CN101427022A - 包含动力翼型的风力系统以及产生电能的方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种转换能量的风力系统，该风力系统包括至少一个动力翼型(30)，其从沉浸在至少一个风力流(W)中的地面处驱动，和一个基本平台(1)，其用于控制翼型(30)并且在地平面处产生电能，该平台通过两个绳(2)连接到动力翼型(30)上，所述基本平台(1)适合于驱动翼型(30)并且产生电能，这样两个绳(2)适合于从翼型(30)传送作用力或者将作用力传送到翼型(30)，并且使用来控制翼型(30)的飞行轨迹和产生电能的两个目的。还描述了一种通过这样一种风力系统产生电能的方法。

Description

包含动力翼型的风力系统以及产生电能的方法

本发明涉及一种通过至少一个动力翼型转换能量的风力系统。本发明还涉及通过这种系统产生能量的方法。

已知的，过去通过开发可再生能源，已经涉及了低成本产生电能的问题。特别地，在下面描述的一些现有技术中，已经提出了转换风能的方法，并且通过动力翼型从风中吸取风力的不同的装置(通常称为术语″风筝″)。

特别地，美国专利US 4,124,182公开了一种装配有″风筝伞″(或者″改动的降落伞″)的装置，其捕获风能并且将其转换为轴的旋转运动，该旋转运动驱动发电机。此装置特征在于一对″风筝伞系列″，其中翼型串联布置。每系列安装有一个动力绳。这种绳是足够长，以允许风筝伞系列达到一定高度，该高度具有比在地水平面处吹的风更强和更均匀的风力。每个系列通过它相应的动力绳约束到一个鼓轮或者绞车上，这些装置的旋转方向可以改变，以便于由于风力流的牵引力而重绕动力绳或者解开动力绳。每个风筝伞系列安装有第二绳，称为″盖绳″，其连接到每个系列的翼型上，并且通过这个绳，有可能选择性地使得风筝伞倒下，从而使得重绕过程更加容易。通过一个减速器，每个绞车的旋转运动传送到一个发电机上，当发电机致动时产生电能。存在单个滑轮系统，通过离合器和车轮，当一个风筝伞系列上升时，该系统使得另一个恢复。因此，该捕获的风能转换为机械能，该机械能的一部分立即用于恢复其盖已经关闭的风筝伞系列，并且部分转换为电能。通过约束在每个系列上并且在每个操作循环膨胀和放气的空气静力学气球，该风筝伞保持在所需高度并且该盖具有固定的方向。

中国专利CN1,052,723公开了一种风力流发电机，其装配有一对风筝，通过这些风筝，由风力流产生的牵引力通过高阻绳转换为在地平面处设置的鼓轮的转动。该绞车驱动水力电动机，通过该水力电动机产生电流。

英国专利GB2,317,422公开了一种装配有多个翼型的装置，由于风作用力的影响，其旋转一个立轴，该立轴连接到产生电流的发电机上。该翼型由在水平面上执行环形轨迹的风力推动。每个翼型装配有一个装置，其能够改变风附着角度，以便于确保飞翔连续性。

美国专利US6,072,245公开了一种产生风能的装置，其由多个风筝组成，该风筝连接到形成一个环的绳上。该风筝被驱动以便于交替上升路线和下降路线，以便于总是沿着相同方向确定一个旋转的环运动。每个风筝连接到一个动力绳上，以产生机械能并且到一个驱动绳的系统上，从而调整每个翼型的风力附着角度。该动力绳决定滑轮的旋转，通过该旋转产生电力。该驱动绳用于使得每个风筝假定一个位置，该位置处于上升路线，允许翼型由风力向上拖动，以及处于下降路线的第二位置，以便于翼型受到下部机构的风力推力。

美国专利US6,254,034公开了一种装配有翼型的装置(″系绳飞行器″)，其由风力流在可控速度下推动，以便于产生风能。该翼型通过一个绳连接到绞车上，其驱动一个产生电能的发电机。在翼型上装配有一个驱动系统，该驱动系统检测和修改风附着角度并且修改截取的风力正面区域。这种系统由操作者从地面上控制，该操作者读取通过适当传感器，或者通过远程控制系统自动传送的显示数据。该风筝被驱动以便于在高的附着角度下顺风上升。在结束它的上升过程之后，该附着角度减少并且该翼型滑动，以便于逆风行进。该翼型恢复，再次顺风滑动并且循环被重复。

荷兰专利NL1017171C公开了一种类似前述的装置，然而，其中没有提供手动驱动模式，其中通过倾斜作为标志的风筝，翼型发生恢复，以便于当重绕绳时最小化风推力。

美国专利US6,523,781公开了一种翼型组成的装置(″翼型风筝″)，通过该装置捕获风能，该翼型具有入口边缘，出口边缘和两侧边缘。这种翼型通过风筝本身支撑的机构驱动。此装置装配有连接到翼型边缘上的绳，并且通过这种绳，修改俯仰角来驱动风筝。该驱动机构由设置在动力绳内部的电缆提供能量，该动力绳将风筝连接到绞车上，该绞车致动产生电力的发电机。该翼型由产生升力的风所推动上升，并且描述了一个与风速方向几乎垂直的路线。在已经结束它的上升过程之后，该风筝恢复并且随后被驱动，以便于再次捕获风。

美国申请US2005046197公开了一种利用风能并且装配有翼型的装置(″风筝″)，利用绳，通过致动连接到发电机的绞车，该风能产生电力。通过附加的绳驱动风筝，通过该附加的绳该风力附着角修改。该翼型在高的附着角度下上升。在已经结束它的上升过程之后，该附着角度最小化并且翼型恢复，以便于再次开始循环。

