CN101421512B - 具有可控风筝的风力发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将风能转换为机械能的设备，其包括：迎风件，其通过牵引绳与基站连接；牵引绳存储器，其设置在基站上并构成为用于容纳牵引绳的牵引绳段；控制装置，其构成为用于循环从牵引绳存储器放出和收回牵引绳段；换能器，其构成为用于将来自通过牵引绳从迎风件传递的风力的能量和来自牵引绳存储器放出的牵引绳段运动的能量转换成电、热力或者机械的能量形式；操纵装置，其构成为用于产生迎风件相对于气流环绕第一轴线或者在第一方向上的受控运动；控制单元，构成为用于借助操纵装置将迎风件在牵引绳段放出之后送入具有低牵引绳力的飞行位置，并将迎风件在牵引绳段收回之后送入具有高牵引绳力的飞行位置。本发明的特征在于，所述迎风件具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，所述操纵装置构成为用于产生迎风件相对于气流在第二方向上或者环绕与第一方向或第一轴线不同的第二轴线的受控运动，以及所述控制单元构成为用于使迎风件在垂直于牵引绳的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种将风能转换为机械能的设备，其包括：与基站通过牵引绳连接的迎风件；设置在基站上并构成为用于容纳牵引绳的牵引绳段的牵引绳存储器、构成为用于循环从牵引绳存储器放出和收回牵引绳段的控制装置、构成为用于将来通过牵引绳从迎风件传递的风力的能量和来自从牵引绳存储器放出的牵引绳段运动的能量转换成电、热力或者机械能量形式的换能器、构成为用于产生迎风件相对于气流环绕轴线或者在一方向上的受控运动的操纵装置、构成为用于借助操纵装置将迎风件在牵引绳段放出之后送入到具有低牵引绳力的飞行位置并将迎风件在牵引绳段收回之后送入到具有高牵引绳力的飞行位置的控制单元。
背景技术
这种设备由WO00/40860有所公开。所公开的这种设备的基本原理在于，使伞从低位上升到高位并在这种情况下将伞水平偏移通过其锚接点保持在地面上。这种牵引力用于驱动作为伞的保持点使用的绞盘，借助其旋转驱动发电机。在以一定的长度放出保持绳后，将伞控制在地面保持点和绞盘上方基本垂直的位置上并按照这种方式将保持绳上的绳牵引力降到最低限度。保持绳再以放出的绳长收回，将伞控制在地面保持点上方水平偏移的位置上并开始新的循环。从放出时利用发电机产生的能量与在收回时必然出现的差值中，在发电机的输出端上形成从风能中转换的电能。
这种原理具有一系列的缺点，使其实际转换变得困难并使经济效益的取得变得困难。
第一个缺点在于，由于循环运行，系统在电能的产生与消耗之间进行的循环转换。这样一方面会产生波动，不能将任何产生的电能馈入公共或者私人电网。此外这种循环转换的缺点是，系统有规律地反复从放出的开始过程向恒定的放出过程过渡。在此方面，开始过程由于总系统的惯性在很大的绳长度范围上延伸，由此在每次循环时通过不同的运行点。此外，不同的循环在放出速度方面根据放出开始时所处的运行状态而有所不同。由于这些影响因素，不可能以经济的方式将发电机调节为可以从迎风件中转换的能量，由此降低系统的效率并增加系统的生产成本。
该系统的另一缺点在于，只有在保持绳通过大长度放出的情况下才能经济地运行。但这样造成会降低系统效率的较大的绳重量。此外，牵引绳段的大放出段将产生保持绳的严重磨损，其总体上造成系统的经济性恶化的后果。
发明内容
因此本发明的目的在于，减少上述设备的至少一个问题并提供一种无论是在经济方面还是能量效率方面都得到改进的设备。
该目的依据本发明由此得以实现，即迎风件具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，操纵装置构成为用于产生迎风件相对于气流在第二方向上或者环绕与第一方向或第一轴线不同的第二轴线的受控运动，以及控制单元构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动。
