抖振。在本实施例中，风力发电机组15包括三叶桨和扩散型涵道，两者集成一体，且前后桨叶反向对转，可抵消桨叶产生的反扭距影响。

具体的，截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13均采用轻质高强复合材料组件拼接而成，且截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13连接编织成一个大跨度立体的飞翼构型薄壁稳定承力结构体系，轻质高强复合材料组件为碳纤维管材或铝合金管材或高压柔性气柱或混合使用，在本实施例中，选用碳纤维管材，以降低成本与重量。

为了进一步优化本发明的技术方案，轻质高强复合材料组件与外蒙皮141及浮力气囊12相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜，能够避免组件受热后升温，破坏与之接触的柔性复合材料强度。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括多个双余度主动阀门5、多个热泵和多个鼓风机6，截面翼型桁架结构1111前缘和位于前方的展向桁架结构112以及尾翼13前缘均铺设有加热膜带，从而实现除冰功能；位于截面翼型桁架结构1111前缘的外蒙皮141具有多个开口，多个双余度主动阀门5分别安装在多个截面翼型桁架结构1111前缘且与多个开口位置相对应，在本实施例中双余度主动阀门5数量为5个，相应的，开口数量为5个；多个热泵分别安装在多个垂向约束桁架1112的中部且位于外蒙皮141内部；多个鼓风机6分别固定在位于中部的两个展向桁架结构112上且靠近垂向约束桁架1112位置；每个鼓风机6均贯穿外蒙皮141，均包括四个矩阵分布的鼓风机。在工作时，鼓风机有两种工作模式(通过控制器电磁阀门行程位置)：一是打开外蒙皮阀门关闭内部阀门，形成外蒙皮141与飞翼内外进出空气通道；二是关闭外蒙皮阀门打开内部阀门，形成外蒙皮141内部飞翼间的空气流通通道。双余度主动阀门5打开时可利用空中大风形成的冲压空气进入飞翼内桁架空间，形成空气滞压压差，自然保持外蒙皮141的一定内外压力，保证外蒙皮141飞翼构型的光滑(低阻力)，同时提供内部浮力气囊12的零压工作环境，配合外蒙皮141的微透气特性，在其表面形成持续的吹扫现象，能够提高飞翼构型的升阻比(流动控制技术)、避免外蒙皮积雪与挂水。另外，若环境风速较小、冲压空气能力不足时，可关闭双余度主动阀门5、打开鼓风机外蒙皮与飞翼内外进出空气通道，利用大流量鼓风机主动吸入外部环境空气实现上述功能(余度设计、安全可靠)；在空中出现短时的冷云/寒流或外蒙皮大面积积雪、结冰时(导致系统浮力不足或增重，而滞空高度下降风险)或飞翼内部气体湿度过大时，可打开热泵，同时打开鼓风机内部空气流通通道加速内部空气换热效率，提升飞翼内各气体的整体温度水平，提升系统浮力、外蒙皮141融冰融雪及干燥内部气体能力。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括防雷杆7、避雷针8和避雷索9，防雷杆7分别固定在多个截面翼型桁架结构1111顶部；避雷针8分别固定在尾翼13顶端；避雷索9布设在防雷杆7上且延伸端分别与避雷针8相连，从而形成法拉第笼防雷屏障，在出现雷电环境时能够引雷并随空地电能传输及系留线缆2传到至地面放电，保护浮空器及其上设备的安全。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括第一设备舱101和第二设备舱102，位于中部位置的截面翼型桁架结构1111前端底部固定有三角支架，第一设备舱安装在三角支架上，第一设备舱101提供内部设备可靠工作所需的气压、温度、安装等环境，内部设备至少包括测风传感器、应答机、防撞灯，鸟群探测与驱离装置等，从而在空中风力发电系统正常工作时能够在线测量环境风场、支撑发电功率在线预测功能，参与空中交通航空管制服务与提供示警、不干扰民航航线运输安全，及时探测抵近鸟群并驱离、保护空中生态环境；第二设备舱102安装在位于中部位置的截面翼型桁架结构1111顶部且位于外蒙皮114的内部，第二设备舱102提供内部设备可靠工作所需的气压、温度、安装等环境，内部设备至少包括组合惯导、北斗定位通信终端、天通与宽带卫通终端、气压高度计、压差计、温度计等，从而实时在线监测空中风力发电系统的位置、姿态、气压、高度、压差、温度等信息，通过卫星通信遥测下传至地面运管中心进行状态监控与健康管理。