通过分析现有技术能够了解到，在已知系统中，机械的风筝驱动组件不同于能量产生组件，并且翼型通过直接安装在风筝上的机构驱动或者通过发生展开和重绕过程的四个辅助绳，利用不同的绞车所驱动，这些绞车用于发电并且由设置在地平面或者从地面悬挂的系统控制，因此这些翼型由风筝本身所支撑。

而且，在许多现有系统中，驱动该翼型以便于通过主要地利用迎面阻力(也就是平行于风速的风推力部分)产生电力。在其他的系统中，该风筝操作循环特征在于，通过利用升力(也就是垂直于风速的风推力部分)产生的上升和通过最小化这种升力产生的下降的连续的交替。

而且，在现有系统中，注意力已经单独地集中在希望通过循环过程持续地产生电力，而忽视了从风力中利用的能量最大化的可能系统的实现。

而且，现在从风能开始的电流产生过程发生在利用不可移动装置的工厂内部。因此，关于此再生能源的利用方面，不存在一种在存在风的任何地方有可能产生电流并且能够迁移的装置。在上下文中，一种类似的潜在性将替代地提供巨大优点，其中现今电流通过连续的群(燃料电动发电机)单独产生，例如在野战医院中。

然而，当前与动力翼型的控制系统相关的问题在一些极有限数目的工程和研究中详细地解决，主要集中在现有系统中生产率的增加，而不是发展新的高能产生系统。

过去，还已经提出了不同的装置，涉及通过装置利用动力翼型捕获风力流的牵引船。

特别地，英国专利GB2,098,951公开了一种通过一系列电力翼型用于牵引船的装置。翼型的启动从提升一对绳的引导翼型的启动开始，这对绳作为另一个翼型启动的向导。该引导绳展开直到所有的动力翼型已经达到充分高度。为了防止上升时翼型开始摇动，在它们设置用于捕获风力流之前它们中的一些下降或者缩帆。在所有的动力翼型已经达到适当高度之后，它们的上升过程结束并且引导翼型恢复或者在布置在动力翼型系列的头部处的储存管道中牵引。

美国专利US5,056,447公开了一种将风能转换为机械能的装置，其通过一个由设置在不同高度处的帆组成的系统并且帆的凹度向下定向。这种装置相当于由上升的风力流牵引的动力翼型。这种装置能使用于地面，水中或者空中传送，轨道传送或者用于通过致动发电机的旋转叶片产生电能。

美国专利US5,435,259公开了一种利用高海拔风力流的装置，以产生电能或者用于在地面或者水上牵引车辆。当乘客在车上时，该车辆驱动一个由动力翼型组成的系统，该动力翼型具有普通滑翔机的性质。该车辆，作为一个活动锚操作，装配有防翻转控制系统，该系统的特征在于一个旋绕中心车辆截面的控制绳和在两个车辆侧面上延伸的杆。这种杆表现为推动下端绳端的轨道的部分，其锚定动力翼型到车辆上，远离下风面，从而避免它们的翻转。该动力翼型系统在它的上端装配有圆柱形的空气静力学的气球，以在缺乏风力的情况下支撑该负载。这种气球还在它们的端部具有风力涡轮，通过该涡轮产生电能。

国际申请WO03097448公开了一种通过动力翼型牵引船的装置。这种装置装配有至少一个″正位索″，通过该索翼型连接到船主体上。由正位索传送到船主体上的作用力的施力点根据沿着船前进方向的风是可变的。这种施力点实际上在装配在船身的周边导向装置的内部滑动，以便于减少侧倾。

美国申请US2004035345公开了一种驱动动力翼型的装置，该动力翼型通过至少一对″吊索″锚定到一个船上。翼型的控制仪表包含轨道，其在水表面下面水平地延伸并且在轨道上面装配有一个装置，以用于偏离沿着轨道滑动的吊索。这种导向装置限制在动力翼型和翼型驱动系统之间的船主体上，从而由翼型产生的牵引力产生围绕水中船的纵轴和/或横轴的力矩，利用该力矩向上推动该顺风的船。

美国申请US2004200396公开了三种方法，其可能紧挨着船体产生推力以确保在水面上的它的前进。第一种方法在于放置帆在船尾上并且朝向风使它们倾斜(在船的外面)，以便于产生一个推力。第二种方法在于利用锚定在船首的动力翼型并且被驱动以便于其在高处和船的前面飞翔，从而产生推进船的牵引力。第三方法在于装配有宽的平板的龙骨(keel)，向上倾斜，穿越水前进，产生一个倾向于抬起船体的推力。该专利还公开了由织物带制成的革命性的回转帆，其通过表现为格栅的框架延伸。这些帆被制造成便于当它们推压格栅时与风力流对抗，并且当此随后风力流沿着反向传播时提供风力通道，使得织物带从该框架中离开。

国际申请WO2005100147公开了一种通过动力翼型牵引船的装置，其中该动力翼型利用绳锚定到船体上。这种装置被作为专用的，辅助的或者备用的导向装置。该系统安装有绞车，该绞车包含有该绳被缠绕和展开的装置。当在绳上的牵引力不够，或者风速突然下降时发生重绕过程。当绳负荷和/或风速过度时发生绳展开过程。

国际申请WO2005100148公开了一种通过动力翼型牵引船的装置，其中该动力翼型利用绳锚定到船体上。这种装置被作为专用的，辅助的或者备用的导向装置。该翼型由控制装置驱动，该控制装置引导该翼型实施其实施螺旋形或者正弦曲线的轨线，这些轨线相对于风力流沿着垂直方向延伸，其中速度矢量垂直于风速。不同的轨线或者静止飞行状态通过控制系统选择，其中考虑到过程、方向、风速和海洋运行。

