本发明涉及涵道结构调节，尤其涉及一种涵道式风力发电机、可调节式涵道结构和涵道调节方法。
背景技术：
1、随着可再生能源技术的发展，风能作为一种清洁、无污染的能源，受到了广泛关注。浮空器作为一种新型的风能收集装置，其通过涵道结构来集中风力，提高风能转换效率。浮空器进行风力发电是一种新兴的能源技术，它充分利用高空中稳定且强劲的风能资源，通过浮空器携带的风力发电设备将风能高效转换为电能。相比传统地面风力发电，浮空器不受地形限制，能够灵活地部署在高空，捕捉更强劲、稳定的风能，且对地面环境影响较小。随着材料科学、能源技术和航空技术的进步，浮空器的结构设计和能源转换效率得到了显著提升，加之全球能源需求的不断增长和对可再生能源的迫切需求，浮空器风力发电展现出巨大的潜力和前景。浮空器风力发电不仅适用于偏远地区和海上平台的电力供应，还可以在自然灾害发生时作为应急电源，提供快速响应的电力支持。随着技术的成熟和成本的降低，浮空器风力发电有望在未来成为主流的能源供应方式之一，在全球能源结构中占据重要地位。
2、cn207080316u公开了一种基于环形浮空器的高空风力发电系统，包括：控制系统、环形浮空器、发电机、第一电缆、第二电缆、第一迎角调节绳、第二迎角调节绳和姿控电机；其中，所述发电机设置于所述环形浮空器的中心轴线；所述控制系统通过所述第一电缆与所述发电机相连接；所述环形浮空器的一端与所述第一迎角调节绳相连接，所述环形浮空器的另一端与所述第二迎角调节绳相连接；所述姿控电机分别与第一迎角调节绳、第二迎角调节绳相连接；所述控制系统通过所述第二电缆与所述姿控电机相连接。
3、cn105923152a公开了一种系留飞行系统及其系留飞行器，系留飞行器包括机身、固定翼、旋翼，还包括用于驱动所述旋翼转动的电机，所述电机有发电机模式和电动机模式两种工作模式，在电动机模式，所述电机带动旋翼转动以产生驱动力，在发电机模式，所述旋翼在风力的作用下反驱动所述电机进行发电。这种飞行器的设计，具备自发电的功能，使得系留缆绳可以省去电力电缆，从而大幅降低系留缆绳的负重，也不存在电缆上的电压降问题和输电损耗问题。在系留状态下，能大幅提高升力和负重能力，从而实现长航时、高升限。
4、然而，现有的浮空器涵道结构往往缺乏对风速变化的适应性，导致在不同风速条件下风能利用效率不稳定。
5、此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
技术实现思路
1、现有技术已经公开通过在涵道结构内部设置控制组件以调整出气口大小的技术方案。例如，公布号为cn101865074a的专利文献公开了一种水平轴风力发电机涵道装置，将其安装在水平轴风力发电机上，利用涵道内外表面的外型设计，合理安排了水平轴风力发电机周围的流场结构，该装置主要由设置于涵道内部的内流道和涵道外部的外流道组成，外流道包括外部加速段、外部过渡段和外部减速段，内流道包括内部加速段、内部过渡段和内部减速段，在内外流道之间，设有连接涵道内、外流道的抽吸通道，抽吸通道开启大小通过挡片的控制，抽吸通道为多条、均布在内外流道之间的壁面内。该技术方案根据涵道式风力发电机工况对抽吸装置进行控制，通过调节抽吸装置开启的大小，以此改善风力叶片的工作状况。然而，一方面，该技术方案中抽吸通道贯穿涵道的侧壁结构，以将两个不同的流道连通，由于本发明浮空器的浮空主体需要设置为封闭式的空心结构以用于容纳轻质气体，为了确保轻质气体的稳定安全容纳，本发明需要避免在浮空器的浮空主体结构上设置任何贯通式的管道结构，即涵道侧壁的设计必须兼顾到浮空器的浮空主体需要维持其封闭式空心结构，这是为了确保轻质气体能够安全稳定地被容纳在其中。轻质气体，如氢气或氦气，是浮空器升空的关键因素，因此，任何可能影响气体密封性的结构设计都是本发明所需要避免采用的。另一方面，该技术方案中的抽吸通道涉及两个完全不同的内外流道结构，其所涵盖的流场分布由此相对于本发明仅涉及涵道内部的流场分布更为复杂，流场变化的不同将使得相应的流道控制方式也不同，进而导致抽吸通道进出气口的大小控制方式与本发明的出风口开口面积调整方式明显不同。本发明专注于涵道内部的流场分布，这大大简化了流场控制的复杂性，通过精确控制涵道内部的流场，本发明能够更有效地管理气体流动，从而实现更精确的流道控制。
2、针对现有技术之不足，本发明提供了一种涵道式风力发电机、可调节式涵道结构和涵道调节方法，以解决上述至少部分技术问题。