为了进一步优化本发明的技术方案，支撑吊装桁架结构162上安装有多个摄像头和振动测量装置，从而实时在线监测风力发电机组15的运行状态及振动情况，通过卫星通信遥测下传至地面运管中心进行状态监控与健康管理。

本发明实施例还公开了一种如上的涵道布局刚柔混合结构系留浮空器式高空风力发电系统的应用，通过搭载通信基站、导航、对地观测、气象监测、预警探测、干扰对抗任务载荷，应用于通信中继(兼顾应急通信场景)、导航增强、高分辨率对地观测、极端天气监测(如台风)、预警探测、电子对抗领域，当然应用于其他近似领域也在本发明的保护范围之内。

具体的，空地电能传输及系留线缆2可采用高分子聚乙烯、凯夫拉等高强轻质材料编织而成，内部可集成导热材料(如空气管等)，加快高功率传能线缆的散热。

具体的，地面锚泊系统3固定在地基上，通过卷扬机和容绳机的控制安全发放与回收空中浮空器风力发电系统1，就近可配置一个小容量的储能站，用于发放与回收过程中的电力供应。同时，也可配置一座变电站，将系留缆绳传输的电能并网、供电或存储。遥测遥控地面站集中布置在风电场运管中心，通过卫通无线链路与空中浮空器风力发电系统1交互信息。所有地面设备可置于小型固定建筑内，适应地面变化多端的天气及拒止无关外来生物进入，避免出现安全事故。

实施例2：

如图5-9所示，本发明实施例公开了一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，包括空中浮空器风力发电系统1、空地电能传输及系留线缆2和地面锚泊系统3，空中浮空器风力发电系统1通过空地电能传输及系留线缆2与地面锚泊系统3连接，空中浮空器风力发电系统1稳定捕获风能并转化为电能，经由空地电能传输及系留线缆2锚泊固定在地面，收集电能直接并网、供电或存储，其中空中浮空器风力发电系统1包括飞翼结构和多个风力发电机组15，飞翼结构包括飞翼构型薄壁桁架承力结构11、多个浮力气囊12、多个尾翼13和蒙皮构件14，在本实施例中，飞翼构型薄壁桁架承力结构11呈平直翼型，飞翼构型薄壁桁架承力结构11具有多个沿翼展方向分布的约束空间；多个浮力气囊12分别布设在多个约束空间内，浮力气囊12内部填充轻质浮升气体，如试验验证阶段可使用氦气、工程化应用阶段可使用氢气混合安全气体，实现低成本和自主可控；多个尾翼13分别布设在飞翼构型薄壁桁架承力结构11后部两端，提供气动恢复力矩，与飞翼构型气动外形构成了一个低阻、高升阻比、俯仰与滚转姿态自稳定、航向自主迎风的气动布局；蒙皮构件14套装在飞翼构型薄壁桁架承力结构11和两个尾翼13上，以在蒙皮构件14与浮力气囊12之间形成物理间隙通道，使得浮力气囊12工作在零压状态，能够随外界环境昼夜温度交变自由膨胀与收缩，即浮力气囊12提供静浮力，功能上相互冗余、安全性高，零压工作模式可使浮升气体泄漏微乎其微，保持长时滞空浮力，并且降低对气囊材料气密性、强度、加工工艺等的性能要求，易实现低成本生产，不局限于气囊材料的选择和构型形式；多个风力发电机组15通过支撑结构16安装在飞翼构型薄壁桁架承力结构11的底部。本发明兼具系留浮空器式(静浮力)和系留飞行器式(动升力)技术体系协同优势，产生较大带载能力的同时又缩减自身体积规模，实现高空低成本高功率风力发电。

