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作者：李慶星
一·摘要
在東經(jīng)100~130度附近，北緯度30～50度之間的10千米高空，大風不停，風能密度可達到地表面的１００倍，風向、風速穩(wěn)定，最小時的風速大于15米/秒，不必擔心風箏在無風會掉下來，適合風力發(fā)電。至于風箏占用了飛機航線高度。通過雷達，調(diào)整風箏高度或位置解決。國家類似煉油廠、核發(fā)電廠上空劃出禁飛區(qū)來解決。通過“計算”用風箏發(fā)電，每度電成本在0.15元以下。
風箏發(fā)電的原理很簡單：當風箏表面垂直于氣流時，風箏的拉力最大，用風箏拖動地面上的卷揚機做功發(fā)電。當繩索用完風箏要返回時，由外部提供能量。當風箏表面平行于氣流時風箏的拉力最小，卷揚機倒轉(zhuǎn)拉回風箏，風箏間斷做功發(fā)電。
二·概述
用兩個滑翔傘形狀的風箏解決單個風箏間斷發(fā)電，風箏自己升高到十千米，拉動地面上的卷揚機發(fā)電。風箏上安裝7種傳感器（GPS、濕度、溫度、大氣壓、風速、電子指南針、陀螺儀）微型風力發(fā)電機及數(shù)傳電臺，地面上設(shè)置無線電接收機，通過計算機控制（操縱裝置）風箏的迎風角度、姿態(tài)、高度和位置，當風箏表面垂直于氣流，風箏因風阻力產(chǎn)生最大拉力，風箏通過繩索拉動風箏操縱裝置，通過變速箱、拖動發(fā)電機發(fā)電。當繩索放完逆程返回期間，風箏操縱裝置改變風箏迎風面角度，使風箏平面近乎平行于氣流方向，使其減小阻力。其特點是；單個風箏發(fā)電機是間斷輸出電力，逆程返回期間要靠外部能量恢復，在工作與逆程返回時交替改變風箏的迎風夾角，能夠產(chǎn)生最大的牽引力和最大升力使風箏爬升的目的。兩只風箏輪流做功，當其中一個風箏正程做功時另一個風箏是逆程返回。風箏操縱裝置還有一個重要的作用，是能控制風箏的拉力，調(diào)整輸出的能量。當風速過大時，減小風箏迎風角度（面積），或調(diào)整風箏高度，避免損壞風箏和發(fā)電機。
三·試驗方法（說明：10千米高空最大風速常常有200米/秒）
（當阻力系數(shù)為1.0 風箏面積100平方米）設(shè)計輸出功率22千瓦
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名 稱 |
最 小 值 |
典 型 值 |
最 大 值 |
|
設(shè)計風速 （米/秒） |
15 |
30 |
60 |
|
設(shè)計風箏高度（千米） |
2 |
9 |
16 |
|
設(shè)計風箏運動速度（米/秒） |
5 |
10 |
20 |
|
超高分子量聚乙烯繩索（截面積） |
1.8平方毫米 |
2平方毫米 |
2.2平方毫米 |
|
超高分子量聚乙烯繩索（抗拉，千克） |
600（千克） |
750（千克） |
1400（千克） |
|
繩索總長度（千米） |
58 |
60 |
68 |
|
繩索總重量（千克） |
58 |
60 |
76 |
|
風箏工作面積（平方米） |
5 |
80 |
100 |
|
風箏重量（千克） |
18 |
20 |
24 |
|
繩索工做角度（度） |
10 |
30 |
60 |
|
風箏工作角度（相對地面） |
5（度） |
53 |
115 |
|
風箏升 / 阻比 |
1 |
2 |
5 |
|
風箏升力（千克） |
210 |
1200 |
15000 |
|
風箏正程阻力（千克） |
10 |
600 |
3000 |
|
風箏正程功率（千克米·秒） |
50 |
6000 |
60000 |
|
風箏功率（千瓦） |
0.49 |
59 |
588 |
|
風箏向下拉力 (sin30度繩索) |
|
300千克 |
|
|
|
|
名 稱 |
最 小 值 |
典 型 值 |
最 大 值 |
|
風箏逆程速度（米/秒） |
5 |
10 |
20 |
|
風箏逆程面積（平方米） |
5 |
7 |
10 |
|
逆程阻力（千克） |
37.5 |
210 |