本发明基于这种认识：通过如下方式可以避免上述设备的大量问题，即迎风件构成为在横向流动时产生升空的空气动力学轮廓并在放出期间在与保持绳垂直的平面中沿预先确定的飞行轨迹运动。为此目的，依据本发明操纵装置这样构成，使其与迎风件的上述控制附加在向垂直位置放出过程结束时，在地面保持点上方与保持绳垂直的平面上也可以在与此不同的第二方向上控制，由此依据本发明的设备允许在保持绳的放出期间，利用迎风件可以构成一方面在其形状方面和另一方面在其程度方面不同的飞行图形。依据本发明的设备由此可以使例如已经固定在程序运行过程中上述预先确定的飞行轨迹上在保持绳的放出期间飞行或者借助调节电路预先确定的飞行轨迹在放出期间飞行。按照这种方式，一方面可以提高牵引绳力并且另一方面可以在放出过程的任何时间点上根据所要求的数值调节或控制牵引绳力的程度，以便由此达到优化的放出过程和换能器的优化运行。
依据本发明的操纵装置例如可以通过多个分布在迎风件与基站之间的控制绳及这些控制绳相应的收回或放出装置组成。操纵装置特别是还可以包括在保持绳与迎风件之间迎风件附近并与其以恒定距离设置的控制平台，其借助多个牵引和控制绳与迎风件连接并设置在这些牵引和控制绳相应的收回或放出装置上。这种进一步构成的优点是，迎风件与基站唯一的绳连接和控制绳仅通过控制平台与迎风件之间短距离延伸。
依据本发明的设备的控制单元最好包括电子数据处理装置，其借助调节电路或者借助对确定飞行图形及其时间进程预编程的数据组相应操作用于控制绳或牵引和控制绳的收回和放出的装置以执行飞行图形。
在第一有利的实施方式中，控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿圆形或者椭圆形的飞行轨迹或者具有水平或者垂直的8字形的飞行轨迹运动。
情况表明，这些飞行图形一方面利用可靠和结构简单的控制装置实现并且另一方面利用这些飞行图形可以取得优化的绳牵引力。特别有利的是，牵引绳的放出期间在两个飞行图形之间一次或者多次交替，以便由此相应考虑不同高度上存在的风情、放出速度和迎风件的速度。飞行图形本身此外可以有利地在此前介绍的等量变化时也等量变化，也就是说，在牵引绳的放出期间在其程度上减小或者加大。
本发明一种特别优选的实施方式在于，控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿多个彼此连续、循环反复和封闭的飞行轨迹运动。
在这种进一步构成中，迎风件最好在牵引绳的放出期间在这种飞行轨迹上运动，使其持续产生一种可用于产生能量的高牵引绳力。迎风件的飞行轨迹据此在牵引绳的放出期间不是向可用于高牵引绳力的风窗侧面和上部边缘区域内运动，而是最好基本环绕该风窗中心的区域运动并提供迎风件与基站之间尽可能高的水平偏移，但在这种情况下并不进入过小的飞行高度。在设备的这种构成中一般情况下出现的问题是，迎风件必须在放出过程开始时加速度，其中，可能附加出现基站运动的和所要加速度部件的惯性和迎风件在这种加速度过程结束后以恒定的速度运动并必须在放出过程结束时重新减速。依据本发明的操纵装置和控制单元现在可以使迎风件在对这三种飞行状态的每一种优化的飞行轨迹上运动，以便由此通过整个放出过程取得对从牵引绳力和牵引绳运动中的能量转换优化的运行状态。这样例如在加速度过程期间可以调整特别高的牵引绳力，以便将这种不稳定阶段保持在很短程度上，牵引绳力然后在加速度阶段结束后降低，以便在较长时间上可以使牵引绳力和放出运动与换能器的设计点精确配合，使整个设备的负荷与迎风件的减速过程相联系保持在低水平上。
在此方面特别有利的是，依据本发明的设备通过用于检测牵引绳力的传感器改进，其与控制单元连接，以便将所检测的牵引绳力传送到控制单元，以及控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面上在牵引绳放出期间至少两个彼此连续的飞行轨迹上这样运动，使得牵引绳力保持基本不变。牵引绳力对能量转换的过程来说是一个重要的变量并此外在强风情时保证整个设备的运行可靠性也是重要的。正如此前所介绍的那样，特别有利的是迎风件在确定的飞行轨迹上运动，以便由此有针对性地改变牵引绳力或者有针对性地保持恒定。在大部分放出过程期间，加速度阶段结束之后和减速阶段开始之前，特别有利的是这样控制迎风件，使牵引绳力和放出速度基本不变。为此一方面直接的调节电路可以利用输入值完成牵引绳力并利用控制指令作为输出值，或者例如可以根据所检测的牵引绳力或者牵引绳力所检测的变化，从具有不同飞行图形或者飞行轨迹规模的预储存的列表中选择适用的飞行轨迹或飞行轨迹规模并选择用于实施这种飞行轨迹的相应控制措施。