具体的，当空地电能传输及系留线缆2数量为多个时，多个空地电能传输及系留线缆2在靠近空中浮空器风力发电系统1一侧套设有承力滑环4。

具体的，飞翼构型薄壁桁架承力结构11包括多个翼型平面承力桁架结构单元111和多个展向桁架结构112，沿翼展方向均匀分布的多个翼型平面承力桁架结构单元111通过多个沿翼展方向分布的展向桁架结构112连接在一起，在本实施例中，翼型平面承力桁架结构单元111数量为5个；每个翼型平面承力桁架结构单元111均包括截面翼型桁架结构1111和多个垂向约束桁架1112，在本实施例中，垂向约束桁架1112数量为3个，多个垂向约束桁架1112布设在截面翼型桁架结构1111内部且沿纵向间隔分布，多个展向桁架结构112分别与截面翼型桁架结构1111的两端和位于中部的垂向约束桁架1112上下两端连接，以形成多个沿翼展方向分布的约束空间，在本实施例中，形成4个约束空间；多个尾翼13分别通过延伸支撑桁架113布设在截面翼型桁架结构1111后部，每个尾翼13后可选带舵面；蒙皮构件14套装在多个截面翼型桁架结构1111和多个展向桁架结构112上；多个风力发电机组15通过支撑结构16分别与多个截面翼型桁架结构1111底部连接。

具体的，蒙皮构件14包括多个外蒙皮141、多个密封拉链142和两个尾翼蒙皮，在本实施例中，外蒙皮141数量为4个，4个外蒙皮141沿翼展方向依次套装在多个截面翼型桁架结构1111和多个展向桁架结构112上，且相邻两个外蒙皮141的接缝处与垂向约束桁架1112的环向截面位置相对应；相邻两个外蒙皮141均通过密封拉链142连接，便于后续总装集成及回收时无损拆卸维护，另外外蒙皮141与截面翼型桁架结构1111以及外蒙皮141与展向桁架结构112接触部位设置若干个带状帘布接口固定，形成一个完整的光滑涵道构型气动外形；两个尾翼蒙皮分别包覆在两个尾翼13上且与相邻外蒙皮141连接为一体，在本实施例中，外蒙皮141和尾翼蒙皮均为轻质微透气性柔性薄膜材料。

具体的，截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13均采用轻质高强复合材料组件拼接而成，以连接编织成一个大跨度立体的飞翼构型薄壁稳定承力结构体系，轻质高强复合材料组件为碳纤维管材或铝合金管材或高压柔性气柱或混合使用，在本实施例中，选用碳纤维管材，以降低成本与重量。

具体的，轻质高强复合材料组件与外蒙皮141及浮力气囊12相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜，能够避免组件受热后升温，破坏与之接触的柔性复合材料强度。

具体的，支撑结构16包括三个连接支撑桁架161和三个支撑吊装桁架162，三个风力发电机组15呈三角形排布；三个风力发电机组15通过三个连接支撑桁架161连接；相邻两个连接支撑桁架161的连接处均通过支撑吊装桁架162与相对应的截面翼型桁架结构1111底部连接，从而风力发电机组15能够以高的刚度吊装在飞翼内稳定捕获风能，特别是大风下的结构刚度，不会产生晃动和抖振。在本实施例中，风力发电机组15包括三叶桨和扩散型涵道，两者集成一体，且前后桨叶反向对转，可抵消桨叶产生的反扭距影响。

