風箏發電機飛行軌跡分析及優化

肖小麗　詹杰

摘? 要：在可持續發展綠色能源開發中，風力發電一直備受人們的關注。經過長期的試驗表明，傳統風力渦輪機發電系統制造成本昂貴、維護運營較難。而高空風箏發電系統成本更低、發電效率更高，更有利于長期發展。高空風箏發電系統單位時間內的發電功率是我們評價一個系統好壞的關鍵指標，為了使風箏發電系統獲得的發電量達到更大，文章將對風箏發電機的飛行軌跡進行研究優化。

關鍵詞：風箏發電;圓形軌跡;軌跡優化

中圖分類號：TM31? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

風箏發電機發電過程由牽引階段和回收階段構成。[1]在牽引階段，風箏沿一定軌跡在強橫風力的作用下反復飛行，并拉動纏繞在滾筒上的系繩進行發電。當系繩卷出長度達到最大時，為實現系統的動力循環需將風箏拉回到牽引階段初始長度。在回收階段，發電機發電帶動滾筒回繞系繩，風箏被拉回為下一次循環做準備。牽引階段通過系繩的牽引力帶動電動機運轉使得發電系統產生電能，而回收階段需要消耗牽引階段產生的一部分電能，通過周期性循環使得產生的電量差不斷積累以供人們的生活需求。

在牽引階段，風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箏以螺旋圓形或者八字形軌跡重復飛行。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、逆風軌道返回方式三種。[4]滑翔返回方式是在牽引階段結束時，減小風箏的有效表面積來改變風箏的氣動升力，從而減小系繩卷回過程中所需要的牽引力。即通過控制收回兩根系繩中的一根產生長度差使風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束時，控制牽引風箏的兩條系繩長度差使風箏不斷升高直至風箏平面與地面平行，即風箏表面與風速方向平行。此時，風箏表面所受空氣動力減小，可以通過卷回系繩使風箏垂直向下運動直至到達牽引過程系繩初始長度。逆風軌道返回方式是在牽引過程結束時，減小風箏的攻角使風箏所受空氣動力降低。同時提高地面滾筒的卷回速度，使風箏處的氣流減小，從而使得系繩牽引力也相應減小。風箏逆風沿低軌道返回，要使攻角不能低于最低值，否則容易倒塌。圓形軌跡由于其拓撲結構簡單在實踐中經常被用到，因此下文選擇圓形軌跡行進優化研究。

1 理論基礎

風箏發電系統的最終目標是獲得最大凈發電量，即盡量使得系繩卷出階段獲得最大電能，同時使得系繩卷回階段消耗最少的電能。[5]因此針對不同的階段，提出了不同的目標函數。

3 結束語

本文簡單介紹了風箏發電機飛行軌跡的種類，并通過Matlab仿真優化了單個周期內的圓形軌跡，得到了相應的升力系數取值。由于風箏沿圓形軌跡飛行可能會出現系繩纏繞的不足，因此八字形軌跡研究具有重要的意義。通過圓形軌跡的優化研究為八字形軌跡的研究奠定基礎。

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