依据本发明的设备第二种特别优选的实施方式在于，控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中在封闭的飞行轨迹上运动，并用于使迎风件在牵引绳放出期间运动到具有高牵引绳力的飞行轨迹段上，以及在牵引绳收回期间运动到具有低牵引绳力的飞行轨迹段上。这种进一步构成与此前所称在放出过程期间具有多个循环反复和封闭飞行轨迹的进一步构成的区别特别在于，迎风件在放出过程期间仅一个分段经过唯一封闭的飞行轨迹。放出过程期间的该分段相当于在飞行的飞行轨迹中产生最高牵引绳力的那个飞行轨迹段。在经过最高牵引绳力的该分段后，迎风件进入低牵引绳力的飞行轨迹段，该段典型地处于可利用的风窗侧面或者上部边缘上。在该飞行轨迹段上，然后将牵引绳重新以此前放出的那个长度收回，其中，不言而喻也可以调整收回长度与放出长度之间的差值，例如环绕飞行轨迹以更大或者更小的高度结束并为此目的升高或者降低迎风件。该进一步构成特别适用于仅利用牵引绳的少量放出长度或收回长度工作，而且在这种情况下，一方面在放出阶段与收回阶段之间取得比此前所介绍的放出过程期间具有多个飞行轨迹的进一步构成方式更高频率的交替。这一点特别是在考虑到后面介绍的使循环产生的能量稳定的进一步构成情况下是有利的。此外，由此减少所放出段的长度，从而简化整个设备的结构和减少牵引绳的磨损。与此前介绍的放出过程期间具有多个飞行轨迹的进一步构成相比，这种进一步构成的主要区别在于，迎风件在这种进一步构成中最好在每个飞行轨迹期间最好一次控制在特别低的牵引绳力范围内，以便可以在尽可能低的牵引绳力情况下进行牵引绳的收回过程。也就是说，与前述实施方式相反，这种实施方式不追求迎风件在高牵引绳力飞行轨迹的每个点上飞行，而是仅在用于牵引绳放出的确定飞行轨迹段期间，在随后的飞行轨迹段上牵引绳在尽可能低的牵引绳力情况下重新收回。
该实施方式可以得到进一步改进的是，控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中在圆或者水平或者垂直的椭圆上运动，其中控制单元构成为用于在水平方向上一个或者两个侧面飞行轨迹段或在垂直椭圆段情况下最高飞行轨迹段上收回并在与该飞行轨迹段连接的飞行轨迹段期间放出。椭圆或者圆形飞行轨迹为这种实施方式提供牵引绳放出并因此从风力中获取能量的飞行轨迹段与牵引绳收回的飞行轨迹段之间一种特别有益的关系。优化飞行轨迹的目标是，尽可能迅速并在尽可能少的能量消耗下通过牵引绳收回期间的飞行轨迹段和与此同时收回此前放出的全部牵引绳长度，而收回期间的飞行轨迹段应尽可能长并在尽可能高的牵引绳力情况下飞过。
作为对此前介绍的实施方式的替代同样有利的是，控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中在水平或者垂直方向上的8字形上运动，其中控制单元构成为用于将牵引绳在水平方向上侧面飞行轨迹段或最高飞行轨迹段期间收回并在与上述飞行轨迹段连接的交叉飞行轨迹段期间放出。这种形状的飞行轨迹一方面的优点是，如果交叉点基本处于理想风区内的话，那么该飞行轨迹停留在该理想风区附近长距离的飞行轨迹上。此外，在水平或垂直8字形的飞行轨迹上牵引绳不产生扭转，由此可以取消其他情况下为此所需例如枢轴承方式的旋转分离。
在此方面，特别优选控制单元和操纵装置构成为用于使迎风件在水平方向上侧面的飞行轨迹段期间在重力方向上运动。正如此前介绍的那样，迎风件在这种实施方式中至少控制在可利用的风窗边缘上的侧面或上部范围内，以便使牵引绳力最小化。在该边缘上，飞行位置一般不如其他范围稳定，从而特别是在风力或者风向波动的情况下，对迎风件的控制可能性会出现限制。这一点优选可以得到补偿，方法是迎风件在水平定向的8字形情况下在该不够稳定的边缘区域内在重力方向上运动并由此通过重力产生自稳定。按照这种方式，即使在控制能力暂时受到限制的情况下，迎风件的飞行速度并因此迎风件在可利用的风窗中心方向上的返回仍可保持足够的控制能力。
依据本发明的设备，特别是依据本发明的设备此前介绍的两种特别有利的实施方式，可以通过一种用于将通过换能器产生的循环能量转换成恒定能量的装置进一步构成，特别是飞轮、蓄压器、用于将能量暂时储存在提高的重量内的升降装置、至少一个电容器和/或者至少一个蓄电池。在许多应用情况下，能量通过依据本发明的装置提供，该装置一方面的特征在于通过牵引绳的放出与收回之间循环转换产生的循环变化和另一方面的特征在于牵引绳力或者牵引绳放出速度上可能的变化，不适用直接馈入局部或者公共电网或者以其他方式在这种变化的形式下用于中继传输或者消耗。出于这种原因，依据本发明的设备一种重要的进一步构成在于，实现将循环能量供给转换成恒定能量供给，这一点可以通过不同的稳定装置实现。在此方面，不同的稳定装置根据应用目的、能量形式并根据投资额配合选择。
