一種高空太陽能發電單元及發電系統及該系統的控制方法與流程

本發明涉及新能源技術領域，尤其是涉及一種高空太陽能發電單元及發電系統及該系統的控制方法。

背景技術：

隨著人類對能源環境要求的發展，太陽能逐漸成為了重要的綠色能源。太陽能具備蘊藏量大且無污染等特點，現有的太陽能采集通常在地面上進行且需要鋪設大面積的太陽能電池板，占用大量空間選址比較困難且能量轉換效率較低，導致太陽能發電成本較高。而且太陽能采集容易受到天氣因素的影響，如陰天或者雨天則完全無法進行發電作業，使得現有的太陽能的應用受到了大大的限制。而在距離地面一萬多米的高空，云量少，太陽光在白晝照射穩定，且高空太陽能的輻射能量更強，同時高空太陽能受氣象條件和地域的影響也較小。

現有技術中，申請號為200910113875.1的中國發明專利公開了一種高空風-太陽能發電裝置，該裝置由牽引索和定高索維系在既定高空位置高度的升力體構成。其中升力體的上表面敷設太陽能電池，后部設有風力發電機組。由此該裝置晝間可穩定地利用太陽能發電，同時可利用高空風晝夜穩定地發電。該方案采用在升力體的上表面鋪設太陽能電池的方法進行高空太陽能發電，但該方法中升力體受風力作用影響較大，隨著太陽不同時間角度不同，太陽能電池受陽光輻射的角度也不定。另外，由于升力體受風向影響非常大，甚至可能太陽能電池無法接受太陽輻照吸收太陽能發電。

申請號為201510281883.2的中國發明專利公開了一種傘梯組合高空太陽能發電系統，包括與地面成一角度的軌道繩和固定于軌道繩上的若干太陽能發電組；太陽能發電組包括從下至上依次固定連接在軌道繩上的滑筒、下擋塊、上擋塊和升降傘，升降傘傘形邊緣與滑筒之間連接若干細繩且頂部中心套接在軌道繩上，升降傘表面上設置有一層太陽能薄膜，太陽能薄膜連接有太陽能儲能裝置。該發明在升降傘傘面上鋪設太陽能薄膜并通過軌道繩將其升入高空進行太陽能采集發電，避免受到天氣等因素影響，整個發電系統設置于高空中，基本不占用地面空間且光照更加強烈，能量轉換率更高，同時還可以進行高空風能采集。但是由于升降傘在其做功過程中需要不斷地開傘和關傘，而太陽能薄膜設置于升降傘的表面，其做功過程中吸收太陽能的效率低，且發電功率不穩定，因此該方案不適用于大量發電的情況，而只能僅僅作為升降傘的驅動的補充電力來使用。

同時該發明人還公開了另外一種技術方案，即申請號為201510281882.8的中國發明專利，公開了一種傘梯組合太陽能風能互補發電系統，包括：與地面成一角度的軌道繩以及若干固定于軌道繩上的發電組；發電組包括從下至上依次固定連接在軌道繩上的滑筒、下擋塊、上擋塊和升降傘，升降傘傘形邊緣與滑筒之間連接若干細繩且頂部中心套接在軌道繩上，滑筒末端還連接有若干串接于軌道繩上的太陽能發電組。其中，太陽能發電組由串接于軌道繩上的若干圓筒狀或者球狀電池板、貼覆于其表面上的太陽能薄膜和儲能電池組成。該發明通過升降傘將串接的太陽能發電組送入高空，于高空中采集太陽能，同時通過升降傘的上下驅動還可以采集高空風能，實現了高空太陽能和高空風能的綜合利用。該方案中的太陽能發電組本身不具備升力，且其重量較重，必須采用較多的平衡傘才能平衡其重量。

