具有在轨道上的风筝拖动模块的风能转换系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通过在轨道上的风筝拖动模块转换能量的风力系统。本发明进一 步涉及一种采用该系统制造电能的方法。
【背景技术】
[0002] 以往，利用可再生能源以低成本制造电能的问题已被解决；尤其是，在一些下述提 及的现有专利中，已经提出转换风能的方法，以及几种通过动力翼形(通常采用术语"风筝 (kite)"）从风中获得风能的装置。
[0003]尤其是，美国专利US4. 124. 182公开了一种配备有"风筝伞（parakites)"（或改 进的降落伞)的设备，来捕捉风能并转换成能够驱动发动机的轴旋转运动。这种设备的特征 在于一对"风筝列"，其风筝串联排列。每列配备有动力绳索。这些伸缩足够长以使风筝伞 的风筝列达到一定高度，在该高度上风比地面上的风更强烈且更均匀。每列通过对应的动 力绳索连接至旋转方向可交替的滚筒或绞盘上，在使得在风流牵引下绕所述绳索缠绕或展 开。风筝伞的每列配备有第二绳索，称为"伞盖类型"，其连接至每列风筝，且通过能够选择 性下降所述风筝伞使得再次缠绕过程容易。通过减速器，每个绞盘的旋转运动被转移至发 电机，当发电机制动时产生电能。滑轮（pulleys)单系统通过离合器和齿轮，在一列风筝伞 上升时，使得另一列风筝伞回收。捕获的风能借此转化为机械能，其中部分马上用于伞盖闭 合的风筝伞列，以及其中部分转化为电能。通过一个限制在每个列的空气静压气球，在每个 操作循环中吸气或放气，该风筝伞保持在一理想高度且所述伞盖具有固定定位。
[0004] 中国专利CNL 052. 723公开了一种风力发电装置，其配备有一对风筝，通过高阻 抗绳索将由风流产生的牵引转换为设置在地面上滚筒的旋转。所述绞盘驱动液压马达以发 电。
[0005] 英国专利GB2. 317. 422公开了一种配备多个风筝的设备，由于风牵引作用，风筝 绕着连接至发电机的竖直轴旋转产生电流。所述风筝受风作用在水平面上完成圆周路径。 每个风筝配备有能够调整风攻角（wind attack angle)的设备，以确保飞行的连续性。
[0006] 美国专利US6. 072. 245公开了一种利用风能的设备，由多个连接至形成环状绳索 的风筝构成。风筝被驱动以交替从上升路径至下降路径，确保所述环状绳索的旋转运动总 是沿相同方向。每个风筝连接至传输机械能的动力绳索及连接至调整每个风筝风攻角的驱 动绳索系统。所述动力绳索使滑轮旋转发电。所述驱动绳索被用于使每个风筝保持在这样 一个位置，在上升路径中，使得风筝受风力作用向上拉，以及在下降路径中的第二位置，使 得风筝遭受较低风推动。
[0007] 美国专利US6. 254. 034公开了一种配备有风筝("系绳飞行器"）的设备，该风筝在 控制高度受风流作用，以利用风能。该风筝通过绳索连接至绞盘，所述绞盘驱动发电机产生 电能。驱动系统安装在风筝上，检测、调整风攻角，以及调整受风面积。这个系统由地面上 的操作员控制，可通过合适传感器或自动远程控制系统读取传递的显示数据。所述风筝被 驱动以顺风上升到高功角。在上升过程结束后，所述攻角减小，所述风筝滑行以使其自身逆 风。所述风筝被收回，在此顺风滑行，如此循环。
[0008] 美国专利US6. 523. 781公开了一种捕捉风能的风筝("翼形风筝"）的设备，其具有 入口边、出口边和两侧边。这些风筝通过所述风筝自身的机械驱动。所述设备配备有连接 至所述风筝边的绳索，所述风筝通过这些绳索调整桨距角（pitch angle)而被驱动。驱动 机构由设置在动力绳索内的电缆供电，所述风筝通过电缆连接到绞盘，所述绞盘驱动发电 机产生电能。风筝利用上升力受风上升，并画出一个和风速方向近乎垂直的路径。在上升 过程结束后，所述风筝回复并再被驱动以再捕获风力。
[0009] 美国专利申请US2005046197公开了一种配备有利用风能的风筝的装置，该风筝 通过多种绳索驱动连接至发电机的绞盘产生电能。所述风筝通过调整风攻角被另外的绳索 驱动。所述风筝上升到高攻角。在所述上升过程结束后，所述攻角减小，所述风筝回复以开 始再次循环。