1200 |
|
風箏逆程功率（千克米·秒） |
187.5 |
2100 |
24000 |
|
風箏逆程功率（千瓦） |
1.8 |
21 |
235 |
|
計算、凈剩功率（千瓦）（59-21）=38 |
|
38 |
353 |
|
不同的風箏運動速度下；逆程/正程 |
效率73% |
效率65% |
效率61% |
|
|
|
設(shè)計最小風速時的最小拉力15米/秒 |
（最小面積時） |
29（千克） |
（7平方米） |
|
設(shè)計最小風速時的最大拉力15米/秒 |
（最大面積時） |
421（千克） |
（100平方米） |
|
設(shè)計最大風速時的最小拉力60米/秒 |
（最小面積時） |
472（千克） |
（7平方米） |
|
最大風速時的最大拉力（200米/秒） |
（最小面積時） |
3750（千克） |
（7平方米） |
|
最大風速時的最大拉力（200米/秒） |
（80平方米時） |
60000（千克） |
|
|
風箏不掉下來的最小風速（米/秒） |
|
8 |
|
|
國產(chǎn)卷揚機設(shè)計壽命（年） |
4 |
6 |
8 |
|
:繩索壽命(年) |
2 |
3 |
6 |
|
風箏壽命(年) |
1 |
2 |
4 |
|
設(shè)計工作天數(shù) （天）/ 年 |
330 |
363 |
365 |
|
設(shè)備利用率（％） |
90% |
99.4% |
100% |
|
裝機費用 元/千瓦 |
2900 |
3200 |
3700 |
|
每度電成本（千瓦/時） |
0.10 |
0.14 |
0.15 |
注釋：繩索說明：超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維（美國進口），抗拉強度750千克/平方毫米，資料介紹抗拉強度是鋼絲的40倍。
A·關(guān)于風箏的設(shè)計：（請參閱【風箏發(fā)電機翼傘姿態(tài)控制方法的研究】作者：吉林大學碩士學位論文，賀建平）
B·（風箏運動速度：正程=風速-風箏運動速度 逆程=風速+風箏運動速度）
C·風箏運動速度設(shè)計在10米/秒；風速30米/秒；空氣密度是地面30% 。
D·正程阻力： R＝1/16*密度*速度平方*面積=1/16*0.3*20*20*100 ＝750千克 （100m^2....在30米/秒風速）
E·逆程阻力： R＝1/16*密度*速度平方*面積=1/16*0.3*40*40*7 ＝210千克 （100m^2....在30米/秒風速）
F·風箏向下拉力：600千克/2(sin30度)＝300千克
G·升力： L＝1/2*0.3*20*20米/秒*100平方米 ＝（100m^2....在30米/秒風速）
H·風箏的機械效率: (1 - 逆程拉力 / 正程拉力)* 100 % (1 - 210 / 750) * 100% = 72%
I·正程繩索計算功率W = 千克*米/秒 / 75 = 馬力 1馬力*0.735 = 0.735千瓦
W＝600千克（力）*10米/秒（速度） ＝6000千克·米 / 75＝80馬力*0.735 ＝ 29.4千瓦
J·凈剩功率計算：=正程功率 – 逆程功率 = 59千瓦 - 21千瓦 = 38千瓦
K·風箏不掉下時的最小風速： 風箏的升力大于 > 風箏重量20+繩索重量60 = 80千克
風箏費用包括傳感器明細表：
|
名稱 |
數(shù)量（個） |
價格（元） |
備注 |
|
風箏（耐紫外線） |
2 |
2000 |
5元/平方米 |
|
GPS（全球定位系統(tǒng)） |
2 |
2000 |
|
|
陀螺儀 |
2 |
1400 |
|
|
電子指南針 |
2 |
200 |
|
|
大氣壓 |
2 |
3000 |
|
|
濕度 |
2 |
100 |
|
|
溫度 |
2 |
50 |
|
|
風速 |
2 |
200 |
|
|
數(shù)據(jù)電臺 |
2 |
800 |
|
|
數(shù)據(jù)接收機 |
1 |
1000 |
可重復利用 |