3、第一方面，本发明公开了一种可调节式涵道结构，包括：涵道单元，由浮空器的浮空主体所形成的气动空心筒形内环，该气动空心筒形内环能够形成从进风口到出风口的前后贯通的气流通道；发电机组件，设置在涵道单元内，用于将气流动能转换为电能；风机，设置在涵道单元内，用于驱动气流通过涵道单元并带动发电机组件运转；出口截面积调整单元，设于涵道单元内，用于调节出风口的开口面积，以控制通过涵道单元的轴向气流强弱。
4、在高空环境中，风速通常在30到80m/s的范围内，难以通过变桨的方式来解决气流稳定性。本发明设置出口截面积调整单元的目的在于通过出口截面积的调节形成的气流拥塞效应确保了涵道结构能够适应不同气流条件，保持稳定性能。出口截面积调整单元提供了一种简单高效的解决方案，克服了传统变桨机制在高风速情况下的局限性，简化了结构设计，增强了整体设备的可靠性和市场应用前景。与现有技术不同的是，本发明具有仅设置在涵道内部的可调节的出口截面积，由此能够根据实际风速和风向的变化，动态调整出风口的开口面积，以实现最优的气流控制和发电效率。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在不同的风速和风向条件下，保持风力发电系统的高效和稳定运行，以及如何通过优化气流控制来提高发电效率和降低系统维护成本。具体地，相较于上述现有技术将内外流道进行连通以根据风速对抽吸通道大小进行控制的方式，本发明能够防止经涵道内部流出的气流对涵道外部产生影响，进而确保在进行涵道内部出口截面积调整过程中浮空器运行的稳定性。本发明的可调节式涵道结构通过涵道单元形成气动空心筒形内环，这种设计不仅优化了气流的通过路径，还降低了空气阻力，提高了气流的速度和稳定性。涵道单元内设置的发电机组件能够将气流动能高效转换为电能，而风机的设置则为气流提供持续的动力，确保发电机组件的稳定运转。出口截面积调整单元通过调节出风口的开口面积，精确控制轴向气流的强弱，从而优化发电效率。这种结构设计使得整个系统在风力发电过程中能够灵活应对不同的风速条件，提高系统的适应性和发电效率。
5、根据一种优选实施方式，发电机组件设置在涵道单元内的特定位置，该特定位置位于涵道单元的进风口与出风口之间的喉道附近，喉道位于气动空心筒形内环在轴向长度上的几何中心点与出风口之间。
6、与现有技术不同的是，本发明将发电机组件优化布置在涵道单元内的喉道附近。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在不同的风速条件下，通过精确控制气流的动能转换过程，提高风力发电的效率和稳定性。本发明将发电机组件设置在涵道单元内的喉道附近，这一特定位置的选择是基于气流动力学的原理。喉道是气流速度和压力变化的关键区域，将发电机组件置于此位置可以最大程度地利用气流的动能，优化能量转换效率。这种布局不仅提高了电能输出，还减少了能量损失，从而提升了整个发电系统的效率和稳定性。
7、根据一种优选实施方式，风机为水平对转式风机，以可扭矩抵消地转动的方式设置在涵道单元内，用于驱动发电机组件运转。
8、水平对转式风机的设计通过双向旋转有效抵消了扭矩，减少了对系统的影响。这种风机设置在涵道单元内，不仅能够提供强劲的气流，还能通过调节转速来控制气流的强度和方向。这种设计使得风机在提供动力的同时，还能保持系统的平衡和稳定性，优化了整个发电系统的性能。
9、根据一种优选实施方式，出口截面积调整单元包括多个瓣叶片构成，这些瓣叶片分别通过其根部的铰链机构可转动地连接在气动空心筒形内环壁上，使得瓣叶片的叶尖能够从靠近气动空心筒形内环壁出发，沿径向朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
10、与现有技术不同的是，本发明的出口截面积调整单元能够根据实时监测到的风速和发电机组件状态动态调整瓣叶片的开合角度。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在变化的风速条件下保持风力发电机组的高效运行，以及如何减少风力发电机组在运行过程中的能耗。具体地，本发明的出口截面积调整单元通过多个瓣叶片的可转动连接，实现了对出风口开口面积的精确调节。瓣叶片的叶尖能够沿径向朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动，这种设计使得出口截面积的调整更为灵活和精确。通过这种方式，系统能够根据实际风速和发电需求，动态调整气流强度，从而优化发电效率和系统稳定性。此外，本发明通过将瓣叶片的转动施力点设置在瓣叶片的叶尖，只需要通过启闭部件进行较小的位移便能够实现瓣叶片较大的调整角度，进而提高了出口截面积调整单元的调整效率。