此外优选依据本发明的设备通过用于储存通过换能器产生的能量的装置进一步构成。通过这种进一步构成，也可以在与电网的连接线路旁边运行依据本发明的设备并在这种情况下暂时储存从风力中转换的能量和在将储存装置充满后从中输出，例如通过输送装置或者通过包括储存装置在内的依据本发明的整个装置在供电部位上运送到公共或者私人电网内。依据本发明的设备这样特别是可以在例如像船舶这种浮动平台上运行，该船舶在一定的运行时间后停泊在供电部位上并输出所储存的能量。
此外优选换能器包括气动或者液压缸，其通过牵引绳力和运动操纵并且其缸室用于产生流体压力和流体流动。利用这种进一步构成实现结构简单和坚固耐用的能量转换。该进一步构成特别适用于依据本发明的设备的实施方式，其中迎风件在封闭的飞行轨迹上与牵引绳平行的平面上运动并且牵引绳在这种情况下根据正在飞过高牵引绳力还是低牵引绳力的飞行轨迹段交替放出和收回。
特别优选换能器为发电机，其轴通过牵引绳的绳轮传动。这种实施方式一方面坚固耐用并且另一方面可以将风能转换成可为多种目使用的电能。
在此方面，该设备最好通过用于将由发电机产生的电能转换成化学能量的装置进一步构成，特别是用于从空气的二氧化碳中制造合成气体的装置、用于从海水中产生蒸馏水的装置、用于从天然气或者生物材料中产生合成油的装置。
这种实施方式特别适用于补充确定能量形式的局部需要或者从特别容易储存的电能中产生能量形式。
此外有利的是，换能器构成为用于产生氢。
通过这种进一步构成也可以为多种目的提供可为此储存的能量形式。
在此方面特别有利的是，依据本发明的设备通过与蓄能器连接的压缩机进一步构成，该压缩机通过牵引绳驱动并与换能器以这种方式连接，使得产生的氢由压缩机压缩并压缩地储存在蓄能器内。通过这种进一步构成，用于储存产生的氢气所需的压缩直接从牵引绳力和牵引绳运动的机械能中产生并由此避免效率损耗，由此提高依据本发明的设备通过能量的转换和储存得到平衡的全部效率。
此外，优选牵引绳存储器包括用于卷取牵引绳的装置和导轮，其固定在相对于地面运动的平台上并且其能与换能器连接以便传递牵引绳力和运动。按照这种方式，迎风件的飞行和降落过程通过操纵用于卷取牵引绳的装置进行并且依据本发明的设备的运行操作在卷取装置停机时进行，其中，牵引绳的力和运动能量转换所需的传递通过平台和牵引固定在平台上的操纵装置的运动进行。平台在此方面可以进行循环振荡的往复运动或者在例如圆形轨迹或者椭圆形轨迹或者8字形轨迹等封闭的轨迹上连续运动。特别是平台的运动轨迹可与迎风件的运动或者牵引绳力的分布相配合。
在此方面，特别优选平台在固定于地面的轨道上滚动，该轨道最好是弯曲的、特别是封闭的。
依据本发明的设备另一种特别优选的实施方式的特征在于至少一个另外的第二牵引绳及相应的第二迎风件，
-该第二迎风件具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，以及
-具有操纵装置，其构成为用于产生第二迎风件相对于气流在第一方向上或者环绕第一轴线以及在与该第一方向不同的第二方向上或者环绕与第一轴线不同的第二轴线的受控运动，
其中，控制单元构成为用于使第二迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动，使得第二牵引绳的放出和收回相对于第一牵引绳具有相位差。
使用第二迎风件可以使依据本发明的设备的功率保持恒定，方法是两个迎风件以这种方式彼此以一定的相位差放出和收回，使每个时间点上可以从两个迎风件之一中产生能量。两个迎风件可以在不同的飞行轨迹上运动或者可以在一致的飞行轨迹上依次运动。这种进一步构成特别是也可以如下进一步发展，即提供大量的迎风件，它们以这种方式彼此以一定的相位差在预先确定的飞行轨迹上运动，使从迎风件的牵引绳力和牵引绳运动和从中获取的能量重叠时，形成基本上在时间上恒定的能量获取。
优选依据本发明的设备按照一种用于将风能转换为机械能的方法运行，具有以下步骤：
-循环放出和收回借助牵引绳与牵引绳存储器连接的迎风件，
-将来自通过牵引绳从迎风件传递的风力和来自牵引绳存储器放出的牵引绳段的运动中的能量转换成电、热力或者机械能形式，