国际申请WO2005100149公开了一种通过动力翼型牵引船的装置。这种装置被作为专用的，辅助的或者备用的导向装置。该翼型利用绳连接到船上，该绳采用紧挨着翼型的一系列电缆作为风扇打开。由翼型支持并且连接到其上的驱动系统修改风附着角度，以便于调节翼型相对于船的位置。

德国专利申请DE102004018814公开了一种通过动力翼型牵引船的装置，其中该动力翼型利用绳锚定到船体上。这种翼型通过一个装置驱动，该装置装配在方位角上，由翼型本身支撑，并且通过该装置翼型由船所引导。该装置还装配有接收系统和自动触发装置，当系统没有操作时，该接收系统支撑该翼型，并且通过该自动触发装置翼型下降。

因此，本发明的目的在于通过提供一种经由至少一个动力翼型转换能量的风力系统来解决上述现有技术问题，其中翼型的机械传送部分与电力产生部分不同。

本发明的另一个目的在于通过提供一种经由至少一个动力翼型转换能量的风力系统，其中这种翼型由智能控制系统驱动，在每个操作循环上，该系统使得翼型实施最佳路线，以便于最优化从风力中捕获的风能。

本发明的进一步目的在于通过提供一种经由至少一个动力翼型转换能量的风力系统，其中设置在地面上它的部分的障碍物受到限制，使得采用普通汽车对它们的运输还是可能的。

而且，本发明的目的在于提供一种根据本发明通过风力系统产生电能的方法，该系统相对于现有技术提供系统更加有效的驱动。

本发明的上述和其他的目的和优点，出现在下面描述中，将从权利要求1所保护的通过动力翼型转换能量的风力系统中获得。

而且，本发明的上述和其他的目的和优点是从权利要求24所要求保护的，通过根据本发明的风力系统的产生电能的方法中获得。

本发明的优选实施例和重要的变化是附加权利要求的主题。本发明将接合附图，通过提供作为非限制例子的一些它的优选实施例得到更佳的描述，其中：

图1示出了根据本发明的系统的组件的优选实施例的透视图；

图2示出了图1的组件的另一个透视图；

图3a示出了在它的运行位置之一的，根据本发明的系统的另一个组分的优选实施例的透视图；

图3b示出了在它的另一个运行位置之一的，图3a的组分的透视图；

图4示出了在它的一些操作步骤中，根据本发明的系统的示意图；

图5示出了使沉浸在风力流和产生的相关作用力中的不动的空气动力面的示意图；

图6示出了没有沿着垂直于风速和产生的相关作用力移动的空气动力面的示意图；和

图7示出了根据本发明的系统的可能应用的示意透视图。

参见附图，有可能了解到根据本发明的用于转换能量的风力系统包括：至少一个动力翼型30，其从沉浸在被捕获的风力流的地面处被驱动(在下面，为了简明还称为术语″风筝″)。这种翼型由编织纤维制造，其通常用来制造用于某个的运动项目所特有的帆，例如冲浪和赛车。风筝特征的主要技术要求是表面面积。由于近来的空气动力学研究，翼型可市场上获得并且就控制和驱动性而言，它可满足一定需要。通过适当地驱动翼型，有可能调整从风中的能量传送。特别地，有可能沿着飞行轨迹引导风筝30从一个位置处，在该位置处，翼型30所沉浸的风力流施加的牵引力是最大的，到一个近似停转位置(该停转位置在平转角或者横向上)，在该近似停转位置处，这种牵引力是最小的。通过循环地交替最大牵引力的步骤到近似停转的步骤，进行已经跟随的恢复过程，实施电能产生步骤，这将在下面详细描述；一个基本平台1，其适合于驱动翼型30并且转换风力流的风能为电能或机械能，设置在地平面上并且通过两条绳2连接到动力翼型30上，这两条绳2适合于从翼型30开始或者朝向翼型30传送作用力，并且两者使用来控制翼型30的飞行轨迹并且在随后的模式下用于传送能量。有可能设置互相串联的多个动力翼型30，为了将牵引力加入到绳2上。实际上，翼型30通过绳2的单个系统连接到基本平台1上。  为了易于说明，在此参考的情况是指根据本发明的风力系统装配有单个翼型30。根据本发明的风力系统的工作原理实际上并不取决于使用的翼型30的数目。使用多个动力翼型30得出的优点在于增加了通过这样翼型截取的面对风的表面，并且因而增加了在绞车3上的牵引力以及在每个操作循环产生的电能，这将在下面详细描述。

而且，根据本发明的系统包括一个在基本平台1上运行的智能控制系统和与此智能控制系统接合以管理电能累积和传送的供应系统12，通过该智能控制系统，翼型30的飞行实现自动管理。

该智能控制系统与一组设置在翼型30上的具有自动供给的传感器结合，它们优选以无线模式传送信息到智能控制系统的地面组件上。该智能控制系统将这些信息与来自一组地面传感器的其他信息(例如通过阅读电动机转矩确定的负荷绳的值)综合，并且在翼型30的整个运行周期期间，实施自动驱动翼型30的过程。

具体参见图1和2，有可能了解到基本平台1包括至少两个绞车3，在两个绞车3的每个上卷绕或者展开一个相应的绳2，可能通过插入至少一个变换器4，每个这种绞车3连接到发电机/电动机5上。紧挨着每个绞车3存在一个导向模块6和传输系统，导向模块6迫使每个绳2整齐缠绕在它的相应绞车3上，并且传输系统引导每个绳2朝向翼型30。因此，通过在它们相应的绞车3上展开和重绕绳2来驱动翼型30。因此，该绳2是在风筝30和基本平台1之间的连接元件，并且允许在风筝30和绞车3之间传送作用力。当风筝30由风力提升时，该绳2确定绞车3的旋转，以致利用发电机5的能量转换。相反的，在风筝30的恢复期间，利用电动机通过旋转绞车3产生的张力，该绳2传送到翼型30。显然的，每个绳2的长度和直径取决于人们想操作的风力和安全条件。