11、根据一种优选实施方式，出口截面积调整单元包括设置在涵道单元的径向中心位置的启闭部件，用于同步地控制部分或全部瓣叶片的启闭运动，以调节出风口的开口面积，其中，启闭部件包括牵拉绳和用于收放牵拉绳的储缆筒，储缆筒通过卷绕或退绕牵拉绳来驱动这些瓣叶片执行启闭运动。
12、与现有技术不同的是，本发明设置有更为高效和精确的出风口截面积调节方式，即通过设置在涵道单元的径向中心位置的启闭部件实现瓣叶片的位置调整。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何提高瓣叶片调节过程的同步性。启闭部件的设计通过牵拉绳和储缆筒的协同作用，实现了对瓣叶片启闭运动的同步控制。这种设计不仅提高了系统的调节精度，还可以根据具体需求进行自动化控制。通过控制牵拉绳的收放，可以精确调节瓣叶片的角度，从而控制气流的强度和速度，进一步优化系统性能。此外，储缆筒的设置还允许在不使用时将牵拉绳整齐地收纳，减少了空间占用，并提高了系统的整洁性和维护便利性，这种设计在保持了结构的简洁性的同时，也大幅提升了调节的灵活性和精确度。
13、根据一种优选实施方式，出口截面积调整单元配备有或连接于相应的监测单元和控制单元，监测单元用于测定风速是否超出第一预设阈值、或低于第二预设阈值，或者监控发电机组件是否超过第一预定转速或第一预定温度、或低于第二预定转速或第二预定温度，监测单元将监测到的信号发送至控制单元，控制单元根据接收到的信号指令储缆筒执行相应运动。
14、与现有技术不同的是，本发明的出口截面积调整单元能够与监测单元和控制单元协同工作，实现对风力发电系统中气流和发电机组件状态的实时监控与自动调节。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在不同的环境和操作条件下，自动调节风力发电系统的性能，以维持最佳的发电效率和系统稳定性。出口截面积调整单元配备的监测单元和控制单元，通过实时监测风速、发电机组件的转速和温度，能够自动调节储缆筒的动作。这种智能化设计提高了系统的响应速度和调节精度，确保了在不同风速条件下，系统能够维持最佳的发电效率和稳定性。通过实时调整，系统能够更好地适应外部环境变化，减少人工干预，提高整体性能。
15、根据一种优选实施方式，出口截面积调整单元响应于外部风速超出第一预设阈值或者发电机组件超过第一预定转速或第一预定温度的信号而执行收敛涵道单元的出口截面积的操作，使得储缆筒在驱动下将牵拉绳卷绕上去，迫使其远端所固定的相应瓣叶片克服风阻沿朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
16、与现有技术不同的是，本发明的出口截面积调整单元能够实时响应外部环境变化和内部工作状态，实现对风力发电过程的优化。基于上述区别技术特征，本发明要解决的问题可以包括：如何在不同的风速和发电机组件工作状态下，自动调整涵道出口截面积以优化风力发电效率并保护发电设备。出口截面积调整单元响应于外部风速或发电机组件状态的信号，执行收敛操作，这种自动调节机制确保了在极端风速或发电机过载的情况下，系统能够通过减小涵道单元的出口截面积来保护发电机组件，避免过热或损坏。这种设计提高了系统的安全性和可靠性，同时维持了系统的稳定运行。
17、根据一种优选实施方式，出口截面积调整单元响应于外部风速低于第二预设阈值或者发电机组件低于第二预定转速或第二预定温度的信号而执行扩张涵道单元的出口截面积的操作，储缆筒通过朝向退绕方向的旋转或在停止向储缆筒供应动力的情况下允许牵拉绳退绕，导致相应瓣叶片承受风力作用并在气流的驱动作用下被动地沿远离气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
18、出口截面积调整单元响应于外部风速低于第二预设阈值或发电机组件低于第二预定转速或温度的信号，执行扩张操作。这种设计使得系统能够在风速较低或发电需求减少时，通过扩大涵道单元的出口截面积来提高气流动能的利用率，优化发电效率，同时减少能源浪费。这种自适应调节机制提高了系统的灵活性和经济性。