-在绳段放出之后将迎风件控制到具有低绳力的飞行位置内，以及
-在绳段收回之后将迎风件控制到具有高绳力的飞行位置内，
其特征在于，
-迎风件被操纵为环绕不同于第一轴线或者第一方向的第二轴线或者第二方向运动，以及
-使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动。
对各方法步骤的细节、优点和举例参照适用于实施该方法的各自依据本发明的设备此前介绍的方案。
在此方面，优选迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿圆形或者椭圆形的飞行轨迹或者沿具有水平或者垂直的8字形的飞行轨迹运动。
进一步优选的是，迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中在多个彼此连续、循环反复和封闭的飞行轨迹上运动。
进一步优选的是，检测牵引绳力，将所检测的牵引绳力传送到控制单元，并且在牵引绳放出期间，将迎风件控制在与牵引绳垂直的飞行平面中的至少两个彼此连续的飞行轨迹上，使得牵引绳力保持基本不变。
进一步优选的是，迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中在封闭的飞行轨迹上运动，以及
-在牵引绳放出期间，被控制到具有高牵引绳力的飞行轨迹段上以及
-在牵引绳收回期间，被控制到具有低牵引绳力的飞行轨迹段上。
进一步优选，将迎风件控制在与牵引绳垂直的飞行平面中的圆或者水平或者垂直方向上的椭圆上并且在水平方向上侧面或上部飞行轨迹段期间收回牵引绳并在与上述飞行轨迹段连接的飞行轨迹段期间放出牵引绳。
进一步优选的，将迎风件控制在与牵引绳垂直的飞行平面中的水平或者垂直定向的8字形上并且在水平方向上侧面飞行轨迹段或上部飞行轨迹段期间收回牵引绳并在与上述飞行轨迹段连接的交叉飞行轨迹段期间放出牵引绳。
进一步优选，在水平方向上侧面飞行轨迹段期间控制牵引绳在重力方向上。
进一步优选将由换能器产生的循环能量转换成恒定能量。
进一步优选储存通过换能器产生的能量。
进一步优选利用运动的迎风件的能量产生氢。
进一步优选，借助通过牵引绳驱动的压缩机压缩氢并将氢压缩储存在蓄能器内。
依据本发明的设备和方法特别适合于在船舶或者水上平台上使用。在这种情况下，一方面船舶或平台上局部必需的能量通过该设备或该方法提供或者船舶或平台可以海上风力发电设备的方式运行和所转换的能量连续供给电网或者为以后输出和以后供电中间存储。
在此方面，对依据本发明的应用特别优选船舶或水上平台在获取能量期间与固定的对接站连接，通过该对接站将所获取的能量输入固定的电网内。按照这种方式，避免能量必须中间存储在船舶上和同时可以使该设备或该方法在船舶上设置或运行并因此可以移动运动到存在相应对接站的能量特别充裕的地区。
附图说明
现借助附图对本发明的优选实施方式进行说明。其中：
图1示出依据本发明的设备第一实施方式侧面的立体图；
图2示出依据本发明的设备第二实施方式侧面的立体图；
图3示出依据本发明的方法第一实施方式飞行位置示意过程与风向垂直的视图；
图4示出在图3的飞行顺序中在时间上的能量分布的视图；
图5示出依据本发明的方法的第二实施方式飞行顺序与风向基本垂直立体图的示意图；
图6示出图5的飞行轨迹沿风向的视图；以及
图7示出图5和6的飞行轨迹在时间上能量分布的视图。
具体实施方式
图1示出可控风筝10，其借助多个控制绳11a-d固定在操纵装置20上。操纵装置20借助牵引绳21与锚接在地面上的牵引绳绞盘30连接。
电力工作机40与牵引绳绞盘30连接，并可以转换为发电机和电动机。发电机/电动机40与用于过滤所产生的能量或用于中间存储所产生能量的装置50连接，该装置与公共电网60连接以便供给所获取的能量。
图2示出依据本发明的设备的第二实施方式。可控风筝10也借助控制绳11a-d与操纵装置20连接，该操纵装置本身通过牵引绳21与地面站连接。来自风筝10的牵引绳21通过导轮41转为水平分布并引导到牵引绳绞盘30上。
导轮41支承在水平可移动支承的行走车上，该行走车可以在两个终端位置之间振荡往复运动。
行走车42与液压缸43的缸杆连接并在行走车42运动时缸43的缸杆移入和移出。
缸43的缸室本身与液压马达44连接，该液压马达从处于压力下的液体的运动中产生旋转运动并且用法兰连接于能从这种旋转运动中产生电流的发电机45。