|
單片機算計 |
2 |
100 |
可重復利用 |
|
PC計算機 |
1 |
2000 |
可重復利用 |
|
合計 |
|
12850（元） |
|
發(fā)電機等材料表：(6年費用)
|
名稱 |
數(shù)量（個） |
價格（元） |
備注 |
|
卷揚機 |
1 |
20000 |
22千瓦 |
|
繩索 |
2 （6年2套） |
84000 |
2平方毫米 |
|
風箏 |
2 （6年3套） |
38550 |
|
|
風箏調(diào)控裝置（套） |
1 |
5000 |
|
|
（維修用）汽油發(fā)電機組 |
1 |
3000 |
3000瓦 |
|
合計 |
|
150550（元） |
|
A·繩索：（壽命3年）抗拉（進口）750千克/平方毫米，進口價格每千克50美元。
（每個風箏）60千克*50美元*人民幣/美元比值7 = 21000元。
（兩個風箏）繩索 120千克 ～42000元。
B·國產(chǎn)卷揚機設(shè)計壽命6年： 上海產(chǎn)帶電動機卷揚機 22千瓦 ～20000元 (壽命六年)
C·風箏數(shù)量100平方米（兩只）風箏～6000元（包括7個傳感器；GPS、濕度、溫度、大氣壓、風速、電子指南針、陀螺儀、電臺、發(fā)電機、滑輪等）。（12850元）。
D·風箏功率38千瓦，考慮機械效率、機電轉(zhuǎn)換效率等等，總效率估算57%，（～22千瓦）。
E·22千瓦*8760小時（365天）＝ 190000度（年發(fā)電量）。
F·6年發(fā)電量：190000*6＝1140000度電。
G·6年費用：卷揚機2萬+繩索8.4萬+風箏4萬+其它1萬＝150550萬。
H·每年的設(shè)備維護費用 150550元/6年/22千瓦 = 1140元/每千瓦。
I· 裝機費用 10000元 / 22（千瓦） 每千瓦 = 4500元。
J·每度電費用 150550萬 / 1140000度＝0.132元/度。
K·還有一臺風廓線雷達約200萬、另外占地費用、接入電網(wǎng)費用、各種手續(xù)審批費用，我不知道。
四·風箏發(fā)電必要的（28門）知識：
高中數(shù)學知識、高中物理、大氣物理學、空氣動力學、流體力學、理論力學、材料力學、氣象學、L波段氣象雷達（多普勒風切變線雷達）、機械原理、機械制圖、電機學、自動控制、單片機應用、電腦數(shù)據(jù)采集、電腦編程、并網(wǎng)發(fā)電、風力發(fā)電、無線電數(shù)據(jù)通訊、陀螺傳感器、GPS定位系統(tǒng)、航空管制法、京都議定書、可再生能源法、專利法、863計劃、抗紫外線高聚物材料。
五·估算試驗費用：
初步資金461萬，（風廓線雷達250萬，購場地200萬，22千瓦卷揚機2萬，繩索2萬，風箏2萬、其它5萬）
六·
附錄1（供參考）：200 hpa 30米/秒風速100平方米風箏1平方毫米繩索放飛角度與升力損失關(guān)系
|
度角 （度） |
繩索長度
（千米） |
風箏高度
（千米） |
風箏角度損失
（千克） |
繩索重
（千克） |
風箏重
（千克） |
升力總損失
（千克） |
|
10 |
30 |
5.2 |
52 |
30 |
20 |
102 |
|
10 |
40 |
6.9 |
52 |
40 |
20 |
112 |
|
15 |
30 |
7.7 |
77 |
30 |
20 |
137 |
|
15 |
40 |
10.35 |
77 |
40 |
20 |
147 |
|
20 |
30 |
10.26 |
102 |
30 |
20 |
152 |
|
30 |
30 |
15.0 |
150 |
30 |
20 |
200 |
附錄2（供參考）：10千米高空，100平方米風箏30米/秒風速，風箏角度與升力、阻力關(guān)系。
|
風箏度角 （度） |
升力（千克） |
阻力（千克） |
繩索總拉力 （千克） |
|
3 |
36000 |
50 |
60 |
|
6 |
34000 |
150 |
160 |
|
10 |
32000 |