19、第二方面，本发明公开了一种涵道式风力发电机，包括：一涵道单元，由浮空器的浮空主体形成的气动空心筒形内环构成，形成从进风口到出风口的前后贯通的气流通道，其中，进风口的开口面积小于出风口的开口面积；一发电机组件，设置于涵道结构内部，并位于进风口与出风口之间的喉道附近；至少一个可扭矩抵消的风机装置，设置于涵道结构内部，用以驱动发电机组件运转；一出口截面积调整单元，由多个瓣叶片构成，这些瓣叶片通过其根部可转动地固定在气动空心筒形内环壁之上的铰链机构。
20、涵道式风力发电机的设计通过浮空器的浮空主体形成气动空心筒形内环，优化了气流的通过路径，降低了空气阻力。发电机组件和可扭矩抵消的风机的设置，确保了发电机组件的稳定运转和高效能量转换。出口截面积调整单元的设计使得系统能够根据风速变化灵活调节，优化发电效率和系统稳定性。
21、第三方面，本发明公开了一种涵道调节方法，用于调节可调节式涵道结构或涵道式风力发电机的涵道单元的出口截面积。该方法可包括以下步骤：利用出口截面积调整单元配置的可转动地固定在涵道单元的侧壁之上的铰链机构的瓣叶片对涵道单元的出口截面积进行调节。
22、根据一种优选实施方式，该方法可包括以下步骤中的一项或多项：
23、通过驱动储缆筒卷绕牵拉绳，使固定在牵拉绳远端的瓣叶片克服风阻朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动，从而减小涵道单元的出口截面积；
24、通过允许储缆筒朝向退绕方向旋转或停止向储缆筒供应动力，使瓣叶片在风力作用下朝向远离气动空心筒形内环的径向中心方向转动，从而增大涵道单元的出口截面积。
25、根据一种优选实施方式，该方法可包括以下步骤：基于监测到的风速、转速和温度，启动涵道单元的出口截面积缩小机制，以利用出口截面积调整单元减小涵道单元的出口截面积；和/或启动涵道单元的出口截面积扩大机制，以利用出口截面积调整单元增大涵道单元的出口截面积。
26、优选地，该方法可包括以下步骤中的一项或多项：
27、a.监测外部环境条件以及发电机组件的工作状态，其中，外部环境条件包括风速，发电机组件的工作状态包括转速和温度；
28、b.将监测到的风速与第一预设阈值进行比较，将监测到的转速和温度与各自的第一预定值进行比较；
29、c.当风速超出第一预设阈值或转速和温度超出第一预定值时，启动涵道单元的出口截面积缩小机制，执行步骤d，否则执行步骤e；
30、d.通过驱动储缆筒卷绕牵拉绳，使固定在牵拉绳远端的瓣叶片克服风阻朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动，从而减小涵道单元出口截面积；
31、e.将监测到的风速与第二预设阈值进行比较，将监测到的转速和温度与各自的第二预定值进行比较；
32、f.当风速低于第二预设阈值或转速和温度低于第二预定值时，启动涵道单元的出口截面积扩大机制，执行步骤g，否则执行步骤h；
33、g.通过允许储缆筒朝向退绕方向旋转或停止向储缆筒供应动力，使瓣叶片在风力作用下朝向远离气动空心筒形内环的径向中心方向转动，从而增大涵道单元出口截面积；
34、h.重复步骤a至g，以实现对涵道单元的出口截面积的连续自动调节。
35、涵道调节方法通过连续自动监测外部环境条件和发电机组件的工作状态，实现了对涵道单元出口截面积的动态调节。这种方法能够根据实际风速和发电需求，自动调整出口截面积，从而优化发电效率和系统稳定性。通过这种连续自动调节机制，系统能够更好地适应不同的风速条件，保持最佳的风能转换效率和浮空器的稳定性。
1.一种可调节式涵道结构，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述发电机组件(124)设置在所述涵道单元(110)内的特定位置，该特定位置位于所述涵道单元(110)的进风口与出风口之间的喉道附近，所述喉道位于气动空心筒形内环在轴向长度上的几何中心点与出风口之间。
3.根据权利要求1或2所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述风机为水平对转式风机，以可扭矩抵消地转动的方式设置在所述涵道单元(110)内，用于驱动所述发电机组件(124)运转。