发电机45又与用于过滤所获取的能量的装置连接，该装置与公共电网连接(图2中未示出)。
为了在行走车42上实施收回运动，液压马达44连同发电机45可以转换为电动机45和液压泵44并相应操作液压缸。
图1和2的两种实施方式此外包括中央控制装置70或170，其将控制指令通过无线电传递传送到操纵装置20。控制单元70与过滤装置50连接并从其获得发电机/电动机40或44和45的实际能量产生状态或能量消耗状态的信息。根据这些信息和例如像风向、风力、风筝定位和位置等其他数据，控制单元70促使操纵装置实施可控风筝10下面详细介绍的方向变化，以便绕确定的飞行轨迹飞行。
图3和4示出依据本发明的能量获取方法的第一过程。在普通的启动之后，循环在飞行轨迹的位置1上开始。从该位置1出发，放出牵引绳21并且可控风筝10借助操纵装置20运动，并且沿着垂直于牵引绳的平面垂直的飞行轨迹与该放出运动叠加，该飞行轨迹例如可以圆弧形或者8字形分布。圆弧的幅度及其水平或者垂直定向根据风向而这样选择，使其可以从由风筝10产生的牵引绳力和牵引绳运动中借助于发电机产生恒定的能量。
在位置2上降低牵引绳的放出速度并借助操纵装置将牵引绳的运动方向转换为如下方向，该方向基本上通向垂直地在牵引绳地面固定点上面位置内。这种运动期间，可控风筝10也在环形轨迹或者8字形或者这类轨迹上这样运动，使其能够获得另外恒定的能量产生。在牵引绳力不再足以产生能量的确定位置3上，牵引绳的放出运动完全停止和可控风筝转入基本垂直地在地面固定点的上方的顶点。
如果在位置4上到达顶点，那么发电机40转换为电动机并将牵引绳在消耗能量的情况下收回直至位置5。因为在可控风筝10的该飞行位置上的牵引绳力小于与地面固定点水平偏移的飞行位置上的，所以用于收回此前放出的牵引绳长度所需的能量小于牵引绳放出时获取的能量。从图4中画阴影线的面积100和画阴影线的面积101的差值中，得出依据本发明的方法每次循环时所获取的总能量。
可控风筝10又从位置5朝水平方向上引导到位置1并重新开始循环。
图5-7示出依据本发明的能量获取方法的第二实施方式。在飞行过程中放出之后，循环在飞行轨迹的位置201上开始，该飞行轨迹在所示的举例中以8字形的方式分布。8字形的飞行轨迹位于与牵引绳垂直并同时与风向基本垂直的平面上或位于由牵引绳作为半径所确定的基本球形的面上。
从位置201出发，可控风筝10通过最大牵引绳力的窗口导向到位置202并在这种情况下放出牵引绳。位置201与202之间的飞行轨迹段因此用于产生图7中能量300。
在位置202上，可控风筝达到可利用风窗的最外部边缘80并且牵引绳力是最小的。可控风筝现在沿垂直的向下的环线被导向到位置203并且在此在发电机转换为电动机的情况下牵引绳以此前在位置201与202之间放出的长度被收回。在这种情况下，因为牵引绳力小于在点201与202之间的力，所以需要消耗比此前所获取的能量小的能量301。
从点203出发，可控风筝又通过最高牵引绳力的区域被导向到位置204并在此过程中放出。可控风筝在此方面与其先前在点201与202之间的飞行轨迹交叉。在这种情况下，也获取典型地基本相当于能量300的能量302。
在位置204上，可控风筝到达可利用风窗的相对边缘81并且牵引绳力又是最小的。可控风筝又沿向下的环线上被引导并达到起始位置201。在这些位置204与201之间，牵引绳又以在位置203与204之间放出的量收回。为了收回牵引绳需要基本相当于能量301的能量303。循环现在重新开始。
通过能量300和302的相加并且减去能量301和303可以计算出每次循环中所获取的总能量。
Claims (17)
1.一种用于将风能转换为机械能的设备，包括：
-迎风件(10)，其通过牵引绳(21)与基站连接；
-牵引绳存储器(30；41、42)，其设置在基站上并构成为用于容纳牵引绳的牵引绳段；
-控制装置(70)，其构成为用于循环从牵引绳存储器放出和收回牵引绳段；
-换能器(40；43)，其构成为用于将来自通过牵引绳从迎风件传递的风力的能量和来自牵引绳存储器放出的牵引绳段运动的能量转换成电、热力或者机械的能量形式，
-操纵装置(20)，其构成为用于产生迎风件相对于气流环绕第一轴线或者在第一方向上的受控运动，
-控制单元(70)，构成为用于借助操纵装置(20)
i将迎风件在牵引绳段放出之后送入具有低牵引绳力的飞行位置，并将
ii迎风件在牵引绳段收回之后送入具有高牵引绳力的飞行位置，