[0010] 总之，通过以上现有技术方案的分析，现有的具有风筝的风力系统一般具有下列 相同特征： -所述风筝同时配备有动力绳索和驱动绳索：这意味着用于发电的绳索用于发电的动 力并未传递到风筝驱动机构，而是通过绳索执行该功能，传递到其他风力系统组件上。缺少 使用用于驱动风筝的动力绳索使得风力系统结构复杂，具有众多不足； -所述风筝通过直接安装在风筝上的机构或通过辅助(驱动)绳索被驱动。这些绳索的 展开和缠绕采用仅用于此目的的位于地面或悬浮在地面(也就是，安装于风筝上）的绞盘。 假如使用驱动绳索，绞盘可设在地面上，无需消耗部分从风流中获得的能量来支撑驱动机 构重量； -当其利用牵引力上升时，所述风筝被驱动以产生电能(也就是，与风向平行的风的分 力)。之后，通过放置风筝如旗帜般拉回风筝，以减小刹车效应。极少风力系统除利用牵引 力外还利用提升力（也就是，与风向垂直的风的分力）以使得风筝爬升。相当于前者而言，使 用后面的驱动模式的优点在于，不仅风筝的阻力且风筝的提升力都用于发电。不管怎样，在 这两种模式中，间歇性类型的操作周期(上升步骤与回复步骤交替）意味着用于发电的风筝 的牵引力作用仅在风筝运行的一般路径上存在(实际上，在回复步骤中不存在）； -利用动力绳索，可能介入的减速器，通过连接到发电机的绞盘的旋转来实现能量转 换。这在操作周期间不能产生持续能量，因为风筝来回是通过马达驱动所述绞盘。这样发 生电能生产中断和消耗前面产生的能量。电流持续性输送至外部用户是通过使用蓄电池实 现； -注意力仅集中在周期过程产生电力。风筝飞行时的路径选择以增大能量转换率，则几 乎完全被忽视； -关于风筝控制系统或由许多风筝串联形成的风筝列问题在极少数项目和研宄中被详 细解决。这是因为目前研宄主要集中在已有系统产量而不是新能源制造系统的发展。
[0011] 为了部分解决上述问题，申请人为Sequoia Automation股份责任有限公司的欧洲 专利申请EP1672214中，公开了一种系统，通过连接至使用垂直轴涡轮机的"转盘"类型系 统的风筝的预先和合适飞行调整，将风力动能转换为电能。
[0012] 本发明的同一申请人的W02008/120257通过依据权利要求的前序提供的风力系 统，解决了上述现有问题。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于解决上述和进一步现有技术中存在的问题，提供一种由在轨道 上的风筝拖动模块转化能量的风力系统。所述风筝拖动模块改进了设置有电磁带的上述风 力系统W02008/120257,所述电磁带为所述系统提供了被动磁悬浮和能量产生。这个风力系 统在深海应用上有用，其运行在一浮动轨道上。
[0014] 这个风力系统不同于现有技术，尤其是因风筝驱动模式，飞行时风筝经过的路径 是为了提高能量转换率和风力系统架构，其中每个模块经至少一个绳索连接至风筝列，受 风力推动并合适驱动，在模块级产生牵引力，该牵引力使模块在至少一封闭路径的轨道上 运行，通过与模块和轨道的配合的发电系统产生电能。
[0015] 在这个风力系统中，风筝受智能控制系统驱动，使得风筝完成飞行最优路径，以从 风中优化获得风能。
[0016] 组成本发明风力系统的风筝由使能量转移到风力系统模块的同一绳索驱动。
[0017] 在这个风力系统中，风筝由智能控制系统驱动，该控制系统可能通过介入减速器 来驱动连接至绞盘的电机，设置于地面并和风力系统模块为一体，该绞盘作用为通过展开 和缠绕绕其自身的绳索来驱动风筝，以及支持绳索负载来转换能量。
[0018] 在这个风力系统中，风筝被驱动以最大地利用提升力来转化风能，以及在飞行路 线上，在整个操作周期中，牵引力作用几乎都存在。
[0019] 在这个风力系统中，能量转化不是通过绞盘转动来驱动发电机的，而是通过风力 系统模块运行。
[0020] 这个风力系统包括具有至少一个在至少一个轨道上运行的模块的环状导轨（ring guide)，通过连接于所述模块上的风筝的牵引作用，利用模块运行转换能量。
[0021] 组成所述系统的风筝能够由放置在同一风筝上的扰流器，产生涡流来产生压力梯 度而被驱动。
[0022] 用于收纳绳索和驱动风筝列的组件设于每个模块，靠近于风筝回复系统。
[0023] 所述风筝回复系统具有一个可在水平面和垂直面旋转，用于定位的末端部件。