260 |
240 |
|
15 |
28000 |
388 |
400 |
|
30 |
2200 |
750 |
800 |
|
45 |
1500 |
1060 |
1200 |
|
60 |
1000 |
1298 |
1360 |
|
75 |
200 |
1448 |
1520 |
|
90 |
0 |
1687 |
1700 |
注釋：風速30米/秒 風箏面積100平方米
正程風速=風速—風箏運動速度 =20米/秒
A·升力： L＝1/2*0.3*20*20米/秒*100平方米 ＝6000（100m^2....在30米/秒風速）
B·回程計算：
逆程風速，30 + 10 ＝ 40米/秒
謝謝您的閱讀！因本人學識有限，以上計算可能有誤，請評說：但我想對人類做點貢獻。
七·參考文獻：
【1】http://www.wyzxsx.com/Article/Class4/200708/22073.html
作者中文名： 潘再平； 期刊中文名：太陽能學報； 時間/其次：1999/01； 作者英文名： Keyword：
[ 摘要 ] 提出了一種在高空對流層中進行風力發(fā)電的新方法。對高空風況的研究表明，高空中風能密度可達到地表面的１００倍，風向、風速穩(wěn)定，適合風力發(fā)電。介紹了新型懸空式風力發(fā)電平臺及樣機在地面和低空實驗研究的情況，并給出了實驗結(jié)果。 作者單位： 浙江大學電機系. .......
http://club.dayoo.com/read.dy?b=cantonese&i=750534&t=750534風箏發(fā)電的奇想2006-10-15 20:55:04
banban15
風箏發(fā)電機翼傘姿態(tài)控制方法的研究
【英文題名】 Research on the Control Method of Parawing Posture of the Kite Generator
【作者中文名】 賀建平;
【導師】 唐可洪;
【學位授予單位】 吉林大學;
【學科專業(yè)名稱】 機械電子工程
【學位年度】 2008
【論文級別】 碩士
【網(wǎng)絡(luò)出版投稿人】 吉林大學；賀建平
【網(wǎng)絡(luò)出版投稿時間】 2008-09-12
【關(guān)鍵詞】 風箏發(fā)電機; 翼傘; 模糊模型; 路徑規(guī)劃;
【英文關(guān)鍵詞】 Kite Generator; Parawing; Trajectory Optimization; Fuzzy Model; Fuzzy Control;
【中文摘要】 近年來,由于經(jīng)濟的快速發(fā)展,可再生能源被大量的消耗,開發(fā)新能源迫在眉睫。風能是一種永不枯竭的可再生能源,風能也是一種清潔能源,地球上的風能大大超過水流的能量,風能的利用將大大緩解能源危機。風能利用主要是將大氣運動時所具有的動能轉(zhuǎn)化為其它形式的能,風能的利用歷史悠久,其具體用途包括:風能發(fā)電、風帆助航、風車提水、風力致熱采暖等。 地面的風速小,并且不穩(wěn)定,所以利用地面的風發(fā)電也是不穩(wěn)定的。高空存在穩(wěn)定的環(huán)流風,風速大且穩(wěn)定,本文所研究的風箏發(fā)電機能夠達到這樣的高度,它像風箏一樣升入高空,然后能夠送回來源源不斷的電能,并且發(fā)電能力強、無噪音,但翼傘屬于柔性結(jié)構(gòu),控制翼傘姿態(tài)有一定難度,所以研究風箏發(fā)電機意義重大。 本文首先介紹了風箏發(fā)電機的整體機理,重點對翼傘
作者簡歷：
李慶星 男 1956年6月生于遼寧省葫蘆島市；
2006年～現(xiàn)在，浙江麗水 設(shè)計汽車傳感器；
1997年～2005年在美國工作（從事電子、機電一體化）；
1981～1997年在錦州石化公司工作（機械工程師、任設(shè)備員）；
1981畢業(yè)于錦州石油化工大學（機械專業(yè)類、大專生）；
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