该传输系统包含伴随绳2通过滑轮的方块。在附图示出的优选实施例中，该传输系统特别由下面组成：装配在绳2的导向模块6的滑块6a上的第一对方块7a；第二对方块7b，它们设置在绳2的导向模块6的下游处，并且适合于使得包括在这些相同的方块7b和装配在导向模块6的滑块6a上的方块之间的绳2的长度保持水平；第三对方块7d，它们适合于朝向翼型30传送绳2；至少一对用于削弱突然负载变化的机构，该机构包括在第二对方块7b和第三对方块7d之间；每个这种机构由至少一个弹性元件17组成，诸如弹性索或者弹簧，它们紧挨着一个它的端部17a，锚定到基本平台1上并且在另一端处与导向模块6的下游处的一段绳2结合，这种弹性元件17可能在它到第五方块7e的这样的两端之间传送。在弹性元件17和绳2之间的结合通过插入第四方块7c实现。当产生风力时，弹性元件17展开，削弱突然的负荷变化。反过来，如果负荷突然降低，弹性元件17收缩，部分地补偿该延迟，这样智能控制系统发生干涉，如下所述，以便适应张力减少。在附图中的传输系统优选装配有用于削减突然的负荷变化的两个机构，一个紧挨着每个绞车3。该传输系统还包括一对拉紧装置18，每个绳具有一个，并且设置在用于削弱突然的负荷变化的机构和伴随绳2朝向翼型30的第三对方块7d之间。

参见图3a和3b，有可能了解的是这种装置18由相互面对的，具有共面旋转轴的第一滑轮19a和第二滑轮19b组成。滑轮19a、19b围绕相应的第一旋转销20a和第二旋转销20b旋转并且插入在两个紧握件21之间。特别地，第一旋转销20a滑动在紧握件21中存在的一对狭槽22内部，以便它们距离第二旋转销20b的距离不是不变的，而是发生变化的。第一销20a和第二销20b还通过弹性元件相互连接，例如一对弹簧23，每个弹簧紧挨着每个紧握件21。然后，拉紧装置18固定到基本平台1上，例如利用通过紧握件21的孔26内部的杆(未示出)。滑轮19a，  19b的尺寸以及弹簧23的弹性常数应如此，使得当在绳2上不存在负荷时，两个滑轮19a，  19b处于第一位置，类似于在图3所示的一样，其中它们保持与绳2的接触，阻塞并且停止它的运动。如此，如果风力停止，同时翼型30正在飞行时，由于削减突然的负荷变化的机构的弹性索17的牵引力的效果，拉紧装置18将防止绳2滑动，保持它们处于张紧状态。反而，当展开和重绕绳2时，负荷是如此以至弹簧23允许滑轮19a，19b的相对远离运动，确保在第一滑轮19a上的绳2的正常卷绕。在附图中所示的传输系统优选装配有两个拉紧装置18，一个紧挨着每个绞车3。装配在绳2的导向模块6的滑块6a上的方块7a，设置在这种模块6下游的方块7b和用于削减突然的负荷变化的机构上的一对方块7c的头部固定，同时在其他方块中它的头部能够自由旋转。特别地，在伴随绳朝向翼型30的方块7d中，有可能通过至少一个弹簧25实现到基本平台1上的旋转连接。这允许旋转的最大自由度并且此要求是基本的，以便于该系统根据本发明操作时能够伴随绳2朝向翼型30。

该导向模块6是基本平台1的组件，其迫使绳2整齐地围绕在绞车3上，并且防止在绳2和绞车3的紧握件之间以及在绳2它们自己之间的滑动。每个导向模块6装配有滑块6a，其沿着与相应的绞车3的旋转轴平行设置的轨道6b滑动。该滑块6a能够沿着这个轨道6b，沿着两个方向平移，并且第一方块7a装配在其上。特别地，这种滑块6a的滑动由滑动机构(未示出)控制，该滑动机构使得它与绞车3的旋转一起移动，该滑动机构是螺旋传动或者带驱动的。在螺旋传动的滑动机构中，滑块6a沿着轨道6b的滑动通过滚珠循环精确螺杆的旋转进行控制。在带驱动的滑动机构中，滑块6a装配在定时带上。

在绳2的导向模块6中，滑块的移动由至少一个电动机(未示出)控制，该电动机在滑动机构上运行，该滑动机构的运行由控制翼型30的智能控制系统所管理。

根据本发明的系统优选装配有绳2的两个导向模块6，一个紧挨着每个绞车3。该绞车3是装配有绞车的组件，绳2围绕该绞车卷绕。该绞车3，通过插入优选是周转圆类型的变换器4，连接到发电机和电的电动机5上。因此，每个绞车3的旋转连接到相应传动轴的旋转上。在产生电能的步骤期间，绳2从绞车上展开强加绞车3旋转。而在翼型30的恢复期间，电动机启动该绞车3。该装置包含两个绞车3，每个绳2用一个。该发电机5是产生电力的元件。当绳2展开时，由于绞车3它们的致动产生。在根据本发明的系统中，该发电机5还作为电动机，当必须恢复翼型30时，负责重绕绳2在绞车3上。该发电机/电动机5由在下面描述的模式中的智能控制系统所控制，根绝本发明的系统优选装配有两个发电机/电动机5。该智能控制系统是自动驱动翼型30的系统。这种系统的主要任务在于控制发电机/电动机5的运行，以及随后绞车3的旋转。通过在相同绞车3上调整绳2的展开和重绕，实际上发生翼型30的被驱动，通过该绞车3产生能量。因此，连接翼型2到基本平台2上的绳2两者都是动力绳和传动绳。该能量产生单独地取决于绞车3的旋转方向：当通过绳2的牵引力确定绞车的旋转并且致动发电机5时产生电力。  反之，当通过发动机确定绞车3的旋转并且允许重绕绳2时则存在能量消耗。翼型的驱动取决于绞车3的旋转方向和转速。事实上，通过适当地修改风附着角度可驱动翼型30。这种角度取决于翼型30相对于风速的相对位置，以及取决于相对于两个展开绳2长度的每个的长度。例如，如果为了使得翼型30呈现一定的倾斜，必须缩短一个展开的绳2相对于另一个的长度，为了获得这种结果，一个绞车3必须相对于另一个加速或者减速地旋转。