具体的，截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13均采用轻质高强复合材料组件拼接而成，且截面翼型桁架结构1111、垂向约束桁架1112、展向桁架结构112和尾翼13连接编织成一个大跨度立体的飞翼构型薄壁稳定承力结构体系，轻质高强复合材料组件为碳纤维管材或铝合金管材或高压柔性气柱或混合使用，在本实施例中，选用碳纤维管材，以降低成本与重量。

为了进一步优化本发明的技术方案，轻质高强复合材料组件与外蒙皮141及浮力气囊12相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜，能够避免组件受热后升温，破坏与之接触的柔性复合材料强度。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括多个双余度主动阀门5、多个热泵和多个鼓风机6，截面翼型桁架结构1111前缘和位于前方的展向桁架结构112以及尾翼13前缘均铺设有加热膜带，从而实现除冰功能；位于截面翼型桁架结构1111前缘的外蒙皮141具有多个开口，多个双余度主动阀门5分别安装在多个截面翼型桁架结构1111前缘且与多个开口位置相对应，在本实施例中双余度主动阀门5数量为5个，相应的，开口数量为5个；多个热泵分别安装在多个垂向约束桁架1112的中部且位于外蒙皮141内部；多个鼓风机6分别固定在位于中部的两个展向桁架结构112上且靠近垂向约束桁架1112位置；每个鼓风机6均贯穿外蒙皮141，均包括四个矩阵分布的鼓风机。在工作时，鼓风机有两种工作模式(通过控制器电磁阀门行程位置)：一是打开外蒙皮阀门关闭内部阀门，形成外蒙皮141与飞翼内外进出空气通道；二是关闭外蒙皮阀门打开内部阀门，形成外蒙皮141内部飞翼间的空气流通通道。双余度主动阀门5打开时可利用空中大风形成的冲压空气进入飞翼内桁架空间，形成空气滞压压差，自然保持外蒙皮141的一定内外压力，保证外蒙皮141飞翼构型的光滑(低阻力)，同时提供内部浮力气囊12的零压工作环境，配合外蒙皮141的微透气特性，在其表面形成持续的吹扫现象，能够提高飞翼构型的升阻比(流动控制技术)、避免外蒙皮积雪与挂水。另外，若环境风速较小、冲压空气能力不足时，可关闭双余度主动阀门5、打开鼓风机外蒙皮与飞翼内外进出空气通道，利用大流量鼓风机主动吸入外部环境空气实现上述功能(余度设计、安全可靠)；在空中出现短时的冷云/寒流或外蒙皮大面积积雪、结冰时(导致系统浮力不足或增重，而滞空高度下降风险)或飞翼内部气体湿度过大时，可打开热泵，同时打开鼓风机内部空气流通通道加速内部空气换热效率，提升飞翼内各气体的整体温度水平，提升系统浮力、外蒙皮141融冰融雪及干燥内部气体能力。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括多个防雷杆7、两个避雷针8和避雷索9，多个防雷杆7分别固定在多个截面翼型桁架结构1111顶部；两个避雷针8分别固定在两个尾翼13顶端；避雷索9布设在多个防雷杆7上且两延伸端分别与两个避雷针8相连，从而形成法拉第笼防雷屏障，在出现雷电环境时能够引雷并随空地电能传输及系留线缆2传到至地面放电，保护浮空器及其上设备的安全。

为了进一步优化本发明的技术方案，一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括第一设备舱101和第二设备舱102，位于中部位置的截面翼型桁架结构1111前端底部固定有三角支架，第一设备舱安装在三角支架上，第一设备舱101提供内部设备可靠工作所需的气压、温度、安装等环境，内部设备至少包括测风传感器、应答机、防撞灯，鸟群探测与驱离装置等，从而在空中风力发电系统正常工作时能够在线测量环境风场、支撑发电功率在线预测功能，参与空中交通航空管制服务与提供示警、不干扰民航航线运输安全，及时探测抵近鸟群并驱离、保护空中生态环境；第二设备舱102安装在位于中部位置的截面翼型桁架结构1111顶部且位于外蒙皮114的内部，第二设备舱102提供内部设备可靠工作所需的气压、温度、安装等环境，内部设备至少包括组合惯导、北斗定位通信终端、天通与宽带卫通终端、气压高度计、压差计、温度计等，从而实时在线监测空中风力发电系统的位置、姿态、气压、高度、压差、温度等信息，通过卫星通信遥测下传至地面运管中心进行状态监控与健康管理。