其中，
-所述迎风件(10)具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，
-所述操纵装置(20)构成为用于产生迎风件相对于气流在第二方向上或者环绕与第一方向或第一轴线不同的第二轴线的受控运动，以及
-所述控制单元(70；170)构成为用于使迎风件在垂直于牵引绳的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动，
其特征在于至少一个另外的具有相应的迎风件的牵引绳，
-所述迎风件具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于与牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，以及
-具有操纵装置，其构成为用于产生所述另外的迎风件相对于气流在第一方向上或者环绕第一轴线以及在第二不同的方向上或者环绕与第一轴线不同的第二轴线的受控运动，
其中，所述控制单元构成为用于使所述另外的迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动，使得第二牵引绳的放出和收回相对于第一牵引绳具有相位差。
2.按权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制单元(70)和所述操纵装置(20)构成为
-用于使迎风件在牵引绳放出期间在垂直于牵引绳的飞行平面中在圆形或者椭圆形的飞行轨迹(1-2)上或者具有水平或者垂直的8字形的飞行轨迹上运动，和／或
-用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿多个彼此连续、循环反复并封闭的飞行轨迹(1-2)运动，其中用于检测牵引绳力的传感器与所述控制单元连接以便将所检测的牵引绳力传送到控制单元，并且其中所述控制单元和所述操纵装置构成为用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿至少两个彼此连续的飞行轨迹运动，使得牵引绳力保持基本不变。
3.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制单元(170)和所述操纵装置构成为
-用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿封闭的飞行轨迹运动，并构成为用于使迎风件
-在牵引绳放出期间运动到具有高牵引绳力的飞行轨迹段(201-202、203-204)上，以及
-在牵引绳收回期间运动到具有低牵引绳力的飞行轨迹段(202-203、204-201)上，
其中所述控制单元和所述操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿圆或者水平或者垂直的椭圆运动，其中所述控制单元构成为用于在迎风件在水平方向上一个或者两个侧面飞行轨迹段或上部飞行轨迹段期间收回牵引绳并在与上述飞行轨迹段连接的飞行轨迹段期间放出牵引绳。
4.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述控制单元和所述操纵装置构成为
-用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿封闭的飞行轨迹运动，并构成为用于使迎风件
-在牵引绳放出期间运动到具有高牵引绳力的飞行轨迹段(201-202、203-204)上，以及
-在牵引绳收回期间运动到具有低牵引绳力的飞行轨迹段(202-203、204-201)上，
其中所述控制单元和所述操纵装置构成为用于使迎风件在与牵引绳垂直的飞行平面中沿水平或者垂直方向上的8字形运动，其中所述控制单元构成为用于在水平方向上侧面飞行轨迹段或上部飞行轨迹段期间收回牵引绳并在与该飞行轨迹段连接的交叉飞行轨迹段期间放出牵引绳，其中所述控制单元和所述操纵装置构成为用于使迎风件在水平方向上侧面的飞行轨迹段期间在重力方向上运动。
5.按权利要求1所述的设备，包括：
-迎风件(10)，其通过牵引绳(21)与基站连接；
-牵引绳存储器(30；41、42)，其设置在基站上并构成为用于容纳牵引绳的牵引绳段；
-控制装置(70)，其构成为用于循环从牵引绳存储器放出和收回牵引绳段；