技術實現要素：

為克服現有的技術缺陷，本發明提供了一種獨立且發電效率高的高空太陽能發電單元及發電系統。

本發明還提供了上述發電系統的控制方法。

為實現本發明的目的，采用以下技術方案予以實現：

一種高空太陽能發電單元，包括支架，所述支架設有轉軸，所述轉軸上安裝有氣球，所述氣球的形狀為旋轉體，且安裝在所述轉軸上繞旋轉體的旋轉軸轉動；所述氣球的表面覆蓋有薄膜太陽能，所述轉軸設有用于帶動氣球轉動的驅動裝置。

本發明通過在氣球上設置薄膜太陽能的方法實現高空太陽能的采集。同時，本發明還利用馬格魯斯效應（如圖1所示），通過驅動裝置驅動氣球繞轉軸旋轉，由于旋轉可以帶動周圍流體旋轉，使得物體一側的流體速度增加，另一側流體速度減小，而根據伯努利定理，流體速度增加將導致壓強減小，流體速度減小將導致壓強增加，這樣就導致旋轉物體在橫向的壓力差，并形成橫向力，因此當氣球上部的旋轉方向與風向相同，底部與風向相反時，根據馬格魯斯效應則能產生一個向上的力將氣球托起，當轉速足夠快甚至能產生托起較重的物體。本發明就是利用了馬格魯斯效應，通過氣球旋轉將發電單元送至高空中，改變了現有技術中采用充有低密度氣體的氣球或風箏等將太陽能發電單元送至高空的現狀，本方案結構簡單，實現太陽能高空發電裝置的獨立。

進一步地，所述氣球呈圓柱體形或橢球形或橄欖形或球形。

優選地，所述氣球呈橢球形。氣球設置為圓柱體形，氣球繞轉軸旋轉時氣球表面各個點的角速度相同，則能保證旋轉時氣球表面同一軸線上的氣流流速各處相同，且受力方向相同，降低了氣球在上升過程中出現偏轉的可能性，但是由于圓柱體型的底面的阻風面積過大，導致氣球受到較大的橫向作用力；氣球設置為球形則很有可能出現其運動軌跡呈弧形的現象。因此，綜合考慮采用橢球形的方案為優選方案。

進一步地，所述轉軸上設有用于控制氣球轉速的減速裝置。在氣球兩端設置減速裝置用于控制氣球的轉速，當高空風速增大時，氣球在較低轉速下所產生的升力就能克服自身重力時通過減速裝置降低氣球的轉速即可。

進一步地，所述氣球內充有密度小于或等于空氣的氣體。

進一步地，所述薄膜太陽能串聯，并通過電纜將電能輸送至地面。

一種高空太陽能發電系統，包括底座、纜繩以及上述的高空太陽能發電單元，所述纜繩的一端固定于底座上，所述高空太陽能發電單元通過其支架固定在纜繩上，沿纜繩分布。本方案將多個高空太陽能發電單元通過纜繩串連得到高空太陽能發電系統，建立了一個獨立的高空太陽能發電系統，通過氣球的旋轉產生的升力克服自身重力。另外，本系統通過將多個發電單元串聯提高了整個發電系統的發電效率。

進一步地，上述系統還包括風向風速測量裝置和控制系統；所述控制系統分別與所述風向風速測量裝置、所述驅動裝置和減速裝置控制連接，所述風向風速測量裝置安裝于纜繩上。本系統可通過風向風速測量裝置和控制系統，由控制系統根據風向風速測量裝置所獲取的風速信息來對氣球的轉向、轉速以及氣球的方位進行調整，以實現對發電單元的自動控制。優選地，所述風向風速測量裝置安裝于纜繩的上部和中部。

進一步地，所述控制系統包括信息采集模塊、分析模塊和動作模塊；所述信息采集模塊用于獲取所述風向風速測量裝置所測得的風向風速信息并將獲取的風向風速信息發送給分析模塊；所述分析模塊用于將所述信息采集模塊所獲取的風向風速信息進行分析，根據風向風速信息得出氣球克服發電系統自重所需要的轉向和轉速，并將轉向和轉速與氣球當前的轉向和轉速進行比較，得出控制命令并發送給動作模塊；所述動作模塊根據所接收到的控制命令控制所述驅動裝置和減速裝置。