[0024] 从下述描述得出的上述及其其他目的和本发明优点，通过权利要求1所述的一种 由在轨道上运行的风筝拖动模块转化能量的风力系统来实现。
[0025] 本发明的较佳实施例和主要变化为从属权利要求中的技术方案。
【附图说明】
[0026] 本发明通过将下列较佳实施例和附图进一步被描述，其只作为举例而非限制，其 中， 图1示出了本发明风力系统的一个较佳实施例的示意图； 图2示出了图1风力系统的一个组件的较佳实施例的放大示意图； 图3示出了图1风力系统的另一个组件的较佳实施例的放大示意图； 图4不出了图3组件的另一不意图； 图5示出了图1风力系统的放大示意图； 图6不出了图1风力系统的另一放大不意图； 图7示出了图1风力系统另一组件较佳实施例的放大示意图； 图8示出了图1风力系统另一组件较佳实施例的放大示意图； 图9示出了图8组件的放大示意图； 图10示出了本发明风力系统较佳变化实施例的放大示意图； 图11示出了图10风力系统放大示意图； 图12示出了图10风力系统的一个组件较佳实施例的放大示意图； 图13不出了图12组件的另一不意图； 图14示出了图10风力系统另一组件的较佳实施例的放大示意图； 图15示出了图1和图10风力系统另一组件较佳实施例的放大示意图； 图16示出了图1和图10风力系统其他组件较佳实施例的放大示意图； 图17使出了图16组件的另一放大示意图； 图18示出了本发明风力系统另一较佳变化实施例在其两个操作步骤中的示意图； 图19示出了图18系统的放大示意图； 图20示出了图18风力系统组件的较佳实施例，在其操作步骤的两个步骤中的前视 图； 图21示出了本发明系统在其操作的一些步骤中的示意图； 图22示出了在风流中的一个稳定的空气动力学表面和相应产生的力的示意图；以及 图23示出了一个与风力垂直方向自由运动的空气动力学表面及其相应产生的力的示 意图； 图24示出了图1风力系统的放大示意图； 图25示出了图1风力系统的放大示意图； 图26示出了图5风力系统的放大示意图； 图27示出了图5风力系统的放大示意图； 图28示出了本发明风力系统较佳实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0027]在下列说明中可进一步看到，本发明风力系统通常包括至少一个用于沿一轨道运 行的模块，轨道较佳地制造成含有一个环形封闭路线，在至少一个处于风流中的风筝推动 下，通过至少一绳索，该模块如同一个自主的发电机，将对流层高度(离地表面约15km)捕获 的风能转换为电流。尤其是，靠近每个模块，通过一列串接的风筝从风中获得能量，风筝由 一智能控制系统控制的伺服绞盘驱动。
[0028] 参见附图，本发明用于转换能量的风力系统1包括至少一动力翼形2(以下简述为 术语"风筝")，其处于至少一个风流（W)中，并通过至少一绳索4连接到至少一个用于产生 电流的模块5上，模块5邻近地面，并沿至少一条导轨6或7运行。所述风筝2被驱动以拖 动连接至风筝2的所述模块5,并通过至少一个发电系统将风能转化为电能，该发电系统包 括为每个模块5设置的至少一个下述描述的发电机/马达20和/或21。所述绳索4用于 在所述风筝2和模块5之间相互传递机械能以拖动模块5,以及用于控制风筝2自身的飞行 轨迹。
[0029]下面将对本发明风力系统1的一个较佳实施例进行说明。参见所述风力系统1的 每个组件，一系列可选的特征和功能将包括，在未消弱可到达到的性能的情况下，整个系统 1的成本和尺寸显著下降。为此目的，计算机辅助多标准决策技术可有助于限定最优路径以 达到最优结构设计，以及优化设备操作和产量的所述控制技术。
[0030] 设计为连续类型或离散类型。连续功能可容易地通过改变技术方案的费用、重量、 强度、长度、角度而获得好处来探讨。离散类型不得不列出，并参照风力系统1的每个组件， 在下面对它们的特性进行说明。
[0031] 本发明风力系统1因此包括风筝2,例如风筝由通常用于制造一些类型的运动项 目的专用帆布的织物来制造，如冲浪和卡丁车。由于最新的空气动力学研宄，风筝2在能够 满足控制和驱动性能控制需要的市场上获得。通过合适驱动风筝2,能够调整风传递的能 量：这是必须的，因为风筝2必须被驱动，这样风流W的牵引力是最大的，同时不消弱模块5 在轨道6上的运动。所述风筝2必须被驱动以产生一个让模块5在轨道6上总是沿相同方