为了进一步优化本发明的技术方案，支撑吊装桁架结构162上安装有多个摄像头和振动测量装置，从而实时在线监测风力发电机组15的运行状态及振动情况，通过卫星通信遥测下传至地面运管中心进行状态监控与健康管理。

本发明实施例还公开了一种如上的涵道布局刚柔混合结构系留浮空器式高空风力发电系统的应用，通过搭载通信基站、导航、对地观测、气象监测、预警探测、干扰对抗任务载荷，应用于通信中继(兼顾应急通信场景)、导航增强、高分辨率对地观测、极端天气监测(如台风)、预警探测、电子对抗领域，当然应用于其他近似领域也在本发明的保护范围之内。

具体的，空地电能传输及系留线缆2可采用高分子聚乙烯、凯夫拉等高强轻质材料编织而成，内部可集成导热材料(如空气管等)，加快高功率传能线缆的散热。

具体的，地面锚泊系统3固定在地基上，通过卷扬机和容绳机的控制安全发放与回收空中浮空器风力发电系统1，就近可配置一个小容量的储能站，用于发放与回收过程中的电力供应。同时，也可配置一座变电站，将系留缆绳传输的电能并网、供电或存储。遥测遥控地面站集中布置在风电场运管中心，通过卫通无线链路与空中浮空器风力发电系统1交互信息。所有地面设备可置于小型固定建筑内，适应地面变化多端的天气及拒止无关外来生物进入，避免出现安全事故。

实施例3：

如图10所示，本发明实施例与实施例1的区别在于：飞翼结构的数量为两个，两个飞翼结构上下间隔排布且通过连接桁架103连接，具体的，相邻两个截面翼型桁架结构1111通过前后分布的竖直连接桁架连接，相邻两个竖直连接桁架通过斜向连接桁架连接。

实施例4：

如图11所示，本发明实施例与实施例2的区别在于：飞翼结构的数量为两个，两个飞翼结构上下间隔排布且通过连接桁架103连接，具体的，相邻两个截面翼型桁架结构1111通过前后分布的竖直连接桁架连接，相邻两个竖直连接桁架通过斜向连接桁架连接。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，包括空中浮空器风力发电系统、空地电能传输及系留线缆和地面锚泊系统，所述空中浮空器风力发电系统通过所述空地电能传输及系留线缆与所述地面锚泊系统连接，其特征在于，所述空中浮空器风力发电系统包括飞翼结构和多个风力发电机组，飞翼结构包括飞翼构型薄壁桁架承力结构、多个浮力气囊、多个尾翼、蒙皮构件，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构具有多个沿翼展方向分布的约束空间；多个所述浮力气囊分别布设在多个所述约束空间内；多个所述尾翼分别布设在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构后部两端；所述蒙皮构件套装在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构和两个所述尾翼上，以在所述蒙皮构件与所述浮力气囊之间形成物理间隙通道；多个所述风力发电机组通过支撑结构安装在所述飞翼构型薄壁桁架承力结构的底部。