優選地，所述發電系統中最上面的高空太陽能發電單元的氣球內充的氣體的密度小于空氣。本方案有利于將發電系統升向高空時無需外加其他升力系統便能升空：首先，由最上面的發電單元將其后連接部分發電單元拉升至空中；然后，這部分升空的發電系統啟動驅動器使氣球旋轉，由于馬格魯斯效應產生的升力即可將整個系統拉升至高空中；最后，當系統完全升空后，系統根據實時的風速風向進行調整。

進一步地，所述高空太陽能發電單元通過電纜串聯，且所述電纜延纜繩鋪設。

優選地，所述底座可旋轉。

一種上述的高空太陽能發電系統的控制方法，包括以下步驟：

S1：控制系統讀取風向風速測量裝置測得的風向風速信息；

S2：控制系統分析得出垂直于氣球旋轉軸的橫截面的風向風速信息中的水平風向、垂直風向、水平風速和垂直風速，驅動裝置控制氣球正/反轉，使氣球最高點運動方向與水平風向同向，最低點運動方向與水平風向逆向；

S3：根據垂直風向、水平風速、垂直風速和發電系統自重，通過驅動裝置和減速裝置控制氣球轉速，保持氣球懸浮在空中。

進一步地，還包括步驟S4：控制系統根據垂直于氣球旋轉軸的橫截面的水平風速調整轉軸的角度：當所述水平風速為0時，控制系統則通過控制支架轉動，使得水平風速大于0。所述支架的左右兩端安裝有類似飛機方向舵的裝置，可以通過控制該裝置控制支架的水平轉動方向。

與現有技術比較，本發明提供了一種高空太陽能發電單元及其組成的發電系統，還提供了上述發電系統的控制方法。本發明結構簡單，發電效率高，是一種完全獨立的高空太陽能發電系統，同時能通過控制系統對發電單元進行自我調整，實現自動控制。

附圖說明

圖1為馬格魯斯效應的原理圖；

圖2為本發明提供的高空太陽能發電單元的結構示意圖；

圖3為本發明提供的高空太陽能發電系統的示意圖；

圖4為本系統的控制方法中確定氣球轉向的示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明實施方式作進一步詳細地說明。

實施例

如圖2所示，本實施例提供了一種高空太陽能發電系統，包括支架301，所述支架301設有轉軸302，所述轉軸302上安裝有氣球303，所述氣球303的形狀為旋轉體，且安裝在所述轉軸302上繞旋轉體的旋轉軸轉動；所述氣球303的表面覆蓋有薄膜太陽能304（未在圖2中示出），所述轉軸302設有用于帶動氣球轉動的驅動裝置。

其中，所述氣球303呈圓柱體形或橢球形或橄欖形或球形。優選地，氣球303呈橢球形。

優選地，所述轉軸302上設有用于控制氣球轉速的減速裝置；所述氣球303內充有密度小于或等于空氣的氣體；所述薄膜太陽能304串聯，并通過電纜將電能輸送至地面。

其中，氣球303包括軟材料部分和硬材料部分，軟材料部分覆蓋有薄膜太陽能304，硬材料部分用于將氣球303 安裝于轉軸302上；轉軸302上安裝的驅動裝置和減速裝置安裝于氣球的兩端。

一種高空太陽能發電系統，包括底座1、纜繩2以及上述的高空太陽能發電單元3，所述纜繩2的一端固定于底座1上，所述高空太陽能發電單元3通過其支架301固定在纜繩2上，沿纜繩2分布。