因此，在没有削减能量生成或者翼型30的恢复的情况下，通过使得两个绞车3的转速不同会驱动翼型30。利用预先控制的算法实施翼型30飞行的自动检测，通过该算法对翼型30进行驱动以避免振荡，驱动不稳定性和局部牵引力最大值。翼型30实施的该路线或者飞行轨迹是可预见的，以便在操作循环期间，最大安全情况下，最优化产生的能量，服从在动力技术要求下的最大值，并且最小化从当前位置到预先确定位置的必需时间。利用实时处理过程实施翼型30的自动驱动，该处理过程接收并且处理一组来自地面传感器和在翼型30上的信息，在运载工具上其必须预先处理数据，以便不致于对智能控制系统的地面组件的通信产生过载，尤其是如果这种通信是无线模式的情况。输入信息与翼型30的位置、加速度、作用力(例如，通过阅读电动机转矩5确定的绳负荷)以及几何限定参数相关。该智能控制系统通过预先算法处理这种输入并且产生一个输出，该输出启动连接到绞车3上的发电机/电动机5。输入信息的处理要求一个时间间隔，该时间间隔与数据分析的长度成比例。通过最小化这种间隔的长度，驱动翼型30所具有的延迟得到减少。为此，短期的分析倾向于是优选的。然而，短期的分析不能预知一个具有最优时间深度的路线。因而，重要的是优先考虑最优的折衷解决方案，以便于短时但是充分地进行数据处理过程，以提供一个最优的路线长度。然而，合理的是，假定设置一个比在操作循环期间描述的路线更长的路线是无用的。

由智能控制系统实施的预先算法在每个瞬间确定最佳位置，该翼型30必须在跟随的瞬间占据该最佳位置，通过适当的飞行和控制参数(飞行高度，平衡动力，牵引力数据，安全计算开关限制区域，构件应力位置，不稳定性或者过度力，驱动必须实施的瞬间...)。对于每个瞬间，每个参数与最佳位置的坐标(关于该参数)一致，在这确定瞬间翼型应该占有这个最佳位置。每个参数还分配一个相对加权值，利用追溯系统来确定在每个瞬时该相对加权值的设定值，该相对权重修正大多数临界参数的加权值，以便于使得围绕这种参数的决定更加重要。一旦对于每个参数已经收集最佳坐标，当预知时对于每个瞬时实施矢量和。最后，跟随引入时间加权值，其优选采用短期策略，对于每个瞬间计算最优坐标。在已经提供理想位置的坐标之后，该翼型30必须在随后瞬时中占有该位置，实时处理过程确定由翼型30跟随的最佳路线以达到这些位置。用于此目的的算法利用飞行公式，翼型30的惯性和反作用力百分比，翼型具有的反作用力取决于电缆2上的牵引力差别，用于确定翼型30的驱动规律。通过适当的控制技术，对驱动进行校准以便管理由于惯性原因，运动链的弹性和测量延迟导致的振荡风险和过度增益。

绞车3的旋转检测不是智能控制系统实施的仅有的功能。如前所述，该系统还用于对绳2的导向模块6的致动。通过在模块的滑动机构上运行，驱动这种模块的电动机被控制，以便于适当地耦合绞车3的旋转与导向模块6的滑块7a的平移。因此，利用智能控制系统，滑块6a的速度和平移方向被调整，以便于迫使绳2整齐地缠绕在绞车3上，并且防止在绳2和绞车3的紧握件之间以及绳自身之间的滑动。该智能控制系统必须最后识别并且及时地适应突发事件，例如风吹或者负荷下降。在发生风力吹动的情况下，通过减少绳2的张力，该智能控制系统进行干预，以避免过载损害该系统。通过驱动绞车3以便允许绳2的迅速展开，这种情况会发生。由于在绳2上缺乏的张力会使得翼型30猛地落下，而不会有任何驱动机会，从而应避免突然负荷的降低。如果负荷下降发生，该智能控制系统通过加速绞车3的旋转(当重绕时，假若发生该事件)或者通过使它们的旋转方向反向(当展开时，假若负荷下降发生)而实施干预。如此，翼型30的控制得到恢复。

该供应系统包含积累和传送电能的所有必要组件。特别地，该供应系统装配有电源，当展开绳2时，通过变换器和蓄电池产生的电力被储存，当恢复翼型30时，电流被传送给电动机5，并且提供根据本发明系统的电子器件，电能供给到可能的外部用户。

通过与供应系统结合的智能控制系统控制根据本发明的系统的所有电子器件的运行。

从上述内容显然的是，相对于现有技术提出的内容，根据本发明的系统提供一种翼型30的创新控制模式，由于在传动绳和动力绳之间不存在区别，两个这样的功能仅仅由两个绳2所施行。因此，存在致动发电机5的单对绞车3，该发电机5还作为电动机。然而在现有技术中，风筝恢复是通过相同的绞车发生，通过该相同的绞车会发电，在根据本发明的系统中，不仅风筝会灰复，通过相同的绞车，翼型30还被驱动。通过调节展开绳2的截面的长度对风附着角度和风筝30所截取的面对风的面积进行控制，以便当翼型30上升时获得最大功率输出，和在恢复阶段期间最低的能量消耗。