2.根据权利要求1所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构呈后掠翼型或平直翼型。

3.根据权利要求2所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述飞翼构型薄壁桁架承力结构包括多个翼型平面承力桁架结构单元和多个展向桁架结构，沿翼展方向均匀分布的多个所述翼型平面承力桁架结构单元通过多个沿翼展方向分布的所述展向桁架结构连接在一起；每个所述翼型平面承力桁架结构单元均包括截面翼型桁架结构和多个垂向约束桁架，多个所述垂向约束桁架布设在所述截面翼型桁架结构内部且沿纵向间隔分布，多个所述展向桁架结构分别与所述截面翼型桁架结构的两端和位于中部的所述垂向约束桁架上下两端连接，以形成多个沿翼展方向分布的所述约束空间；多个所述尾翼分别布设在所述截面翼型桁架结构后部或分别通过延伸支撑桁架布设在所述截面翼型桁架结构后部；所述蒙皮构件套装在多个所述截面翼型桁架结构和多个展向桁架结构上；多个所述风力发电机组通过所述支撑结构分别与多个所述截面翼型桁架结构底部连接。

4.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述蒙皮构件包括多个外蒙皮、多个密封拉链和多个尾翼蒙皮，所述外蒙皮数量比所述风力发电机组截面数量多一个，多个所述外蒙皮沿翼展方向依次套装在多个所述截面翼型桁架结构和多个所述展向桁架结构上，且相邻两个所述外蒙皮的接缝处与所述垂向约束桁架的环向截面位置相对应；相邻两个所述外蒙皮均通过所述密封拉链连接；多个所述尾翼蒙皮分别包覆在多个所述尾翼上。

5.根据权利要求4所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述截面翼型桁架结构、所述垂向约束桁架、所述展向桁架结构和所述尾翼均采用轻质高强复合材料组件拼接而成；所述外蒙皮为轻质微透气性柔性薄膜材料。

6.根据权利要求5所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述轻质高强复合材料组件与所述外蒙皮及所述浮力气囊相接触表面均镀有低吸发比涂层或全反射涂层或包覆有铝膜。

7.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述支撑结构包括多个连接支撑桁架和多个支撑吊装桁架，多个所述风力发电机组通过多个所述连接支撑桁架连接；相邻两个所述连接支撑桁架的连接处均通过所述支撑吊装桁架与相对应的所述截面翼型桁架结构底部连接；所述支撑吊装桁架结构上安装有多个摄像头和振动测量装置。

8.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括多个双余度主动阀门、多个热泵和多个鼓风机，所述截面翼型桁架结构前缘和位于前方的所述展向桁架结构以及所述尾翼前缘均铺设有加热膜带；位于所述截面翼型桁架结构前缘的所述外蒙皮具有多个开口，多个所述双余度主动阀门分别安装在多个所述截面翼型桁架结构前缘且与多个所述开口位置相对应；多个所述热泵分别安装在多个所述垂向约束桁架的中部且位于所述外蒙皮内部；多个所述鼓风机分别固定在位于中部的两个所述展向桁架结构上且靠近所述垂向约束桁架位置；每个所述鼓风机均贯穿所述外蒙皮。

9.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括防雷杆、避雷针和避雷索，所述防雷杆分别固定在多个所述截面翼型桁架结构顶部；所述避雷针分别固定在所述尾翼顶端；所述避雷索布设在所述防雷杆上且延伸端分别与所述避雷针相连。

10.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统还包括第一设备舱和第二设备舱，位于中部位置的所述截面翼型桁架结构前端底部固定有三角支架，所述第一设备舱安装在所述三角支架上；所述第二设备舱安装在位于中部位置的所述截面翼型桁架结构顶部且位于所述外蒙皮的内部。

11.根据权利要求3所述的一种飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统，其特征在于，所述飞翼结构的数量为多个，多个所述飞翼结构从上到下依次间隔排布且依次通过连接桁架连接。

12.一种如权利要求1至11任一项所述的飞翼浮升一体化布局系留浮空器式高空风力发电系统的应用，其特征在于，通过搭载通信基站、导航、对地观测、气象监测、预警探测、干扰对抗任务载荷，应用于通信中继、导航增强、高分辨率对地观测、极端天气监测、预警探测、电子对抗领域。