其中，上述系統還包括風向風速測量裝置和控制系統；所述控制系統分別與所述風向風速測量裝置、所述驅動裝置和減速裝置控制連接，所述風向風速測量裝置安裝于纜繩2上。優選地，風向風速測量裝置安裝于纜繩2上部和中部。

所述控制系統包括信息采集模塊、分析模塊和動作模塊；所述信息采集模塊用于獲取所述風向風速測量裝置所測得的風向風速信息并將獲取的風向風速信息發送給分析模塊；所述分析模塊用于將所述信息采集模塊所獲取的風向風速信息進行分析，根據風向風速信息得出氣球克服發電系統自重所需要的轉向和轉速，并將轉向和轉速與氣球當前的轉向和轉速進行比較，得出控制命令并發送給動作模塊；所述動作模塊根據所接收到的控制命令控制所述驅動裝置和減速裝置。

優選地，所述發電系統中最上面的高空太陽能發電單元的氣球內充的氣體的密度小于空氣。

優選地，所述高空太陽能發電單元通過電纜串聯，且所述電纜延纜繩鋪設；所述底座可旋轉。

一種上述的高空太陽能發電系統的控制方法，包括以下步驟：

S1：控制系統讀取風向風速測量裝置測得的風向風速信息；

S2：控制系統分析得出垂直于氣球旋轉軸的橫截面的風向風速信息中的水平風向、垂直風向、水平風速和垂直風速，驅動裝置控制氣球正/反轉，使氣球最高點運動方向與水平風向同向，最低點運動方向與水平風向逆向；

S3：根據垂直風向、水平風速、垂直風速和發電系統自重，通過驅動裝置和減速裝置控制氣球轉速，保持氣球懸浮在空中。

其中，步驟S2具體如圖4所示，其中圖中的圓為氣球的橫截面，圖中所示“水平風向”所指的是垂直于氣球旋轉軸的橫截面的水平風向。當水平風向為自左向右時，氣球繞轉軸正傳；當水平風向為自右向左時，氣球繞轉軸反轉。

進一步地，還包括步驟S4：控制系統根據垂直于氣球旋轉軸的橫截面的水平風速調整轉軸的角度：當所述水平風速為0時，控制系統則通過控制支架轉動，使得水平風速大于0。所述支架的左右兩端安裝有類似飛機方向舵的裝置，可以通過控制該裝置控制支架的水平轉動方向。

本實施例所提供的高空太陽能發電系統的具體工作原理如下：

1.將系統升至高空：

當最上面的發電單元的氣球中所充氣體密度等于空氣時：首先由風箏或氦氣球等升力體拉著發電系統升至高空，然后發電單元啟動驅動器使氣球旋轉，由于馬格魯斯效應產生的升力平衡發電系統自身的重力后則可直接將用于輔助系統升空的升力體卸下，發電系統根據實時的風速風向進行調整。

當最上面的發電單元的氣球中所充氣體密度小于空氣時：首先，由最上面的發電單元將其后連接部分發電單元拉升至空中；然后，升空的發電單元啟動驅動器使氣球旋轉，由于馬格魯斯效應產生的升力即可將整個系統拉升至高空中；最后，當發電系統完全升空后，系統根據實時的風速風向進行調整。

2.系統的實時調整

系統的實時調整主要由系統中的控制系統、風向風速測量裝置、驅動器以及減速裝置完成：風向風速測量裝置測得風向信息及風速信息，并將風向信息及風速信息發送給控制系統，由控制系統計算出垂直于氣球旋轉軸的橫截面的水平風向、垂直風向以及水平風速和垂直風速，并由上述信息得出氣球的轉向和轉速，然后由控制系統控制驅動器和減速裝置使得氣球的轉向和轉速達到計算值。

另外，當轉軸的方向與水平風向平行，也就是垂直于氣球旋轉軸的橫截面的水平風速為零時，則由控制系統控制支架偏轉，使得轉軸方向與水平風向不再平行。