本发明还涉及通过类似前述装置的风力系统产生电能的方法。大体上，根据本发明的方法具有间断的类型，该方法结合了由风力系统驱动的从风能到电能的能量转换过程。特别参见附图4，有可能了解到根据本发明的方法包括下面步骤：a)F1，管理翼型30的飞行轨迹，优选通过智能控制系统自动管理，如此有可能从风或者风力流W中抽取的风能是最大值。特别地，该智能控制系统驱动翼型30，以便利用该″升力″，也就是垂直于风速W的作用力的分力。如此，该翼型30上升，继续扫描面对风的表面。从而，风促使翼型30上升，对连接到基本平台1上的绳2拉紧：此牵引力转换为在绞车3水平处的旋转并且利用变换器4传送到发电机5，在该发电机5处通过获得一对相对的作用力，产生电能；b)F2，驱动翼型30，优选通过智能控制系统自动实施，以便达到一个近似停转位置，紧挨着该位置处缺少风推力；c)F3，利用还可作为发电机的电动机5，在绞车3上重绕绳2。在最低能量消耗的情况下重绕绳2，并且在已经结束绳2的恢复之后，布置该翼型30以便返回到最大牵引力状况；d)此时，重复该过程。

当展开绳2时产生的能量大于它们重绕所消耗的能量。因此，能量平衡是肯定的。

通过利用根据本发明的方法，并且采用智能控制系统，通过来自装配在翼型30上的一组传感器和一组地面传感器的实时处理信息，有可能驱动翼型30，以便主要利用升力使得翼型30上升。如此，在每个过程周期期间，就风能而言，翼型30跟随的路线是最适宜的，该风能是通过跟随路线(例如一连串的8个)的风力中获得，以便截取最大风量。因此，根据本发明的方法不仅确保在产生电力方面的连续性，而且在采用与已知系统相比的相同尺寸翼型的情况下，在每个循环获得的能量实现最优化。

根据本发明的风力系统和方法证明的高效率的证据，仅仅举例而言，我们假设翼型必须能够支持(也就是它的组件没有受到损坏)的风速Vw是6米/秒。进一步假设绳展开的最大速度V₃是4米/秒。通过″扫描″面对风的表面，该翼型30不会发生振动，如此驱动该翼型30使得获得的速度远远大于风速。特别地我们假设在翼型30的速度V_k和风速V_w之间的比率值大于10.如果最大风速V_w是6米/秒，则翼型30的最大速度V_k是60米/秒。不令人惊讶的是绳2的最大展开速度V3是假定等于4米/秒，同时翼型30的最大速度是60米/秒。该翼型30实际上，类似普通的风筝，能够连续地改变它的运动方向，不具有相当于绳2迅速展开的此过程。我们进一步假设在已经完成绳2的重绕过程之后，在翼型被风捕捉的情况下，每个绳2的长度，在瞬时，是80米，并且由风力流施加的牵引力意味着绳被展开大约200米。

通过假定展开速度是4米/秒，能量生成就是每循环50秒(200/4米/(米/秒)。我们假设其他4秒必须将翼型30保持在近似停转位置(在平转角或者横向)。特别地，在第一秒期间，绳2的展开仍然保持在2米/秒的平均速度。在剩下的3秒期间，重绕动作将以4米/秒的平均速度开始。通常地，在进入到近似停转状态的步骤期间，将发生2米的绳展开过程(2*1(米/秒)*秒))和12米的重绕过程(4*3(米/秒)*秒)。因此，在这个步骤的末端，绳2的长度将为270米(280+2-12米)。现在开始重绕过程，这将绳的长度收回到初始呈现的80米长度。如果重绕过程以8米/秒的速度发生，这将要求23.75秒的时间(190/8米/(米/秒))。

现在描述的操作循环相当于根据本发明的方法的假设的标准循环，在此循环期间，绳的长度将绝不短于80米。显然的是，还存在一个初始启动循环，在该循环期间，必须手动地展开假定的80米绳(从基本平台离开)并且使得风筝由风力流捕获。此第一循环不用来产生电能，但是将风力系统达到它的操作状态。

始终参见上述例子，为了安全起见，每个绳2的最大长度将不会短于318米。实际上，对于一个4秒的时间段，假定风速等于12米/秒。为了防止风力系统受到损坏，假定，在这种情况下，绳2的展开速度为8米/秒。然而，该风力将意味着绳2的展开等于36米(8*4(米/秒)*秒)。

考虑到当恢复任何停转位置时绳2的重绕以及当存在风吹时绳发生的安全展开两个过程，结合描述的例子，绞车3必须支持的最大转速(关于绳2)等于8米/秒。

现在还可能对翼型30从风中提取的能量进行处理的做出一些考虑。为了此目的，并且参见图5，首先研究系统的空气动力学是适当的。当风力流满足稳定的空气动力学(″翼型″)表面AS时，大家都知道这样的气流产生两个作用力：与沿着风吹的方向W平行的迎面阻力D，和垂直与该方向的升力L。就风力层流而言，在空气动力面AS上面通过的风力流AF1比在在其下面通过的风力流AF2更快，因为它们必须行进一个更长的距离。这确定了在翼型上部的一个压降和由此的产生升力L的压力梯度。相反的，参见图6，假定翼型AM沿着升力的方向DT移动。由于此运动，空气动力学翼型AM的底面相对于风速倾斜。在此情况下，升力和迎面阻力分别垂直和平行于相对翼型的相对风速。