-换能器(40；43)，其构成为用于将来自通过牵引绳从迎风件传递的风力的能量和来自牵引绳存储器放出的牵引绳段运动的能量转换成电、热力或者机械的能量形式，
-操纵装置(20)，其构成为用于产生迎风件相对于气流环绕第一轴线或者在第一方向上的受控运动，
-控制单元(70)，构成为用于借助操纵装置(20)
i将迎风件在牵引绳段放出之后送入具有低牵引绳力的飞行位置，并将
ii迎风件在牵引绳段收回之后送入具有高牵引绳力的飞行位置，
其中，
-所述迎风件(10)具有空气动力学的轮廓，其在气流方向垂直于牵引绳的情况下，在牵引绳的方向上产生升空力，
-所述操纵装置(20)构成为用于产生迎风件相对于气流在第二方向上或者环绕与第一方向或第一轴线不同的第二轴线的受控运动，以及
-所述控制单元(70；170)构成为用于使迎风件在垂直于牵引绳的飞行平面中沿预先确定的飞行轨迹运动，
-其中所述控制单元(70)和所述操纵装置(20)构成为用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿多个彼此连续、循环反复并封闭的飞行轨迹(1-2)运动，并且
-其特征在于，用于检测牵引绳力的传感器，其与所述控制单元连接以便将所检测的牵引绳力传送到控制单元，并且其特征还在于，所述控制单元和所述操纵装置构成为用于使迎风件在牵引绳放出期间在与牵引绳垂直的飞行平面中沿至少两个彼此连续的飞行轨迹运动，使得牵引绳力保持基本不变。
6.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于用于将通过换能器产生的循环能量转换成恒定能量的装置。
7.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于用于储存通过换能器产生的能量的装置。
8.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述换能器包括气动或者液压缸，其通过牵引绳力和牵引绳的运动操纵并且其缸室用于产生流体压力和流体流动。
9.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述换能器为发电机，其轴通过牵引绳的绳轮传动。
10.按权利要求9所述的设备，其特征在于用于将由发电机产生的电能转换成化学能量的装置，
-用于从空气的二氧化碳制造合成气体的装置，
-用于从海水产生蒸馏水的装置，
-用于从天然气或者生物材料中产生合成油的装置。
11.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述换能器构成为用于产生氢。
12.按权利要求11所述的设备，其特征在于与蓄能器连接的压缩机，所述压缩机通过牵引绳驱动并与换能器以这种方式连接，使得产生的氢由压缩机压缩并压缩地储存在蓄能器内。
13.按权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述牵引绳存储器包括用于卷取牵引绳的装置和导轮，其固定在相对于地面运动的平台上并且所述平台能与换能器连接以便传递牵引绳力和牵引绳运动，所述平台在固定于地面的轨道上滚动，所述轨道是弯曲的和封闭的。
14.按权利要求6所述的设备，其特征在于，用于将通过换能器产生的循环能量转换成恒定能量的装置是飞轮、蓄压器、用于将能量暂时储存在提高的重量内的升降装置、至少一个电容器和／或者至少一个蓄电池。
15.按前述权利要求之一所述的设备在船舶或者水上平台上的应用，用于产生在船舶或平台的局部所需的能量，其中船舶或水上平台在获取能量期间与固定的对接站连接，通过该对接站将所获取的能量输入固定电网内。
16.一种对接站，其用于按权利要求1至14之一所述的设备在船舶或者水上平台上应用，所述对接站包括用于相对于海底保持固定位置的装置和用于接收利用所述设备所获取的能量的能量传递连接管线。
17.按权利要求16所述的对接站，其特征在于，用于相对于海底保持固定位置的装置是海底锚接装置。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20140827 Termination date: 20160402 |
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