4.根据权利要求1～3任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述出口截面积调整单元(220)包括多个瓣叶片(300)构成，这些瓣叶片(300)分别通过其根部的铰链机构可转动地连接在气动空心筒形内环壁上，使得所述瓣叶片(300)的叶尖能够从靠近气动空心筒形内环壁出发，沿径向朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
5.根据权利要求1～4任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述瓣叶片(300)是凭借其几何形状内部的骨架撑开形成的，所述骨架由一组柔性杆(350)以向外施加撑开力的方式构成面状结构，其中，所述骨架构成的面状结构由于这些柔性杆(350)向外施加撑开力而形成中间区域隆起两侧向下弯曲的形态，这些柔性杆(350)中位于所述瓣叶片(300)底部的近端柔性杆的两侧以具有预设切角的方式设置有缺口。
6.根据权利要求1～5任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，在所述骨架的面状结构表面包覆有柔性面层，以阻碍气流从外层骨架限定的区域之中穿过，从而组成完整的瓣叶片(300)，其中，柔性面层的设置使得所述涵道单元(110)内的气流在运动至所述瓣叶片(300)的柔性面层时，其前进方向被阻挡而需要偏离原本的前进方向才能继续向前运动，从而实现对所述涵道单元(110)的出口截面积的调节。
7.根据权利要求1～6任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述出口截面积调整单元(220)包括设置在所述涵道单元(110)的径向中心位置的启闭部件，用于同步地控制部分或全部瓣叶片(300)的启闭运动，以调节出风口的开口面积，其中，所述启闭部件包括牵拉绳和用于收放所述牵拉绳的储缆筒，所述储缆筒通过卷绕或退绕所述牵拉绳来驱动这些瓣叶片(300)执行启闭运动。
8.根据权利要求1～7任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述出口截面积调整单元(220)配备有或连接于相应的监测单元和控制单元，所述监测单元用于测定风速是否超出第一预设阈值、或低于第二预设阈值，或者监控所述发电机组件(124)是否超过第一预定转速或第一预定温度、或低于第二预定转速或第二预定温度，所述监测单元将监测到的信号发送至控制单元，控制单元根据接收到的信号指令所述储缆筒执行相应运动。
9.根据权利要求1～8任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述出口截面积调整单元(220)响应于外部风速超出第一预设阈值或者所述发电机组件(124)超过第一预定转速或第一预定温度的信号而执行收敛所述涵道单元(110)的出口截面积的操作，使得所述储缆筒在驱动下将所述牵拉绳卷绕上去，迫使其远端所固定的相应瓣叶片(300)克服风阻沿朝向气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
10.根据权利要求1～9任一项所述的可调节式涵道结构，其特征在于，所述出口截面积调整单元(220)响应于外部风速低于第二预设阈值或者所述发电机组件(124)低于第二预定转速或第二预定温度的信号而执行扩张所述涵道单元(110)的出口截面积的操作，所述储缆筒通过朝向退绕方向的旋转或在停止向储缆筒供应动力的情况下允许所述牵拉绳退绕，导致相应瓣叶片(300)承受风力作用并在气流的驱动作用下被动地沿远离气动空心筒形内环的径向中心方向转动。
11.一种涵道式风力发电机，其特征在于，包括：
12.一种涵道调节方法，用于调节可调节式涵道结构或涵道式风力发电机的涵道单元(110)的出口截面积，其特征在于，该方法包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的涵道调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤中的一项或多项：
14.根据权利要求12或13所述的涵道调节方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