通过标定S₁是与运动方向平行的作用力，S₂是与这样方向垂直的作用力，平行于运行方向的升力L的分力具有与空气动力学翼型AM平移相同的方向，同时迎面阻力D的平行分力具有相反的方向。

为此，为了保持运动沿着与风力垂直的方向，适合于倾斜翼型AM，以便于获得在沿着翼型AM的运动方向DT的升力L相对迎面阻力D的分力之间较高的比率。

这些考虑对于根据本发明的风力系统的翼型30还是有效的。该智能控制系统实际上驱动翼型30，以便在翼型30的上升步骤期间保持升力和迎面阻力的比率较高。如此，通过扫描风正面和产生电力，由于绳2的牵引，翼型30振动。当翼型39上升时产生的电力通过将翼型(也就是风筝区域)A截取的面对风的区域的具体风功率乘以风筝功率因数获得，性能系数取决于在翼型和风之间的转速比V_k/V_w以及两个系数K_d和K₁(K_d涉及阻力，也就是当风筝在沿着风向的作用力和速度下牵引基本约束时，并且K₁涉及升力，也就是当风筝通过振动牵引基本约束时，以便扫描面对的风的表面)。如上所述，由于升力，风筝速度远远大于风速。风筝动力越大，升力相对于阻力的比率越高。

举例来说，假定V_k/V_w＝10，K₁＝1.2并且K_d＝0.1。

在此情况下，将获得KPF＝20。

假定空气密度p是恒定的并且等于1.225千克/米³，该具体的风功率为：

$\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}_w^3=0.5*\mathrm{1,225}*6^3=\mathrm{132,3}W/m^2$

利用风筝产生的该″KitePower″功率由下面公式表不：KitePower＝KPF*具体的风功率*A，其中A是截取风正面的风筝区域。例如，使用的翼型具有区域A＝18平方米，并且以60米/秒的速度从6米/秒的风速推动，在绳水平处产生的功率有可能达到47628W。因此，这样的功率将相当于风筝所能产生的最大功率。

总之，通过KPF假定的值取决于翼型效率。有可能使得KPF假定值大于20。如果，例如，KPF假定一个等于40的值，从具有18平方米区域的风筝获得最大功率将为95256W。

参见图8，有可能认识到根据本发明的风力系统还发现在航海方面的有效应用，以用于利用风能对船牵引。

在此情况下，根据本发明的系统的所有前述组件设置在帆船或者摩托艇100上。伴随绳2朝向翼型30的传输系统设置在船首101处并且驱动翼型30以便于总是设置在船100的前面。

与前述应用不同的是，风力系统的主要目标不再在于风能转换到电能方面，而是在于利用风力牵引船100，以及由此转换风能到机械能。

与前述应用类似，该智能控制系统计划用于最大化该动力翼型30从风力中抽取的能量，总之避免绳的负荷变得过度并且损坏风力系统的组件。现对于先前应用的主要区别在于风能的利用不再是断续地发生。实际上，没有驱动风筝，以便交替上升步骤和恢复步骤获得积极的能量平衡，以便最优化风力流的连续利用。在稳态运行期间，风筝30恢复单独发生，以便适应于可能的风力下降或者适当地定位翼型30。绳2的展开和重绕不再为了循环地产生能量目的，而是为了驱动目的。绳2仍然被认为是动力和传送绳2，通过该绳2翼型30连接到船上。根据前述应用描述的相同原理发生驱动过程。通过旋转绞车致动发电机的电力传输不再发生，但是尽可能地限制绳2的展开，以便船100相对于固定参考系统移动，翼型30通过绳2连接到船100上。

有可能认识到，在两者应用中，风能的利用是怎样与空中翼型的前进相关的。该区别存在于，在前述装置中，观察器与固定参考系统(也就是，地面)结合，在应用到船的情况下，基本平台1和在风筝30的前进期间观察器跟随该风筝30。总之，有可能通过根据本发明的风力系统产生的电力应用到船100上。实际上，当移动需要结束时，与前述应用描述内容类似，有可能利用翼型30来产生电力。在此情况下，该智能控制系统将结合翼型30适当的飞行限制，以防止绳2保持与绳100与其他组件的接触。

除了前述优点之外，根据本发明的风力系统和方法允许获得其他的主要的结果，相对于现有技术中已经提出的内容；特别地：该风力系统易于操作，并且因而在紧急情况下供给电能是有效的，诸如在困难供给情况下或者当安装地点不能使用时；它的极端低成本和工作特性使得该装置可用于传统的运用(事故，院落...)；由于它的可称量特征，该风力系统是用于大尺寸稳定发电机的启动技术；该风力系统还能利用高空气流，其中更大的风力利用率和速度确保了相对于地面的风力流的更大的能量密度；根据本发明的方法的操作循环是迅速的，允许相对于较小的翼型利用更大风量的风能；风力系统的最昂贵的组件设置在地平面上并且被保护；由于升力的轴向分力的利用，产生电力，这确保了相对于迎面阻力利用的更大的能量传送。

Claims (26)

1.一种转换能量的风力系统，特征在于其包括：至少一个动力翼型(30)，其适合于从地面被驱动并且沉浸在至少一个风力流(W)中；一个基本平台(1)，其设置在地平面上并且通过两个绳(2)连接到所述动力翼型(30)上，所述基本平台(1)适合于驱动所述翼型(30)并且将所述风力流的风能转换为电能或者机械能，所述两个绳(2)适合于将作用力从翼型(30)传送或者传送到其上，并且使用于所述翼型(30)的飞行轨迹的检测和能量传送两个目的。

