風(fēng)箏發(fā)電機(jī)飛行軌跡分析及優(yōu)化

肖小麗　詹杰

摘? 要：在可持續(xù)發(fā)展綠色能源開(kāi)發(fā)中，風(fēng)力發(fā)電一直備受人們的關(guān)注。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)表明，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)制造成本昂貴、維護(hù)運(yùn)營(yíng)較難。而高空風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)成本更低、發(fā)電效率更高，更有利于長(zhǎng)期發(fā)展。高空風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)電功率是我們?cè)u(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)好壞的關(guān)鍵指標(biāo)，為了使風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)獲得的發(fā)電量達(dá)到更大，文章將對(duì)風(fēng)箏發(fā)電機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行研究?jī)?yōu)化。

關(guān)鍵詞：風(fēng)箏發(fā)電;圓形軌跡;軌跡優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TM31? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0016-02

Abstract： In the sustainable development of green energy development， wind power generation has been concerned by people. The long-term test shows that the traditional wind turbine power generation system is expensive to manufacture and difficult to maintain. The high-altitude kite power generation system has lower cost and higher power generation efficiency， which is more conducive to long-term development. The power of kite power generation system in unit time is the key index for us to evaluate the quality of a system. In order to make the power generated by kite power generation system reach a higher level， this paper will study and optimize the flight path of kite generator.

Keywords： kite generator; circular trajectory; trajectory optimization

引言

風(fēng)箏發(fā)電機(jī)發(fā)電過(guò)程由牽引階段和回收階段構(gòu)成。[1]在牽引階段，風(fēng)箏沿一定軌跡在強(qiáng)橫風(fēng)力的作用下反復(fù)飛行，并拉動(dòng)纏繞在滾筒上的系繩進(jìn)行發(fā)電。當(dāng)系繩卷出長(zhǎng)度達(dá)到最大時(shí)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)需將風(fēng)箏拉回到牽引階段初始長(zhǎng)度。在回收階段，發(fā)電機(jī)發(fā)電帶動(dòng)滾筒回繞系繩，風(fēng)箏被拉回為下一次循環(huán)做準(zhǔn)備。牽引階段通過(guò)系繩的牽引力帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)使得發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能，而回收階段需要消耗牽引階段產(chǎn)生的一部分電能，通過(guò)周期性循環(huán)使得產(chǎn)生的電量差不斷積累以供人們的生活需求。

在牽引階段，風(fēng)箏在高空中的飛行主要有圓形軌跡[2]和八字形軌跡[3]兩種，即隨著系繩的不斷放出風(fēng)箏以螺旋圓形或者八字形軌跡重復(fù)飛行。為了使得回收階段消耗的能量減小，回收方式有滑翔返回方式、垂直軌道返回方式、逆風(fēng)軌道返回方式三種。[4]滑翔返回方式是在牽引階段結(jié)束時(shí)，減小風(fēng)箏的有效表面積來(lái)改變風(fēng)箏的氣動(dòng)升力，從而減小系繩卷回過(guò)程中所需要的牽引力。即通過(guò)控制收回兩根系繩中的一根產(chǎn)生長(zhǎng)度差使風(fēng)箏表面與系繩在同一直線上。垂直軌道返回方式是在牽引階段結(jié)束時(shí)，控制牽引風(fēng)箏的兩條系繩長(zhǎng)度差使風(fēng)箏不斷升高直至風(fēng)箏平面與地面平行，即風(fēng)箏表面與風(fēng)速方向平行。此時(shí)，風(fēng)箏表面所受空氣動(dòng)力減小，可以通過(guò)卷回系繩使風(fēng)箏垂直向下運(yùn)動(dòng)直至到達(dá)牽引過(guò)程系繩初始長(zhǎng)度。逆風(fēng)軌道返回方式是在牽引過(guò)程結(jié)束時(shí)，減小風(fēng)箏的攻角使風(fēng)箏所受空氣動(dòng)力降低。同時(shí)提高地面滾筒的卷回速度，使風(fēng)箏處的氣流減小，從而使得系繩牽引力也相應(yīng)減小。風(fēng)箏逆風(fēng)沿低軌道返回，要使攻角不能低于最低值，否則容易倒塌。圓形軌跡由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單在實(shí)踐中經(jīng)常被用到，因此下文選擇圓形軌跡行進(jìn)優(yōu)化研究。

1 理論基礎(chǔ)

風(fēng)箏發(fā)電系統(tǒng)的最終目標(biāo)是獲得最大凈發(fā)電量，即盡量使得系繩卷出階段獲得最大電能，同時(shí)使得系繩卷回階段消耗最少的電能。[5]因此針對(duì)不同的階段，提出了不同的目標(biāo)函數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)箏發(fā)電機(jī)飛行軌跡的種類(lèi)，并通過(guò)Matlab仿真優(yōu)化了單個(gè)周期內(nèi)的圓形軌跡，得到了相應(yīng)的升力系數(shù)取值。由于風(fēng)箏沿圓形軌跡飛行可能會(huì)出現(xiàn)系繩纏繞的不足，因此八字形軌跡研究具有重要的意義。通過(guò)圓形軌跡的優(yōu)化研究為八字形軌跡的研究奠定基礎(chǔ)。

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