2.如权利要求1所述的风力系统，其特征在于适合于通过所述基本平台(1)在所述飞行轨迹中驱动所述翼型(30)，以便翼型循环地运行，从所述风力流施加的牵引力是最大值的位置到在它的平转角或者横向上的近似停转位置，在该近似停转位置处所述牵引力是最低值，并且通过所述绞车(3)恢复。

3.如权利要求1所述的风力系统，其特征在于它包括在基本平台(1)上运行的智能控制系统，该系统适合于沿着所述飞行轨迹自动地控制所述翼型(30)。

4.如权利要求3所述的风力系统，其特征在于它包含与所述智能控制系统配合的供应系统(12)，以管理能量积累和传送。

5.如权利要求3所述的风力系统，其特征在于所述智能控制系统安装有一组设置在所述翼型(30)上的传感器。

6.如权利要求5所述的风力系统，其特征在于设置在所述翼型(30)上的所述该组传感器以无线方式发送信息到所述智能控制系统上。

7.如权利要求3所述的风力系统，其特征在于所述智能控制系统安装有一组地面传感器。

8.如权利要求1所述的风力系统，其特征在于所述基本平台(1)包含至少两个绞车(3)，在两个绞车的每个上展开或者重绕一个相应的所述绳(2)，每个所述绞车(3)连接到发电机/电动机(5)上。

9.如权利要求8所述的风力系统，其特征在于通过插入至少一个周转圆的变换器(4)，所述绞车(3)连接到所述发电机/电动机(5)上。

10.如权利要求8所述的风力系统，其特征在于所述绞车(3)安装有一个导向模块(6)，其适合于迫使所述绳(2)整齐地缠绕在所述绞车(3)上。

11.如前述权利要求任一所述的风力系统，其特征在于它安装有一个传输系统，其适合于朝向所述翼型(30)引导每个所述绳(2)。

12.如权利要求11所述的风力系统，其特征在于所述传输系统包含：第一对方块(7a)，其装配在所述绳(2)的所述导向模块(6)的滑块(6a)上，第二对方块(7b)，其在所述绳(2)的所述导向模块(6)的下游处，所述绳(2)适合于保持水平，所述绳(2)的长度包括在所述第二方块(7b)和所述第一方块(7a)之间；第三对方块(7d)，其适合于朝向所述翼型(30)发送所述绳(2)。

13.如权利要求11或者12所述的风力系统，其特征在于所述传输系统包含至少一对机构，其用于削减包括在所述第二对方块(7b)和所述第三方块(7d)之间的突然的负荷变化。

14.如权利要求13所述的风力系统，其特征在于所述削弱机构包括至少一个弹性元件(17)，在它的端部(17a)其锚定到所述基本平台(1)上，并且通过插入第四方块(7c)，在它的另一端处连接到所述导向模块(6)下游处的所述绳(2)的一段上。

15.如权利要求11或者12所述的风力系统，其特征在于所述传输系统包含至少一对拉紧装置(18)，其设置在所述削减机构和所述第三对方块(7d)之间。

16.如权利要求15所述的风力系统，其特征在于所述拉紧装置(18)包括第一滑轮(19a)和第二滑轮(19b)，所述滑轮(19a，19b)互相面对并且具有共面的旋转轴，所述滑轮(19a，19b)围绕相应的第一旋转销(20a)和第二旋转销(20b)旋转并且插入在两个紧握件(21)之间，所述第一旋转销(20a)在所述紧握件(21)获得的一对狭槽(22)内部滑动，所述第一销(20a)和第二销(20b)通过弹性元件(23)相互连接。

17.如权利要求12所述的风力系统，其特征在于所述第三方块(7d)安装有一个旋转连接件，通过至少一个弹簧(25)实现到所述基本平坦(1)的连接。

18.如权利要求12所述的风力系统，其特征在于所述滑块(6a)沿着平行于所述绞车(3)的旋转轴的轨道(6b)滑动。

19.如权利要求18所述的风力系统，其特征在于所述滑块(6a)沿着所述轨道(6b)的滑动通过与所述绞车(3)旋转的滑动机构所控制。

20.如权利要求18所述的风力系统，其特征在于所述滑动机构由所述智能控制系统控制的电动机致动。

21.如权利要求18所述的风力系统，其特征在于所述滑动机构是螺旋控制。

22.如权利要求18所述的风力系统，其特征在于所述滑动机构是带控制。

23.如权利要求3所述的风力系统，其特征在于所述智能控制系统在所述绞车(3)上运行，以通过实施一个在每个瞬间确定最佳位置的预定算法，沿着飞行轨迹导向所述翼型(30)，根据飞行和控制参数，根据设置在所述翼型(30)的所述传感器组和在所述地面传感器组所发送的所述信息，所述翼型(30)必须在至少一个跟随的瞬时占有这个最佳位置，优选考虑利用风力流(W)产生的升力(L)。

24.根据上述权利要求任一的风力系统产生电能的方法，其特征在于它包含下列步骤：a)管理所述翼型30的飞行轨迹(F1)，以便最大化从风力流(W)中获取的风能，当上升时，所述翼型(30)拉紧连接到所述基本平台(1)上的所述绳(2)，该绳拉动所述绞车(3)旋转；b)驱动(F2)所述翼型(30)，以便达到近似停转位置；c)利用所述电动机(5)，通过所述绞车(3)重绕所述绳(2)(F3)，并且放置所述翼型(30)返回到最大牵引力状况；d)重复先前步骤。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于所述步骤a)和/或b)和/或c)和/或d)通过所述智能控制系统自动地发生。

26.根据权利要求1所述的风力系统的利用，为了通过将所述风能转换到机械能以对船(100)牵引，其中所述传输系统设置在所述船(100)的船首(101)，并且所述翼型(30)由所述智能控制系统驱动，以便总是保持在所述船(100)的前面。

Images